JP2019511899A - 半径方向内側スラスト軸受及び半径方向外側スラスト軸受を備える軸方向磁束電気機械 - Google Patents

Abstract

電気モータは、電磁要素のアレイを有する第１のキャリアと、磁極を画定している電磁要素を有する第２のキャリアとを有する。第１及び第２のキャリアは、各々軸を画定している。作動位置にあるとき、第１のキャリアと第２のキャリアとの間に空隙が形成される。内側スラスト軸受は、第１及び第２のキャリアを連結し、キャリアの相対的な回転運動を可能にするように配置されている。外側スラスト軸受は、第１及び第２のキャリアを連結し、キャリアの相対的な回転運動を可能にするように配置されている。第１及び第２のキャリアの各々の電磁要素は、外側スラスト軸受の半径方向内向きに、かつ内側スラスト軸受の半径方向外向きに配置されている。内側スラスト軸受及び外側スラスト軸受は、第１及び第２のキャリアの電磁要素の磁気引力に抗して空隙を維持するように配置されている。
【選択図】図６

Description

電気機械。

電気機械の設計では、機械の意図される用途及び所望の性能特性に応じて、スロットの数等の構造パラメータを選択することが知られている。しかしながら、構造パラメータの値全てが実際に使用されるわけではない。特にロボットにおける電気機械の性能を改善する余地がある。

電気機械は、典型的には、磁束を発生させるために軟磁性ステータポスト（歯）の周りに巻かれた導電性ワイヤ巻線を使用する。このタイプのモータ構造の製造プロセスは、時間がかかり高価な場合がある。同様に、例えば、下流側アクチュエータの重量が上流側アクチュエータによって支持され、加速されなければならないロボットにおける可動アクチュエータ用途のためのこのようなモータは、典型的には、モータを相対的に重くするトルク対質量比を有する。

一般的な永久磁石直接駆動モータは、ロータとステータとの間に高い永久磁力があるため、組み立てが困難である可能性がある。これらの高い磁力は、通常、ロータとステータを接合する際の、部品の損傷や作業者の負傷を避けるために、組み立てに複雑な固定具を必要とする。

ロボットアームの継手のような多くの動作制御装置に使用される大径で薄型の軸受は、典型的には、軸受アセンブリが離れること防止するようにハウジング内に物理的に保持されなければならない。多くの薄型軸受はまた、より厚型でより小径の軸受と比較して、比較的低い公差である傾向もある。更に、通常軸受は、典型的にねじ式又は他のタイプの部材によって提供される調節可能な予荷重を必要とする。この部材を薄型アセンブリ内に収めることは難しく、特に薄い断面の軸受では困難である。

一般的な軸方向磁束アクチュエータでは、軸受はロータの磁気活動部の内径に位置される。ロータの外径に軸受を据置すると、より多くの抗力が誘発され、軸受の直径が大きくなるにつれて軸受外形全体が増加するため、この設定は一般的な方法である。ロータの外径上の軸受はまた、装置の回転速度を制限する傾向がある。

単一のロータ／単一のステータで単一の内側軸受を動作させるために、ロータ構造とステータ構造とのどちらかを厚くして、より堅い構造を提供して偏差を減らす、あるいはロータとステータの偏差を吸収するために空隙距離を大きくする必要がある。第１の方法は、アクチュエータの加速とトルク密度を低減するより重い装置とより大きい包絡線とをもたらす。後者の方法は、より大きな空隙距離に起因するトルクの減少をもたらす。

本発明者は、電気機械の新たな追加の特徴と共に、ロボット工学に特に適した構造パラメータの新たな範囲を有する電気機械を提案した。

一実施形態では、電磁素子のアレイを有する第１のキャリアと、磁極を画定する電磁素子を有する第２のキャリアとを含む軸方向磁束電気機械が提供される。第１のキャリアは第１のキャリア軸を画定し、第２のキャリアは第２のキャリア軸を画定する。第１のキャリア及び第２のキャリアが作動位置にあるとき、第１のキャリアと第２のキャリアとの間に空隙が形成される。内側スラスト軸受は、第１のキャリア及び第２のキャリアを連結する。内側スラスト軸受は、第１のキャリア及び第２のキャリアの相対回転運動を可能にするように配置されている。外側スラスト軸受は、第１のキャリア及び第２のキャリアを連結する。外側スラスト軸受は、第１のキャリア及び第２のキャリアの相対回転運動を可能にするように配置されている。第１のキャリアの電磁要素及び第２のキャリアの電磁要素は、外側スラスト軸受の半径方向内向きに、内側スラスト軸受の半径方向外向きに配置されている。内側スラスト軸受及び外側スラスト軸受は、第１のキャリアの電磁要素及び第２のキャリアの電磁要素の磁気引力に抗して空隙を維持するように配置されている。

以下の特徴のうちの１つ以上及び他の特徴を含んでいてもよい。外側スラスト軸受は、純スラスト軸受であってもよい。内側スラスト軸受は、半径方向に位置する軸受であってもよい。内側スラスト軸受は、半径方向及び軸方向に位置していてもよい。内側スラスト軸受は、純スラスト軸受であってもよい。外側スラスト軸受は、半径方向に位置する軸受であってもよい。外側スラスト軸受は、半径方向及び軸方向に位置していてもよい。外側スラスト軸受は、半径方向及び軸方向の両方に位置することができ、内側スラスト軸受は、半径方向及び軸方向の両方に位置することができる。第１のキャリアの電磁要素は、３つ以上のセクションを画定する多相配線構成を更に含み得、各セクションはそれぞれの相に対応している。３つ以上のセクションの各々は、ある数の有線ポストを更に含み得、３つ以上のセクションの各々に対する有線ポストの数は同じである。３つ以上のセクションは、それぞれの相の各々に対して均等に配列された４つのセクションを更に含むことができる。４つの均等に配列されたセクションの各々は、少なくとも４つの有線ポストを更に含んでいてもよい。第２のキャリアの磁極は、永久磁石によって形成されていてもよい。永久磁石は、第２のキャリアのバックアイアン（backiron）によって画定された対応するスロット内に配置されてもよい。スロットは、作動位置で、第１のキャリアから外方を向く第２のキャリアの面に開口していてもよい。第１及び第２のキャリアが作動位置にあるとき、永久磁石は、磁力によって対応するスロット内の定位置に保持されてもよい。第２のキャリアが第１のキャリアから分離されたとき、永久磁石は、磁力によって対応するスロット内の定位置に保持されないように設計されてもよい。永久磁石及び対応するスロットの各々は、協働するテーパ形状を有し得、それぞれの協働するテーパ形状によってスロット内で位置的に安定化される。スロットの各々にタブがあってもよく、このタブは、作動位置で第１のキャリアに面する第２のキャリアの面に隣接し、かつ永久磁石はタブによってスロット内で位置的に安定化される。永久磁石は、接着剤によってスロット内で位置的に安定化され得る。内側スラスト軸受は、第１の内側軸受溝、第２の内側軸受溝、及び複数の内側軸受要素を更に含み得る。外側スラスト軸受は、第１の外側軸受溝、第２の外側軸受溝、及び複数の外側軸受要素を更に含み得る。第１のキャリアは、均質な第１のプレートを更に含み、第１の内側軸受溝及び第１の外側軸受溝は、均質な第１のプレートの均質な延長部であってよい。第２のキャリアは、均質な第２のプレートを更に含み、第２の内側軸受溝及び第２の外側軸受溝は、均質な第２のプレートの均質な延長部であってよい。内側軸受要素は、ボールを更に含むことができる。内側軸受要素は、ローラを更に含むことができる。外側軸受要素は、ボールを更に含むことができる。外側軸受要素は、ローラを更に含むことができる。均質な第２のプレートは、バックアイロンを更に含み得、第２のキャリアの磁極は、永久磁石によって形成されてもよい。永久磁石内は、スロットが第１の作動位置で、第１のキャリアから外方を向く第２のキャリアの面に開口するバックアイアンによって画定された対応するスロット内に配置されていてもよい。均質な第２のプレートは、鉄、延性鉄、及び合金鋼のいずれか１つから作ることができる。均質な第２のプレートは、導電性阻害物質を有する延性鉄から作ることができる。均質な第２のプレートは、導電性阻害物質を有する鋳鉄から作ることができる。導電性阻害物質はケイ素であってもよい。均質な第１のプレートは、第１のキャリアの電磁要素を形成しているポストと、ポスト間のスロットと、各スロット内の１つ以上の導電体とを更に備えることができ、ポストは均質な第１のプレートの一部を形成している。均質な第１のプレートは、鉄、延性鉄、及び合金鋼のうちの１つから作ることができる。均質な第１のプレートは、導電性阻害物質を有する延性鉄から作ることができる。均質な第１のプレートは、導電性阻害物質を有する鋳鉄から作ることができる。導電性阻害物質はケイ素であってもよい。

別の実施形態では、電磁素子のアレイを有するステータと、磁極を画定する電磁素子を有するロータとを含む電気機械が提供される。ステータは、ステータ軸を画定し、ロータキャリアは、ロータ軸を画定する。ステータ及びロータが作動位置にあるとき、ロータとステータとの間に空隙が形成される。内側スラスト軸受は、ロータ及びステータを連結する。内側スラスト軸受は、ステータ及びロータの相対回転運動を可能にするように配置されている。外側スラスト軸受は、ロータ及びステータを連結する。外側スラスト軸受は、ステータ及びロータの相対回転運動を可能にするように配置されている。ステータの電磁要素及びロータの電磁要素は、互いの間に磁気引力を有する。ロータ及びステータは、電気機械の動作中に、ロータ及びステータの電磁要素間の磁気引力によって一緒に保持される。

様々な実施形態では、以下の特徴及び他の特徴のうちの１つ以上を含んでいてもよい。ロータの電磁要素及びステータの電磁要素は、外側スラスト軸受の半径方向内向きに、内側スラスト軸受の半径方向外向きに配置されていてもよい。内側スラスト軸受及び外側スラスト軸受は、ステータの電磁要素及びロータの電磁要素の磁気引力に抗して空隙を維持するように配置されていてもよい。安全リングは、ロータ又はステータの一方から延在してもよく、ステータ又はロータの他方に第１の肩部及び第２の肩部を含んでいてもよい。第１の肩部は、第１の半径方向に突出していてもよく、第２の肩部は、第１の半径方向とは反対の第２の半径方向に突出していてもよい。第１の肩部は、第２の肩部と協働して、ロータ及びステータが、所定の距離を超えて離れることを防止するように構成されている。ステータとロータの電磁要素間の磁気引力は、電気機械が負荷に作用するとき、ステータとロータを作動位置に維持するのに十分な強さとすることができる。ステータは、Ｎ個のポストを更に含み得、ロータの磁極は、Ｎ及びＭが４以上の最大公約数を有するＭ個の極を更に含んでいてもよい。ポストは、各セクションのポストの周りの導体において、共通の電気励起相を有するセクションに分割され得、各セクションには偶数のポストがある。ポストは、少なくとも３つのセクションに分割されてもよい。Ｎ及びＭは、両方とも６０以上であってもよい。ステータ上の導体は更に、多相配線構成を含むことができる。３つ以上のセクションの各々は、ある数の有線ポストを更に含み、３つ以上のセクションの各々に対する有線ポストの数は同じであってもよい。３つ以上のセクションは、１相当たり２つ以上の均等に配列されたセクションを更に含む。３つ以上のセクションは、１相当たり４つ以上の均等に配列されたセクションを更に含むことができる。３つ以上のセクションは、１相当たり６つ以上の均等に配列されたセクションを更に含むことができる。３つ以上のセクションは、それぞれの相の各々に対して、正確に４つの均等に配列されたセクションを更に含むことができる。均等に配列されたセクションの各々は、８つの有線ポストを更に含むことができる。９６個のポストと９２個の極があってもよい。ロータは、ロータの電磁要素が複数のポストの間に据置されている複数のポストを更に備えていてもよい。ロータはまた、複数のポストから半径方向内向きに、かつ内側スラスト軸受から半径方向外向きに平らに置かれた複数の内側磁束絞り弁を含むことができる。複数の内側磁束絞り弁は、剛性要素に複数の孔を更に含んでもよい。複数の内側磁束絞り弁は、複数の止まり孔又は複数の貫通孔を更に含んでいてもよい。ロータは、ポストから半径方向外向きに、かつ外側スラスト軸受から半径方向内向きに平らに置かれた複数の外側磁束絞り弁を更に含むことができる。複数の外側磁束絞り弁は、剛性要素に複数の孔を更に含んでもよい。複数の外側磁束絞り弁は、複数の止まり孔又は複数の貫通孔を更に含んでいてもよい。ロータは、ポストから半径方向内向きに、かつ内側スラスト軸受から半径方向外向きに平らに置かれた複数の内側磁束絞り弁を更に含むことができる。複数の内側磁束絞り弁は、剛性要素に複数の孔を更に含んでいてもよく、ロータは、ポストから半径方向外向きに、かつ外側スラスト軸受から半径方向内向きに平らに置かれた複数の外側磁束絞り弁を更に含んでもよい。複数の外側磁束絞り弁は、剛性要素内に複数の孔を含む。内側及び外側磁束絞り弁の各々は、ロータ上のポストに対して交互パターンで半径方向に整列されていてもよく、その結果、内側及び外側磁束絞り弁は、ロータ上の１つ置きのポストに隣接している。内側及び外側磁束絞り弁は、ロータ上のポストと半径方向に整列されてもよく、内側及び外側磁束絞り弁は、ロータ上の各ポストに隣接していてもよい。複数の内側磁束絞り弁及び複数の外側磁束絞り弁は、同じ幾何学的形状を有する複数の孔を各々含むことができる。同じ幾何学的形状を有する複数の孔は、円形断面を有する複数の孔を更に含んでいてもよい。

本装置及び方法のこれら及び他の態様は、特許請求の範囲に記載されている。
以下の図面を参照して、例としてのみ、本発明の好ましい実施形態を参照する。

例示的なアクチュエータの等角図である。 図１の例示的なアクチュエータの分解図である。 図１の例示的なアクチュエータのロータの等角図である。 図１の例示的なアクチュエータのステータの等角図である。 図１の例示的なアクチュエータのセクションの等角図である。 図１の断面Ａ−Ａに沿った例示的なアクチュエータの本体の図である。 図６の詳細Ｃ１を示す外側軸受及び熱的締まり嵌めの拡大詳細図である。 図６の詳細Ｅ１を示す内側軸受及び安全リングの拡大詳細図である。 代替の熱的締まり嵌めを有する例示的なアクチュエータの断面の等角図である。 図９の例示的なアクチュエータの断面図である。 図１０の詳細Ｃ２を示す外側軸受及び熱的締まり嵌めの拡大詳細図である。 図１０の詳細Ｅ２を示す内側軸受及び安全リングの拡大詳細図である。 一体型軸受レースを備えた例示的なステータプレートの断面の等角図である。 一体型軸受レースを備えた例示的なロータプレートの断面の等角図である。 一体型軸受レースを備えた例示的なアクチュエータの断面の等角図である。 図６の断面Ｂ−Ｂに沿った磁束及び力の表示を含むロータ及びステータの断面図である。 安全リングを備えた例示的なアクチュエータの本体の図である。 滑り軸受を備えた安全リングの詳細図である。 スラスト軸受を備えた安全リングの詳細図である。 磁石の設置及び取り外し中のロータの拡大図である。 ロータプレートセクションの部分断面図である。 磁束絞り孔を有するロータプレートセクションの部分図である。 磁束絞り孔の別の配置を有するロータプレートセクションの部分図である。 磁束絞り孔のないロータプレートのＦＥＭＭシミュレーション結果である。 磁束絞り孔のあるロータプレートのＦＥＭＭシミュレーション結果である。 ＩＤ軸受とＯＤ軸受との間の途切れのない経路を有するステータプレートセクションの断面図である。 例示的なアクチュエータの分解図である。 上側及び下側ハウジングに連結された例示的なアクチュエータを示す実施形態の断面図である。 図２７の例示的なアクチュエータの分解等角図である。 図２７の例示的なアクチュエータの等角断面図である。 テーパ状の磁石及び磁束経路絞りを有する軸方向磁束集中型磁束ロータのセグメントを通る断面図である。 延長された長さの磁石を有する軸方向磁束集中型磁束ロータの一部の接近断面図である。 エンドアイアンを有する集中型磁束ロータの軸方向磁束ステータ対ロータ対ステータ構成の実施形態の簡略化された分解断面図である。 バックアイアン、エンドアイアン（ｅｎｄ ｉｒｏｎ）、及び磁束経路絞りを有する集中型磁束ロータの軸方向磁束ステータ対ロータ対ステータ構成の一実施形態の簡略化された分解断面図である。 エンドアイアン及び磁束経路絞りを有する集中型磁束ロータの軸方向磁束ロータ対ステータ対ロータ構成の一実施形態の簡略化された分解断面図である。 エンドアイアン、磁束経路絞り、及びバックアイアンを有する集中型磁束ロータの軸方向磁束ロータ対ステータ対ロータ構成の一実施形態の簡略化された分解断面図である。 バックアイアン及び磁束絞り弁を有する線形磁束機械の簡略化された斜視図である。 バックアイアン及び磁束絞り弁がない線形磁束機械の簡略化された斜視図である。 磁束絞り弁の交互パターンを有する線形磁束機械の簡略化された斜視図である。 スロットピッチ及びポスト高が異なる一連の模擬機械に対する定電流密度でのトルクのグラフを示す。 スロットピッチ及びポスト高が異なる一連の模擬機械に対する、所与の温度で可能な最も高いステータの電流密度を示す。 一連の電気機械に対するスロットピッチ及びポスト高の関数としての一定温度トルクを示す。 スロットピッチ及びポスト高が異なる一連の模擬モータについて、所与の温度で可能な最も高いステータ電流密度での荷重関数の値を示す。 固定の電流密度に対する、スロットピッチ及びポスト高が異なる一連の模擬モータのＫｍ”を示す。 固定の電流密度に対する、スロットピッチ及びポスト高が異なる一連の模擬モータのＫＲ”を示す。 ２００ｍｍのサイズの機械及びＫＲ”＞１．３の境界線について、領域内の残りの幾何学的形状に関するＫＲ”の利点領域を示す。 ２００ｍｍのサイズの機械及びＫＲ”＞１．５の境界線について、領域内の残りの幾何学的形状に関するＫＲ”の利点領域を示す。 ２００ｍｍのサイズの機械及びＫＲ”＞１．８の境界線について、領域内の残りの幾何学的形状に関するＫＲ”の利点領域を示す。 １００ｍｍのサイズの機械及びＫＲ”＞１．５の境界線について、領域内の残りの幾何学的形状に関するＫＲ”の利点領域を示す。 １００ｍｍのサイズの機械及びＫＲ”＞１．７の境界線について、領域内の残りの幾何学的形状に関するＫＲ”の利点領域を示す。 １００ｍｍのサイズの機械及びＫＲ”＞１．９の境界線について、領域内の残りの幾何学的形状に関するＫＲ”の利点領域を示す。 ５０ｍｍのサイズの機械及びＫＲ”＞２．２の境界線について、領域内の残りの幾何学的形状に関するＫＲ”の利点領域を示す。 ５０ｍｍのサイズの機械及びＫＲ”＞２．５の境界線について、領域内の残りの幾何学的形状に関するＫＲ”の利点領域を示す。 ５０ｍｍのサイズの機械及びＫＲ”＞２．９の境界線について、領域内の残りの幾何学的形状に関するＫＲ”の利点領域を示す。 ２５ｍｍのサイズの機械及びＫＲ”＞３．３の境界線について、領域内の残りの幾何学的形状に関するＫＲ”の利点領域を示す。 ２５ｍｍのサイズの機械及びＫＲ”＞３．４の境界線について、領域内の残りの幾何学的形状に関するＫＲ”の利点領域を示す。 ２５ｍｍのサイズの機械及びＫＲ”＞３．６の境界線について、領域内の残りの幾何学的形状に関するＫＲ”の利点領域を示す。 フレームレスモータ／アクチュエータを用いたロボットアームの関節を示す。 フレームレスモータ／アクチュエータ及びロボットアームの断面図を示す。 フレームレスモータ／アクチュエータステータ、ロータ及びハウジングアセンブリの断面図の接近図である。 フレームレスモータ／アクチュエータロボットアームアセンブリの分解図を示す。 ロータ上のステータ及びタブ機構を見るために、ハウジングを通る断面図を示す。 ロータを固定するために図５６のタブ機構と共に使用される上方、上方及び下方アセンブリの動きの表示を示す。 ロータを固定するために使用されるタブ機構を表示する断面図の接近図を示す。 ステータを固定するためにステータに使用されるタブ機構を表示するために、ハウジングを通る断面図を示す。

本文を通して使用されるいくつかの用語が最初に定義される。

電気機械の文脈において本明細書で使用されるキャリアは、回転機械に言及するとき、ステータ又はロータを含むことができる。

本明細書で使用するロータは、円形であってもよい。ロータは、リニアモータの接極子又は反応レールを指す場合もある。ステータは、円形であってもよい。また、リニアモータの接極子又は反応レールを指す場合もある。

歯はポストと呼ばれることがある。

電気機械では、ステータ又はロータのいずれかが、ポストの周りに巻かれたコイルによって画定された整流電磁石アレイを有することができ、ステータ又はロータの他方は、永久磁石又はコイル又は両方のコイル及び永久磁石によって画定された磁極を有することができる。電気機械は、モータ又は発電機として構成されてもよい。

永久磁石は、システムに磁束を加えるために、ロータ及び／又はステータ上の電磁石と組み合わせて使用することができる。

ＰＭは永久磁石を意味する。ＥＭは電磁石を意味する。ＩＤは内径を意味する。ＯＤは外径を意味する。

電磁要素は、永久磁石、ポスト、軟磁性ポストであってもよい磁気ポストによって画定されたスロット、及び導電体を含むことができる。１つのキャリアがスロット及びポストを有する任意の実施形態では、他のキャリアは、電磁要素用の永久磁石を有してもよく、そのような任意の実施形態について、電磁要素という用語は、永久磁石という用語によって置換されてもよい。場合によっては、例えば集中型磁束ロータの実施形態では、磁界が永久磁石によって確立される隣接するポストと併せて、永久磁石によって磁極を定義することができる。

特に明記しない限り、ｆｌｕｘは磁束を意味する。軟磁性材料は、磁気的に感受性があり、鉄又は鋼又はコバルト又はニッケル合金など、一時的に磁化され得る材料であるが、これに限定されない。

分数スロットモータは、１極当たり１相当たりのスロットの分数スロット数を有するモータである。スロット数を磁石数で割り、再び相数で割った結果が整数でない場合、ひいてはそのモータは分数スロットモータである。

スラスト軸受には、アンギュラ接触軸受及び４点接触軸受並びに純スラスト軸受を含む、実質的な軸スラストを支持するように配置された任意の軸受を含む。半径方向に位置する軸受は、使用時に、軸受によって連結された要素の軸の相対変位を防止する軸受である。

軸受は、半径方向及びスラストの位置決め（クロスローラ軸受など）であってもよく、又は半径方向のみ又はスラストのみの位置決めであってもよい。

キャリアは、フレーム又は軸受によって別のキャリアに対して動作するように支持されてもよく、軸受は、スライド、ローラ、流体、空気又は磁気軸受であってもよい。

軸方向電気機械は、軸方向空隙を横切って磁束結合が起こる電気機械であり、キャリアは、同軸に並んで取り付けられたディスクの形態である。第１のキャリアは、フレーム、ハウジング又は他の要素のいずれかによって支持されているキャリアによって、別のキャリアに対して移動するように配置されてもよく、他方のキャリアは、第１のキャリアに対して移動する。

半径方向電気機械は、磁束が半径方向に配向されるように空隙が配向され、キャリアが同心円状に、一方が他方の外側に取り付けられる電気機械である。

リニアアクチュエータは、運動方向が湾曲経路ではなく直線である、軸方向磁束又は半径方向磁束回転モータのセクションに匹敵する構造である。

台形の電気機械は、軸方向及び半径方向の磁束機械の組み合わせである電気機械であり、空隙の平面は、軸方向及び半径方向の構成における空隙によって形成された平面間の角度途中にある。

回転機械の空隙直径は、空隙表面の中心における回転軸に垂直な直径として定義される。半径方向磁束モータでは、空隙の全てが同じ直径である。空隙表面が軸方向磁束モータのように円板状のスライスである場合、平均空隙直径は内径と外径との平均である。対角線又は曲面のような他の空隙表面については、平均空隙直径は、断面空隙図の平均空隙直径として見出すことができる。

半径方向磁束モータの場合、空隙直径は、外側ロータ半径方向磁束モータのロータ内径及びステータ外径の平均、又は内側ロータ半径方向磁束モータのロータ空隙外径及びステータ空隙内径の平均を指す。半径方向磁束モータの空隙直径の類似体は、他のタイプの回転モータに使用することができる。軸方向磁束機械の場合、空隙直径は、ＰＭ内径とＰＭ外径とＥＭ内径とＥＭ外径との平均として定義される。

ステータの後面は、磁気によって活発な空隙にある面に対してステータの反対側の面として定義される。半径方向磁束モータでは、これは、外側ロータ構成用のステータの内面、又は内側ロータ構成用のステータの外径面のいずれかに対応する。軸方向磁束モータでは、ステータの後面は、ステータの軸方向外面である。

分布巻の場合、スロット数はＮ×極数であり、Ｎは相数の倍数である。したがって、３相機械の場合、Ｎは３、６、９、１２などとすることができる。集中巻きの場合、スロットの数は変化することができるが、相数の倍数でなければならない。スロット及び極の特定の組み合わせがより高いトルクとより良好なノイズ低減又はコギング低減特性をもたらすことを除いて、それは極数に依存しない。十分なトルクを得るには、所与の極数に対するスロットの最小数が５０％より下であってはならない。

導体容積は、単一のステータの長さ当たりのスロット面積を指すために使用されてもよい。スロット面積は、歯に対して直角であるが、キャリアの相対運動の平面に平行ではない平面内のスロットの断面積である。軸方向モータでは、この平面は、スロットを通過する半径に対して垂直である。スロット面積は、ステータ設計に組み込むことができる最大導体容積を効果的に定義し、通常、モータ設計者は、導体のために利用可能な空間を全て利用できるようにできるだけ高いフィルファクタを有することを目標としている。

ステータの最大導体容積は、スロット面積の点から画定されるので、最大導体容積又はスロット面積を有すると言われるステータは、スロットを画定するスロット及び歯を有しなければならない。このパラメータは、

として、回転モータのために定義され、
Ａ_Sは単一スロットの断面積、又は変化するスロット面積を有するステータ設計のための単一スロットの平均面積である。

相対的に正確な近似として、Ａ_Sは、スロットの平均幅ｗ_sを乗じた歯の高さｈ_tとして計算することができ、その結果、上記の式は、

となる。

導体容積の代用として、スロットの深さ又はポストの高さを使用することもできる。歯の高さ又はスロットの深さとしても知られるポストの高さは、導体が占有できるスロット内の総断面積の代用である。スロットは、湾曲又はテーパ状の輪郭のような様々な形状を有してもよいが、スロットの高さは、導体によって占有され得るスロットの総面積を最もよく表す最も近い矩形近似に基づいている。この寸法には、実質的にスロット面積に追加することなく、歯の高さに加える磁極片のような特徴を含まない。横方向磁束モータの場合、ポストの高さは、コイル巻線の方向に垂直な、導体コイルに直接隣接するポストの部分として定義される。

集中巻は、個別に巻かれたポスト又は通電されたときに隣接するポストの交互の極性をもたらす任意の巻回形状を含む。全てのポストが、常に両方の隣接するポストの反対極性であるとは限らないことが理解される。しかしながら、集中巻回形状は、モータが通電されたとき、ほとんどの時間、大部分のポストが隣接するポストの一方又は両方とは反対の極性になるという結果をもたらす。集中巻は、１極当たり１相当たりのスロットの比率が１未満である分数スロット巻の一形態である。

本装置の実施形態は、好ましくは、ステータ及び／又はロータに機械加工された一体型軸受レースを使用し、軸受グレース、及びステータ及びロータポストの少なくとも軸方向面を同じ設定で機械加工することができる。これは、ステータ及びロータポストに対する、軸受レース軸方向位置と半径方向位置との間の重要な幾何学的形状的関係の非常に高い公差製造を提供することができる。これらの幾何学的形状的関係の整合性は、装置の一貫したコギング及び他の性能特性にとって重要である。

本装置の実施形態は、ステータとロータとが組み立てられた後に、永久磁石を個別にロータに設置することを可能にするロータ構成を有する合理化された製造を可能にすることができる。

本装置の実施形態は、高いトルク密度、容易な製造性、最小数の構成部品での非常に単純な組立に起因する容易な組立及び保守性、及び非常に速い非常停止を可能にする高いトルク−慣性の結果としての優れた操作安全性を提供することができる。

図１に示すように、軸方向磁束モータ１１０の非限定的で例示的実施形態が、上側アーム部材１００及び下側アーム部材２００内に収容される。上側下側アーム部材１００、２００は、回転軸３００を中心に回転する。

ロボットアームアセンブリにおける本装置の非限定的で例示的な実施形態が、図２に示されている。上アーム部材１００は、支持ハウジング１０１を含む。下側アーム部材２００は、アームハウジング２０１を含む。支持ハウジング１０１及びアームハウジング２０１は、好ましくは、アルミニウム、マグネシウム、又は炭素繊維複合体などの軽量材料から作られているが、その限りではない。

図２〜図５に示すように、ステータ１０２は、ボルト及び／又は接着剤及び／又は熱嵌合などによって、又はアームと一体的に形成されることによって、上腕１００に取設されている。図２では、ステータ１０２は、リング１０１Ａとの圧入を用いて上アーム１００に連結されている。外側軸受３０２及び内側軸受３０１は、ステータ１０２及びロータ２０２の相対回転を可能にし、ステータポスト１０５（図４）及びロータポスト２０５（図３）との間の空隙を維持するために、ステータ１０２及びロータ２０２の正確な相対軸方向位置を提供する。図３に示すように、ロータは、磁束絞り孔２０６及び永久磁石２０４を有していてもよい。スロット２０８には永久磁石が着座している。

空隙のＩＤ内部の内側軸受３０１と空隙のＯＤ外部の外側軸受３０２との据置は、より長い耐用年数及び／又はより軽い軸受のために、２つの軸受３０１、３０２間のステータ１０２とロータ２０２との間の引力を分配する。ＩＤ及びＯＤ軸受の使用はまた、例えば、装置の実施形態の高い磁極数で可能であるように、より薄い断面及びより軽い重量を可能にするために、ステータ１０２及びロータ２０２に対する機械的応力を低減する。

図３及び４に示すように、ロータ２０２は、ロータプレート２０３を含み（図３）、ステータ１０２は、ステータプレート１０３（図４）を含む。図４に示すステータプレート１０３と、図３に示すロータプレート２０３とは、延性鉄から作ることができる。永久磁石２０４は、ネオジム−Ｎ５２Ｈとすることができる。様々な構成部品に多くの他の材料を使用することができる。これらの材料は、例として、示されている。

ロータ２０２は、下側アーム２００内に収容され、ボルト及び／又は接着剤及び／又は熱的嵌合などで、又はアームと一体的に形成されることにより取設される。図２に示すように、ロータ２０２は、リング２０１Ａとの圧入を用いて下側アーム２００に連結されている。ロータ２０２内の永久磁石磁束から得られるステータ１０２とロータ２０２との間の軸方向磁気引力は、軸受３０１及び３０２に対して軸方向予荷重を与える。この軸方向の力が、ステータ１０２及びロータ２０２に予荷重された軸受３０１、３０２を保持し、下側アーム２００が有効な荷重を全方向に支持できるようにするのに十分な軸方向の力を提供するのに適していることを、これに限定されるものではないが、ネオジムＮ５２磁石のような高強度磁石で、分析及び実験によって示されている。この荷重は、アームの重量と加速力と有効荷重との任意の方向の組み合わせであってもよい。

軸受に軸受着座力及び軸方向予荷重を提供する磁力の使用は、スラスト荷重及び／又はアンギュラ接触軸受の使用を可能にし、ステータ及びロータの磁気引力によって予荷重をかけ、軸方向の軸受遊びを除去する。半径方向及び軸方向に位置する軸受の組み合わせを使用することにより、半径方向及び軸方向の磁力で軸受を予荷重することができ、レースが磁力の反対方向に動くのを防ぐために、軸受レースの追加の器械保定の必要性を排除する。この予荷重は、軸受の遊びを著しく減少させる場合があり、軸受の剛性を高め、その結果、アセンブリの動きが非常に正確になる。これは、ロボット工学のような精密な用途にとって有益であり得る。これはまた、ロータの半径方向の変位に起因し得る一貫性のないコギング効果を低減するという利点を有し得る。これは、装置の実施形態でのような多数の非常に小さなコギングステップを装置が有するとき、特に重要であり得る。

両方の軸受に対する両方のレースの器械保定の必要がない、軸方向に予荷重されたレースの非限定的な実施例を図５〜８に示す。ステータは、ステータプレート１０３を含む。ステータプレート１０３は、内側軸受溝を画定する内側軸受レース１１１及び外側軸受溝を画定する外側軸受レース１１２を含む。ロータは、ロータプレート２０３を含む。ロータプレート２０３は、内側軸受溝を画定する内側軸受レース２１１及び外側軸受溝を画定する外側軸受レース２１２を含む。ロータプレート２０３は、協働片２３１と２３２との間の圧入を用いてロータハウジング２０１に連結されてもよい。同様に、ステータプレート１０３は、協働片１３１と１３２との間の圧入を用いてステータハウジング１０１に連結されてもよい。外側軸受要素３２２（この非限定的な例では、クロスローラ軸受）は、２つの外側軸受溝１１２、２１２の間に挟まれており、その結果、ステータ１０２とロータ２０２との間の軸方向磁気引力が軸受３０１の軸方向及び半径方向の遊びを排除する。内側軸受要素３２１（図６）は、２つの内側軸受溝１１１、２１１の間に挟まれている。軸受３０１は、この非限定で例示的な実施形態では、軸方向及び半径方向の位置決め剛性を有するクロスローラ軸受である。その結果、ロータ２０２内の磁石２０４によって提供されるロータ及びステータの軸方向予荷重は、軸方向及び半径方向におけるステータ１０２及びロータ２０２の正確な相対位置をもたらす。この正確な位置は、ステータとロータとの間の磁気吸引力の反対軸方向に、機械的又は接着軸受レース保定を必要とせずに達成される。

図６を参照して、軸方向磁束モータ１１０は、図示された設計を有していてもよい。外側軸受３０２及び内側軸受３０１は、ステータとロータとの相対回転を可能にし、ステータ及びロータの正確な相対的軸方向位置を提供して、磁石２０４を保持して磁石によって提供される磁界の磁束経路を提供するステータポスト１０５とロータポストとの間の所望の空隙を維持する。ロータは、磁束絞り孔２０６及び磁石２０４を有していてもよい。空隙のＩＤ内の軸受と空隙のＯＤの外側の第２の軸受とを使用することにより、２つの軸受の間でステータとロータとの間に吸引力を分配して、より長い寿命及び／又はより軽い軸受を提供する。ＩＤ及びＯＤ軸受の使用は、例えば、装置の実施形態の高い磁極数で可能であるように、より薄い断面及びより軽い重量を可能にするために、ステータ及びロータに対する機械的応力を低減する。

図３及び図４に示す非限定的で例示的な実施形態では、９６個のステータポスト（９６個のスロットに対応する）及び３個の相配線を備えた９２個のロータポストがあり、ステータ上の各相は、４つ以上であってもよいが、各々８つのポストの４つの均等配列セクションに分割されている。この実施例におけるロータポストの数は９２であり、その結果、ロータポスト及びステータポストが整列する４つの均等に配列された角度位置が得られる。これは、順次、４つの位置においてステータとロータとの間にピークの軸方向引力をもたらす。

ステータポスト番号とロータポスト番号との他の多くの組み合わせが使用され得ることに留意されたい。相の他の番号も使用することができる。本明細書の実施例は、有益な性能を提供することが分かっているが、様々な構成原理をこれらの例示的な配列に限定するものではない。例えば、これらに限定されないが、磁気的に予荷重された軸受又は配線構造のような装置の実施形態の特徴は、極数がはるかに少なく、又ははるかに多いロータ及びステータと共に使用することができる。

装置の実施形態の場合、ステータとロータとの間の軸方向予荷重の合計は、巻線に供給される電流及びモータによって発生されるトルクにかかわらず、この限りではないが、３相構成などの多相配線構成では１０％以内など比較的一定のままであることがシミュレーション及び実験によって示されている。これは、電磁力が合理的に均等に反発及び引力になるからである。しかし、ステータとロータの軸方向力の合計は合理的に一定であるが、ステータ又はロータの個々のポスト上の軸方向引力は、かなり大きく変化する（１４％以上など）。この理由のために、いくつかの実施形態では、相セクションの数を１相当たり３セクション以上に分配することが有益であり、よって、永久磁石からのピークの軸方向荷重が２つ以上の角度位置で生じる（例えば、４つの均等に配列された角度位置で）。これにより、特にＯＤ軸受の外周周りの軸受に、より一貫した軸方向予荷重を提供することが有益であり得、したがって、ステータをロータから引っ張る任意の片持外部荷重（ステータ及びロータを主として１つの角度位置で引き離しているＳＣＡＲＡアーム上の片持荷重など）は、アームの角度位置にかかわらず、常に１つ以上のピークの軸方向力領域によって対向される。相当たりのセクション数が多いほど、いくつかの点で製造の複雑さが増すため、（相当たり４つのセクションの結果として）４つのピークの軸方向力位置は、製造可能性とピークの軸方向力の一貫性とのバランスが良好であると考えられる。ロータのポストの数とステータのポストの数との間に４つのポスト差が存在しているという重要な特徴を有する多くの異なる数のステータ及びロータポストで、４つのピークの軸方向力位置を達成することができる。

更に、これはステータ上のポストの数が３、６、９、１２、１４、１６などの３つのセクションの倍数であり、各セクションが、ロータ上のポストの数が２、４、６、８、１０、１２などの偶数を有するように示された配線構成の実施形態を使用する装置の実施形態にとって有益である。

装置の実施形態の設計で、どれだけ多くのピークの軸方向力位置を選択するかを決定する際の別の考慮点は、結果として生じるコギングステップの数である。多数のコギングステップは、コギングを低減するのに有益であり（より多数のステップ数は、一般に、各コギングステップの最大トルクと最小トルクとの間のより小さい力変動をもたらすため）、したがって、９６個のステータポストと９４個のロータポストの非限定的で例示的な実施形態では、コギングステップの数は４５１２であり、それは非常に高く、理論上のコギングトルクが非常に低くなるという結果をもたらすため、ステータとロータとの間の（１相当たり２つのセクションと一致する）２つのポスト差が、コギングを低減するのに好ましいと思われる。しかしながら、ステータとロータとの間の２つの磁石差は、所与の時間において２つのピークの軸方向引力位置のみをもたらし、有効荷重を持ち上げるとき、ＳＣＡＲＡアーム構成のようなアクチュエータの出力に片持支持荷重の支持に不安定さをもたらす。この理由から、４つのロータ／ステータポスト差は、コギングステップ数がより少なく、理論的にはより高いコギング力を有するにもかかわらず、有効荷重の持ち上げ安定性の点で優れた選択であると考えられる。９２個のロータポスト構成に対する９６個のステータポストは、２２０８個のコギングステップのみをもたらし、約２倍のコギング力変動をもたらすことが予想される。したがって、コギングステップが少なくなり、その結果として大きさがより大きくなるため、コギングの減少の点で、４つのポスト差は、有益ではないように思われる。しかしながら、（１つ又は２つのポスト差とは対照的に、例えば図３及び図４に示すような４つのポスト差のような、ステータとロータとの間の４つのより大きなポストの数の差に起因する）より少ないコギングステップの別の利点があり得る。この利点は、コギングステップのサイズと、製造／組立中及び様々な荷重下での動作中のステータ及びロータ軸の整列の必要精度との間の相関関係に関連する。具体的には、（製造精度の欠如による）ステータ軸に対するロータ軸の半径方向変位よりもコギングステップが小さい（平均空隙直径で円周方向に測定された）場合、ステータ及びロータは一貫したコギングステップを達成するのに十分には整列されない。これにより、回転中にコギング力が不均一になる。ステータに対するロータの半径方向の変位は、正反対のポスト上で同じ半径方向にミスアライメント効果を有し、その結果、理想的なコギングキャンセルよりも少なくなる。非常に高いコギングステップの実施形態（ステータとロータとの間の２つのポスト差など）でのロータ／ステータ軸のミスアライメントとステータの相対的な角度位置の組み合わせによっては、より大きなロータ／ステータのポスト差が使用される場合（各例示的なケースにおいて同様の半径方向のミスアライメントを仮定した場合）よりも、いくつかの条件においてより大きなコギング力変動をもたらすことさえある。

コギング力又は有効荷重力は、時には、半径方向剛性がより小さい軸受を用いて、ステータに対してロータをより半径方向に変位させるので、半径方向における軸受剛性の影響は重要な考慮事項となり得る。この半径方向変位が、（コギングステップの大きさが平均空隙直径で接線方向に測定され、半径方向変位の方向に対して９０度で測定される）コギングステップの大きさのかなりの割合である場合、よって、コギングステップとコギング力とが一致せず、場合によっては、かつ角度位置において、コギング力が、ステータ／ロータポスト差が小さく、コギングステップ数が多い（理論的にはステータとロータの場合はコギングトルクが低くなる）場合よりも、大きさがより大きい（ここでは、「大きさ」は、コギングステップ中の最大トルクと最小トルクとの間の差を指す）。約０．００１”〜０．００２”の、ステータに対するロータの半径方向変位（使用中のアクチュエータの荷重に起因する製造の不正確さ又は半径方向変位の結果として）がある場合、約１０”ＯＤのアクチュエータで非常に高いコギングステップ数がコギングの不一致を招く可能性があると考えられている。これは、ステータ、ロータ及び軸受の大量生産にとって高い公差になると考えられている。製造中にこれらの高い公差を達成することは時間がかかり、かつ高価であるので、１つ又は２つ以上のポスト差が使用される場合、より一貫したコギングトルク（場合によってはより低いピークのコギングトルク）を達成できると判断された。ロータとステータとの間の４つのポスト差は、ロボット工学用途（例えば、片持支持荷重を支持しているときなど）において、アクチュエータの荷重側に少なくとも２つのピークの軸方向引力位置を常に提供するという利点を有する。コギングステップがより大きいので、ステータに対するロータの許容される半径方向変位はより大きくなり得る。これにより、より多数のコギングステップが使用される場合よりも、より低い製造公差及び軸受剛性で、一貫したコギングトルクが達成されることを可能にすることが期待される。ステータにＮ個のポストがあり、ロータにＭ個の極がある場合、ＮとＭとの各数は、ＮとＭが、ＮとＭとの最大公約数が４以上であるという性質を持つように選択できる。

単一スロットに２相又は３相からの電線を有することは、多くの一般的な３相モータでは一般的である。本装置の実施形態は、１つの行内の２つ以上の隣接するスロットが１つの相のみからの導体を含む配線構成を使用する。この装置には多くの異なる巻回方法が使用されてもよいが、図４及び図５に示されるような巻回形状１０４の利点には、軸方向に整列した（各スロットに円周方向に積層された）重なり合わない平角線（３相分布巻機械で一般的に行われるような電線の重ね合わせは平角線で問題になる）を使用する能力を含む。この巻回形状及び方法の簡単なアセンブリを利用するためには、可能な限り１相当たりのセクション数を少なくすることが有益であり得る（１相ＥＧ当たり１セクション：９６個のスロットステータに対して３２スロット、又は１相ＥＧ当たり２セクション：９６個のスロットステータに対して１６スロット）。この巻回形状に対するロータポストの数は、好ましくは、ステータスロットの数に、１相当たり２つの均等に配列されたセクションを有する９６個のステータスロットについて１相当たりＥＧ９４又は９８セクションの数を足した、又は引いた数に等しい。

図５〜図８は、ステータハウジング１０１に取設された安全リング１２１を有する例示的なアクチュエータを示し、図９〜図１２は、ステータプレート１０３に取設された安全リング１２１を有する代替の例示的なアクチュエータを示す。

安全リング１２１は、アクチュエータの回転軸に沿って、ロータに取設されたアームの端部に、空隙を横切るＰＭ磁気引力からの軸方向引力よりも大きい力が加えられている場合に、ステータとロータとが分離しないようにステータ１０２上に設置される。図８のアクチュエータの断面図は、安全リング１２１がステータの内径に位置されていることを示している。図８の断面図は、安全リングのリップ（第１の肩部）１２２Ａがアームハウジングのリップ（第２の肩部１２２Ｂ）と重なっていることを示している。リップ１２２Ａとアームハウジング２００との間には、ロータとステータとの分離の際に低抵抗滑合を提供するための薄い平軸受リング１２４が定位置にある。第１の肩部１２２Ａは、第１の半径方向に突出しており、第２の肩部１２２Ｂは、第１の半径方向とは反対の第２の半径方向に突出しており、かつ第１の肩部１２２Ａは、第２の肩部１２２Ｂと協働して、所定の距離を超えてロータとステータとが離れることを防止するように構成されている。安全リング１２１は、協働片１２３Ａと１２３Ｂとの間の圧入を用いてステータハウジング１０１に取設される。

両方の例示的なアクチュエータでは、図８及び図１２に示すように、この例では、ロータハウジングのＩＤよりも大きなＯＤを有する第１の肩部１２２Ａを形成している重複する特徴が、ステータ及びロータのＩＤの周りに位置される。安全リング及び第１の肩部１２２Ａは、正常な動作中にロータに接触する必要はなく、ロータ２０２及びステータ１０２に対する分離荷重が、永久磁石によって提供される軸受に対する軸方向予荷重を超える場合、ロータ及びステータが軸方向に完全に分離するのを防ぐ働きをする。図８に示すように、カウンタ軸受又はブシュ１２４は、ステータ及びロータの組立後に、ステータ又はロータ又は他の部材に取設される。軸方向の過荷重が軸受に分離力と変位を生じさせる場合、第１の肩部１２２Ａとブシュ１２４とロータとの間に接触が存在するので、第１の肩部１２２Ａとブシュ１２４とロータとの材料の組み合わせは好ましくは摺動接触に適している。

図１８に示すように、これらの２つの表面の間にプレーンブシュ材料１２４を使用することもできる。図１９では、薄い断面スラスト軸受１２４を使用して、アクチュエータの回転中に磁気予荷重が超過された場合に損傷を与えることなく回転できるようにする。第１の肩部は、同様の効果を有するアクチュエータのＯＤ上で使用することもできる。転がり要素軸受をカウンタ軸受として使用し、緊急時にステータとロータの分離量を小さくして、意図しない対象物に対するロボットアームの力を低減したい場合は、軸受ボールの回転を防止するために、予圧ばねを使用してカウンタ軸受を軽く予荷重状態に保つことが望ましい場合がある。波形座金は、この目的のために限定されない実施例として使用することができる。

図１１に示すように、ロータハウジング２０１及びロータプレート２０３（図１０）は、協働片２３１Ｂ及び２３２Ｂを用いる圧入によって連結されている。ステータハウジング１０１及びステータプレート１０３（図１０）は、協働片１３１Ｂ及び１３２Ｂを用いる圧入によって連結されている。

ステータ及び／又はロータ上のポストからポストまでのモノリシック材料を使用して、ハウジング構造を提供することができる。ロータ及び／又はステータは、一方又は両方の部材に追加のハウジングを設ける必要性をなくすために構造的な剛性を有する。ステータ及びロータを均質なプレートとして一体化することは、重量及び製造コスト並びに複雑さを低減することができる。各均質なプレートの一部として形成された一体型軸受レースは、ステータポストから転がり要素と接触する軸受レースまでの構造荷重経路が、図１３〜図１５に示されるような単一の磁性金属から形成されることを可能にする。ＩＤ及びＯＤ軸受は、軸方向に薄い構成部品でロータ及びステータ材料の応力を低減し、小さな空隙を維持するために使用される。ステータ又はロータポスト及び軸受、ステータ又はロータポスト及び隣接するポスト、ステータ又はロータポスト及びＯＤ軸受又は軸受座部、ステータ又はローラポスト及びＩＤ軸受又は軸受座部、及びステータ又はロータポスト及びポストと軸受との間の荷重経路のうちの２つ以上の間に鉄又は合金鋼など、断続的な軟磁性均質材料が使用され得るが、その限りではない。

例えば、ステータ及び／又はロータの均質な材料は、延性鉄又は他のタイプの鉄構造を含むことができる。ステータ及び／又はロータの均質な材料はまた、鉄、延性鉄及び合金鋼のうちの１つを含むことができ、また、ケイ素などの導電性阻害物質も含むことができる。

図１３〜１５を参照すると、ステータプレート１０３は、内径に軸受溝１１１Ｂを有し、外径に軸受溝１１２Ｂを有する。ステータは、内側軸受溝１１１Ｂ及び外側軸受溝１１２Ｂの両方を均質なプレートの均質な延長部として有する均質なプレートとして形成することができる。図１４を参照すると、ロータプレート２０３はまた、内径に軸受溝２１１Ｂを有し、外径に軸受溝２１２Ｂを有する。ロータは、内側軸受溝２１１Ｂ及び外側軸受溝２１２Ｂの両方を均質なプレートの均質な延長部として有する均質なプレートとして形成することができる。一体化されたステータ軸受を画定する別の方法は、ステータ又はロータポストであり、隣接するポスト及び軸受レースは全て、同じ電気的及び磁気的に連結された導電性の軟磁性材料の一体部品で作られている。

図１５に示すように、これらの溝は鋼球３０４及びスチールローラ３０３のためのものである。ロータプレート及びステータプレートの材料は、その限りではないが、ステータとロータポストとの間の小さく一定した空隙を維持するための強度を提供するのに十分高い構造強度だけでなく、電磁的機能性を提供するための軟磁性特性、及び軸受レースの機能性を提供するために十分高い機械的硬度を有する高強度金属材料のような多くの材料であってもよい。ダクタイル鋳鉄は、特定の用途に対して、及び特に請求範囲と組み合わされた場合に、これら及び他の特性を有することが見出されている。また、軸受溝１１１Ｂ、１１２Ｂ、２１１Ｂ、及び２１２Ｂを硬化させて荷重容量や耐用年数を向上させることもできる。鋼球とローラを購入し、溝を機械加工して硬化させることの合算費用は、レース付きの別個のモジュラー軸受を購入してアクチュエータに設置する費用よりも低いと予想される。大量生産では、構成部品数の削減による公差の積み上がりの減少があるため、この一体化された軸受設計では、より低いコストで潜在的により高い精度を含む事前製造された軸受の使用よりも利点がある。

例えば、図１５の軸受レース１１１Ｂ、２１１Ｂ、１１２Ｂ、及び２１２Ｂで図示されているように、軸受レースをステータ１０２及び／又はロータ２０２に一体化することは、その限りではないが、鋼又は鋳鉄などの固体ステータ及び／又はロータ材料の使用によって実用化される。６０−４５−１５又は１００−７０−０３のような、しかしこれに限定されない延性鉄は、本装置のより高い荷重構成に対して適切な軸受レース硬度を提供するために、必要に応じて、窒化又は他の方法によって硬化させることができる。より低い荷重構成又はより低い耐用年数構成の場合、いくつかの実施形態では、未硬化延性鉄を使用することが可能であると考えられる。高い耐用年数のために、ボール又はローラとレースとの間のヘルツ応力を低減するために、ＩＤ及び／又はＯＤ軸受上に２列以上の軸受を使用することが可能であり、これにより、典型的な軸受レース（典型的には硬化鋼で作られている）に使用されるよりも柔らかい軸受レースを可能にする。延性鉄又は他の鋳鉄製品は、通常軸受レースには使用されないが、鉄道車輪及びレールには鉄が使用されるため、この一体型軸受は、好ましくは、高磁気飽和密度を有する延性鉄又は他の適切な材料で作られた場合、ロボット工学及び他のモーションコントロールアプリケーションの適切な耐用年数のために構成することができると期待され、ステータ上の軸受レースは（ステータ上の）ステータポストと同じモノリシック材料とすることができ、ロータ軸受レースは、（ロータ上の）ロータポストと同じモノリシック材料とすることができる。一体型軸受レースの利点は、ロータ及び／又はステータ内の軸受レース及び軸受レース座部の公差積み重ねをなくすことにより、より低いコスト及び高精度化の可能性を含む。一体型軸受レースの使用はまた、軸受レースが荷重軸受構造の不可欠な部品となるため、ステータ及びロータの容積及び質量を減少させることができ、よって、別部品の軸受レースを支持するための追加の材料が不要になる。

ステータ及び／又はロータに延性鋳鉄を使用することにより、装置の実施形態の異常な要求に固有に適し得る特性の組み合わせが可能となる。いくつかの実施形態において有益であり得る延性鉄の特徴のいくつかは、渦電流損失を低減する高い炭素含有量に起因する導電性の低下、低コスト製造に対する優れた機械加工性、ステータ及び／又はロータのネット又はニアネットシェイプ鋳造のための優れたキャスタビリティ、長い耐用年数のための高い疲労強度、一体型軸受が最小の潤滑油又は全く潤滑剤を伴わずに作動することを可能にする自己潤滑特性、いくつかの用途において潤滑剤を必要とせずに軸受とアクチュエータシーリングを提供するために、乾燥状態での特定のシール材料間の優れた磨耗特性、コギングやその他の高周波効果による騒音や振動を低減する優れた減衰特性を含む。

上記のように、装置の実施形態には、内径（ＩＤ）に又は内径（ＩＤ）近くに一組の軸受要素を、及び外径（ＯＤ）に又は外径（ＯＤ）近くに一組の軸受要素を含む。このような軸受の組み合わせは、ロータとステータとの間の軸方向及び半径方向支持体を提供し、要求される形状範囲と組み合わせると、ロータ及びステータを軽量にすることができる。ＩＤ及びＯＤ軸受も固定の空隙距離を維持する。

ロータのＯＤ上の軸受からの抗力のためにトルクに有害であったとしても、軸受の組を軸方向磁束機械内のロータのＯＤ上に据置することにより、より正確に制御されることを可能にし、したがって、ロータとステータとの間の空隙距離がより小さくなり、装置でより多くのトルクを発生させることができることが示されている。ロータとステータとの間の空隙距離は、永久磁石（ＰＭ）引力による動作中のロータの加工公差及び偏差によって限定され得る。軸方向機械のロータは、空隙内の磁束によってたわむため、ステータとロータとの間の接触を避けるために空隙は、ロータの動作上の偏差よりも大きくする必要がある。ＩＤ軸受のみを有するアクチュエータとＩＤ及びＯＤ軸受を有するアクチュエータとの間の偏差を比較すると、ＩＤのみのアクチュエータのロータ及びステータは、ＩＤ／ＯＤ軸受アクチュエータのロータよりも大幅に偏向する。ＩＤ／ＯＤアクチュエータ内の偏差の減少は、より小さい空隙距離を維持することを可能にし、所与の入力電力に対してより大きなトルクをもたらす。分析及び実験により、空隙距離の減少によって得られるトルクは、いくつかの実施形態では、ＯＤ軸受によって誘発される抗力よりも大きくなり得ることが示されている。空隙を維持するのに必要な構造材料の減少のために、ＯＤ軸受の使用に起因するトルク対重量の増加は、追加の軸受及び追加の軸受を支持するのに必要な材料の重量よりも重要であり得ることが示されている。

本装置の非限定的で例示的な実施形態では、ステータの外径は２００ｍｍであり、軸方向の空隙は約．０１０”とする。

本装置の非限定的で例示的な実施形態には、図７〜９に示すように、１つのステータと１つのロータとを有する。単一のステータ／単一のロータの設定により、ステータを軸方向に継続して引き付けることによって、ロータがＩＤ及びＯＤ軸受に予荷重をかけることが可能になる。図１６に示すように、永久磁石２０４は、矢印４０１で示す磁束を発生させる。一方、隣接する磁石も磁極４０２に同極性の磁束２０５を発生させる。磁束４０１、４０２はいずれもロータ極２０５をとおり、空隙４００を通ってステータポスト１０５に入り、ステータ１０２及びロータ２０２の両方に磁気吸引力４０３を発生させる。磁力４０３は非常に強く、多くの用途に使用可能な動作条件下で受動的かつ能動的な動作中にステータとロータを一緒に保持することができる。このポストは、バックアイアン１０６に連結されている。

図１７〜図１９は、安全リング１２１の動作例を示している。ロータに作用する転位力４０４があり、その力が磁気吸引力４０３（図１６）よりも高い場合、ロータプレート２０３を含むロータは、ステータプレート１０３を含むステータから分離し始める。ロータがステータから離脱し始めると、安全リングのリップがロータのアームハウジング２０１に接触し、アームアセンブリ２００が分離しないようにする。正常な動作中、軸受リング１２４（図１８）は、リップ１２２Ａとアームハウジング２０１との間の隙間に自由に回転し、抗力と摩擦を作り出さない。コイルが係合される、又は動力を供給されると、コイルは、引力及び反発力を発生させ、これは非常に類似しているため、主に旋回面に沿った接線力が生じる。したがって、永久磁石引力に対して動力下での軸方向反発力は非常に小さいので、永久磁石引力が常に利用可能であり、ステータとロータとが離れることを防止し、所定の最大荷重状態下で軸受に適切な予荷重を維持する。いくつかの実施形態では、軸受１２４は、ロータプレート２０３に固定された、又は一体化された軸受の一部である、又は一部を有することによって、肩部を形成することができる。

この設計は、安全リングが接触する前に、小さな変位に対して限定された引離効果を提供するためのロータジョイント用の余地を提供する。この引離効果は、例えば、ロボットアームが人間と不要に接触してアームと不動の物体との間にピン留めする場合に有益である。この場合、アームは非常に短い停止時間を有することができるが、アクチュエータが完全停止する前に少量の動きが依然として存在する可能性がある。安全リングが接触する前に、アーム内の１つ以上のアクチュエータのステータからロータの部分的な分離を使用して、これらのアクチュエータのロータとステータを部分的に分離させるような方法で、衝撃から荷重されるアーム内の１つ以上のアクチュエータに最大の軸方向荷重を提供することができる。本装置の実施形態のような、少量の分離及び非常に高速の動作及び高速減速アクチュエータでは、この部分的な分離は、ロボットアームの衝撃又はピン留め力を低減することによって、安全性を高めるレベルを提供すると考えられる。

本装置の１０”ＯＤのアクチュエータの場合、約２０００ｌｂｓの範囲で引力が示されている。この力は、小型装置では装置の組立及び分解を非常に困難にするのに十分高く、装置のより大きなバージョンでは、極めて困難で危険である。

装置の実施形態により、組立及び分解の安全性の懸念が低減され、組立器具のコスト及び複雑性が低減され得る。

図３に示すロータプレートは、永久磁石からすぐ軸方向外側（装置の半径方向磁束の実施形態では永久磁石から半径方向外側に対応するなど）のバックアイアンを有しない。その結果、ロータの後面に磁石スロット２０８が開口するので、ステータとロータとを組み立てた後に、スロットに磁石を組み込むことができる。図２０は、ロータの後部から磁石２０４にアクセスすることができ、ステータからロータを除去することなく、個々の磁石を個別に除去、又は設置することができることを示している。

磁石２０４は、以下のようにスロット内に設置されてもよい。隣接する磁石が同じポストに接触するとき、ロータポストに接触する同極性の磁束でスロットに磁石を合わせる。１つ置きの磁石は、同じ円周方向極性整列にある。全ての磁石は、１つ置きの磁石の反対側にあり、そのためポストは交互の極性である。磁石がタブに固定されるまで（平行平面の場合）、又はテーパ状の磁石が使用されている場合は、テーパ状の磁石がテーパ状スロットに着座するまで、磁石をスロットに摺動する。全ての磁石が設置されるまで上記ステップを繰り返す。隙間を埋めるために接着剤（例えば、ワックス、エポキシ、接着剤）を塗布する。このステップは、精密なテーパ状スロット内の精密なテーパ状の磁石など、全ての場合に必要でない場合がある。

ロータを除去してステータコイル及びボール軸受にアクセスするために、磁石を個別に除去して、ロータを容易に脱磁することができる。

図１６に示すように、ロータ内の永久磁石２０４の各々は、全磁石がその両側の隣接する磁石をはねつけることを意味する、そのすぐ隣接する永久磁石と同極性の磁束を発生させる。これは、ある幾何学的形状が、これらの反発力が磁石をスロットから脱落させるのを防ぐことができることが示されていることを除いては、磁石が互いに反発する原因となる。例えば、空隙が小さくなればなるほど、力は強くなり、多くの場合、これにより、磁石がスロットの代わりに、磁石の中に入るようになる。ロータの後面に向かうテーパ状の大きな寸法を有するテーパ状の磁石が、一般的に、自体をロータポストに向かって、ひいては空隙に向かって軸方向に引っ張られる傾向があるため、テーパ状の磁石の使用もこの意味で有益である。

図２１に示すように、物理的停止装置は、磁石が空隙内に移動するのを停止させるために使用される。この実施形態では、停止装置は、磁石がスロット内に摺動するときに引力を生成するスロットの両側のタブ２１０である。それらの結合力は磁石をスロットの中に引き入れる。反発力が部分的又は完全に相殺されるので、極及びタブからの結合力は磁石に作用する合力となる。磁石はタブ上に着座し、磁気吸引力は磁石を極に固定する。先の開示に記載されているように、正しく構成されたとき、磁石に対する物理的合力は、磁力を使用してスロット内に磁石を磁気的に保持するように調整することができる。この場合、スロット内の磁石の横方向の動きを防止する以外は、接着又は機械的機構は必要とされない。

磁石スロット２０８間に据置された磁束絞り孔２０６を有し、かつ磁石の反対の極性面間、及び隣接するロータ極間の漏れ磁束を低減するために、ロータ上の磁石スロット２０８の外側半径及び内側半径に沿って、アクチュエータの非限定的で例示的な実施形態が図２２Ａに示されている。これらの孔が磁束漏れを低減するか否かを確認するために磁気シミュレーションを行い、ロータ極間の磁束漏れを実質的に低減しつつ、小さくかつ一定の空隙を達成するために、必要な構造強度及び剛性を更に維持できることが示されている。

あるいは、磁束絞り孔は、図２２Ｂに示すように、ＯＤ上の１つ置きのポストとＩＤ上の１つ置きのポストとの間に位置することができる。図２２Ｂに示すように、内側及び外側磁束絞り孔は、各ポストが、内側又は外側磁束絞り孔のうちの１つにのみ隣接するように互い違いに配置されている。これは、ＯＤの周りのＮ個のポストのみとＩＤの周りのＳ個のポストのみとの間の無制限の磁束結合を提供するだけでなく、ＯＤの周りの１つのポスト毎とＩＤの周りの１つ置きのポストに対する構造的完全性を向上させる。これらの孔は、必要な構造強度及び剛性並びに所望の磁束経路の磁気抵抗を提供する限り、貫通孔又は止まり孔であってもよい。

図２３は、磁束絞り孔のない磁気シミュレーションからの磁束経路を示し、図２４は、磁束絞り孔を備えた磁気シミュレーションからの磁束経路を示す。図面から、磁束絞り孔が、隣接するロータ極間の磁束漏れを減少させることが示されている。例えば、磁束絞り孔が使用されるとき、磁束密度は、ロータ極の空隙表面で増加し、より多くの磁束がステータを通過するように導かれる。その結果、コイルが係合され、ステータ及びロータによって発生されるトルクが増加するとき、電磁力が増加する。

磁束絞り孔の有無にかかわらずロータプレート上でのＭａｇＮｅｔシミュレーションも同じ結論に至った。より多くの磁束がポストから空隙に導かれる。

図２５に示す実施形態では、ステータは、（共通の積層構造の代わりに）単一材料で形成され、ステータポスト１０５、ステータバックアイアン１０６、内側軸受レース１１１Ｂ、及び外側軸受レース１１２Ｂを含む。図２５のステータの断面図を見ると、ステータポストの先端と内側軸受レースとの間、上記ステータポストの先端と外側軸受レースとの間のステータ材料経路５００に沿った中断はない。

一体型ハウジングの内部に保持されているステータプレートは、固体の材料片から機械加工されている。典型的なステータはしばしば、積層鋼層を使用して作られている。例示的な実施形態では、図２５に示すように、内側軸受レース１１１Ｂと、ステータポスト１０５と、外側軸受レース１１２Ｂとの間の材料経路は中断されず、それに限らないが、延性鉄又はＭ１９などの磁性鋼など、均質な材料からなる。ステータコアは、堅い鋼片から鋳造又は機械加工することができる。この構造の利点は、多くの小型積層部品の組立ではなく、単一部品によるより低いコスト及び複雑性、及び典型的な積層ステータ構造になるような荷重経路内に接着剤がないため、はるかに高い強度、剛性及び耐クリープ性を含むことができる。これにより、軽量化に有益な非常に薄いステータの断面の使用が可能になる。

中断されていない半径方向の経路は、半径方向の磁束装置内の途切れない軸方向の経路に対応する。図２５の経路５００は、一体型軸受レースにおけるＩＤ及びＯＤで終了する。別の軸受レースが使用される場合、中断されていない経路は、軸受レース座部で終了することもある。ステータと軸受レース座部との間の中間部品又は層で終了することもできる。

図２６を参照すると、ボルトを用いて一対のロボットアームに連結された例示的なロータ及びステータの分解図が示されている。第１のアーム７００は、ボルト７１８を用いてロータハウジング７０２に連結されている。ロータハウジング７０２は、ボルト７０８を用いてロータ７２０に連結されている。第１の軸受要素７０６は、ロータ７０８とステータ７１２との間を連結し、圧入リング７０４によって連結されている。第２の軸受要素７１０はまた、ボルト７２２を用いてロータ７０８とステータ７１２との間を連結している。ステータ７１２は、ボルト７２４を用いてステータハウジング７１４に連結されている。第２のアーム７１６は、ボルト７２６を用いてステータハウジング７１４に連結されている。

図２７〜２９を参照すると、ロータ６０６は、延性鉄のような鉄系材料で作られ、円周方向に分極された等間隔の磁石アレイ６０５を保持する。磁石６０５の極性は、ロータ６０６の半径方向ウェブに交互に北極と南極を生成するために交互にされる。ステータ６０９は、延性鉄のような鉄系材料から作られ、一組のステータ巻線６１０が巻き付けられた等間隔の軸方向ポストのアレイを含む。整流電力をステータ巻線６１０に印加すると、ステータ６０９のポストとロータ６０６の半径方向ウェブとの間に周方向の引力及び反発力が発生するようなパターン及びシーケンスでステータ６０９のポストを分極し、それにより、トルクを発生させる。ステータ巻線６１０は、電線の移動を防止し、電線からステータ６０９に熱を伝達するのに役立つステータの埋込用樹脂６１１によってカプセル化される。図２８に示すように、ステータキャップ６１２をステータ６０９の上に据置し、電線６１０を定位置に保持することができる。

磁石６０５はまた、ステータ６０９とロータ６０６との間に引力を引き起こす。軸受６０３、６０４は、ハウジング６０１、６０２、６０７及び６０８を介して、ステータ６０９とロータ６０６との間の引力を相殺し、それらの間の隙間を正確に制御するように作用する。ステータ６０９とロータ６０６との間の軸方向の引力は、大部分の用途では、上側ハウジング６０１が下側ハウジング６０２から分離することを防止するのに適しており、それにより、それらの間に更なる保定を必要としない。ハウジング６０１、６０２、６０７及び６０８とロータ６０６及びステータ６０９との間の境界面における直径嵌合は、内側４点接触軸受６０４を介して、２つのアセンブリ間の半径方向荷重を支える。アセンブリに加えられる外部モーメントは、主に外側スラスト軸受６０３を介して支えられる。

ステータの巻線６１０を通る電流の流れは、他の構成部品に対してステータ６０９の温度を上昇させる傾向がある。発生した熱を隣接するハウジングに伝導させることは、その温度への増加を減少させるのに役立つ。示された実施例は、ステータ６０９よりも高い熱膨張係数を有する軽合金ハウジングを含む。温度が上昇するにつれて、ステータ６０９の外径と下側ハウジング６０２の内径との間の境界面に締まり嵌めを維持するために、ステータ６０９の位置決めフックの内径に最初の直径位置が生じる。

図２９では、取り外し可能なキャップ６１４及び６１６は、ステータ及びロータが挿入され、かつ磁石が最後に挿入されることを可能にするアーム内に着座している。

機械的及び磁気的力の組み合わせを用いて、ロータスロット内に磁気を保持するための力を提供することも可能である。テーパ状の磁石は、ロータスロット内に磁石を保持しながら、かなりの割合の磁束が空隙を通過する構造を提供することができる。

空隙に向かって薄くなるように接線方向に先細りの磁石は、集中磁束ロータ構成で高性能を提供することができる。図３０〜３５を参照すると、テーパ状端部３３１６を有する磁石３３０２及びテーパ状端部３３１８を備えたロータポスト３３０４を具備する軸方向磁束構成のロータ３３００が示されている。マグネット及びロータポストは、反対方向に先細になり、連動配置を形成している。永久磁石は、ステータ３３３０の方向に先細になり、一方、ロータポスト３３０４はステータから遠ざかるにつれて先細になっている。この実施形態では、２つの実質的に鏡像化されたロータ３３００を、各ロータのテーパ状のポストが背中合わせに接触し、各ロータのテーパ状の磁石が背中合わせに接触して、一対のステータの間に組み立てることができる。このように磁石３３０２を先細にすることにより、空隙でより大きなロータポスト幅が可能になる。これはまた、磁石テーパの広い端部でより大きな磁石幅を可能にして、ロータポスト３３０４に、空隙から離れたより多くの磁束を提供し、側面が平行であればポスト３３０４はより飽和しにくい傾向がある。このようにして、能動的永久磁石３３０２及び軟磁性材料は、より効果的に使用されて、空隙でより多くの磁束を提供する。２つのロータ部は、例えば接着剤によって一緒に固定することができるが、いくつかの好ましい変形形態では、ボルト（図示せず）又は固定リング（図示せず）などの機械的特徴を使用することができる。

テーパ形状ポスト３３０４と磁石３３０２との連動配置は、永久磁石の脱落を防止するストッパーとして動作し、ロータに磁石を保持するための磁力の必要性を低減し、したがって、エンドアイアン３３１４を通って漏洩する磁束の必要性を低減する。

いくつかの実施形態では、磁束経路絞り３３２８のアレイを、例えば、それらがエンドアイアン３３１４と連結する各ロータポスト３３０４の基部におけるエンドアイアン３３１４の孔として、エンドアイアン３３１４内に形成することができる。これらの磁束経路絞り３３２８は、ロータポスト３３０４とエンドアイアン３３１４との間の利用可能な磁束経路を減少させる。

図３０は、テーパ状スロットロータの軸方向磁束構成を示しているが、テーパ状スロットロータは、半径方向磁束構成で等価的に構成することができる。テーパ状の磁石は、反対側のキャリアに向かって又は離れて狭まってもよい。

このように磁石を先細にする第２の効果は、永久磁石からの高い割合の磁束を空隙に向かって付勢することである。これは、少なくとも２つの方法において有益である。第１に、テーパ状の永久磁石は、より低い磁気抵抗磁束結合のために永久スロット壁とロータスロット壁との間の空隙を閉じ、かつ更なる動きが機械的に防止され、したがってテーパ状ロータポストによって確実に保持される、空隙に引き寄せられることである。第２に、後面の狭いロータポストは、ロータの中心面に沿って、ポストからポストまでの距離が大きくなることである。これにより、ロータの中心面に沿ってポストからポストへの空気の漏れ量が減少する。２つの実質的に鏡像化されたロータ半体を、テーパ状ポストとテーパ状の磁石とを背中合わせに組み立てることによって、永久磁石からの磁束の大部分を強制的に空隙を横切って結び付けることができる。

このようにして、磁石を磁気的及び機械的に保持しながら、非常に高い磁束密度を空隙内で達成することができる。テーパ状ロータポストロータを製造する費用効率の高い方法は、２つの対称ロータ３３００を背中合わせに使用することである。この構成では、ロータを補強するためにバックアイアンを使用することができないので、代わりに軟磁性のエンドアイアン３３１４が使用される。エンドアイアン３３１４は、好ましくは、エンドアイアンを通るロータポスト間に高い磁気抵抗の磁束経路を作り出すためにできるだけ薄く、かつ小型で一定した空隙を維持するために機械的強度と剛性を提供するのに必要な厚いセクションを有する。

エンドアイアンの連結を介して、ポストから隣接するポストへの磁束の損失を補償するために、一実施形態では、空隙における軟磁性ステータポスト３３３２よりも長い永久磁石３３０２を使用する。これは図３１に示されており、永久磁石３３０２がステータポスト３３３２と同じ又はほぼ同じ長さを有するロータポスト３３０４よりも長い。図３２に示すように、巻回形状３３３４は、ステータポスト３３３２の周囲に延在している。隣接するポスト間に軟磁性連結がない場合、ロータポスト内の高い磁束密度を達成するのに必要なものを超える永久磁石の深さを増加させることによって、永久磁石３３０２は、空隙におけるロータポスト内の高い磁束密度を依然として維持しながら、エンドアイアン３３１４を飽和させるのに十分である。図３１に示すように、各ロータポスト３３０４の各端部に隣接して、２つの磁束絞り３３２８がある。ロータポスト３３０４は、ロータの軸方向外端における幅が大きい。磁束絞り弁３３２８は、ロータポストの外端に隣接して大きく、ロータポストの内端で小さくなる。

例えば、図３、図１４、図２２Ａ、図２２Ｂ、及び図３４〜３８に開示された実施形態に記載された磁束絞り孔は、力と構造強度との間の許容可能なトレードオフを満たすように設計されている。磁石の上の断面積は、空隙を維持するための強度を提供し、磁束絞り弁は、磁束が、隣接する磁石間で過度に連結することを防止する。磁束絞り弁は、ポスト毎に隣接しているのではなく、１つ置きのポストに隣接して孔をあけて据置することができ、より強い構造を提供するが、隣接するポスト間の磁束結合には大きな影響を与えない。磁束絞り弁は、磁束経路に断面積の減少がある限り、いかなる形状の止まり孔又は貫通孔であってもよい。好ましい実施形態では、磁束絞り弁は、ポストのアレイと各組の軸受との間のポストのいずれかの端にある。磁束絞り弁は、各ポストの長さと平行にあるのが好ましい。磁束絞り弁は、磁束経路よりも構造荷重経路に大きな断面積が存在するように設計することができる。磁束絞り弁はまた、本明細書に記載された軸方向及び線形磁束機械について記載したものと同等の方法で、半径方向磁束機械に使用することもできる。磁束絞り弁を備えた本明細書に記載の機械の一実施形態では、例えば、磁力を支持するのには十分強いが、軽量であるのに十分に薄い延性鉄で作られた固体材料を有することができる。磁束絞り弁は、ロータ又はステータ上のポスト毎に隣接して、又はロータ又はステータ上の１つ置きのポストに隣接して据置することができる。磁束絞り弁は、一般に、各ポスト又は１ポスト置きで両端部上に配置される。磁束絞り弁は、各ポストの一端上の１つ置きのポストに隣接して、かつ各ポストの他端上の１つ置きのポストに隣接して据置されてもよい。磁束絞り弁は、各ポストが、たった１つの磁束絞り弁に隣接するように交互パターンで据置されてもよく、各隣接するポストに対して、対応する磁束絞り弁は隣接するポストの反対側の端部に隣接する。磁束絞り弁は、同じ幾何学的形状を維持しながら、異なるサイズを有することができる。断面磁束経路は、１つ置きのポスト間で一致してもよいが、断面磁束経路は、各ポストが、それに直接隣接するポストとは異なる断面磁束経路を有するように、隣接するポスト間で交互になるように選択されてもよい。１ポスト置きで磁束絞り弁に隣接するように磁束絞り弁が交互パターンで据置される場合、次いで、磁束絞り弁に隣接する各ポストの断面は、磁束絞り弁に隣接しない各ポストの断面よりも小さくてもよい。そのような実施形態では、１つ置きのポストは、磁束絞り弁に隣接している、隣接するポストの各々よりも大きな断面を有する。図３１に示すように、ポストの各端部に隣接して、複数の磁束絞り弁があってもよい。

ロータの製造方法は、鋳造又は成形又は粉末金属構造、付加製造、機械加工などを含むことができる。磁石の製造は、成形又は付加又はサブトラクティブ製造によって行うことができる。また、スロットに挿入した後に磁石を磁化することもできる。現在又は将来のプロセスでは、粉末状の硬磁性材料をロータスロットに押し付け、次いで、押付後にＰＭ材料を磁化するか、又はエポキシ又は他のポリマーのＰＭ磁石材料のスラリーを使用してスロットを充填し、その後、硬化後に磁化される可能性がある。硬磁性材料の磁化は、一度に２つ以上のポストに非常に高い磁束密度を加えることによって行うことができる。

バックアイアン、サイドアイアン（side irons）、及びエンドアイアンは、保持要素としての機能を果たし、ロータポストとの堅固な連結を形成する。一実施の形態の特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わせることができる。

図３２を参照すると、エンドアイアン３３１４を備えたステータ対ロータ対ステータ構成が示されている。エンドアイアン３３１４及びロータポスト３３０４は、ロータポスト３３０４間に嵌合する単一の永久磁石３３０２のアレイを備えた等長の難治性金属材料の単体から形成することができる。エンドアイアン３３１４は、ロータ３３００の両端に形成されている。この実施形態では、図３３に示すように、磁束経路絞り３３２８が含まれていてもよい。

図３３は、バックアイアン３３１０、エンドアイアン３３１４、及び磁束経路絞り３３２８を備えたステータ−ロータ−ステータ構成の一実施形態を示している。この実施形態では、２つの永久磁石のアレイ３３０２が、バックアイアン３３１０によって分離されている。磁束経路絞り３３２８は、永久磁石３３０２の端部に孔として形成され、エンドアイアン３３１４における磁束漏れを低減する。

図３４は、ロータ−ステータ−ロータ構成の一実施形態を示している。２つの集中磁束ロータ３３００が中央ステータ３３３０に係合する。ロータ３３００は、エンドアイアン３３１４及び磁束経路絞り３３２８を各々含む。多くの用途では、集中磁束ロータ３３００に十分な剛性を提供するためには、エンドアイアンのみ又はバックアイアンのみで十分である。

図３５は、ロータ対ステータ対ロータ構成の一実施形態を示している。この実施形態は、図３４に示されたものと本質的に同じであり、各ロータ３３００上にシンクバックアイアン３３１０が追加されている。

図３６は、線形磁束機械のロータ対ステータ対ロータ構成の一実施形態を示している。ステータ３３３０は、ポスト３３３２のアレイを有する。ロータはステータを取り囲み、１つ以上の材料片、例えば軟磁性等方材料で作られている。ロータ３３００の内部構造上の永久磁石３３０２の受け入れスロットは、ロータポスト３３０４、ロータバックアイアン３３１０、及びロータエンドアイアン３３１４としての機能を果たしている。本明細書では、リニアモータの多くの構成が企図されている。例えば、ロータの側部は、上側及び下側のロータ部分とは異なる材質であってもよい。図３７は、ロータ３３００上にバックアイアン３３１０を有さず、スロットのいずれかの側の永久磁石３３０２の各々に隣接する複数の磁束絞り弁３３０６を有する線形磁束機械のロータ対ステータ対ロータ構成の一実施形態を示している。図３８は、１つ置きの永久磁石に隣接する磁束絞り弁３３０６の交互パターンを備えたステータ対ロータ対ステータ構成を示している。

ここで、本特許文献に開示されている設計要素、例えば、内側及び外側軸受構成を利用することができる構成の電気機械の一実施形態について説明する。

開示された構造のいずれも、ポスト間にポスト及びスロットを含む電磁要素を有する電気機械と共に使用されてもよく、ポストは、少なくともステータ又はロータのいずれかに、極を形成するために巻かれ、極密度は、この特許文献に特定されている方程式によって定義される極密度の範囲内であり、ポスト高さは、この特許文献に特定された方程式によって定義されるポスト高さの範囲内にある。これらの方程式は、有界領域を各々定義する。有界領域は、電気機械のサイズに依存し、そのサイズは機械の半径によって定義される。有界領域は、極密度、ポストの高さ、及び機械のサイズによって定義される空間内の境界面を一緒に定義する。この有界区域は、同時係属中の２０１７年２月１６日公開された国際特許第２０１７／０２４４０９号に開示されており、ここで繰り返される。

モデリング研究及びＦＥＭＭ分析に基づいて、以下の結論が続くと信じられている：少なくとも特定の極密度を超えて、かつ所定のモータの直径に対して、指定された導体容積又はポストの高さに対して、１）開示されているような極密度及び導体容積又はポストの高さを有する電気機械は、より低い極密度及び／又はより高い導体容積を有する他の同等の機械と比較して、所与のトルク又は力に対して熱生成を増加させ（したがって効率を低下させる）、２）極密度の増加、より低い導体容積又はポストの高さはまた、全体的に増加したトルク対質量比（トルク密度）を備えて、より低い極密度及び／又はより高い導体容積を有する他の同等の機械と比較して質量を減少させる効果を有する。

トルク対質量比が増加した電気機械は、１つの電気機械が１つ以上の他の電気機械を持ち上げたり加速したりする必要性に対して、効率はそれほど重要ではないので、電気機械のいくつかがロボットアームなどのアームに沿って間隔をあけて配置されている場合に特に有用である。開示されているように、極密度と導体容積又はポストの高さを有する電気機械の改善された性能は、少なくとも部分的に、１）最も熱い導体からポストまでの熱流路がより短い狭いスロットと、２）ポストの頂部から熱放散表面までのより短い熱流路が生じるとされている。

例えば、開示された各電気機械の実施形態は、Ｋ_Rを単位として利得を提供すると考えられる極密度及びポストの高さの定義内にある極密度及びポストの高さを有するものとして示されている。

例えば、極密度が０．５以上の範囲では、スロットが歯と同程度の幅であることが珍しくないことを考慮すると、歯幅は、２５ｍｍ幅の機械の場合、１ｍｍ程度であり得る。より狭い歯を用いることができる。より薄い歯の利点は、この限りではないが、鋼又は鉄又は磁性金属合金などの固体材料が、通常のモータ積層体の厚さに近い歯のために、最小の渦電流で使用できることである。このサイズのモータ用の一般的なモータラミネーションは、０．０１５”〜０．０２５”の範囲にすることができる。提案された極密度及び歯の輪郭（多くの短いポスト）はまた、第１のキャリア（ステータ）内の渦電流の回避にも役立つ。例えば、１４４個のスロットの電気機械の場合、渦電流損失は２００ｒｐｍ及び７０Ａ／ｍｍ²の巻線における全抵抗損失のわずか７％であることが分かった。固体（積層されていない）材料の使用は、強度、剛性、及び信頼性において利点を提供することができる。

開示された機械の実施形態は分数巻を使用することができる。いくつかの実施形態では、分布巻を使用してもよく、他の実施形態では集中巻を使用してもよい。分散巻線は、座巻内の銅がより多く、電力がより少ないため（モータがより多く必要）重くなる。それらはまた、磁束が、分数巻と同様に次のポストにではなく、少なくとも３つのポストを移動する必要があるため、より厚いバックアイアンを必要とする。分布巻は、より長い導体のため、より多くの熱を発生させる（座巻が連結されなければならない距離が長くなる結果）。

提案された極密度を備えた電気機械の一実施形態は、任意の適切な数のポストを有することができる。ポストの最小数は１００ポストであってもよい。多数のポストは、１ポスト当たりの巻数を少なくすることができる。非限定的で例示的な実施形態では、各ポスト上の巻線は、１つの層の厚さだけである（円周方向に、ポストから外側に測定される）。これにより、導体からの熱が導体を通って伝導してステータポストに熱を伝導的に放散する空隙及び／又は埋込用樹脂の隙間及び／又は電線絶縁層の数が減少する。これは、熱容量（瞬間的な高電流事象の場合）及び連続運転型冷却の場合に利得がある。導体と直接接触しているガス又は液体冷却剤によるコイルの直接冷却の場合、少ない数の円周層、及び例えば、高い極密度と組み合わされた極上の電線の単一円周層は、冷却流体に曝される（導体の容積に対する）導体の非常に高い表面積をもたらす。これは、導体を冷却するのに有用であり、開示されるような低導体容積を利用する多くの例示的な方法の１つである。１ポスト当たりの１行（又は少ない数の行）のコイルは、製造の複雑さを低減し、より低コストの生産を可能にする。別の実施形態では、各ポストの巻線は２層の厚さである。

１７５ｍｍ以上の平均空隙電気機械の場合、スロットの数は、例示的な１７５ｍｍ直径の実施形態では、例えば、１０８スロットのような、軸方向磁束機械の場合、６０以上、又は１００以上であり得る。加えて、このような電気機械の場合、ポストの平均的な半径方向の長さ対円周方向の幅は、約８：１のように４：１を超えてもよいが、１０：１以上になることができる。例示的な１０８個のスロットの実施形態では、この比は約８：１である。このような構成により、熱放散が向上する。より低いアスペクト比は、非常に小さいトルクに対して多くの材料になるため、アスペクト比は、高いＫＲ及びロボット工学に役立つトルクを達成すると同時に、熱放散効果を利用するのに役立つ。

いくつかの実施形態では、空隙を維持する低摩擦表面で空隙をコーティングすることにより剛性要求が低減される。リニアモータの一実施形態では、０．００８”の空隙を維持する低摩擦表面が空隙内に適用される。ＤＬＣ（ダイヤモンドライクコーティング）などのコーティングは、ロータとステータとの両方に０．００２５”で堆積することができ、その隙間は維持される。

ＫＲを単位として、又はトルク、トルク対重量、及びＫｍ（更に説明するように）を組み合わせる荷重関数の観点からいずれかの大きな利得を付与する、極ピッチ（又は密度）及び導体容積の範囲が明らかになっている。荷重関数に関する利得の量は、冷却量及び他の要因に依存するが、方程式は、示されたように利得をもたらす電気機械の新規な構造を定義する。これらの利得を生み出す極密度及び導体容積の範囲によって決定される有界領域を定義する方程式が与えられている。

一実施形態において、利点は、機械のサイズ、極密度及びポストの高さによって定義される相空間の領域内で動作させることによって得られる。図３９Ａ〜図３９Ｆに示される一連のグラフは、ＯＣＴＡＶＥ（商標）で生成された自動ソルバー（数値計算を解決するためのプログラム）を使用するＦＥＭＭソフトウェアを使用して作成され解析された例示的な一連のリニアモータセクション幾何学的形状についてのトルク密度（ｚ軸）ｖスロット密度（ｘ軸）及びポストの高さ（ｙ軸）示している。この実施例では、極密度と同じであるため、スロット密度を使用した。

一連の全てのモータには、以下のルールと前提が適用された。各セクションは、１４４個の電磁石と１４６個の永久磁石から成っている。ロータは、ＮｄＦｅＢ ５２磁石及びＭ−１９ケイ素鋼のセクションを含んでいた。全永久磁石は、ロータに接線方向に据置され、かつその磁界方向が、ロータに接線方向に整列し、その隣接する永久磁石と対極にあるように配向されている。Ｍ−１９ケイ素鋼のセクションを永久磁石間に据置した。ステータは、Ｍ−１９ケイ素鋼から作られた。電磁石は、集中巻コイルを３相構成で使用した。スロット面積の７５％から成るコイルの７５％充填率が仮定された。調査された２つの変数は、ポストの高さ及びスロット密度であった。残りの幾何学的形状の変数は、次の関係に従ってスケーリングされた：全てのシミュレーションにわたる１．２５インチの一定のモデル厚さ、ロータ永久磁石の幅は永久磁石ピッチの５０％に設定され、ロータ永久磁石の高さは永久磁石の幅の２．３倍に設定され、ステータスロットの幅は、ステータ電磁石ピッチの５０％（ポストとスロットとの等しい幅）であり、ステータバックアイアンの高さは、ステータポストの幅の５０％に設定され、空隙の軸方向の高さは０．００５インチである。

開示された固有の幾何学的形状を表す有界領域は、好ましい実施形態、すなわち、最高トルク対重量及びＫＲをもたらす実施形態のためにモデル化される。この実施形態では、ロータ内の等級Ｎ５２ ＮｄＦｅＢ磁石、ロータ極対ステータポスト比１４６：１４４、及びバックアイアン付き磁束集中ロータを選択するなどの特定の設計選択がなされている。この構成は、妥当なレベルの製造可能性及び構造安定性を依然として保持しながら、開示された直径のアクチュエータのサイズに対して最高の実用的なトルク対重量構成のうちの１つを提供すると考えられる。異なるロータタイプ（表面永久磁石、埋設永久磁石など）、この限りではないが、セラミック、サマリウムコバルト、及び高温ＮｄＦｅＢを含む異なる磁石材料及び等級、異なるロータ極対ステータポスト比、異なるステータ巻線構成、異なるステータ材料など、他の多くの構成が可能である。多くの場合、これらのパラメータに対する異なる設計選択は、好ましい実施形態と同じ極ピッチ及びポストの高さに対してトルクを減少させるか、又は重量を増加させるといういずれかの結果によって、好ましい実施形態と比較して大きなＫＲ利得を有するものではない。しかしながら、大部分の設計では、他の全ての設計変数と幾何学的形状との関係が一定に保たれているとき、開示された領域の外側の幾何学的形状に対して極ピッチ及びポストの高さを開示領域内に使用することにより、ＫＲに利得がある。この原理は、リニアモータ、軸方向磁束回転モータ、半径方向磁束回転モータ、台形／トロイダル回転モータ、及び横方向磁束線形モータ及び回転モータの集中巻及び分散巻設計の両方に当てはまる。

これらのモータセクションの幾何学的形状の各々について、磁気シミュレーション及び熱シミュレーションが実行された。磁気シミュレーション毎に、プログラムは質量、水平力、消費電力の値を得た。システム全体の質量及び消費電力をより正確に予測するために、コイル断面の幾何学的形状的外挿を使用して巻線端部の質量及び消費電力を見出した。停動トルク及び低速でのトルクを計算するには、抵抗損失の平方根が消費電力の支配的な部品であり、巻線端部の抵抗損失を考慮したスロット幾何学的形状に基づく乗数が使用される。これらの値を使用して、各シミュレーションの質量力密度（単位質量当たりの力）及び面積正規化力（空隙の単位面積当たりの力）を計算した。熱シミュレーション毎に、プログラムはコイル温度、ロータ温度、及びステータ温度の値を得た。冷却剤としての水及び７００Ｗ／ｍ²Ｋの対流係数を用いて、設定した冷却速度をステータの内面に適用した。水の温度は１５℃に設定され、流量は６〜２０ｍｍ／ｓであった。定常状態が想定された。

定電流密度シミュレーションでは、固定電流密度を導体に印加し、その結果としての力、質量、消費電力、及び最大ステータ温度をプログラムによって計算した。

一定温度、面積当たりの力、又は力密度シミュレーションのために、関心のあるパラメータが目標値に達するまで電流密度を各幾何学的形状的時点で調整し、他のパラメータをその時点で記録した。一定温度、面積当たりの力、及び力密度シミュレーションの目標誤差は、それぞれ１度、０．００２Ｎ／ｍｍ²、及び１Ｎ／ｋｇである。このデータは、面積正規化力に回転モータの空隙の円周方向の面積を掛け、かつその力に直径を掛けてその結果のトルクを得ることによって、回転モータの任意のサイズに直接適用することができる。モータの曲率半径に起因するわずかな逸脱、及び湾曲構造を線形のものに近づけることに伴う誤差があるが、本発明者らのシミュレーションでは、回転模擬トルクが通常、線形モデルによって予測されるトルクの１０％以内であることを示している。

高いトルク対重量は、いくつかの用途では利得があるが、最低レベルのトルクは、アームが高いトルク対重量のアクチュエータの結果としてどれほど軽いものであっても、依然として有効荷重を持ち上げて移動させるのに十分なトルクを持たなければならないロボット工学などの用途に必要な場合がある。この特許文献に開示された範囲内の極密度及び導体容積を有する電気機械は、許容可能な電力消費レベルで高いトルク及びトルク対重量を提供する。

定電流密度２３２０における面積当たりの力は、スロットピッチ及びポストの高さの関数として図３９Ａに描かれている。仮想列の全てのモータに適用される同じ電流は、開示された範囲２３２２（点線によって概略的に示される）で面積当たりの劇的に低い力をもたらす。点線は、３Ｄ表面上に投影された各サイズ（以下の方程式に関連して説明するように、２５ｍｍ、５０ｍ、１００ｍｍ、及び２００ｍｍ）の中間境界に対応する。中間境界は、方程式Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、及びＤ２の組に対応する。このグラフでは、ＯＣＴＡＶＥのスクリプトを使用してＦＥＭＭで解析され、所与の３相入力電力に対する最高トルク回転位置を見出す一連のモータについて、定電流密度における面積当たりの力２３２０が示されている。これらのモータは、図示のように変化する導体容積及びスロット密度を除いてあらゆる点で同一である。

所与の温度２３２４で可能な最も高い電流密度は、スロットピッチ及びポストの高さの関数として図３９Ｂに描かれている。開示された範囲２３２２における指数関数的に高い熱放散特性は、所与の温度ではるかに高い電流密度を可能にする。導体容積が小さいと、アクチュエータの重量が小さくなる傾向があるが、導体容積が小さいと、アクチュエータのトルクも低下する傾向がある。しかしながら、導体容積及びスロット密度が開示された範囲にあるとき、導体からステータの後面又は冷却が適用され得る他の任意の表面への熱流抵抗が劇的に低減され、したがって、アクチュエータを過熱させることなく導体に非常に高い電流密度を印加することが可能になる。

図３９Ｂでは、図３９Ａと同じ一連のモータが使用されているが、各モータに印加される定電流密度の代わりに、導体の定常状態温度が約７０℃になるまで電流密度を変化させた。典型的な水冷効果の合理的な表現を、７００Ｗ／ｍ²Ｋの対流係数でステータの外側軸方向表面に適用した。水の温度は１５℃に設定した。周囲温度は１５℃に設定した。水冷却面は冷却に関して非常に支配的であったため、かつロータがそれ自体の熱を発生していなかったので、簡単にするために、空気対流冷却はロータに適用されなかった。定常状態が想定された。３Ｄグラフ上の各点について、コイルの温度が約７０℃に達するまで、モータの電流密度をゼロから増加させた。

図３９Ｃは、７０℃の一定温度とは対照的に６Ａ／ｍｍ２の定電流を有することを除いては、図３９Ｄと同じである。このように、短いポストの熱放散の利得が、公開範囲で予想外の利得をどのようにもたらすかを明示すると、図３９Ｃは、以下の荷重規則である、トルク−荷重１、トルク対重量−荷重３、消費電力−荷重２を使用して開発された。アームの重量がアクチュエータの重量によって決定され、かつアームの重量が一般に有効荷重の重量よりも著しく高いため、トルク対重量が最も高く荷重された。重要な考慮事項として、それを含めるためにトルクに１を加重したが、有効荷重はアームの重量よりもかなり低い可能性があることを認識している。消費電力は、重要な考慮事項であるため、適度な荷重が行われたが、トルク対重量の荷重が高まることによって達成されるように、消費電力は、下側アームの重量から利得を得ることが知られているので、消費電力の荷重が高くなると潜在的に反生産的であるとみなされた。

図３９Ｄの表面２３２８は、スロット（又は極）密度及び導体容積の開示された範囲２３２２に向かって全体の性能が低下している傾向及び継続している傾向を示している。図３９Ｄは、一定温度の電流密度が図３９Ｂから適用されるときの、開示された範囲内の利得を示している。

モータ性能の業界標準メトリックは、基本的にトルク対消費電力のＫＭである。ＫＭは、所与の電力に対して十分な冷却を仮定する。ある程度のトルクを発生させるのに必要な電力量のみを考慮する。スロットピッチ及びポストの高さの関数としてのＫ”_mの表面２３３０が、図３９Ｅにプロットされている。

消費電力に対する重量対トルクは、図３９Ｆのスロットピッチ及びポストの高さの関数としてＫ”_R表面２３３２のグラフから明らかなように、開示された範囲２３２２において最も予想外で劇的な利得を示す。高いＫＲは、固定用途では大きな利得ではないかもしれないが、ロボット工学などの用途では、ＫＲは、システム全体の重量を減らすことによって、消費電力の利得を達成できることを示している。

極密度とポストの高さとで、Ｋ”_Rがどのように変化するかを示すグラフを作成する方法は以下のとおりである。低導体容積（低いポストの高さ）及び低極密度を有する幾何学的形状Ａを備えたモータセクションを考慮する。幾何学的形状Ａを有するモータセクションがシミュレートされ、冷却剤としての水と７００Ｗ／ｍ²Ｋの対流係数を用いて、設定された冷却速度がステータの内面に適用される。水の温度は１５℃に設定され、流量は６〜２０ｍｍ／ｓの間である。定常状態が想定される。次いで、幾何学的形状Ａの導体を流れる電流は、導体の最高温度が７０℃に達するまで上昇する。その後、この時点での幾何学的形状Ａのトルク密度が記録され、対応するポストの高さ及び極密度の値についてグラフにプロットされる。ポストの高さ及び極密度を変化させ、上記のように残りのパラメータをスケーリングすることを介する実施例によって得られる他の幾何学的形状に対して、プロセスを繰り返す。例えば、幾何学的形状Ｂは、上述のように他の全てのパラメータをスケーリングして、ポストの高さを増加させることによって、幾何学的形状Ａから取得することができる。幾何学的形状Ｃは、幾何学的形状Ａと同じポストの高さを有していてもよいが、極密度は大きくなる。幾何学的形状Ｄは、幾何学的形状Ａと比較して、ポストの高さが増加し、極密度が増加する可能性がある。トルク密度をプロットすると、グラフ内の表面になる。

極密度が増加し、ポストの高さが減少すると、トルク密度が増加することが分かる。低いポストの高さ又は高い極密度のいずれかを有する幾何学的形状では、トルク密度のこのような増加は起こらないことが示されており、トルク密度の利得は、これらの２つの要因を組み合わせた幾何学的形状に対してのみ観測される。しかし、この領域では効率が低下している。グラフは、示された仮定に基づいて生成されたものであるが、開示された冷却効果と、増加する極密度の磁束損失の減少と、導体容積又はポストの高さの減少に基づいて、同じ幾何学的形状が、シミュレーションで使用されたパラメータの他の値に利得をもたらすと考えられている。ポストの高さや極密度に影響を与えないモータ設計要素の変更は、利得を失う結果にはならない。例えば、接線方向に配向された永久磁石を有するロータを備えた電気機械と、表面実装された永久磁石を有するロータを備えた類似の電気機械は、幾分異なるＫ”_R表面を有していてもよく、それにもかかわらず、上記の原理は依然として適用され、以前に記載された低いポストの高さ及び高い極密度の幾何学的形状の領域内での利得が依然として予測される。現在理解されているように、この原理は、軸方向磁束及び半径方向磁束機械などのポストを備えた電気機械にのみ適用される。

開示された方程式及びグラフでは、パラメータＫ”_Rはサイズに依存せず、従来のＫＲからトルクの代わりに力を使用するように変換され、円周長さ及び軸方向長さの両方から独立している。したがって、Ｋ”_R値から任意のサイズのモータの従来のＫ_Rを見いだすことができる。同一のサイズ（空隙直径及び軸方向の長さ）だが、異なる幾何学的形状（すなわち、極密度及び／又はポストの高さ）の２つのモータの場合、倍率は同じになるので、Ｋ”_Rが高いモータは、高い従来のＫＲを有する。

極密度及びポストの高さの関数としてのＫ”_Rは、従来のＫＲを示すグラフの表面に非常に似ている。しかしながら、トルク密度に対応するこの特定の表面は、異なる温度が分析の制約として使用されるときに、かなり変化し得る。これに対して、Ｋ”_Rは実質的に変化しない（ただし、一連のモータが飽和し始めるのに電流が十分に大きくならない場合、次いで、３Ｄ曲線形状が変化する）。したがって、前述の利得をもたらす極密度及びポストの高さの特定の範囲を定義するために使用されるのはＫ”_Rである。

開示される利得の範囲は、空隙における結果として生じるモータ直径に依存する。モータの物理的サイズが、より低いスロット密度の使用を妨げるので、より小さいモータはより制約される。２００ｍｍ以上、１００ｍｍ以上、５０ｍｍ以上、及び２５ｍｍ以上に対応する４つの離散モータ直径範囲を定義した。各直径範囲について、３つのレベルのＫ”_Rを記述する。第１は、Ｋ”_Rに対して小さな利得が始まるところに対応し、第２は、適度なＫ”_Rの利得に対応し、第３は、その特定の直径範囲に対する高いＫ”_Rの利得に対応する。より高いＫ”_R値は、一般に、そのモータサイズの範囲に対するより低いトルク全体の値に対応する。

開示されているこれらのモータサイズ（直径２５ｍｍ〜最大２００ｍｍ以上）は、小型から大型のモータを表す。シミュレーションで使用される０．００５インチの空隙は、この範囲のモータでは最小の合理的な空隙サイズと考えられている。製造公差、軸受精度、構成部品偏差、及び熱膨張のために、このモータ範囲ではより小さな空隙は実用的ではない。

上記の方程式の係数は、関心領域を結び付け、得られた関係をほぼ連続的にするような方法で選択された。

ポストの比率５０：５０：分析では、比率が４０：６０〜６０：４０の間のとき、最大の利得が得られることが示されているため、これらのシミュレーションではスロット幅を選択した。５０：５０の比率は、典型的な最良のシナリオを表す。固定されたポストの高さで、１０：９０のスロットを使用して：ポストの幅比は、比較によって著しく低下した性能を有する。分析は、一定のポストの高さにおいて、一実施形態が５０％のスロット幅で最大のトルク及びトルク密度、及び４０％のスロット幅で最大のＫｍ及びＫｒを提示することを示している。ただし、Ｋｍ及びＫｒの最大値は、５０：５０の幾何学的形状で付与された値の５％以内であり、その結果として、５０：５０の比率は、シミュレーションのスケーリングパラメータの合理的な選択とみなされた。ポストの他の比率スロット幅は、開示された利得の一部を付与する。

異なる実施形態では、ＫＲの点で、又はトルク、トルク対重量、及びＫｍを組み合わせた重み付け関数の点でのいずれかで大きな利点を与える極密度及び導体体積の範囲を示す方程式及びグラフについて以下に説明する。前述の方程式と同様に、荷重関数に関する利得の領域は、冷却量に依存する。

電気機械のサイズは、本明細書で定義されるような軸方向磁束機械又は半径方向磁束機械の空隙直径、又は線形機械のキャリアの並進方向における長さを意味する。

第１の有界領域は、ドメイン内の残りの幾何学的形状に対して、重要なＫ_R利得が見出される領域に対応する。所与の装置サイズについて、Ｋ_Rは、開示された範囲の幾何学的形状では、範囲外の値よりも高い値を有し、これらの幾何学的形状の装置を使用する特定の用途に対する全体的なシステム効率への潜在的利得を示している。
Ｋ”_Rのグラフは、指定されたＫ”_R値で水平面を据置することによって境界を定義するために使用される。２００ｍｍ以上、１００ｍｍ以上、５０ｍｍ以上、及び２５ｍｍ以上のサイズに対応する４つの異なるアクチュエータサイズの範囲に対する利得の面積を定義するために、Ｋ”_Rの４つの値が使用される。

以下の表では、極ピッチは変数Ｓによってｍｍ単位で表される。ポストの高さもミリメートルで表される。

２５ｍｍサイズの機械では、Ｋ”_R＞３．３の境界線は表１に示す値によって定義され、対応するグラフは図４９である。

２５ｍｍサイズの機械では、Ｋ”_R＞３．４の境界線は表２に示す値によって定義され、対応するグラフは図５０である。

２５ｍｍサイズの機械では、Ｋ”_R＞３．６の境界線は表３に示す値によって定義され、対応するグラフは図５１である。

５０ｍｍサイズの機械では、Ｋ”_R＞２．３の境界線は表４に示す値によって定義され、対応するグラフは図４６である。

５０ｍｍサイズの機械では、Ｋ”_R＞２．５の境界線は表５に示す値によって定義され、対応するグラフは図４７である。

５０ｍｍサイズの機械では、Ｋ”_R＞２．９の境界線は表６に示す値によって定義され、対応するグラフは図４８である。

１００ｍｍサイズの機械では、Ｋ”_R＞１．５の境界線は表７に示す値によって定義され、対応するグラフは図４３である。

１００ｍｍサイズの機械では、Ｋ”_R＞１．７の境界線は表８に示す値によって定義され、対応するグラフは図４４である。

１００ｍｍサイズの機械では、Ｋ”_R＞１．９の境界線は表９に示す値によって定義され、対応するグラフは図４５である。

２００ｍｍサイズの機械では、Ｋ”_R＞１．３の境界線は表１０に示す値によって定義され、対応するグラフは図４０である。

２００ｍｍサイズの機械では、Ｋ”_R＞１．５の境界線は表１１に示す値によって定義され、対応するグラフは図４１である。

２００ｍｍサイズの機械では、Ｋ”_R＞１．８の境界線は表１２に示す値によって定義され、対応するグラフは図４２である。

各機械のサイズにおいて、各境界線は所定のＫ”値に対して定義され、その結果、各機械寸法に対して、一組のＫ”値及び対応する境界線の組が存在する。装置の２つの連続するサイズ、すなわち、２５ｍｍと５０ｍｍ、５０ｍｍと１００ｍｍ、又は１００ｍｍと２００ｍｍの各々から１つの境界線が選択される、境界線の対を選択することができる。境界線は、サイズ、極ピッチ、及びポストの高さによって定義される空間又は容積を占有する。境界面は、第１の境界線の任意の地点と第２の境界線の任意の地点とを結ぶ全ての線の和集団の外面である、空間内の２次元の連続した面として定義することができる。境界面は、利得空間を取り囲む。各対の境界線に対して、境界面は、利得空間を画定する。所与の利得空間内のあるサイズ、極ピッチ及びポストの高さを有する電気機械は、そのサイズの機械に対して対応する境界線によって画定される実施形態内に含まれるとみなされる。

計算された最大のサイズよりも大きなサイズの機械の場合、計算された最大のサイズに対して、計算された境界線が使用される。したがって、計算された最大のサイズを超える利得空間は、そのサイズに対して計算された境界線によって単に画定される表面と、より大きなサイズに対応するが、表面上のある点に等しい極ピッチ及びポストの高さを備えた点の容積である。

電気機械の主要構成部品は、電磁要素のアレイを有する第１のキャリア（ロータ、ステータ、又は線形機械の一部）と、磁極を定義する電磁要素を有する第２のキャリアとを備え、この第２のキャリアは、例えば磁気軸受であってもよい軸受によって、第１のキャリアに対して移動するように配置されている。この移動は、第１のキャリア及び第２のキャリアの電磁要素によって生成される磁束の相互作用（モータの実施形態）又は外部電源によって引き起こされてもよく、この場合、移動によって電気機械の巻線に起電力が生じる（発電機の実施形態）。空隙は、第１のキャリアと第２のキャリアとの間に設けられている。第１のキャリアの電磁要素は、ポスト間にスロットを有するポストと、各スロット内の１つ以上の導電体とを含み、第１のキャリアのポストは、ｍｍでのポストの高さを有する。第１のキャリア及び第２のキャリアは、電気機械のサイズを一緒に画定する。磁極の極ピッチはｍｍ単位である。モータのサイズ、極ピッチ及びポストの高さは、サイズ、極ピッチ、及びポストの高さによって画定された空間の領域内に含まれるように選択される。この領域は、ａ）電気機械の第１のサイズについて、第１の組の不等式によって定義される第１の表面と、ｂ）電気機械の第２のサイズについて、第２の組の不等式によって定義される第２の表面と、ｃ）第１の表面上の第１の終点及び第２の表面上の第２の終点を有する線分上にある全ての点を含むと定義される組との１）和集団、又は２）一組の不等式によって定義される表面と、より大きなサイズに対応するが、表面上の点に対応する極ピッチ及びポストの高さを有する全ての点によって定義される。

第１の組の不等式及び第２の組の不等式、それぞれ不等式ＡとＢ、又はＢとＣ、又はＣとＤの組であり、Ａは、表１、２、及び３に示す方程式（それぞれ、方程式Ａ１、Ａ２、及びＡ３の組）からなる不等式の組の群から選択され、Ｂは、表４、５、及び６に示す方程式（それぞれ、方程式Ｂ１、Ｂ２、及びＢ３の組）からなる不等式の組の群から選択され、Ｃは、表７、８、及び９に示す方程式（それぞれ、方程式Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３の組）からなる不等式の組の群から選択され、そしてＤは、表１０、１１、及び１２に示す方程式（それぞれ、方程式Ｄ１、Ｄ２、及びＤ３の組）からなる不等式の組の群から選択される。

電気機械が特徴付けられる空間は、例えば、Ａ１ Ｂ１、Ａ１ Ｂ２、Ａ１ Ｂ３、Ａ２ Ｂ１、Ａ２ Ｂ２、Ａ２ Ｂ３、Ａ３ Ｂ１、Ａ３ Ｂ２、Ａ３ Ｂ３、Ｂ１ Ｃ１、Ｂ１ Ｃ２、Ｂ１ Ｃ３、Ｂ２ Ｃ１、Ｂ２ Ｃ２、Ｂ２ Ｃ３、Ｂ３ Ｃ１、Ｂ３ Ｃ２、Ｂ３ Ｃ３、Ｃ１ Ｄ１、Ｃ１ Ｄ２、Ｃ１ Ｄ３、Ｃ２ Ｄ１、Ｃ２ Ｄ２、Ｃ２ Ｄ３、Ｃ３ Ｄ１、Ｃ３ Ｄ２、Ｃ３ Ｄ３など隣接するサイズに対する不等式の組によって定義される任意の不等式の対によって形成することができる。これは、任意の組の不等式及びより大きいサイズに対応するが、不等式の組によって定義される領域内でポストの高さ及び極ピッチを有する全ての点によって形成されてもよい。

この出願に記載された全ての装置は、これらの方程式によって画定される領域及び空間内に入るサイズ、極ピッチ及びポストの高さを有することができる。

幾何学的形状の範囲は、所与の電気入力に対して異常に高いトルク対重量を提供してもよい。この効率は温度に依存しない。例えば、所与のトルク対重量において、開示された範囲内のアクチュエータは、開示された範囲内の装置はより少ない電力しか使用しないため、開示された範囲外の類似のアクチュエータよりも、所与の冷却方法に対して、より低温で動作することができる。

この場合、低導体容積は、より短い導体に起因してより低い熱抵抗の利得を有する。開示された範囲内では、より高い電流密度でこれらの導体に電力を供給する必要性は、所与のトルク対重量を達成するための装置の熱放散の利得によって補われる以上のものである。開示されたＫ”_R範囲内では、重量の減少（部分的に低い導体容積から生じる）により、純便益がＫＲを単位として生成され得るように、（より高い電流密度から生じる）のに必要な余分な電力を超えることができる。所与の直径の機械における幾何学的形状の記載された範囲により、はるかに小さい機械では知られているが、本装置の原理に従って、大きい直径の機械で使用される形体特性に関連する熱放散効果を提供する。

分かりやすくするために、ＫＲの利得を達成するためには依然として冷却が必要だが、Ｋ_R計算には適切な冷却が使用されていると仮定されている。一部のモータと用途については、放射冷却で十分である。その他についてはファンや冷却フィンが必要である。フルパワーのものは水冷が必要である。

開示された電気機械では、Ｋ_Rは低電力出力から高電力出力まで（ステータが飽和してＫ_Rが減少するまで）同じであるため、電力出力に応じて異なるレベルの冷却が必要となるが、トルク対重量対消費電力は合理的に一定のままである。開示された極密度及び導体容積の範囲は、所与の冷却方法で所与の熱放散速度に対して異常に高いトルク対重量を提供することができる。開示された極密度及び導体容積の範囲は、ステータの後面及び所与の導体温度に適用される所与の冷却方法に対して、より高いトルク対重量を生成することができる。開示された極密度及び導体容積の範囲に対する導電体冷却の主な形態は、導電体からステータの後面への熱導伝性熱伝達である。

熱は、冷却流体との直接的な接触又はハウジングなどの別の部材への伝導を介して、又は例えば放射を通して、ステータの後面から抽出することができる。ステータ又は導体の他の表面はまた、様々な手段によって冷却することもできる。ステータの背面を冷却することは、多くのモータタイプにとって費用効率が高く簡単な選択肢であることが示されている。試料分析（ここには示されていない）は、（開示された範囲外のモータと比較して）ステータの後面からのより良好な熱放散を示す、開示された範囲内での幾何学的形状もまた、一般に、ステータ又は導体の他の表面が冷却されるとき、開示された範囲外のモータよりも改善された熱放散を示すことを示唆している。したがって、ステータの後面は、有用な冷却表面として、並びにステータ及び導体の他の表面への冷却の適用に対する一連の各モータの有効性の指標としてみなされる。ステータの後面は、開示された範囲を特定するために使用されるモータ系列分析の主要な冷却面に対して選択されている。

開示された極密度と導体容積の範囲を有する電気機械に他の冷却方法を適用することができるが、導体からステータの後部への熱流路は、好ましくは、他のどのタイプの冷却（ＥＧ：直接コイル冷却）が使用されているかにかかわらず、モータを冷却するために常に使用される。

ステータバックアイアンは、ポストの幅（円周方向又は接線方向の幅）の５０％である軸方向の深さを有し得る。ポストは、各々接線方向の幅を有することができ、ステータは、バックアイアン部分、エンドアイアン、及びサイドアイアンを含み、バックアイアン部分は、ポストの接線方向の幅の半分に等しいか、又はそれより薄い厚さを有するか、又はポストの接線方向の幅よりも狭くてもよい。より厚いバックアイアンは、最小限の利得で重量を増やす。より薄いバックアイアンは、冷却に役立つが、冷却に対するバックアイアンの厚さの影響はあまり重要ではない。バックアイアンの表面は、ステータからハウジングまで物理的に熱を伝導するためにハウジングと物理的に接触していてもよく、及び／又はステータの後面は、能動的に循環される冷却流体に曝されていてもよく、及び／又はステータの後面は、大気への又はハウジング又は他の構成部品への放射熱放散のために構成されていてもよく、及び／又はステータの後面は、ステータ及び／又はハウジングの表面上の空気又は液体の移動によって対流冷却又は受動的冷却のために構成されていてもよい。ステータの後面を通過する気体又は液体は、含まれていてもいなくてもよい。ステータの後面は、大気から封止されていてもよく、大気に曝されていてもよい。大気は、空気又は水又はアクチュエータを取り囲む他の流体であってもよい。環境は、一部の製造工程や空間の真空に必要な真空のようなものであってもよい。ステータの後面は、表面積を増加させる冷却フィンで構成することができる。これらの冷却フィンは、冷却流体に曝されていてもよく、及び／又はハウジング又は他の固体部材のような吸熱器と接触していてもよい。ステータの冷却フィンは、円周方向のポスト幅の５０％を超える高さを有することができる。

ステータの後面から放熱されていることに加えて、他の放熱面は、導体とポストとの間のようなスロットを介して循環される空気又は液体のような冷却流体に曝され得るポストの表面を含むことができる。

ステータ及び／又は導体を冷却する他の方法には、ステータの表面上又は表面下、及び／又は導体の表面上又は表面下に冷却チャネルを含むことができる。これらの及び他の形態の冷却は、導体からステータの後面への主要な熱伝導性冷却の補助として見られる。場合によっては、補助冷却方法は、主要な伝導性冷却効果よりもステータから遠ざかるほど多くの熱を奪うことさえあり得るが、能動的冷却方法は、エネルギーと追加コストと複雑さを必要とするため、導体からステータの後面への伝導性冷却経路は、ここでは主要な冷却モードとして開示されている。

固定トルクを生成する単一のアクチュエータの場合、消費電力は、開示された範囲で上昇し、開示された範囲内の最小のポストの高さ及びスロットピッチに向かって指数関数的に大きくなる。半径方向の歯の長さが３２ｍｍで、ロータと巻線が単一の２００ｍｍの平均空隙直径のアクチュエータで、１００Ｎｍのトルクを生成するのに必要な消費電力のシミュレーションから、最も低い消費電力が開示された範囲外で発生し、開示された範囲内で消費電力が大幅に増加することが見られ得る。消費電力を最小限に抑えるために、設計者は、より大きなスロットピッチ及びより大きな導体容積装置に導かれるであろう。本装置の幾何学的形状を使用するどのアクチュエータも、このタイプの適用のために、より大きなスロットピッチ及び導体容積値に向けて、開示された範囲外のものより高い消費電力を有する。

開示された構造では、電気機械の極キャリアがスロット及びポストを含み、このスロットはスロット又は極ピッチｓを有し、このスロットは高さｈを有し、開示された等式によってｓはｈに関連しており、スロット内の導体に少なくとも７０Ａ／ｍｍ２の電流密度で電気的興奮を加えることができる。７０Ａ／ｍｍ²を超える電気的興奮は、一般に、開示された装置の動作に適していると考えられる。開示されたスロット及び導体構造を有する冷却効果は、導体内の電流によって生成された熱の一部又は全部を相殺する冷却を提供する。生成された残りの熱は、開示された冷却構造又はチャネルのうちの１つ以上を使用して放散することができる。開示された範囲内のモータは、所与の電気入力電力に対する磁束経路の平均磁束密度の減少を示す。これは、部分的には、より短いポストの磁束経路の長さが減少し、ポスト間の磁束漏れが減少するだけでなく、バックアイアンによってポストから隣接するポストまでの距離が減少するためである。その結果、飽和に達することなく、開示された範囲内のモータで、より高い電流密度を実行することができる。開示された範囲外のモータと比較して、所与の電流密度での冷却能力の増大と、より低い磁束密度との組み合わせは、所与の冷却速度で所与の温度に対してより高い連続したトルク対重量を達成することができて、開示された範囲内の所与のトルク対重量に対してより低い磁束密度で動作するため、開示された範囲内のモータの最大瞬時トルク対重量が大幅に高くなり得る条件の組み合わせを作り出す。

開示された幾何学的形状の性能及び消費電力利得を達成するために克服しなければならない最も重要な課題の１つは、ロータとステータとの間に存在する巨大な磁力に耐え得る構造を提供することである。開示されたロータの実施形態では、ステータポスト上に高い引力をもたらす空隙内の異常に高い磁束密度を達成すことができる。同時に、開示された電気機械の一実施形態の高いトルク対重量を達成するためには、一実施形態では、ポストの円周方向厚さよりも小さい軸方向厚さを有するバックアイアンを使用する必要があり、（かつ、一実施形態では、ポストの厚さの約半分である）。更に、開示された軸方向磁束モータ構成及び開示された範囲の比較的短いステータポストは、本質的に薄いステータ構造をもたらす。半径方向磁束モータを使用すると、一体型ポストを備えた円形積層を使用することができる。これは、固有の剛性を有し、積層体の円周配向及び半径配向に沿って望ましい磁束経路を必然的に提供する。対照的に、本装置の一実施形態の軸方向磁束関数は、個々の積層部品のアセンブリを必要とする。その結果、製造の複雑さ、時間、及びコストが増加する、アクチュエータごとに数百のポスト構成部品を製造する必要がある。更に、比較的薄いバックアイアンは、多くの埋込用樹脂又は接着剤が、特に電気機械に共通する高周波力の変動及び高温で、ポストをバックアイアンに確実に固定するのに十分な表面積を提供しない。一例として、ステータポストをステータの受入スロットに固定するために使用され得る典型的な航空宇宙用接着剤は、３００ｐｓｉ未満のエポキシに対する応力に対して８０℃未満の荷重たわみ温度を有することができる。

一実施形態のバックアイアンディスクは、積層体、粉末金属、又は固体金属から作ることができる。積層体の使用には、刻印された材料構成の可能性を含むいくつかの利点があり、しかしながら、積層体を使用する場合、それらは、装置の動作の力及び温度に耐えることができる手段を介して取設されなければならない。のりのような一般的な方法は、力及び／又は温度が高い特定の動作状況には不十分である可能性がある。それでもなお、積層体は他の状況にとって良い選択であり、多くの高速適用でうまく動作することが期待されている。

一実施形態のバックアイアンのための各粒子上の電気絶縁体のコーティングを有する粉末金属の使用は、渦電流を低減するという利点を有する。しかしながら、このコーティングは、典型的に磁束経路内の複数の小さな空隙のように作用するので、磁力を減少させる。この材料はまた、典型的には、特に高温で、クリープ速度が著しく高い固体鋼又は鉄よりも強くない。

典型的には、固体鋼で製造されたステータは、渦電流損失が高い。しかしながら、開示された範囲内のモータの幾何学的特徴は、本装置の実施形態の動作のいくつかの状況で、例えばロボット工学に適した速度で動作するとき、渦電流損失が固体ステータの使用を可能にするために十分に低くてもよいという効果を低減する過電流及びヒステリシスを有する。固体材料を用いることは、強度、剛性、耐熱性、及び疲労強度に有益である。本装置の実施形態は、特定の用途においてギアボックスなしで使用するのに十分なトルクを生成することが多いので、結果として得られる動作速度は、渦電流損失が固体鋼ステータでも許容できる程度十分に低くすることができる。固体鋳鉄は、いくつかの構成及び動作状況で実用的であるのに十分低い渦電流損失を与えることが分かっている。

ステータは、積層スタック又は焼結された粉末金属のいずれかで構築することができる。これらの構造の目的は、固体材料の使用と比較して、磁束経路に対して垂直に電気絶縁された軟磁性材料の断面積を減少させ、かくして渦電流の発生を低減することである。渦電流は、追加の入力電力を必要とすることによって効率を低下させ、それらはシステムによって放散されなければならない余分な熱を生成し、減衰効果を作り出することによって出力トルクを低減する。

固体導電性材料から製造された一体成形のステータは、開示された極密度及びポストの高さの範囲内の開示された装置の実施形態で使用することができる。渦電流の発生を避けるために、適用は十分に低速でなければならず、例えば、開示された幾何学的形状の範囲を有する１７５ｍｍ平均空隙直径のモータの場合、２００ｒｐｍ以下での動作の５０％（６０％、７０％、８０％、９０％）からなるデューティ周期である。この比較的低速の範囲と、開示された範囲内のステータ歯の比較的小さな断面幾何学的形状とを組み合わせることによって、個々のステータ歯は、積層体のように幾分作用し、渦電流の生成を低減する。２００ｒｐｍ未満の速度は、一般に、装置の動作に適していると考えられる。１００ｒｐｍ未満、５０ｒｐｍ未満及び２５ｒｐｍ未満の速度もまた、装置の動作に適していると考えられる。

加えて、渦電流の生成は、開示された範囲内の比較的短い歯の高さによって低減される。渦電流損失及びヒステリシス損失は容積測定であるので、本装置の容積が小さいことは、所与の磁束密度及びスイッチング周波数に対する全鉄損の低減に寄与する。

連続磁束経路は、例えば、延性鉄、コバルト又はケイ素鋼のような合金鋼、プレス又は焼結された粉末金属のような等方材料で作られたステータによって提供されてもよい。金属は、ポストから隣接するポストまで等方性であってもよく、ポストから軸受レースまで、又はポストから、バックアイアンから冷却フィン及び／又は軸受までの可変材料合金を含む軸受に連結する部材又はアセンブリまで非等方性であってもよい。これは、爆発溶接又は熱溶解付加製造、又は攪拌溶接又は異種材料を組み合わせる他の形態によって行うことができる。

ステータは、ポストから隣接するポストまで、及びポストから軸受レース座部まで一体又は単一とすることができる。ステータは、ポストからポストまで、及びこれらのポストのうちの１つから、軸受に予荷重をかけるように圧縮されている部材又はアセンブリまで単体であってもよい。ステータは、ポストからポストまで、及びこれらのポストのうちの１つから、軸受に予荷重をかけるように圧縮されている部材又はアセンブリまで単体であってもよく、圧縮荷重の全部又は一部は、ステータとロータとの間の磁気引力の結果である。予荷重をかけた軸受の場合、ハウジングアセンブリは、軸受が存在する場合、軸受座部の位置を過ぎた、軸受が存在しない場合、０．００２”よりも大きい軸受予荷重の方向に、軸受レース座部を変位させるのに十分なほど柔軟であってもよい。予荷重をかけた軸受の場合、ハウジングアセンブリは、軸受が存在する場合、軸受座部の位置を過ぎた、軸受が存在しない場合、０．００２”よりも大きい軸受予荷重の方向に、軸受レース座部を変位させるのに十分なほど柔軟であってもよく、ハウジングのこの変形を引き起こすためにステータに及ぼされる力は、ステータのロータへの磁気引力によって、少なくとも部分的に提供される。

ここで、ロータを支持する内側及び外側軸受を有する電気機械の一実施形態を説明する。

図５２〜図５９は、フレームレスモータ／アクチュエータとしてロボットアーム３８００の中に挿入された極密度及びポストの高さの開示された範囲内の装置の例示的なステータ３８０２及びロータ３８０１の概観及び簡略断面図を示す。図を簡単にするために、導体及び配線はこれらの図には示されていないことに留意されたい。アームヒンジピン支持体に使用される外側軸受３８０４も、空隙３８０９を画定するために使用される。これにより、別個のアクチュエータハウジングの質量及び複雑さなしで、フレームレスアクチュエータをシステム内で使用することが可能になる。スペーサリング３８０３と共にフレームレスアクチュエータアセンブリのＩＤに追加の軸受３８０８を使用して、より長い半径方向ポスト長さで所望の空隙寸法を維持することができる。インターロック機構３８１２（図５９）は、ステータタブ３８１２をハウジングタブ３８１６間に摺動させ、それらを図５７の上下経路３８１５に従って所定の位置に固定することによって、下側アームハウジング３８０６及び３８０７にステータ３８０２を取設することを可能にする。ロータ上の同様のタブ３８１４は、ロータ３８０１を上側アームハウジング３８０５、３８１０、及び内側軸受スペーサリング３８０３に固定する。ステータ及びロータの質量は、追加の固定機構３８１４、３８１２、及び軸受スペーサリング３８０３及び内側軸受３８０８の重量によってのみ増加する。スペーサ要素３８０３は、アルミニウム又はマグネシウムのような低密度材料から作ることができる。この例示的な実施形態には、１７５ｍｍの平均空隙直径及び２５ｍｍの半径方向ポスト長さを有する。等方合金鋼又は鉄合金ステータ３８０２、及び等方合金鋼又はバックアイアン付き鉄合金ロータ３８０１は、軸受のＩＤ及びＯＤで支持されたとき、０．００５”の空隙を維持するのに十分に剛性である。

一実施形態では、軸受３８０４、３８０８上に予荷重を提供するためにロータ３８０１とステータ３８０２との間の磁気引力を使用されてもよく、軸受を上側及び下側アームハウジング３８０５、３８０６内にそれぞれ着座させた状態に保持するための締め具の必要性を低減又は排除するために使用されてもよい。この構造は、開示された範囲外のモータを使用する場合よりもアームアセンブリ全体を軽くすることができる点まで、単純さ及び軽量の観点から有用であると考えられる。

ロータ３８０１とステータ３８０２との間の軸方向内向きの磁気引力のため、それらは両方とも、空隙３８０９において互いに向かって移動することを防止するために固定されなければならない。軽量であるが剛性のロボットアームハウジングを実現することは有用であるので、この例示的な実施形態は、アーム及び磁気構成部品をアクチュエータの空隙軸方向端部から組み立てる方法を提供する。これは、ステータとロータとがハウジング３８０５、３８０６に挿入されることを可能にし、次に、ハウジング３８０５、３８０６上の一致するタブ３８１６、３８１３のアレイと係合するように回転するステータ３８０２とロータ３８０１のＯＤ上にタブ３８１２、３８１４のアレイを使用することによって達成される。螺合は別の選択肢であろう。

ロータ３８０１及びステータ３８０２がそれぞれのアームに組み立てられると、ステータ付き上側アームアセンブリとロータ付き下側アームアセンブリが接合される。次に、ロータとステータとの間の力は、軸受３８０４、３８０８に予荷重をかけ、このサイズの装置に対して約４００ＫＧまでの軸方向力でアームの継手を一緒に保持する。

本装置の１０ ＯＤのアクチュエータは、ステータ又はロータ間に最大１５００ｌｂｓ又はそれ以上の受動ＰＭ予荷重を有することができる。これにより、組み立てるのが非常に難しくなり危険になる。本装置の実施形態は、ステータとロータとが一緒に組み立てられた後に、ＰＭを挿入することを可能にする。これにより、ＰＭの及びそれらの磁力がアセンブリに追加される前に、ステータ及びロータ、並びに軸受及び接続部の精度及び低リスクアライメントが可能になる。

磁石を個々に追加したり除去したりする能力は、大きなモータ／アクチュエータにとって、軸受等の役割を果たすために分解できることが非常に役立つ。このような手順に必要な唯一のツールは、磁石除去ツールであろう。ロータを除去する前に磁石を除去することができなかった場合、大きなアクチュエータはロータを除去するために１０，０００ｌｂｓ以上の力を必要とする場合がある。

軸方向又は円錐型モータのＩＤ及びＯＤに軸受を使用することにより、軸受に対して合理的に一貫した軸方向予荷重を達成することができる。これには、（ａ）反対の軸方向には軸受レース保定が必要なく、（ｂ）軸受の予荷重は、軸受レース座部が通常の使用時に予想されるほど軸方向に相対的に大きく移動する場合、あまり変化しない磁気引力によって予荷重が提供されるので、軸受着座、摩耗、又は熱膨張にもかかわらず合理的に一定であってもよく、（ｃ）これはまた、軸方向の製造公差をより小さくすることができるという追加の利点も有するという多くの潜在的な利点がある。

以上、本発明の好ましい実施形態に関して上述の説明をしたが、当業者であれば、多くの変形及び変更が可能であることを理解するであろう。これらの変形のいくつかは上記で考察されており、その他は当業者には明らかであろう。

特許請求の範囲において、「含む」という単語は、包括的な意味で使用され、他の要素が存在している可能性を排除するものではない。請求項の特徴以前の不定冠詞「ａ／ａｎ」は、単一の要素のみが意図されているという文脈から明らかでない限り、存在している２つ以上の特徴を除外しない。特許請求の範囲１〜Ｎは、Ｎが正の自然数である任意の１つ又は請求項１〜Ｎを意味する。

Claims (62)

1. 電気機械であって、
   電磁要素のアレイを有する第１のキャリアであって、第１のキャリア軸を画定している第１のキャリアと、
   磁極を画定している電磁要素を有する第２のキャリアであって、第２のキャリア軸を画定している第２のキャリアと、
   前記第１のキャリアと第２のキャリアとが作動位置にあるとき、前記第１のキャリアと前記第２のキャリアとの間に形成される空隙であって、前記電気機械が軸方向磁束電気機械として構成されている、空隙と、
   前記第１のキャリア及び前記第２のキャリアを連結している内側スラスト軸受であって、前記第１のキャリアと前記第２キャリアとの相対回転運動を可能にするように配置されている、内側スラスト軸受と、
   前記第１のキャリア及び前記第２のキャリアを連結している外側スラスト軸受であって、前記第１のキャリアと前記第２キャリアとの相対回転運動を可能にするように配置されている、外側スラスト軸受と、を備え、
   前記第１のキャリアの前記電磁要素及び前記第２のキャリアの前記電磁要素が、前記外側スラスト軸受の半径方向内向きに、かつ前記内側スラスト軸受の半径方向外向きに配置され、前記内側スラスト軸受及び前記外側スラスト軸受が、前記第１のキャリアの前記電磁要素及び前記第２のキャリアの前記電磁要素の磁気引力に抗して前記空隙を維持するように配置されている、電気機械。
2. 前記外側スラスト軸受が、純スラスト軸受である、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記内側スラスト軸受が、半径方向に位置する軸受である、請求項１又は２に記載の電気機械。
4. 前記内側スラスト軸受が、半径方向と軸方向の両方に位置する、請求項１、２又は３に記載の電気機械。
5. 前記内側スラスト軸受が、純スラスト軸受である、請求項１に記載の電気機械。
6. 前記外側スラスト軸受が、半径方向に位置する軸受である、請求項５に記載の電気機械。
7. 前記外側スラスト軸受が、半径方向と軸方向の両方に位置する、請求項５又は６に記載の電気機械。
8. 前記外側スラスト軸受が、半径方向と軸方向の両方に位置し、前記内側スラスト軸受が、半径方向と軸方向の両方に位置する、請求項１に記載の電気機械。
9. 前記第１のキャリアの前記電磁要素が、３つ以上のセクションを画定している多相配線構成を含み、各セクションがそれぞれの相に対応する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気機械。
10. 前記３つ以上のセクションの各々が、ある数の有線ポストを含み、かつ前記３つ以上のセクションの各々に対する前記有線ポストの数が同じである、請求項９に記載の電気機械。
11. 前記３つ以上のセクションが、前記それぞれの相の各々に対して４つの等間隔に配列されたセクションを更に含む、請求項１０に記載の電気機械。
12. 前記４つの均等に配列されたセクションの各々が、少なくとも４つの有線ポストを含む、請求項１１に記載の電気機械。
13. 前記第２のキャリアの前記磁極が、永久磁石によって形成され、前記永久磁石が、対応するスロット内に配置され、前記スロットが、前記作動位置で、前記第１のキャリアから外方を向く前記第２のキャリアの面に開口している、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電気機械。
14. 前記第１及び第２のキャリアが前記作動位置にあるとき、前記永久磁石が、磁力によって前記対応するスロット内の定位置に保持される、請求項１３に記載の電気機械。
15. 前記第２のキャリアが前記第１のキャリアから分離されたとき、前記永久磁石が、前記磁力によって前記対応するスロット内の定位置に保持されない、請求項１４に記載の電気機械。
16. 前記永久磁石及び前記対応するスロットの各々が、協働するテーパ形状を有し、かつ前記永久磁石が、前記それぞれの協働するテーパ形状によって前記スロット内で位置的に安定化される、請求項１４又は１５に記載の電気機械。
17. 前記スロットの各々にタブを更に備え、前記タブは、前記作動位置で前記第１のキャリアに面する前記第２のキャリアの面に隣接し、かつ前記永久磁石が、前記タブによって前記スロット内で位置的に安定化される、請求項１４又は１５に記載の電気機械。
18. 前記第１のキャリア若しくは第２のキャリア又はそれらの両方の隣接するポスト、並びに前記内側スラスト軸受及び前記外側スラスト軸受のレースが、単片の磁気性多感材料から形成されている、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の電気機械。
19. 電気機械であって、
    前記内側スラスト軸受が、第１の内側軸受溝、第２の内側軸受溝、及び複数の内側軸受要素を更に含み、
    前記外側スラスト軸受が、第１の外側軸受溝、第２の外側軸受溝、及び複数の外側軸受要素を更に含み、
    前記第１のキャリアが、均質な第１のプレートを更に含み、前記第１の内側軸受溝及び前記第１の外側軸受溝が、前記均質な第１のプレートの均質な延長部であり、
    前記第２のキャリアが、均質な第２のプレートを更に含み、前記第２の内側軸受溝及び前記第２の外側軸受溝が、前記均質な第２のプレートの均質な延長部である、請求項１に記載の電気機械。
20. 前記内側軸受要素が、ボールを含む、請求項１９に記載の電気機械。
21. 前記内側軸受要素が、ローラを含む、請求項１９に記載の電気機械。
22. 前記外側軸受要素が、ボールを含む、請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の電気機械。
23. 前記外側軸受要素が、ローラを含む、請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の電気機械。
24. 前記均質な第２のプレートが、バックアイアンを更に含み、かつ前記第２のキャリアの前記磁極が、永久磁石を含み、前記永久磁石が、前記バックアイアンによって画定された対応するスロット内に配置され、前記スロットが、前記作動位置で、前記第１のキャリアから外方を向く前記第２のキャリアの面に開口している、請求項１９に記載の電気機械。
25. 前記均質な第２のプレートが、鉄、延性鉄及び合金鋼のうちのいずれか１つから作られている、請求項２４に記載の電気機械。
26. 前記均質な第２のプレートが、導電性阻害物質を有する延性鉄から作られている、請求項２５に記載の電気機械。
27. 前記均質な第２のプレートが、導電性阻害物質を有する鋳鉄から作られている、請求項２５に記載の電気機械。
28. 前記導電性阻害物質がケイ素である、請求項２６又は２７に記載の電気機械。
29. 前記均質な第１のプレートが、前記第１のキャリアの前記電磁要素を形成しているポストを更に含み、前記ポスト間にスロットを有し、各スロット内に１つ以上の導電体があり、前記ポストが前記均質な第１のプレートの一部を形成している、請求項１９に記載の電気機械。
30. 前記均質な第１のプレートが、鉄、延性鉄及び合金鋼のうちの１つから作られている、請求項２９に記載の電気機械。
31. 前記均質な第１のプレートが、導電性阻害物質を有する延性鉄から作られている、請求項３０に記載の電気機械。
32. 前記均質な第１のプレートが、導電性阻害物質を有する鋳鉄から作られている、請求項３０に記載の電気機械。
33. 前記導電性阻害物質がケイ素である、請求項３１又は３２に記載の電気機械。
34. 電気機械であって、
    電磁要素のアレイを有するステータであって、ステータ軸を画定しているステータと、
    磁極を画定している電磁要素を有するロータであって、前記ロータキャリアがロータ軸を画定している、ロータと、
    前記ステータ及び前記ロータが、作動位置にあるとき、前記ロータと前記ステータとの間に形成された空隙と、
    前記ロータと前記ステータとを連結している内側スラスト軸受であって、前記ステータ及び前記ロータの相対回転運動を可能にするように配置された、内側スラスト軸受と、
    前記ロータと前記ステータとを連結している外側スラスト軸受であって、前記ステータ及び前記ロータの相対回転運動を可能にするように配置された、外側スラスト軸受と、を備え、
    前記ステータの前記電磁要素及び前記ロータの前記電磁要素が、互いの間に磁気引力を有し、かつ前記ロータ及びステータが、前記電気機械の動作中に、前記ロータ及び前記ステータの電磁要素間の前記磁気引力によって一緒に保持される、電気機械。
35. 前記ロータの前記電磁要素及び前記ステータの前記電磁要素が、前記外側スラスト軸受の半径方向内向きに、かつ前記内側スラスト軸受の半径方向外向きに配置され、前記内側スラスト軸受及び前記外側スラスト軸受が、前記ステータの前記電磁要素及び前記ロータの前記電磁要素の前記磁気引力に抗して前記空隙を維持するように配置されている、請求項３４に記載の電気機械。
36. 前記ロータ又は前記ステータの一方から延び、かつ第１の肩部、
    前記ステータ又は前記ロータの他方上にある第２の肩部を含む、安全リング、を更に備え、
    前記第１の肩部が第１の半径方向に突出しており、前記第２の肩部が前記第１の半径方向とは反対の第２の半径方向に突出しており、かつ前記第１の肩部が、前記第２の肩部と協働して、所定の距離を超えて前記ロータと前記ステータとが離れることを防止するように構成されている、請求項３４に記載の電気機械。
37. 前記電気機械が負荷に作用するとき、前記ステータ及び前記ロータの前記電磁要素間の前記磁気引力が、前記ステータ及びロータを作動位置に維持するのに十分に強い、請求項３４に記載の電気機械。
38. 前記ステータが、Ｎ個のポストを含み、前記ロータの前記磁極が、Ｍ個の極を更に含み、ここで、Ｎ及びＭは４以上の最大公約数を有する、請求項３４に記載の電気機械。
39. 前記ポストが、各セクションの前記ポストの周りの導体において共通の電気励起相を有するセクションに分割され、各セクションには偶数個のポストがある、請求項３８に記載の電気機械。
40. 前記ポストが、少なくとも３つのセクションに分割されている、請求項３９に記載の電気機械。
41. Ｎ及びＭがどちらも６０以上である、請求項３８に記載の電気機械。
42. 前記ステータ上の前記導体が、多相配線構成を更に含む、請求項３９に記載の電気機械。
43. 前記３つ以上のセクションの各々が、ある数の有線ポストを含み、前記３つ以上のセクションの各々に対する前記有線ポストの数が同じである、請求項４２に記載の電気機械。
44. 前記３つ以上のセクションが、１相当たり２つ以上の均等に配列されたセクションを更に含む、請求項４３に記載の電気機械。
45. 前記３つ以上のセクションが、１相当たり４つ以上の均等に配列されたセクションを更に含む、請求項４４に記載の電気機械。
46. 前記３つ以上のセクションが、１相当たり６つ以上の均等に配列されたセクションを更に含む、請求項４５に記載の電気機械。
47. 前記３つ以上のセクションが、前記それぞれの相の各々に対して、正確に４つの均等に配列されたセクションを更に含む、請求項４５に記載の電気機械。
48. 前記均等に配列されたセクションの前記各々が、８つの有線ポストを含む、請求項４７に記載の電気機械。
49. ９６個のポストと９２個の極がある、請求項３８〜４８のいずれか一項に記載の電気機械。
50. 前記ロータが、前記ロータの前記電磁要素が前記複数のポスト間に据置された複数のポストを更に備え、前記ロータが、前記複数のポストから半径方向内向きに、かつ前記内側スラスト軸受から半径方向外向きに平らに置かれた複数の内側磁束絞り弁を更に備え、前記複数の内側磁束絞り弁が、前記剛性要素に複数の孔を更に含む、請求項３４に記載の電気機械。
51. 前記複数の内側磁束絞り弁が、複数の止まり孔を更に含む、請求項５０に記載の電気機械。
52. 前記複数の内側磁束絞り弁が、複数の貫通孔を更に含む、請求項５０に記載の電気機械。
53. 前記ロータが、前記ポストから半径方向外向きに、かつ前記外側スラスト軸受から半径方向内向きに平らに置かれた複数の外側磁束絞り弁を更に備え、前記複数の外側磁束絞り弁が、前記剛性要素に複数の孔を含む、請求項５０〜５２のいずれか一項に記載の電気機械。
54. 前記複数の外側磁束絞り弁が、複数の止まり孔を更に含む、請求項５３に記載の電気機械。
55. 前記複数の外側磁束絞り弁が、複数の貫通孔を更に含む、請求項５３に記載の電気機械。
56. 前記ロータが、前記ポストから半径方向内向きに、かつ前記内側スラスト軸受から半径方向外向きに平らに置かれた複数の内側磁束絞り弁を更に含み、前記複数の内側磁束絞り弁が、前記剛性要素に複数の孔を更に含み、前記ロータが前記ポストから半径方向外向きに、かつ前記外側スラスト軸受から半径方向内向きに平らに置かれた複数の外側磁束絞り弁を更に含み、前記複数の外側磁束絞り弁が、前記剛性要素に複数の孔を含む、請求項３４に記載の電気機械。
57. 前記内側及び外側磁束絞り弁の各々が、前記ロータ上の前記ポストに対して交互パターンで半径方向に整列され、その結果、前記内側及び外側磁束絞り弁は、前記ロータ上の１つ置きのポストに隣接している、請求項５６に記載の電気機械。
58. 前記内側及び外側磁束絞り弁の各々が、前記ロータ上の前記ポストと半径方向に整列され、かつ前記内側及び外側磁束絞り弁は、前記ロータ上の各ポストに隣接している、請求項５６又は５７に記載の電気機械。
59. 前記複数の内側磁束絞り弁及び前記複数の外側磁束絞り弁が、同じ幾何学的形状を有する複数の孔を各々更に含む、請求項５６〜５８のいずれか一項に記載の電気機械。
60. 同じ幾何学的形状を有する前記複数の孔が、円形断面を有する複数の孔を更に含む、請求項５９に記載の電気機械。
61. 前記電気モータ又は電気機械が、サイズ、磁極ピッチ、及びポストの高さを有し、前記磁極ピッチ及びポストの高さが、本明細書の段落［０１６５］〜［０１６８］に記載されているように定義された前記領域のうちの少なくとも１つの範囲内にあるように選択される、請求項１〜６０のいずれか一項に記載の電気機械。
62. 前記第１のキャリアの前記電磁要素が、ポストを含み、前記ポスト間にはスロットがあり、１つ以上の導電体が各スロット内にあり、前記第１のキャリアの前記ポストがｍｍでのポスト高さを有し、
    前記第１のキャリア及び前記第２のキャリアが、一緒になって電気のサイズを画定し、
    前記磁極が、ｍｍでの磁極ピッチＳを有し、
    前記モータのサイズ、磁極ピッチ、及びポストの高さが、サイズ、磁極ピッチ、及びポストの高さによって画定された空間の領域内に入るように選択されており、前記領域が、
    １）第１の和集団であって、
    ａ）電気機械の第１のサイズの第１の組の不等式によって定義される第１の表面と、
    ｂ）電気機械の第２のサイズの第２の組の不等式によって定義される第２の表面と、
    ｃ）前記第１の表面上にある第１の終点及び前記第２の表面上にある第２の終点を有する線分上にある全ての点を含むと定義される組と、からなり、
    前記第１の組の不等式及び前記第２の組の不等式が、それぞれ、不等式Ａ及びＢ、又はＢ及びＣ、又はＣ及びＤの組であり、前記不等式Ａの組は２５ｍｍのサイズのためのものであり、前記不等式Ｂの組は５０ｍｍのサイズのためのものであり、前記不等式Ｃの組は１００ｍｍのサイズのためのものであり、前記不等式Ｄの群は２００ｍｍのサイズのためのものである、第１の和集団、又は
    ２）不等式Ｄの組によって定義される表面及び対応する組の全ての点の第２の和集団であって、サイズは前記表面よりも大きいが、磁極ピッチ及びポストの高さは前記表面内の点に対応する、第２の和集団、のいずれかによって画定され、
    ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは以下のとおりである、請求項１〜６０のいずれか一項に記載の電気機械。
    Ａは、以下からなる不等式の組の群から選択され、
    

    

    

    

    Ｂは、以下からなる不等式の組の群から選択され、
    

    

    

    

    Ｃは、以下からなる不等式の組の群から選択され、
    

    

    

    

    Ｄは、以下からなる不等式の組の群から選択される。
    

    

    

    

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