JP2019525720A - ポスト間に永久磁石が配置されたアキシャルギャップ型電気機械 - Google Patents

Abstract

電気機械は、電磁素子のアレイを有するステータを含む。ロータは、軸受上に取り付けられ、ロータポストのアレイを含む。ロータポストはそれぞれ、対向端部を画定する長さを有し、ロータポストのアレイは、各ロータポストの長さに垂直な方向でロータに沿って延在する。ロータは、複数のロータポスト間に配置された磁極を画定する電磁素子を有する。ロータ及びステ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。複数のロータ磁束絞りがロータ上で形成され、それぞれが、ロータポストの対向端部の１つと隣接して配置される。【選択図】図１５

Description

本発明は、電気機械に関する。

電気機械の設計では、機械の目的用途や、所望の性能特性に応じて、スロット数など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が全て、実際に使用されているわけではない。電気機械の性能は、ロボット工学においては特に、改善する余地がある。

電気機械は、主として、磁束を生成するために軟磁性ステータポスト（歯）に巻き付けられている導電性ワイヤ巻き線を使用する。この種のモータ構造の製造プロセスは、時間がかかり、かつ高価となる場合がある。更に、下流アクチュエータの重さが上流アクチュエータによって支持及び加速されなければならないロボット工学などでは、モバイルアクチュエータ用途のために、このようなモータは、それらを比較的重いものにするトルク対質量比を有することが多い。

モータを直接的に駆動する一般の永久磁石は、ロータとステータとの間の高い永久磁力のために、組み立てることが困難となる場合がある。ロータ及びステータを１つにまとめるときに、部品を損傷させること及び作業者を傷付けることを回避するために、こうした高い磁力は、典型的には、組み立て用に複雑な治具を必要とする。

ロボットアーム関節部などの多くの運動制御装置で使用されている、大径で低プロファイルの軸受は、典型的には、軸受組立体の分離を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。多くの低プロファイルの軸受はまた、より大きいプロファイルでより小さい径の軸受に比べて、比較的低い公差であることが多い。更に、軸受は、典型的には、ねじ付き又は他のタイプの部材によって標準的に提供される、調整可能な予圧を必要とする。こうした部材は、低プロファイルの組立体に嵌合することが困難であり、とりわけ薄肉軸受では難題である。

一般の軸方向磁束アクチュエータでは、軸受は、ロータの磁気活性セクションの内径に位置する。この設定は一般的な方法であり、なぜならば、軸受をロータの外径に配置することは抗力の増加を誘発し、軸受径の増加と共に、軸受全体のプロファイルが増大してしまうからである。また、ロータのＯＤ上の軸受は、装置の回転速度を制限しがちである。

単一の内側軸受を単一のロータ／単一のステータで動作させるには、より硬い構造体を提供するようにロータ構造体及びステータ構造体を厚くして、たわみを低減させるか、又はロータ及びステータのたわみに適合するように、空隙距離を増加させるかのいずれかが必要である。第１の方法は、アクチュエータ加速及びトルク密度を減少させる、より重い装置及びより大きいエンベロープをもたらす。後者の方法は、より大きい空隙距離に起因して、トルクの減少をもたらす。

本発明者は、ロボット工学に特に適している新規な一連の構造パラメータを有する電気機械を、追加の、電気機械の新規特徴と共に、提案している。

一実施形態では、電磁素子アレイを有するステータと、軸受に取り付けられたロータとを有する、電気モータが提供されている。ロータは、ロータポストアレイを有し、各ロータポストは、対向端部を画定する長さを有し、ロータポストアレイは、各ロータポストの長さに垂直な方向で、ロータに沿って延在する。ロータは、複数のロータポスト間に配置された磁極を画定する電磁素子を有する。ステータ及びロータが動作位置にある際、ロータとステータとの間には、空隙が形成される。複数のロータ磁束絞りを、ロータ上に形成する。複数のロータ磁束絞りはそれぞれ、ロータポストの対向端部の１つと隣接してそれぞれ置かれる。

様々な実施形態では、以下の、又は他の特徴のうちの１つ以上が含まれていてよい。軸受は、ロータ及びステータとを接続する第１軸受並びにロータ及びステータとを接続する第２軸受を、更に備えてもよい。第１軸受及び第２軸受は、ロータ及びステータの相対的な回転運動が可能となるよう配置される。ロータポストアレイ及び複数のロータ磁束絞りは、第１軸受と第２軸受との間のロータ上に位置することが可能である。複数のロータ磁束絞りは、ロータ内で複数の孔を、更に備えてもよい。複数のロータ磁束絞りは、複数の止まり孔を更に備えてもよい。複数のロータ磁束絞りは、複数の貫通孔を更に備えてもよい。電気モータは、軸方向電気モータであってよい。第１軸受は、内側スラスト軸受を更に備えてもよい。第２軸受は、外側スラスト軸受を更に備えてもよい。ステータの電磁素子及びロータの電磁素子は、外側スラスト軸受の半径方向内側の向きに、かつ、内側スラスト軸受の半径方向外側の向きに配置可能である。内側スラスト軸受及び外側スラスト軸受は、ロータの電磁素子及びステータの電磁素子の磁気引力に抗して、空隙を維持するように配置可能である。複数のロータ磁束絞りは、ロータポストから半径方向外側に、かつ外側スラスト軸受から半径方向内側に存在する複数の外側磁束絞りを、更に備えてもよい。複数のロータ磁束絞りは、ロータポストから半径方向内側に、かつ内側スラスト軸受から半径方向外側に存在する複数の内側磁束絞りを、更に備えてもよい。複数のロータ磁束絞りは、ロータポストから半径方向内側に、かつ内側スラスト軸受から半径方向外側に存在する複数の内側磁束絞りを、更に備えてもよい。内側及び外側磁束絞りはそれぞれ、ロータポストに対する交互パターンで半径方向に整列可能であり、これにより、内側及び外側磁束絞りは、全ての第２ロータポストに隣接している。内側と外側磁束絞りは、ロータポストと交番するよう隣接可能であり、これにより、各ロータポストは、内側磁束絞りの１つ、又は外側磁束絞りの１つのみと隣接する。内側及び外側磁束絞りはそれぞれ、ロータポストと半径方向に整列可能であり、内側及び外側磁束絞りは、各ロータポストと隣接可能である。各ロータポストに対して、ロータポストは、２つの内側磁束絞り及び２つの外側磁束絞りと隣接可能である。複数の内側磁束絞り及び複数の外側磁束絞りは、同じ形状を有する複数の孔をそれぞれ更に備えてもよい。同じ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備えてもよい。複数の孔それぞれの円形断面は、寸法が等しい。ステータは、ステータの電磁素子を形成するステータポストを更に備え、ステータポスト間には、スロットが設けられ、各スロットには、１つ以上の導電体が含まれ、各ステータポストは、対向端部を画定する長さを有し、ステータポストアレイは、各ポストの長さと垂直な方向でステータの周りに円形に延在してもよい。ステータは、ステータ上で形成された複数のステータ磁束絞りを更に備え、複数のステータ磁束絞りはそれぞれ、ステータポストの対向端部の１つと隣接して存在してよい。電気モータは、リニア電気モータを更に備えてもよい。第１軸受は、第１リニア軸受を更に備えてもよい。第２軸受は、第２リニア軸受を更に備えてもよい。ステータの電磁素子及びロータの電磁素子は、第１リニア軸受と第２リニア軸受との間で軸方向に配置可能である。第１リニア軸受及び第２ラジアル軸受は、ロータの電磁素子及びステータの電磁素子の磁気引力に抗して、空隙を維持するように配置可能である。複数の磁束絞りは、ロータポストと第１リニア軸受との間に存在する複数の第１磁束絞りを更に備えてもよい。複数の磁束絞りは、ロータポストと第２リニア軸受との間に存在する複数の第２磁束絞りを更に備えてもよい。第１及び第２磁束絞りはそれぞれ、ロータポストに対する交互パターンで、対応するロータポストの１つの長さに整列可能であり、これにより、内側及び外側磁束絞りは、全ての第２ロータポストに隣接している。第１及び第２磁束絞りはそれぞれ、対応するロータポストの１つの長さに整列可能であり、内側と外側磁束絞りは、各ロータポストと隣接する。複数の第１磁束絞り及び複数の第２磁束絞りは、同じ形状を有する複数の孔をそれぞれ更に備えてもよい。

第１キャリア（ロータ又はステータ）が、軸受により、第２キャリア（ステータ又はロータ）に対して回転するように支持され、軸受が、第１キャリアと第２キャリアとを形成する均質プレートの均質拡張部である軸受レースを含む、電気機械もまた、開示されている。すなわち、軸受の軸受レースは、軸受で支持された各キャリアと統合される。統合された軸受レースは、軸方向磁束又は半径方向磁束機械のいずれかにおいて、内側軸受若しくは外側軸受、又はその双方で使用可能である。

装置及び方法のこれらの態様及び他の態様は、特許請求の範囲に記載されている。

ここからは、例示のみを目的として、以下の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施例を参照することになる。

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の詳細部Ｃ１を示している外側軸受及び熱干渉嵌合の拡大詳細図である。 図６の詳細部Ｅ１を示している内側軸受及び安全リングの拡大詳細図である。 代替熱干渉嵌合を有する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の詳細部Ｃ２を示している外側軸受及び熱干渉嵌合の拡大詳細図である。 図１０の詳細部Ｅ２を示している内側軸受及び安全リングの拡大詳細図である。 一体化された軸受レースを有する、例示的なステータプレートのセクションの等角図である。 一体化された軸受レースを有する、例示的なロータプレートのセクションの等角図である。 一体化された軸受レースを有する、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６の断面Ｂ−Ｂに沿った磁束及び磁力の表示を含む、ロータ及びステータの断面図である。 安全リングを有する例示的なアクチュエータの本体の図である。 滑り軸受を有する安全リングの詳細図である。 スラスト軸受を有する安全リングの詳細図である。 磁石の取り付け及び取り外し時のロータの近接図である。 ロータプレートセクションの部分断面である。 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。 別の配置の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。 磁束絞り孔を有さないロータプレートに対する、ＦＥＭＭシミュレーション結果である。 磁束絞り孔を有するロータプレートに対する、ＦＥＭＭシミュレーション結果である。 ＩＤ軸受とＯＤ軸受との間に途切れない経路を有する、ステータプレートセクションの断面である。 例示的なアクチュエータの分解図である。 上位ハウジング及び下位ハウジングに接続されている例示的なアクチュエータを示している、実施形態の断面である。 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断面等角図である。 テーパ状の磁石及び磁路制限部を有する、軸方向磁束集中磁束ロータのセグメントを切り取った断面である。 延在する長さの磁石を有する、軸方向磁束集中磁束ロータの部分の近接断面図である。 端部鉄部を有する集中磁束ロータの、軸方向磁束ステータ−ロータ−ステータ構成の一実施形態の簡易分解断面図である。 背面鉄部、端部鉄部及び磁路制限部を有する、集中磁束ロータの軸方向磁束ステータ−ロータ−ステータ構成の一実施形態の簡易分解断面図である。 端部鉄部及び磁路制限部を有する、集中磁束ロータの軸方向磁束ロータ−ステータ−ロータ構成の一実施形態の簡易分解断面図である。 端部鉄部、磁路制限部及び背面鉄部を有する、集中磁束ロータの軸方向磁束ロータ−ステータ−ロータ構成の一実施形態の簡易分解断面図である。 背面鉄部及び磁束絞りを有する、線形磁束機械の簡易斜視図である。 背面鉄部を有さず、かつ磁束絞りを有する、線形磁束機械の簡易斜視図である。 磁束絞りの交互パターンを有する、線形磁束機械の簡易斜視図である。 スロットピッチ及びポスト高さの異なる、シミュレーションされた一連のモータに対する、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さの異なる、シミュレーションされた一連のモータに対する、所与の温度での可能な最高ステータ電流密度を示す。 一連の電気機械に対する、スロットピッチ及びポスト高さの関数として、一定温度のトルクを示す。 スロットピッチ及びポスト高さの異なる、シミュレーションされた一連のモータに対する、所与の温度での可能な最高ステータ電流密度における重み関数の値を示す。 固定された電流密度に対して、スロットピッチ及びポスト高さの異なる、シミュレーションされた一連のモータに対するＫｍ”を示す。 固定された電流密度に対して、スロットピッチ及びポスト高さの異なる、シミュレーションされた一連のモータに対するＫＲ”を示す。 ２００ｍｍの寸法を有する機械及びＫＲ”＞１．３の境界線で、定義域内の残りのジオメトリに関して、ＫＲ”の効果がある領域を示す。 ２００ｍｍの寸法を有する機械及びＫＲ”＞１．５の境界線で、定義域内の残りのジオメトリに関して、ＫＲ”の効果がある領域を示す。 ２００ｍｍの寸法を有する機械及びＫＲ”＞１．８の境界線で、定義域内の残りのジオメトリに関して、ＫＲ”の効果がある領域を示す。 １００ｍｍの寸法を有する機械及びＫＲ”＞１．５の境界線で、定義域内の残りのジオメトリに関して、ＫＲ”の効果がある領域を示す。 １００ｍｍの寸法を有する機械及びＫＲ”＞１．７の境界線で、定義域内の残りのジオメトリに関して、ＫＲ”の効果がある領域を示す。 １００ｍｍの寸法を有する機械及びＫＲ”＞１．９の境界線で、定義域内の残りのジオメトリに関して、ＫＲ”の効果がある領域を示す。 ５０ｍｍの寸法を有する機械及びＫＲ”＞２．２の境界線で、定義域内の残りのジオメトリに関して、ＫＲ”の効果がある領域を示す。 ５０ｍｍの寸法を有する機械及びＫＲ”＞２．５の境界線で、定義域内の残りのジオメトリに関して、ＫＲ”の効果がある領域を示す。 ５０ｍｍの寸法を有する機械及びＫＲ”＞２．９の境界線で、定義域内の残りのジオメトリに関して、ＫＲ”の効果がある領域を示す。 ２５ｍｍの寸法を有する機械及びＫＲ”＞３．３の境界線で、定義域内の残りのジオメトリに関して、ＫＲ”の効果がある領域を示す。 ２５ｍｍの寸法を有する機械及びＫＲ”＞３．４の境界線で、定義域内の残りのジオメトリに関して、ＫＲ”の効果がある領域を示す。 ２５ｍｍの寸法を有する機械及びＫＲ”＞３．６の境界線で、定義域内の残りのジオメトリに関して、ＫＲ”の効果がある領域を示す。 フレームレスモータ／アクチュエータを使用したロボットアームの関節部を示す。 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／アクチュエータのステータ、ロータ及びハウジング組立体の近接断面図を示す。 フレームレスモータ／アクチュエータのロボットアーム組立体の分解図を示す。 ステータ及びロータ上のタブ形成部が見えるように、ハウジングを通じた断面図を示す。 ロータを固定するために図５６のタブ形成部に使用される、上昇し、弧を描いて隣に移り、下降する、組立体の動きを示す。 ロータを固定するために使用されているタブ形成部を表示する、近接断面図を示す。 ステータを固定するためにステータ上で使用されているタブ形成部を表示するように、ハウジングを通じた断面図を示す。

本明細書の全体を通して使用される幾つかの用語を最初に定義する。

キャリアは、本明細書で用いられる電気との関連において、回転機械を参照するときは、ステータ又はロータを備えてもよい。

本明細書で用いられるロータは、環状であってよい。ロータはまた、電機子又はリニアモータのリアクションレールを指してもよい。ステータは環状であってよい。ステータはまた、電機子又はリニアモータのリアクションレールを指してもよい。

歯は、ポストと称されてよい。

電気機械では、ステータ又はロータのいずれか一方は、ポストに巻き付けられているコイルによって定義される、整流された電磁石アレイを有してよいが、ステータ又はロータの他方は、永久磁石若しくはコイル、又はコイルと永久磁石の両方によって定義される磁極を有してよい。電気機械は、モータ又はジェネレータとして構成されてよい。

永久磁石は、システムに磁束を追加するために、ロータ及び／又はステータ上で電磁石と組み合わせて使用されてよい。

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。

電磁素子は、永久磁石、ポスト、磁気ポストによって画定されるスロット、及び電気伝導体を備えてよく、磁気ポストは、軟磁性ポストであってよい。一方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、他方は電磁素子として永久磁石を有してよく、またこのようないずれの実施形態でも、用語「電磁素子」を用語「永久磁石」に置き換えてもよい。幾つかの事例における、例えば、集中磁束ロータの実施形態における磁極は、磁界が永久磁石によって確立される、隣接するポストと組み合わせて永久磁石によって画定されてよい。

別途記載のない限り、磁束（flux）は磁束（magnetic flux）を指す。軟磁性材料は、これらに限定されないが、鉄又は鋼、又はコバルト合金若しくはニッケル合金など、磁力に引かれ易く、かつ一時的に磁化されることができる材料である。

分数スロットモータは、毎極毎相のスロットの分数を有するモータである。スロットの数を磁石の数で除し、更に相の数で除し、その結果が整数でなければ、モータは分数スロットモータである。

スラスト軸受は、アンギュラ接触軸受及び４点接触軸受並びに純粋なスラスト軸受を含めて、実質的な軸方向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。半径方向に配置する軸受は、使用時に、軸受によって接続されている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配置（クロスローラ軸受など）であり得るか、又は軸受は半径方向配置のみ若しくはスラスト配置のみであり得る。

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相対的に運動するように支持されてよく、軸受は、滑り軸受、ローラ軸受、流体軸受又は磁気軸受であってよい。

軸方向電気機械は、軸方向の空隙を挟んで磁束結合が発生している電気機械であり、キャリアは、同軸状に並んで取り付けられたディスクの形態になっている。他方のキャリアは、第１のキャリアに対して移動する一方、第１のキャリアは、一方のキャリアがフレーム、ハウジング、又は他の要素で支持されることで、別のキャリアに対して相対的に移動するように配置されることができる。

半径方向電気機械は、磁束が半径方向に方向付けられるように空隙が方向付けられ、キャリアが、互いの外側になるように同心円状に取り付けられた電気機械である。

リニアアクチュエータは、運動の方向が曲線経路ではなく、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と、構造において、同等である。

台形電気機械は、軸方向磁束機械と半径方向磁束機械の両方を組み合わせた電気機械であり、空隙の平面は、軸方向構成及び半径方向構成において、空隙で形成される平面の間の途中の角度で存在している。

回転機械の空隙径は、空隙表面の中心において回転軸に垂直な径として定義される。半径方向流速モータでは、全ての空隙は同じ径で存在する。空隙表面が、軸方向磁束モータの場合のように円板形状のスライスならば、平均空隙径は内径と外径の平均である。斜面又は曲面などの他の空隙表面では、平均空隙径は、空隙の断面図の平均空隙径として求めることができる。

半径方向磁束モータの場合、空隙径は、外側ロータ半径方向磁束モータではロータ内径とステータ外径の平均を指し、内側ロータ半径方向磁束モータではロータ空隙外径とステータ空隙内径の平均を指す。他のタイプの回転モータには、半径方向磁束モータの空隙径の類似物が使用されてよい。軸方向磁束機械装置では、空隙径は、ＰＭ内径及びＰＭ外径、並びにＥＭ内径及びＥＭ外径の平均として定義される。

ステータの背面は、磁気的に活性な空隙側にある表面に対して、ステータの反対側にある表面として定義される。半径方向磁束モータでは、これは、外側ロータ構成に対してステータの内側表面に対応するか、又は内側ロータ構成に対してステータの外径表面に対応するかのいずれかになり得る。軸方向磁束モータでは、ステータの背面は、ステータの軸方向外側表面である。

分布巻の場合、スロット数はＮ×極数になり、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。このスロット数は極数に依存しないが、スロットと極の特定の組み合わせは、より高いトルク及びより優れた騒音低減特性又はコギング低減特性をもたらすことになる。十分なトルクを得るために、所与の極数に対する最小のスロット数は、５０％未満にすべきではない。

導体体積は、単一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よい。スロット面積は、歯に直交しているが、キャリアの相対運動の平面に対して平行になっていない、平面内でのスロット断面の面積である。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になり得る。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体積を効果的に定義しており、一般に、全ての利用可能な空間を導体用に使用するために、できる限り高いフィルファクタを有することが、モータ設計者の目標である。

ステータ内の最大導体体積はスロット面積によって定義されるので、最大導体体積又はスロット面積を有するものとして参照されるステータはいずれも、スロット及びスロットを画定する歯を有しなければならない。このパラメータは、回転モータに対して以下のように定義される。

式中、Ａ_Sは、単一スロットの断面積であるか、又は、様々なスロット面積を有するステータ設計では、単一スロットの平均面積である。

比較的に正確な近似として、Ａ_Sは、歯の高さｈ_tにスロットの平均幅ｗ_s-を乗じたものとして算出されてよく、その結果、上の式は以下のようになる。

スロット深さ又はポスト高さもまた、導体体積の代わりとして使用されてよい。ポスト高さは、歯高又はスロット深さとも知られており、導体が占めることが可能なスロット内の断面積量の代わりとして使用される。スロットは、曲線状又はテーパ状のプロファイルなどの様々な形状を有することができるが、スロット高さは、導体によって占有され得るスロットの合計面積を最も良く表わす、最近矩形近似に基づく。この寸法は、スロット面積に実質的に加えることなく、歯の高さに加える極片などの特徴を含んでいない。横方向磁束モータでは、ポスト高さは、導体コイルと直接隣接し、コイル巻線の方向に対して垂直であるポストの部分として定義される。

集中巻は、通電されたときに隣接するポストが交互の極性をもたらす、個々に巻かれているポスト又は任意の巻線構成を備える。全てのポストで両側の隣接するポストの極性が常に逆になるわけではないことは、理解されるであろう。しかしながら、集中巻構成は、モータが通電されているときに大半の時間で、大半のポストは片側又は両側の隣接するポストに対して逆の極性になる。集中巻は、毎極毎相のスロットの比が１未満である、分数スロット巻の形態である。

本明細書で、ステータやロータについて言及する際、１要素、一体、均質、中実、等方的、及び一体的という語句は、同じ意味で使用する。各用語は、大量の電気絶縁材料を含む積層体、並びに、粉末材料を除外する。しかしながら、例えば、材料のバルク等方抵抗率が、２００マイクロオーム・センチメートルを超えない場合、材料の導電特性を著しく妨げない小さな絶縁粒子が存在してもよい。１要素、一体、均質、中実、等方型、及び一体型材料は、ダクタイル鉄を含む鉄、スチールを含む金属合金を含み、固溶体、単相、又は多相のいずれかであり、導電原子から形成される金属合金、又は、例えば、材料のバルク等方抵抗率が、２００マイクロオーム・センチメートルを超えない場合、材料の強度や伝導率を改善させる他の材料と金属との混合物から形成された合金を備え得る。

本装置の実施形態は、軸受レース、並びにステータ及びロータポストの少なくとも軸方向表面が、同じ設定で機械加工できる場合、好ましくは、ステータ及び／又はロータへと機械加工される、一体型軸受レースを使用する。これで、ステータ及びロータポストに対して相対的な、軸受レースの軸方向位置と半径方向位置との間の重要な幾何学的関係を生成する、非常に高い公差を提供することができる。これらの幾何学的関係の一貫性は、装置の一貫したコギング特性及び他の性能特性のために重要である。

本装置の実施形態は、ステータ及びロータを組み立てた後、永久磁石をロータ内へ個々に設置できるロータ構成により、合理化された製造を実現することができる。

装置の実施形態は、高いトルク密度、製造の容易さ、構成要素を最小限に抑えた非常に単純な組立体による組み立て及び保守の容易さ、並びに、非常に高速な緊急停止を可能にする、高いトルク対慣性比から得られる優れた動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の非限定的な例示的実施形態は、上位アーム部材１００及び下位アーム部材２００の中に収容されている。上位及び下位アーム部材１００、２００は、回転軸３００の周囲を回転する。

ロボットアーム組立体内の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。上位アーム部材１００は、支持ハウジング１０１を含む。下位アーム部材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、これらに限定されないが、アルミニウム、マグネシウム、又は、炭素繊維複合材などの軽量材料から作製されている。

図２〜図５に示すように、ステータ１０２は、ボルト及び／若しくは接着剤及び／若しくは熱嵌合により、又はアームと一体的に形成される等によって、上位アーム１００に取り付けられている。図２では、ステータ１０２は、リング１０１Ａとの圧入を使用して上位アーム１００に接続されている。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）とロータポスト２０５（図３）との間の空隙を維持するように、ステータ１０２及びロータ２０２の精密な相対軸方向配置を提供する。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を有してよい。永久磁石は、スロット２０８に着座している。

空隙のＩＤの内側にある内側軸受３０１及び空隙のＯＤの外側にある外側軸受３０２の配置は、有効寿命をより長く及び／又は軸受をより軽くするために、ステータ１０２とロータ２０２との間の引力を、２つの軸受３０１、３０２の間で分配する。ＩＤ軸受及びＯＤ軸受の使用により、例えば、装置実施形態の、多数の極で可能であるように、ステータ１０２及びロータ２０２に対する機械的応力を減少させて、より薄い断面及びより軽い重量も可能になる。

図３及び図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を含む（図４）。ステータプレート１０３は図４に示すように、及びロータプレート２０３は図３で示すように、ダクタイル鉄から作製され得る。永久磁石２０４は、ネオジム−Ｎ５２Ｈであり得る。多くの他の材料が、様々な構成要素に使用されることができる。これらの材料は、例として与えられている。

ロータ２０２は、下位アーム２００に収容され、ボルト及び／若しくは接着剤及び／若しくは熱嵌合により、又はアームと一体的に形成されること等によって、取り付けられている。図２で示すように、ロータ２０２は、リング２０１Ａとの圧入を使用して、下位アーム２００に接続されている。ロータ２０２内の永久磁石磁束によって生じる、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に軸方向予圧を与える。これらに限定されないが、ネオジムＮ５２磁石などの高強度磁石を用いた場合、ステータ１０２及びロータ２０２で軸受３０１、３０２が予圧されている状態を維持し、かつ、下位アーム２００が全ての方向において、実用的な荷重を支持することができる十分な軸力を提供するのに、この軸力が十分であることは、解析及び実験によって明らかになっている。この荷重は、アームの重量及び加速力並びに任意の方向のペイロードとの組み合わせであってよい。

軸受着座力及び軸受に対する軸方向予圧を提供するための磁力を使用すると、軸方向の軸受遊びを取り除くために、ステータ及びロータの磁気引力によって予圧されることができる、スラスト荷重及び／又はアンギュラ接触軸受を使用できる。半径方向配置及び軸方向配置の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において軸受を磁力で予圧すること、並びに軸受レースが磁力の逆方向に移動することを防ぐための、軸受レースを追加で機械的に保持する必要性を無くすことが可能である。この予圧は、軸受遊びを大幅に減少させ、軸受剛性を増加させることができ、その結果、組立体の動きが非常に精密になる。これは、ロボット工学などの精密な用途に対して有利であり得る。また、ロータの半径方向変位が原因で発生する可能性のある、一貫性のないコギング効果を低減する利点も有し得る。これは、本装置の実施形態を用いた場合など、装置が非常に小さいコギングステップを多く含む場合、特に重要であり得る。

両方の軸受上での、両方のレースの機械的な保持を必要としない、軸方向に予圧されたレースの非限定的な例が、図５〜図８に示されている。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、協働部分２３１と２３２との間の圧入を使用してロータハウジング２０１に接続されていてよい。同様に、ステータプレート１０３は、協働部分１３１と１３２との間の圧入を使用してステータハウジング１０１に接続されていてよい。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、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解消するように、２つの外側軸受溝１１２、２１２の間に挟まれている。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、この非限定的な、例示的実施形態では、軸方向及び半径方向の配置剛性を有するクロスローラ軸受である。結果として、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圧は、軸方向及び半径方向においてステータ１０２及びロータ２０２の精密な相対配置をもたらす。この精密な配置は、ステータとロータとの間の軸方向の磁気引力の逆方向において、機械的な又は接着性の軸受レース保持を必要とせずに達成される。

図６を参照すると、軸方向磁束モータ１１０は、図示の構造を有してよい。外側軸受３０２及び内側軸受３０１は、ステータ及びロータの相対回転を可能にし、ステータポスト１０５と、磁石２０４を保持し、かつこの磁石によってもたらされる磁界用の磁路を提供するロータポストとの間に、所望の空隙を維持するように、ステータ及びロータの精密な相対軸方向配置を提供する。ロータは、磁束絞り孔２０６及び磁石２０４を有してよい。空隙のＩＤの内側にある軸受及び空隙のＯＤの外側にある第２軸受を使用すると、耐用年数をより長く、かつ／あるいは軸受をより軽くするために、ステータとロータとの間の引力が２つの軸受の間で分配される。ＩＤ軸受及びＯＤ軸受を使用すると、例えば、装置の実施形態の多数の極で可能であるように、ステータ及びロータに対する機械的応力を減少させて、より薄い断面及びより軽い重量が可能になる。

また、外側軸受３０２は、ブッシングとすることができ、例えば、ロータ又は、そのステータの一方に青銅や他のブッシング材料を組み込み、ロータ又はステータの他方は、鋼や他の適切な材料とすることができる。青銅を使用した場合、材料の金属の一部を他のブッシング部分に移動して、潤滑することもできる。青銅に代えて、ニッケルや銅などの他の材料も使用できる。ブッシング表面は、テフロン（登録商標）、又は他の低摩擦材料など、別の好適な材料でもよい。

図３及び図４に示す非限定的で、例示的実施形態では、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相配線を備えた９２個のロータポストがあり、ステータの各相は、８本のポストごとに、４つの均等アレイセクションに分割されている。本例でのロータポストの数は９２個であり、ロータポストとステータポストが揃う４つの均等に配列された角度位置がもたらされる。したがって、言い換えると、ステータとロータとの間の最大軸方向引力は、４つの位置でもたらされる。

ステータポスト数とロータポスト数は、他の多くの組み合わせが使用されてよいことに留意されたい。また、他の相数も使用できる。本明細書に記載の例は、有益な性能を提供することが明らかになっているが、様々な構造原理をこれらの例示的な形状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、磁気的に予圧された軸受又は配線構造など、装置の実施形態の機構は、より少ない又は、より多い数の極を有するロータ及びステータと共に使用可能である。

この装置の実施例において、ステータとロータとの間の合計軸方向予圧は、巻線に供給されている電流及びモータによって発生したトルクに関係なく、これらに限定されないが、３相構成など、多相配線構成において、１０％以内などで、比較的一定のままであり続けることが、シミュレーションと実験によって明らかになっている。これは、電磁気力が反発と吸引において、適度に等しく存在するためである。しかし、ステータ及びロータに対する合計軸方向力は、適度に一定のままであり続けるが、ステータやロータ上の個々のポストに対する軸方向引力は、より大きく（１４％以上など）変化することになる。このため、幾つかの実施形態では、永久磁石からの最大軸方向荷重が２つ以上の角度位置で（例えば、４つの均等に配列された角度位置で）発生するように、相セクションの数を、相当たり３つ以上のセクションへと分配することが有益である。これは、ステータをロータから引き離すことになり得る任意の片持ち外部荷重（主に１つの角度位置で、ステータとロータを互いに離れる方向に引いているスカラアームへの片持ち荷重など）が、アームの角度位置に関係なく、１つ以上の最大軸方向力領域によって常に対抗されるように、より一貫性のある軸方向予圧を特にＯＤ軸受の周囲にある軸受上に提供するのに有益であり得る。相当たりのセクションの数が増加すると、製造の複雑さが増すので、幾つかの点において、４つの最大軸力位置（相当たり４つのセクションの結果として生じる）は、製造可能性と最大軸力の一貫性とのバランスが良いものであると考えられる。４つの最大軸方向力位置は、ロータ上のポスト数とステータ上のポスト数との間に４ポスト差が存在するという、重要な特性を有する多くの様々な数のステータ及びロータポストで達成することができる。

更に、図示の配線構成の実施結果を使用している装置の実施結果では、ステータ上のポストの数が、３、６、９、１２、１４、１６など、３つのセクションの倍数であり、それぞれのセクションが、ステータ上で２、４、６、８、１０、１２個などの偶数個のポストを有することが有益である。

装置の一実施形態の設計において、選択する最大軸方向力位置の数を決定するときに考慮すべき別の点は、結果として生じることになるコギングステップの数である。コギングステップが多いと、コギングを低減するのに有益であり（ステップの数が大きいほど、それぞれのコギングステップの最大トルクと最小トルクとの間の力の変動が小さくなることが多いため）、したがって、９６個のステータポスト及び９４個のロータポストからなる非限定的な例示的実施形態では、コギングステップの数は非常に多い４５１２個であり、その結果、理論上のコギングトルクは非常に小さくなることから、ステータとロータとの間の２ポスト差（相当たり２つのセクションと対応している）は、コギングを低減するのに好ましいように見えるであろう。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、任意の所与の時間において、２つの最大軸方向引力位置しかもたらさず、結果として、スカラアーム構成等において、ペイロード持ち上げ時のアクチュエータの出力に対する片持ち荷重の支持があまり安定しなくなる。このため、４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、かつ理論的にコギング力がより大きくても、ペイロード持ち上げ時の安定性に関しては、良い選択であると考えられる。９６ステータポスト対９２ロータポスト構成により、コギング力の変動が約２倍になることが予測されるコギングステップが、２２０８個だけになる。したがって、コギングステップはより少なく、ひいては、振幅がより大きくなるため、４のポスト差は、コギングの低減に関して有益であるようには見えないであろう。しかしながら、より少ないコギングステップには別の利点が存在し得る（例えば、１又は２ポスト差と対立するものとして、図３及び図４に示されているような４ポスト差の４など、ステータとロータとの間のより大きいポスト数差から結果として生じる）。この利点は、製造／組み立て時及び様々な荷重条件下での動作中におけるコギングステップの大きさと、ステータ及びロータ軸位置合わせの要求精度との間の相互関係に関連している。具体的には、コギングステップ（平均空隙径において、周方向に測定される）が、ステータ軸に対して相対的なロータ軸の半径方向変位（製作精度の不足に起因する）よりも小さいと、ステータ及びロータは十分に位置合わせされなくて、一貫したコギングステップを実現できない。これは結果として、回転時に一貫性のないコギング力を生じさせることになる。ステータに対して相対的なロータの半径方向変位はいずれも、同じ半径方向において、位置ずれの影響を径方向に対向しているポストに与えることになり、結果としてコギングの相殺は理想的とは言えない状態になる。非常に多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ポスト差が２の場合等）でのロータ／ステータ軸の位置ずれと、ステータの相対角度位置との幾つかの組み合わせは、条件によっては、より大きいロータ／ステータポスト差が使用されている場合よりも大きいコギング力の変動をもたらすこともあり得る（それぞれの例示的な事例において、同様の半径方向の位置ずれを仮定する）。

コギング力又はペイロード力は、時に、半径方向にあまり硬くない軸受と共に、ロータをステータに対して半径方向へと更に変位させることから、半径方向の軸受剛性の影響は考慮すべき重要な点となり得る。この半径方向変位がコギングステップサイズ（平均空隙径において、半径方向変位の方向に対して９０度で接線方向に測定されたコギングステップサイズ）の有意な割合である場合、コギングステップ及びコギング力は一貫性がなくなり、コギング力は、条件及び角度位置によっては、ステータ／ロータポスト差がより小さく、かつ、コギングステップの数がより大きい場合よりも、振幅（本明細書において「振幅」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）が大きくなることがある（その結果、ステータ及びロータの場合は理論的により低いコギングトルクになる）。〜１０”ＯＤアクチュエータ上の非常に多いコギングステップ数は、ステータに対するロータの半径方向変位が〜０．００１”〜０．００２”であると（製作上の不正確度、又は運転中のアクチュエータの荷重に起因した半径方向変位の結果）、一貫性のないコギングを生じることになり得ると考えられる。これは、ステータ、ロータ及び軸受の大量生産に対して、高い公差であると考えられる。製造時にこうした高い公差を達成することは、時間と費用がかかるので、１又は２ポスト差を超えるものが使用される場合は、より一貫したコギングトルク（及び、場合により、更に低い最大コギングトルクも）を実現できるかを判定する。ロータとステータとの間の４ポスト差は、ロボット工学用途（片持ち荷重を支持する場合など）においてアクチュエータの荷重側に、少なくとも２つの最大軸方向引力位置を常に提供する利点を有する。コギングステップがより大きいものであることから、ステータに対して相対的なロータの許容される半径方向変位は、より大きいものであり得る。これにより、より大きい数のコギングステップが使用されているときよりも低い製作公差及び軸受剛性で、一貫性のあるコギングトルクを達成することが可能になると予測される。ステータ上にＮ個のポスト及びロータ上にＭ個の極が存在する場合、Ｎ、Ｍそれぞれの数は、ＮとＭの最大公約数が４以上となる特性をＮとＭが有するように選択されてよい。

多くの典型的な３相モータでは、単一スロットにおいて２相、又は３相からのワイヤを有することが多い。本装置の実施形態は、連続した２つ以上の隣接するスロットが、１相のみからの導体を収容している配線構成を使用する。この装置では、多くの様々な巻線法を使用できるが、図４及び図５に示されているように、巻線構成１０４の利点として、軸方向に揃えられた（それぞれのスロット内で周方向に積層された）非オーバーラップのフラットワイヤ（ワイヤをオーバーラップすることは、３相分布巻機械装置において典型的に行われているが、フラットワイヤでは問題となる）を、使用できることが挙げられる。この巻線構成と方法の、組立体の単純さを活用するために、相当たりにできる限り少ないセクションを有することが有益であり得る（相当たり１つのセクション、例えば、９６スロットステータに対して相当たり３２スロット、又は、相当たり２つのセクション、例えば、９６スロットステータに対して相当たり１６個のスロットなど）。この巻線構成でのロータポストの数は、好ましくは、ステータスロット数に相当たりのセクション数を加算又は減算した値に等しく、例えば、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対しては、９４又は９８個のロータポストである。

図５〜図８は、ステータハウジング１０１に取り付けられている安全リング１２１を有する例示的なアクチュエータを示しており、図９〜図１２は、ステータプレート１０３に取り付けられている安全リング１２１を有する、代替の例示的なアクチュエータを示している。

安全リング１２１は、空隙を挟んだＰＭ磁力からの軸方向引力よりも大きい力が、ロータに取り付けられているアームの端部に、アクチュエータの回転軸に沿って加えられた場合に、ステータ及びロータが分離することがないように、ステータ１０２上に設置されている。図８のアクチュエータの断面は、安全リング１２１がステータの内径に位置し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部（第１肩部）１２２Ａが、アームハウジングのリップ部（第２肩部１２２Ｂ）に重なり合っていることを示している。リップ部１２２Ａとアームハウジング２００との間には、ロータとステータの分離時に小さい抵抗の滑合を提供するように、薄い滑り軸受リング１２４が配置されている。第１肩部１２２Ａは第１半径方向に突出し、第２肩部１２２Ｂは第１半径方向とは反対の第２半径方向に突出しており、第１肩部１２２Ａは、第２肩部１２２Ｂと協働して、所定距離を超えるロータとステータの分離を防ぐように構成されている。安全リング１２１は、協働部分１２３Ａと１２３Ｂとの間に、圧入嵌めを使用してステータハウジング１０１に取り付けられている。

両方の例示的なアクチュエータでは、図８及び図１２で示されているように、第１肩部１２２Ａを形成している重なり形成部は、ロータハウジングのＩＤより大きいＯＤを有しており、この例では、ステータ及びロータのＩＤの周囲に位置している。安全リング及び第１肩部１２２Ａは、正常動作中は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、永久磁石から提供されている軸受に対する軸方向予圧を超えると、軸方向でのロータとステータの完全な分離を防ぐように働く。図８に示すように、カウンタ軸受又はブッシング１２４は、ステータ及びロータの組み立て後に、ステータ又はロータ又は他の部材に取り付けられている。軸方向の過荷重によって、分離力及び変位が軸受に引き起こされる場合、第１肩部１２２Ａ、ブッシング１２４とロータとの間に接触が起こることになるので、第１肩部１２２Ａ、ブッシング１２４及びロータの材料の組み合わせは、好ましくは、滑合に適している。

単一形ブッシング材料１２４もまた、図１８に示されているように、これら２つの表面の間で使用できる。図１９では、薄肉スラスト軸受１２４は、アクチュエータの回転時に磁気予圧を超過しても、損傷せずに回転可能とするために使用される。第１肩部もまた、アクチュエータのＯＤにおいて同様の効果で使用可能である。転がり要素軸受が、カウンタ軸受として使用される場合、かつ緊急時に意図されていない物体へのロボットアームの力を減少させるためにステータとロータの少量の分離を有することが所望される場合、軸受の玉がスピンするのを防ぐことを目的として、カウンタ軸受が軽く予圧されている状態を維持するように予圧ばねを使用することが望ましい可能性がある。この目的のために、非限定的な例として、波形座金が使用され得る。

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、協働部分２３１Ｂ、２３２Ｂを使用して、圧入で接続する。ステータハウジング１０１及びステータプレート１０３（図１０）は、協働部分１３１Ｂ及び１３２Ｂを使用して、圧入で接続されている。

ステータ及び／又はロータ上のポスト間のモノリシック材料は、ハウジング構造体を提供するために使用できる。ロータ及び／又はステータは、一方又は両方の部材上の追加のハウジングを不要にする構造剛性を有する。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、並びに製造のコスト及び複雑さを低減し得る。それぞれの均質なプレートの一部として形成されている、一体化された軸受レースは、図１３〜図１５に示されているように、ステータポストから、転がり要素と接触している軸受レースまでの構造荷重経路が、磁性金属の単一片から形成されることを可能にし得る。ＩＤ及びＯＤ軸受は、軸方向に薄い構成要素でロータ及びステータ材料の応力を低減するために、かつ小さい空隙を維持するために使用される。これらに限定されないが、鉄合金又は合金鋼など、連続した軟磁性均質材料は、ステータ又はロータポストと軸受との間、ステータ又ロータポストと隣接ポストとの間、ステータ又ロータポストとＯＤ軸受又は軸受座との間、ステータ又ロータポストとＩＤ軸受又は軸受座との間、及びステータ又ロータポストと、ポストと軸受との間の荷重経路にある構造部材との間のうち、２つ以上で使用できる。

例えば、ステータ及び／又はロータの均質材料としては、ダクタイル鉄又は他のタイプの鉄構造を挙げることができる。また、ステータ及び／又はロータの均質材料としては、鉄、ダクタイル鉄及び合金鋼のうちの１つから挙げることができ、更に、シリコーンなど、導電性阻害物質も挙げられ得る。

図１３〜図１５を参照すると、ステータプレート１０３は、内径に軸受溝１１１Ｂ及び外径に軸受溝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伸部として有する、均質なプレートとして形成されてよい。図１４を参照すると、ロータプレート２０３もまた、内径に溝２１１Ｂ及び外径に溝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伸部として有する、均質なプレートから形成されてよい。

図１５で見られるように、これらの溝は、鋼球３０４及び鋼製ローラ３０３用である。ロータプレート及びステータプレートの材料は、これらに限定されないが、ステータポストとロータポストとの間に、小さくかつ一貫性のある空隙を維持するための強度を提供する、十分に高い構造強度、及び軸受レースの機能性を提供する、十分に高い機械的な硬度に加えて、電磁気の機能性を提供する軟磁性特性も有する高強度金属材料など、多くの材料から成ってよい。ダクタイル鉄は、特定の用途について、とりわけ、特許請求の範囲と組み合わされたときに、これらの品質及び他の品質を有することが明らかになっている。軸受溝１１１Ｂ、１１２Ｂ、２１１Ｂ、及び２１２Ｂはまた、荷重容量及び有効寿命を増強するために硬化されてもよい。鋼球及びローラを購入すること、並びに、溝を機械加工及び硬化させることの複合コストは、レース付きの別個のモジュール式軸受を購入し、それらをアクチュエータに取り付けるコストよりも低くなることが見込まれる。大量生産においては、この一体化された軸受設計は、構成要素の数が減少することによって公差の累積が減少するため、より低いコスト及びより潜在的に高い精度であることを含めて、既製の軸受を使用するよりも有利であり得る。

例えば、図１５の軸受レース１１１Ｂ、２１１Ｂ、１１２Ｂ、及び２１２Ｂで示されているように、ステータ１０２及び／又はロータ２０２に軸受レースを統合することは、これらに限定されないが、鋼又は鋳鉄などの堅固なステータ及び／又はロータの使用によって実用的になる。これらに限定されないが、６０−４５−１５又は１００−７０−０３などのダクタイル鉄は、必要ならば、本装置のより高荷重の構成のために十分な軸受レース硬度を提供するように、窒化又は他の方法によって硬化させることができる。より低荷重の構成又はより短い耐用年数の構成では、幾つかの実施形態において、硬化していないダクタイル鉄を使用することが可能であると考えられる。長い耐用年数のためには、玉、又はローラとレースとの間のヘルツ応力を低減し、それにより、標準的な軸受レース（典型的には、硬化鋼から作製されている）に使用されるものより軟らかい軸受レースを可能にするために、ＩＤ及び／又はＯＤ軸受上で２列以上の軸受を使用することが可能である。ダクタイル鉄又は他の鋳鉄製品は一般に軸受レースに使用されないが、鉄は鉄道用の車輪及びレールに使用されているので、この一体化された軸受は、ダクタイル鉄又は好ましくは高い磁気飽和密度を有する他の好適な材料から作製されると、ロボット工学用途及び他の運動制御用途のために十分な耐用年数で構成できると見込まれ、かくして、ステータ上の軸受レースは、ステータポスト（ステータ上）と同じモノリシック材料から構成することができ、ロータ軸受レースはロータポスト（ロータ上）と同じモノリシック材料からなることができる。一体化された軸受レースの利点には、より低いコスト並びにロータ及び／又はステータ内の軸受レース及び軸受レース座の公差累積の解消に起因する、精度向上の可能性が挙げられる。また、一体化された軸受レースを使用すると、軸受レースが荷重軸受構造の一体部分になり、これにより、別個の構成要素の軸受レースを支持する追加の材料を不要にするので、ステータ及びロータの体積や質量を減少させることもできる。

ステータ及び／又はロータに対するダクタイル鉄を使用すると、装置の実施例の特異な要件に独自に適し得る特性の組み合わせを可能にする。幾つかの実施形態において有益であり得るダクタイル鉄の特徴の一部として、渦電流損の減少をもたらす高炭素含有量に起因する弱い導電性、低コスト製造用の優れた機械加工性、ステータ及び／又はロータのネットシェイプ又はニアネットシェイプ鋳造のための優れた鋳造性、長い有効寿命のための高疲労強度、一体化された軸受が潤滑剤の最小限の追加又は追加なしで動作することを可能とし得る、自己潤滑特性、幾つかの用途において潤滑を必要とせずに軸受及びアクチュエータの封着を可能にする、乾燥状態の特定の封止材料間の優れた摩耗特性、並びにコギング及び他の高周波作用からの騒音及び振動を低減する良好な減衰品質が挙げられる。

上述したように、装置の実施形態は、内径（ＩＤ）の位置又はその近くにある一連の軸受要素と、外径（ＯＤ）の位置又はその近くにある一連の軸受要素とを、含む。この軸受の組み合わせは、特許請求の範囲の形状範囲と組み合わせると、ロータとステータとを軽量とすることができる軸方向と半径方向の支持を、ロータとステータとの間で提供できる。ＩＤ及びＯＤ軸受はまた、一定の空隙距離も維持する。

ロータのＯＤにある軸受からの抗力に起因して、トルクに悪影響を及ぼしても、軸方向磁束機械内のロータのＯＤ上に軸受一式を配置すれば、ロータとステータとの間の、より精密に制御され、ひいてはより短い空隙距離を可能とし、装置に更なるトルクを生み出す利点をもたらすことが明らかとなっている。ロータとステータとの間の空隙距離は、公差を機械加工し、及び永久磁石（ＰＭ）引力に起因する、動作中のロータのたわみで制限され得る。軸方向機械内のロータは、空隙内の磁束が原因でたわむので、ステータとロータとの間の接触を回避するために、空隙はロータの動作時のたわみよりも大きいものにならなければならない。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でたわみを比較すると、ＩＤのみのアクチュエータ内のロータ及びステータは、ＩＤ／ＯＤ軸受のアクチュエータ内のロータよりも更に有意にたわんでいる。ＩＤ／ＯＤアクチュエータ内でたわみが減少すると、より短い空隙距離が維持され、結果として、所与の入力電力に対するトルクを大きくできる。幾つかの実施形態において、空隙距離の減少によって得られるトルクが、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は、解析及び実験から明らかとなっている。また、ＯＤ軸受の使用により生じるトルク対重量比の増加は、空隙の維持で必要とされる構造材料の減少に起因して、追加の軸受及び追加の軸受を支持するために必要な材料の重量よりも有意であり得ることも明らかになっている。

本装置の非限定的な例示的実施形態では、ステータの外径は２００ｍｍであり、軸方向の空隙はおよそ０．０１０”である。

装置の非限定的な例示的実施例は、図７〜図９で見られるように、１つのステータと１つのロータとを有する。単一ステータ／単一ロータ設定は、ロータがステータを軸方向に絶えず吸引することによって、ＩＤ及びＯＤ軸受を予圧することを可能にする。図１６で示されるように、永久磁石２０４は、矢印４０１によって表されている磁束を生成する。その一方で、隣接する磁石もまた、極２０５への同じ極性の磁束４０２を生成する。両磁束４０１、４０２は、ロータ極２０５の中を伝わり、空隙４００を通過してステータポスト１０５の中に入り、ステータ１０２とロータ２０２の両方に磁気引力４０３を生成する。磁力４０３は、多くの用途の使用可能動作条件下において、受動及び能動動作中にステータ及びロータを一体に保持できるほど強力である。ポストは、背面鉄部１０６に接続する。

図１７〜図１９は、安全リング１２１の動作の例を示している。ロータに働く転位力４０４が存在し、かつ、この力が磁気引力４０３（図１６）を上回っているときに、ロータプレート２０３を含むロータは、ステータプレート１０３を含んでいるステータから分離し始める。ロータがステータから離れ始めると、安全リングのリップ部は、ロータのアームハウジング２０１に接触し、アーム組立体２００が分離するのを防ぐことになる。正常動作中、軸受リング１２４（図１８）は、リップ部１２２Ａとアームハウジング２０１との間の間隙内で自由にスピンすることになり、抗力や摩擦を生じさせることはない。コイルが係合又は通電されている際、コイルは、非常によく似た吸引力と反発力とを生み出し、その結果、主として回転平面に沿った接線方向の力を生じさせる。したがって、通電下の全ての軸方向反発力は、永久磁石の吸引力と比べて非常に小さいので、ステータとロータの分離を防ぐために、かつ所定最大荷重条件下で軸受への十分な予圧を維持するために、永久磁石吸引力は常時使用可能である。幾つかの実施形態では、軸受１２４は、軸受に若しくはその一部をロータプレート２０３に固定するか、又は一体化させることで、肩部を形成できる。

この構造により、安全リングが接触する前に、ロータ関節部が僅かに変位するための、限定的な分離作用を提供する余地をもたらす。この分離作用は、例えば、ロボットアームが、人との望ましくない接触を起こし、これらをアームと不動体との間に押さえつけてしまう場合、有益となるはずである。この場合、アームは非常に短い停止時間を得られるが、それでも、アクチュエータが完全に停止するまでに多少の移動が起こり得る。安全リングが接触状態になる前に、ロータがアーム内の１つ以上のアクチュエータのステータから部分的に分離すると、これらのアクチュエータのロータ及びステータが部分的に分離するような方法で、衝突からの荷重を受けているアーム内の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ように使用可能である。本装置の実施形態などの、僅かな分離と、超高速で作動し、かつ高速で減速する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突力又は押さえつけ力を低減することにより、安全性を一層高められる。

本装置の１０”ＯＤアクチュエータでは、引力は、最大２０００ポンド内であることが実証されている。この力は、装置の組み立て及び分解を行うにあたり、小さい装置にとっては極めて困難なものに、より大型の装置にとっては手の施しようがない程困難かつ危険なものにするほど大きい。

組み立て及び分解の安全上の懸念は、本装置の実施形態で軽減でき、組み立て治具のコストや複雑さの軽減可能である。

図３に示すロータプレートは、永久磁石から軸方向のすぐ外側に背面鉄部を含まない（装置の半径方向磁束実施形態等における、永久磁石からの半径方向外側に対応する）。結果として、磁石スロット２０８はロータの背面で開いており、そのため、ステータ及びロータが組み立てられた後、磁石をスロットに組み込める。図２０は、磁石２０４にロータの背面からアクセスできることを示しており、これにより、ロータをステータから取り外すことなく、これらの磁石のそれぞれを個々に取り外す、又は取り付けることが可能になっている。

磁石２０４は、以下のようにスロットに取り付けられてよい。同じポストに接している隣接磁石と同じ極性の磁束がロータポストに接するように、磁石をスロットに位置合わせする。全ての第２磁石は、同じ円周方向で極性配置される。全ての第１磁石は、全ての第２磁石の逆となり、したがって、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（平行面の場合）、又はテーパ状の磁石が使用される場合、テーパ状の磁石がテーパ状のスロットに着座するまで、磁石をスロットに差し込む。全ての磁石が取り付けられるまで、上記の工程を繰り返す。接着剤（例えば、ワックス、エポキシ樹脂、接着剤（glue））を塗布して、隙間を埋める。この工程は、精密なテーパ状のスロット内にある精密なテーパ状の磁石の場合など、必ずしも全ての事例で必要になるわけではない。

ロータを取り外し、ステータコイルと玉軸受にアクセスするために、ロータは、磁石を個々に取り外すことによって容易に消磁することができる。

図１６で示すように、ロータ内の永久磁石２０４はそれぞれ、そのすぐ隣の永久磁石と同じ極性の磁束を生成し、つまり、どの磁石も、その両側の隣接する磁石と反発することになる。これにより、磁石は互いに反発することになるはずであるが、ただし、一部の形状は、こうした反発力によって、磁石が自身をスロットから押しのけてしまうのを防ぐことが可能であることが明らかになっている。例えば、空隙が小さいほど力は強くなり、多くの場合、これにより磁石は自身をスロットの外に押し出すのではなくて、スロットの中に押し込むことになる。テーパ状の磁石の使用もまた、この点で有益であり、なぜならば、ロータの背面に向かってテーパの寸法が大きくなるテーパ状の磁石は、一般に、ロータポストに向かって、ひいては、空隙に向かって、軸方向に自身を引く傾向が強くなるからである。

図２１で見られるように、物理的止め部は、磁石が空隙内へ移動するのを止めるために使用される。この実施形態では、止め部は、磁石がスロット内に滑り込む際に引力を生成するスロットの各側面にある、タブ２１０である。それらの組み合わせ力は、磁石をスロット内に引き込む。反発力は部分的に又は完全に相殺されるので、極及びタブからの組み合わせ力が、磁石に作用している合成力になる。磁石はタブ上に着座し、磁気引力が磁石を極に固定する。正しく構成されていれば、先の開示に記載されているように、磁力で磁石をスロット内に磁気的に保持するように、磁石上の正味の力を、調整できる。この事例では、スロット内での磁石の横方向の移動を阻止する場合以外には、接着剤や機械的機構は必要ない。

アクチュエータに関する非限定的な例示的実施形態が、図２２Ａで示されており、この実施例では、磁石の対向する極性面の間及び隣接するロータ極の間の、漏れ磁束を低減するために、磁束絞り孔２０６が、磁石スロット２０８の間に、磁石スロット２０８の外側及び内側半径に沿ってロータ上に配置されている。これらの孔が漏れ磁束を低減するかどうかを検証するために、磁気シミュレーションを実施し、その結果、小さくかつ一貫性のある空隙を実現するために必要な構造強度や剛性をこれまでどおり維持したまま、ロータ極間の漏れ磁束を実質的に低減可能であることが明らかになった。

代替として、磁束絞り孔は、図２２Ｂで見られるように、ＯＤ上の全ての第２ポストの間、及びＩＤ上の全ての第２ポストの間に配置可能である。図２２Ｂに示すように、内側と外側磁束絞り孔は、交互に配置されて、その結果、各ポストは、内側又は外側磁束絞り孔の一方のみと隣接している。これにより、ＯＤ周囲にあるＮ個のポストのみと、ＩＤ周囲にあるＳ個のポストのみとの間での、無制限の磁束結合、並びにＯＤ周囲にある全ての第１ポスト及びＩＤ周囲にある全ての第２ポストの構造的一体性の強化がもたらされる。これらの孔は、必要な構造強度と剛性及び所望の磁路リラクタンスを提供する限り、貫通孔や止まり孔であってよい。

図２３は、磁束絞り孔なしの磁気シミュレーションから得られた磁路を示しており、図２４は、磁束絞り孔ありの磁気シミュレーションから得られた磁路を示している。これらの図によれば、磁束絞り孔は、隣接ロータ極間の漏れ磁束を低減することが示されている。例えば、磁束絞り孔を使用する際、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誘導される。結果として、コイルが係合されているときに電磁気力は増加し、ステータ及びロータによって生成されるトルクが増加する。

磁束絞り孔あり、無しの場合のロータプレート上のＭａｇＮｅｔシミュレーションからも、同じ結論が得られた。より多くの磁束が、ポストから空隙内へと誘導されている。

図２５で示す一実施形態では、ステータは、単一材料（よく見られる積層構造ではない）から形成されており、ステータポスト１０５、ステータ背面鉄部１０６、内側軸受レース１１１Ｂ及び外側軸受レース１１２Ｂを備える。図２５のステータの断面を見ると、ステータ材料経路５００に沿って、ステータポストの先端部と内側軸受レースとの間、当該ステータポストの先端部と外側軸受レースとの間には、途切れが無い。

一体化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、材料の固体片から機械加工されている。典型的なステータは、多くの場合、積層された鋼層を使用して作製される。例示的実施形態では、図２５で見られるように、内側軸受レース１１１Ｂ、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連続しており、例えば、これらに限定されないが、ダクタイル鉄やＭ１９などの磁性鋼のような均質材料を備える。ステータコアは、鋼の固体片から鋳造又は機械加工可能である。この構造の利点には、無数の小さく積層された部分から成る組立体ではなく単一部分であることに起因する、コストと複雑さの低減、及び典型的な積層ステータ構造であれば起こり得る荷重経路に、接着剤が存在しないことによる強度、剛性、クリープ抵抗の大幅な増加が、挙げられる。これにより、重力を減少させるのに有益な、より薄いステータ断面の使用が可能になる。

途切れの無い半径方向経路は、半径方向磁束装置における連続した軸方向経路に一致する。図２５の経路５００は、一体化された軸受レースのＩＤ、ＯＤで終端する。途切れの無い経路はまた、別個の軸受レースが使用されている場合、軸受レース座で終端してもよい。同経路はまた、ステータと軸受レース座との間にある、中間構成要素又は層で終端してもよい。途切れの無い半径方向経路は、純粋に半径方向で延在する必要はないが、キャリア（ここでは、ステータ）の内径と外径に接続する。すなわち、この経路は、中断していないＩＤからＯＤまでの３次元経路を辿る。このように、図２５で示す断面で孔開けしてもよいが、依然として、ＩＤからＯＤまでの途切れの無いモノリシック材料であるはずである。

図２６を参照すると、ボルトを使用して一対のロボットアームに接続されている、例示的なロータとステータの分解図が示されている。第１アーム７００は、ボルト７１８でロータハウジング７０２に接続する。ロータハウジング７０２は、ボルト７２０でロータ７０８に接続する。第１軸受要素７０６は、ロータ７０８とステータ７１２との間を接続しており、圧入リング７０４で接続される。第２軸受要素７１０もまた、ボルト７２２を使用してロータ７０８とステータ７１２との間を接続する。ステータ７１２は、ボルト７２４でステータハウジング７１４に接続されている。第２アーム７１６は、ボルト７２６を使用してステータハウジング７１４に接続されている。

図２７〜図２９を参照すると、ロータ６０６は、ダクタイル鉄などの鉄鋼材料から作製されており、円周方向に分極する磁石６０５の等間隔アレイを保持している。ロータ６０６の半径方向ウェブ内で交番するＮ極及びＳ極を生成するために、磁石６０５の極性は交番している。ステータ６０９は、ダクタイル鉄などの鉄鋼材料から作製されており、周囲に一連のステータ巻線６１０が巻き付けられている軸方向ポストの、等間隔のアレイを含む。整流された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円周方向の引力と反発力が生み出され、それにより、トルクが発生するよう、ステータ６０９のポストを分極させる。ステータ巻線６１０は、ステータポッティング化合物６１１によって封入されており、これは、ワイヤの移動を防ぐように働き、またワイヤからステータ６０９への熱の移動を助ける。図２８で見られるように、ステータキャップ６１２は、ステータ６０９にわたって配置され、ワイヤ６１０を適所に保持できる。

磁石６０５はまた、ステータ６０９とロータ６０６との間の引力も発生させる。軸受６０３及び６０４は、ハウジング６０１、６０２、６０７、６０８を介してステータ６０９とロータ６０６との間の引力を打ち消し、これらの間の間隙を正確に制御するように動作する。大抵の用途では、ステータ６０９とロータ６０６との間の軸方向引力は、上位ハウジング６０１が下位ハウジング６０２から分離するのを防ぐのに十分であり、これにより、それらの間の追加の保持は不要である。ハウジング６０１、６０２、６０７、６０８、ロータ６０６、及びステータ６０９の間の境界面における直径嵌合は、内側の４点接触軸受６０４を介して、２つの組立体の間で半径方向荷重を伝える。組立体に加えられた外部モーメントは、主として、外側スラスト軸受６０３を介して伝えられる。

ステータ巻線６１０を通る電流の流れにより、ステータ６０９の温度が、他の構成要素よりも相対的に高くなる傾向がある。隣接するハウジングへの発熱の伝導は、その温度上昇を低減するのに役立つ。図示の例は、熱膨張係数がステータ６０９よりも高い軽合金ハウジングを含む。温度上昇時のステータ６０９の外径と、下位ハウジング６０２の内径との界面における干渉嵌合を維持するために、主要な直径配置が、ステータ６０９の位置決めフックの内径で起こる。

図２９では、着脱式キャップ６１４、６１６がアームに装着されており、これらのキャップにより、ステータとロータが挿入され、最後に磁石が挿入できる。

また、機械的及び磁気的な力の組み合わせを使用して、磁石をロータスロット内に保持する力を供給可能である。テーパ状の磁石は、磁石をロータスロット内に保持しながら有意な割合の磁束が中の空隙を通過する構造体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、接線方向にテーパ状の磁石は、集中磁束ロータ構成で高い性能を提供可能である。図３０〜図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を有するロータポスト３３０４を含む軸方向磁束構成のロータ３３００が示されている。磁石とロータポストは、インターロッキング配置を形成するよう、向かい合う方向でテーパが付けられている。永久磁石は、ステータ３３３０の方向でテーパが付けられており、一方、ロータポスト３３０４は、ステータから離れる方向にテーパが付けられている。この実施形態では、２つの実質的に鏡映状のロータ３３００は、一対のステータ間で組み立てることができ、各ロータのテーパ状のポストは、背中合わせに合致し、それぞれのロータのテーパ状の磁石は、背中合わせに合致する。このように磁石３３０２にテーパを付けると、空隙におけるロータポストの幅を、より広げられる。空隙から離れてより多くの磁束をロータポスト３３０４に供給するために、磁石のテーパの広い端部で磁石の幅を広げることも可能であり、この場合側面が平行であれば、ポスト３３０４は、飽和されにくくなるはずである。このように、空隙においてより多くの磁束を供給するために、活性永久磁石３３０２及び軟磁性材料が、より効果的に使用される。２つのロータ部は例えば、接着剤で一体的に固定できるが、幾つかの好ましい変形形態では、ボルトなどの機械的機構（図示せず）又は固定リング（図示せず）を使用できる。

テーパ状のポスト３３０４及び磁石３３０２の連結装置は、永久磁石が外れるのを防ぐ止め部として機能し、これにより、磁力で磁石をロータ内に保持する必要性が減り、ひいては、磁束が端部鉄部３３１４を通って漏れる必要性も減少する。

幾つかの実施形態では、磁路制限部３３２８アレイを、例えば、端部鉄部３３１４と接続する各ロータポスト３３０４の基部における端部鉄部３３１４における孔として、端部鉄部３３１４内で形成できる。これらの磁路制限部３３２８は、ロータポスト３３０４と端部鉄部３３１４との間で使用できる磁路を減少させる。

図３０は、テーパ状のスロットロータの軸方向磁束構成を示しているが、テーパ状のスロットロータは、半径方向磁束構成で同じように構築できる。テーパ状の磁石は、対向するキャリアに向かって、又は、そこから離れる方向に狭くなってよい。

このように磁石にテーパを付けることで得られる第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つの点で有益である。第１は、テーパ状の永久磁石が空隙に向かって引き込まれることであり、この場合、永久磁石は、より低いリラクタンスの磁束鎖交となるよう、永久磁石とロータスロット壁との間の空隙を閉じ、永久磁石は、更なる移動が機械的に抑止され、ひいては、テーパ状のロータポストにより、しっかりと保持されることになる。第２に、背面における幅の狭いロータポストは、ロータの中央面に沿ったポスト間の距離が長くなる。これにより、ロータの中央面に沿ったポスト間の空気を通る漏れの量が減少する。テーパ状のポスト及びテーパ状の磁石を有する、２つの実質的に鏡映状のロータ半体を背中合わせに組み立てることにより、永久磁石からの磁束の大部分を、空隙を横切って強制的に連結させることができる。

このように、磁石を磁気的にかつ機械的に保持しつつ、非常に高い磁束密度が、空隙内で得られる。テーパ状のロータポストのロータを製造する、コスト効率に優れた方法は、２つの対称的なロータ３３００を背中合わせで使用することである。この構造では、背面鉄部を使用してロータを補強させることはできないので、軟磁性端部鉄部３３１４を、代わりに使う。端部鉄部３３１４は、好ましくは、端部鉄部を通じてロータポスト間に高リラクタンスの磁路を作り出すように、最大限薄く、小さく一貫性のある空隙を維持するための、機械的強度と剛性を供給するのに必要な厚さの断面を有する。

端部鉄部接続部を通じてポストから隣接ポストまでの磁束の損失を補償するために、一実施形態では、空隙において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で示されており、この図では、永久磁石３３０２は、ステータポスト３３３２と同じか、又はほぼ同じ長さを有するロータポスト３３０４よりも長くなっている。図３２で見られるように、巻線構成３３３４は、ステータポスト３３３２の周囲で延在する。永久磁石の奥行きを、ステータの半径方向長さよりも深くすることにより、永久磁石３３０２は空隙におけるロータポストの磁束密度を高く維持しつつ、端部鉄部３３１４を飽和させるのに十分になる。図３１に示すように、各ロータポスト３３０４のそれぞれの端部に隣接して、２つの磁束絞り３３２８が存在する。ロータポスト３３０４は、ロータの軸方向外端において、より大きい幅を有する。磁束絞り３３２８は、ロータポストの外端に隣接している側がより大きくなり、ロータポストの内端の側がより小さくなっている。

図３、図１４、図２２Ａ、図２２Ｂ、及び図３４〜図３８で開示されている実施形態において、例として記載されている磁束絞り孔は、電力と構造強度との間で許容可能なトレードオフに合うように設計されている。磁石上方の断面領域は空隙を維持する強度を提供し、磁束絞りは、磁束が磁石の間を過度に延在することを防ぐ。磁束絞りは、全てのポストに隣接するのではなく、全ての第２ポストに隣接した孔に配置可能であり、これにより、より強い構造体が実現することになるが、磁束への著しい影響は生じない。磁束絞りは、磁路と構造荷重経路において断面積が減少する限り、止まり孔や貫通孔であってよい。好ましい実施形態において、磁束絞りは、ポストアレイと各組の軸受との間で、ポストのいずれか端部に存在する。磁束絞りは、各ポストの長さと平行して存在することが、望ましい。磁束絞りは、断面領域が磁路よりも構造荷重経路の方が大きくなるよう、設計できる。また、磁束絞りは、本明細書記載の軸方向機械及び線形磁束機械について説明したものと同等の態様で、半径方向磁束機械で使用してもよい。本明細書記載の、磁束絞りを有する機械の実施形態は、磁力を支持するほどに十分に強いが、軽量であるように十分に薄い、例えばダクタイル鉄で作製されている固体材料を有してよい。磁束絞りは、ロータ若しくはステータ上の全てのポストと隣接、又はロータ若しくはステータ上で、の全ての第２ポストと隣接して、配置されてよい。磁束絞りは一般に、各ポスト又は各第２ポストの両端部に配置される。磁束絞りは、各ポストの一端において全てのポストと隣接し、更に、各ポストの他方端において、全ての第２ポストと隣接して配置されてよい。磁束絞りは、各ポストが１つの磁束絞りのみと隣接し、各隣接ポストでは対応する磁束絞りが隣接ポストの逆側の端部と隣接するように、交互パターンで配置されてよい。磁束絞りは、同じ形状を維持しつつ、様々な寸法を有してよい。断面磁路は、全ての第２ポスト間で一貫性があってよいが、断面磁路は、隣接するポスト間で交番し、これにより、各ポストがすぐ隣のポストとは異なる断面磁路を有するように、選択できる。各第２ポストが磁束絞りと隣接するように、磁束絞りが交互パターンで配置されている場合、磁束絞りに隣接する各ポストの断面は、磁束絞りと隣接していない各ポストの断面よりも小さくてよい。このような実施形態では、全ての第２ポスト断面は、磁束絞りと隣接する各隣接ポストよりも大きい。一般に、磁束絞りは、ステータよりもロータ上に配置される際、コギングを低減するのにより有効であるが、磁束絞りは、ロータとステータの双方又はロータ上のみに配置できる。図３１で見られるように、ポストの各端部に隣接して、複数の磁束絞りが存在することもある。

ロータの製造法は、鋳造又は成形、あるいは、粉末金属製造、付加的製造、機械加工等を含むことができる。磁石の製造は、成形又は添加、又は除去製造で行うことができる。磁石は、スロットへの挿入後に磁化できる。現行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内に押し込み、圧縮形成後にＰＭ材料を磁化することが可能であるか、又はエポキシ樹脂若しくは他のポリマー中の、ＰＭ磁石材料のスラリーを用いてスロットを充填し、次いで硬化後に磁化させることができる。硬磁性材料の磁化は、非常に高い磁束密度を２つ以上のポストに同時に供給することで、実施できる。

背面鉄部、側面鉄部、及び端部鉄部は保持要素として機能し、ロータポストとの強固な接続を形成する。一実施形態の特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わされてよい。

図３２を参照すると、端部鉄部３３１４を有するステータ−ロータ−ステータ構成が示されている。端部鉄部３３１４及びロータポスト３３０４は、アイソメトリック軟質金属材料の単一片から形成されることが可能であり、永久磁石３３０２の単一アレイは、ロータポスト３３０４間で嵌合している。端部鉄部３３１４は、ロータ３３００の両端部に形成されている。この実施形態では、磁路制限部３３２８は、図３３に示されているように含めることができる。

図３３は、背面鉄部３３１０、端部鉄部３３１４及び磁路制限部３３２８を有するステータ−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、永久磁石３３０２の２つのアレイが背面鉄部３３１０によって分離されている。磁路制限部３３２８は、端部鉄部３３１４内の漏れ磁束を低減するように、永久磁石３３０２の両端部に孔として形成されている。

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は、中央ステータ３３３０に係合している。ロータ３３００はそれぞれ、端部鉄部３３１４及び磁路制限部３３２８を含む。多くの用途では、集中磁束ロータ３３００に適当な剛性を提供するのに、端部鉄部のみ又は背面鉄部のみで十分である。

図３５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。この実施例は、図３４に示したものと本質的に同じであり、薄い背面鉄部３３１０がそれぞれのロータ３３００に追加されている。

図３６は、線形磁束機械装置のロータ−ステータ−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、ステータを取り囲んでおり、材料、例えば、軟磁性等方性材料の１つ以上の断片から作製されている。ロータ３３００の内部構造体上にある永久磁石３３０２用の受容スロットは、ロータポスト３３０４、ロータ背面鉄部３３１０及びロータ端部鉄部３３１４として機能する。リニアモータの多くの構造が、本明細書において企図されている。ロータの側部は、例えば、上位及び下位ロータ部分とは異なる材料から成ってよい。図３７は、ロータ３３００上の背面鉄部３３１０がなく、スロットのいずれかの側で永久磁石３３０２のそれぞれに隣接する複数の磁束絞り３３０６を有する、線形磁束機械のロータ−ステータ−ロータ構成の一実施形態を示している。図３８は、全ての第２永久磁石に隣接する磁束絞り３３０６の交互パターンを有する、ロータ−ステータ−ロータ構成を示している。

次に、本特許文書で開示される設計要素、例えば内側及び外側軸受構成を利用可能とする電気機械の実施形態を説明する。

開示の構造体はいずれも、ポスト及びポスト間のスロットとを含む、電磁素子を有する電気機械と共に使用されてよく、ポストは、少なくともステータ又はロータのいずれかの上で磁極を作り出すように巻かれており、磁極密度は、本特許文書に明示されている式によって定義される磁極密度の範囲内にあり、ポスト高さは、本特許文書に明示されている式によって定義されるポスト高さの範囲内にある。これらの式はそれぞれ、有界領域を定義する。有界領域は電気機械の寸法に依存しており、寸法は機械の半径によって定義される。有界領域は共に、磁極密度、ポスト高さ及び機械の寸法によって定義された空間内に有界表面を画定する。この有界領域は、２０１７年２月１６日に公開された同時係属中の国際公開第２０１７０２４４０９号に開示されており、本明細書で何度も使用される。

モデル研究及びＦＥＭＭ解析に基づいて、以下の結論になることが考えられる。少なくとも特定の磁極密度を超えていて、かつ、所与の径のモータに対する指定された導体体積又はポスト高さの場合、１）開示の磁極密度と導体体積又はポスト高さとを有する電気機械は、それ以外は同等な、より低い磁極密度及び／又はより大きい導体体積を有する機械と比べると、所与のトルク又は力に対して増加した熱発生（ひいては、より低い効率）を有するが、対応する効果的な放熱を有しており、２）増加した磁極密度、及びより小さい導体体積又はポスト高さはまた、それ以外は同等な、より低い磁極密度、及び／又は、より大きい導体体積を有する機械と比べると、質量を減少させる効果を有し、全体のトルク対質量比（トルク密度）が増加する。

電気機械の幾つかが、ロボットアームなどのアームに沿って離間配置されているとき、１つの電気機械が１つ以上の他の電気機械を持ち上げる又は加速させることの必要性に比べて、効率はさほど重要でないので、増加したトルク対質量比を有する電気機械は特に有用である。開示の磁極密度と導体体積又はポスト高さとを有する、電気機械の改善された性能は、１）最も熱い導体からポストまでのより短い熱流経路を有する、より狭いスロット、及び２）ポストの頂部から放熱面までのより短い熱流経路、に少なくとも部分的に起因するものと考えられる。

例えば、開示の各電気機械の実施形態は、Ｋ_Rに関して効果をもたらすと考えられている、磁極密度及びポスト高さの定義の範囲内にある、磁極密度及びポスト高さを有するものとして示されている。

０．５以上の磁極密度では、例えば、スロットが歯と約同程度の幅になることが珍しくないことを考慮すると、歯幅は、２５ｍｍ幅の機械装置に対して１ｍｍ程度であり得る。より狭い歯を使用することができる。より薄い歯の利点は、これらに限定されないが、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歯がより近くなっていることに起因して最小限の渦電流で使用され得ることである。この寸法のモータに対する一般のモータ積層体は、０．０１５”〜０．０２５”の範囲内であり得る。提案された磁極密度及び歯形状（多数の短いポスト）はまた、第１キャリア（ステータ）内の渦電流を回避するのにも役立つ。例えば、１４４個のスロットを有する電気機械では、渦電流損は、２００ｒｐｍ及び７０Ａ／ｍｍ²において巻線内の合計抵抗損のたった７％になることがわかった。固体（非積層）材料の使用は、強度、剛性及び信頼性において利点を提供し得る。

開示の機械の実施形態は、分数巻を使用してよい。幾つかの実施形態では、分布巻を使用してもよい。他の実施形態では、集中巻を使用してもよい。分布巻は、エンドターンの銅の増加及び出力の減少（より大きいモータが必要となる）に起因して、より重くなる。これはまた、分数巻の場合のように、磁束が次のポストにではなく、少なくとも３つのポストで伝わる必要があることから、より厚い背面鉄部を必要とする。分布巻は、より長い導体（エンドターンが間を接続する必要のある、より長い距離の結果）であるため、より多くの熱を発生させる。

提案された磁極密度を有する電気機械の実施形態は、任意の好適な数のポストを有してよい。最小ポスト数は１００ポストであり得る。大きいポスト数では、ポスト当たりの巻線をより少なくすることができる。非限定的な例示的実施形態では、それぞれのポストの巻線は、１層分の厚さしかない（ポストから外側へ、円周方向で測定する）。これにより、導体がステータポストへと伝導的に熱を放散するために、導体からの熱が伝導する空隙及び／又、ポッティング化合物の間隙及び／又はワイヤ絶縁層の数が減少する。これは、熱容量に対して（瞬間的な高電流の事象に対して）及び連続的な動作の冷却に対して有益である。導体と直接接する気体又は液体の冷却材によってコイルを直接的に冷却する場合、高い磁極密度と組み合わされたポスト上のワイヤの少数の円周方向層、及び例えば単一の円周方向層により、導体の非常に大きい表面積（導体の体積と比べて）が、冷却流体に曝されることになる。これは、導体の冷却について有益であり、開示のように、小さい導体体積を活用する多くの例示的方法の１つである。ポスト当たり単一の列（又は、少数の列）のコイルはまた、製造の複雑さを低減し、より低いコストでの製造を可能にする。別の実施形態では、それぞれのポストの巻線は２層の厚さである。

平均空隙が１７５ｍｍ以上の電気機械では、スロット数は、軸方向磁束電気機械に対して６０以上、又は１００以上であり、例えば例示的な１７５ｍｍ径の実施形態においては、１０８スロットであってよい。加えて、このような電気機械では、ポストの平均半径方向長さ対円周方向幅は、約８：１など、４：１より上であってよいが、１０：１以上になってもよい。例示的な１０８スロットの実施形態では、この比は約８：１である。このような構成では、放熱が改善されている。より小さい縦横比は、僅かなトルクに対して大量の材料となり得るので、この縦横比は、同時に放熱効果を活用しながら、大きいＫＲ及びロボット工学に有用なトルクを達成するのに役立つ。

幾つかの実施形態では、空隙を維持する低摩擦面で空隙をコーティングすることによって、剛性要件が軽減されている。リニアモータの一実施形態では、低摩擦面は、０．００８”の空隙を維持する空隙内で塗布されている。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、ロータとステータの両方に０．００２５”で堆積でき、間隙は維持される。

ＫＲに関して、又はトルク、トルク対重量比、及びＫｍを組み合わせる重み関数に関して（更に説明する）のいずれかにおいて、有意な利益をもたらす磁極ピッチ（又は密度）及び導体体積の範囲は、明らかになっている。重み関数に関する効果の程度は、冷却量や他の要因で決まるが、示すとおり、この式は、効果を生み出す電気機械の新規構造を画定する。こうした効果をもたらす磁極密度及び導体体積の範囲によって決定される、有界領域を画定する式が得られる。

実施形態では、利点は、機械の寸法、磁極密度及びポスト高さによって画定された相空間の領域内で動作することで得られる。図３９Ａ〜図３９Ｆで示されている一連のグラフは、ＯＣＴＡＶＥ（商標）（数値計算を解くためのプログラム）で生成された自動化ソルバを使用するＦＥＭＭソフトウェアにより作成、解析された、例示的な一連のリニアモータセクション形状に対するトルク密度（ｚ軸）対スロット密度（ｘ軸）及びポスト高さ（ｙ軸）を示している。この例では、磁極密度と同じであることから、スロット密度を使用した。

以下の法則及び仮定を、シリーズ内の全てのモータに適用した。それぞれのセクションは、１４４個の電磁石及び１４６個の永久磁石から高構成される。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。全ての永久磁石は、その磁界方向をロータに対して接線方向に並べ、かつその隣接する永久磁石に対して逆向きとなるように、ロータに対して接線方向に配置され、配向された。Ｍ−１９ケイ素鋼セクションを、永久磁石の間に配置した。ステータを、Ｍ−１９ケイ素鋼から作成した。電磁石は、３相構成で集中巻コイルを使用した。スロット面積の７５％からなる、７５％フィルファクタのコイルを仮定した。調査された２つの変数は、ポスト高さ及びスロット密度であった。以下の関係に従って、残りの形状変数をスケーリングした。全てのシミュレーションにわたって１．２５インチの一定モデル厚さとし、ロータ永久磁石幅は永久磁石ピッチの５０％に設定し、ロータ永久磁石高さを永久磁石幅の２．３倍に設定し、ステータスロット幅をステータ電磁石ピッチの５０％とし（ポストとスロットの幅と等しい）、ステータ背面鉄部高さをステータポスト幅の５０％に設定し、空隙軸高さを０．００５インチとする。

好ましい実施形態、すなわち最高のトルク対重量比とＫＲをもたらす実施形態について、開示された、独自の形状を表す有界領域をモデル化した。ロータ内でのＮ５２ ＮｄＦｅＢ等級磁石、１４６：１４４のロータ極対ステータポスト比、及び背面鉄部を有する磁束集中ロータの選定など、幾つかの設計選択が、この実施形態で行われてきた。この構成は、合理的な水準の製造可能性及び構造安定性を保持しつつ、開示された径のアクチュエータの寸法について最も実用的なトルク対重量比構成の１つを提供し得ると考えられる。種々のロータ種別（表面永久磁石、埋設永久磁石など）、これらに限定されないが、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、様々なロータ極対ステータポスト比、種々のステータ巻線構成、様々なステータ材料など、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様々な設計選択は、好ましい実施形態と同じ磁極ピッチ及びポスト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かの、いずれかの結果により、好ましい実施形態と比較してＫＲの高い効果を得るものではない。しかしながら、大半の設計では、他の全ての設計変数や幾何学的関係が一定に維持されている際、開示された領域外側の形状を超えて、開示された領域内側にある磁極ピッチやポスト高さを使用することで、ＫＲに関する効果が得られる。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並びに横方向磁束リニア及び回転モータについて、集中巻設計と分布巻設計の両方に関して有効である。

それらのモータセクション形状のそれぞれについて、磁気シミュレーション及び熱シミュレーションを実施した。全ての磁気シミュレーションで、プログラムは、質量、水平力、及び消費電力の値を出力した。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ことを目的として、端部巻線の質量及び消費電力を得るために、コイル断面の幾何学的外挿を使用した。停動トルク及び低速時のトルクを計算する上で、抵抗損の平方根は、消費電力の主要な部分であり、スロット形状に基づいた乗数が、端部巻線の抵抗損を表す。これらの値を、それぞれの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）を計算するために使用した。全ての熱シミュレーションで、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出力した。冷却材としての水及び対流係数７００Ｗ／ｍ²Ｋを使用して、ステータ内側表面に固定の冷却速度を当てはめた。水の温度は１５℃に設定され、６〜２０ｍｍ／ｓの流量を有した。定常状態を仮定した。

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適用し、結果として生じる力、質量、消費電力、及び最大ステータ温度をプログラムで算出した。

一定の温度、面積当たりの力、又は力密度のシミュレーションでは、対象のパラメータが目標値に到達するまで各形状点の電流密度を調整し、目標値に到達すると、他のパラメータの値を記録した。一定の温度、面積当たりの力、及び力密度のシミュレーションに対する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空隙の円周方向面積を乗じ、この力に直径を乗じて、結果として生じるトルクを求めることにより、任意の寸法の回転モータに直接適用することができる。モータの曲率半径、及び曲線状構造を直線状構造で近似することに関連した誤差に起因して、いくらかの小さいずれが生じることになるが、発明者らのシミュレーションでは、回転シミュレーションされたトルクが概して、線形モデルによって予測された値の１０％以内になることが示された。

高いトルク対重量比は幾つかの用途で有益であるが、高いトルク対重量比のアクチュエータの結果としていかに軽量になるとしても、ペイロードを持ち上げ、移動させるために、アームがやはり十分なトルクを必要とするロボット工学などの用途には、最低限の水準のトルクが必要になり得る。本特許文書で開示された範囲内にある、磁極密度及び導体体積を有する電気機械は、許容可能な消費電力水準において高いトルク及びトルク対重量比を提供する。

図３９Ａでは、定電流密度での面積当たりの力２３２０が、スロットピッチ及びポスト高さの関数としてプロットされている。実質的なシリーズの全てのモータに印加された同じ電流は、面積当たりの力を、開示された範囲２３２２（破線によって概略的に示されている）内で劇的に低下させている。破線は、３Ｄ表面上に投影されたそれぞれの寸法（下式に関連して記載されるように、２５ｍｍ、５０ｍ、１００ｍｍ及び２００ｍｍ）からの中央境界に対応している。中央境界は、式Ａ２、Ｂ２、Ｃ２及びＤ２の組に対応する。このグラフでは、定電流密度での面積当たりの力２３２０は、所与の３相入力電力に対する最高トルク回転位置を求めるように、ＯＣＴＡＶＥのスクリプトを使用してＦＥＭＭで解析された一連のモータに対して示されている。これらのモータは、導体体積及びスロット密度以外はあらゆる点で全く同じであり、導体体積及びスロット密度は、図示されているように変化している。

図３９Ｂでは、所与の温度で可能な最高電流密度２３２４が、スロットピッチ及びポスト高さの関数としてプロットされている。開示された範囲２３２２内において、指数関数的に高い放熱特性は、所与の温度ではるかに高い電流密度を可能にしている。小さい導体体積は、アクチュエータ重量を減少させる傾向があるが、小さい導体体積はまた、アクチュエータトルクを減少させる傾向もある。しかしながら、導体体積及びスロット密度が開示の範囲内にあるときに、導体からステータの背面まで、又は冷却を適用できる任意の他の表面までの熱流抵抗において劇的な減少が存在しており、その結果、アクチュエータを過熱させることなく、非常に高い電流密度を導体に印加することが可能になっている。

図３９Ｂでは、図３９Ａの場合と同じ一連のモータが使用されているが、それぞれのモータに定電流密度を適用する代わりに、導体の定常温度が〜７０℃になるまで電流密度を変化させた。典型的な水冷効果に関する合理的な表記を、ステータの外側軸方向表面に対流係数７００Ｗ／ｍ²Ｋで適用した。水温を１５℃に設定した。環境温度を１５℃に設定した。水冷された表面が冷却に関して極めて優勢であることから、かつロータ自身から発熱していないことから、簡略化のために、空気対流冷却をロータに適用しなかった。定常状態を仮定した。３Ｄグラフ上のそれぞれの点では、コイルの温度が〜７０℃に到達するまで、モータの電流密度をゼロから増加させた。

図３９Ｃは、７０℃の定温度とは並置して（apposed to）、６Ａ／ｍｍ２の定電流を有することを除けば、図３９Ｄと同じである。短いポストによる放熱の効果が、予想されない効果を開示の範囲にどのようにもたらしているかが明らかとなるように、図３９Ｃは、以下の重み付け規則として、トルク−１の重み付け、トルク対重量比−３の重み付け、消費電力−２の重み付けを使用して、作成された。アームの重量がアクチュエータの重量で決定されることから、かつアームの重量がペイロードの重量よりも著しく大きくなることが多いことから、トルク対重量比を、最も高く重み付けした。トルクは、考慮すべき重要事項であるが、ペイロードがアームの重量よりもかなり小さいものであり得ることを認識して、トルクを含めるように、１で重み付けした。消費電力は、考慮すべき重要事項であるが、トルク対重量比へのより高い重み付けで実現されるように、より小さいアーム重量から効果が得られることが知られており、そのため、消費電力へのより高い重み付けは潜在的に逆効果であるとみなされたことから、消費電力に、中程度の重み付けを適用した。

定電流密度を一連のモータに適用し、上記の重み付けと結果とを合成することにより、図３９Ｄの表面２３２８から、スロット（又は磁極）密度及び導体体積の開示の範囲２３２２に向かって、かつ同範囲を通じて継続して、全体的な性能の低下傾向が示された。図３９Ｄは、図３９Ｂから一定温度の電流密度が適用されたときの開示の範囲における効果を示している。

モータ能力に対する業界標準の測定基準は、基本的にはトルク対消費電力比であるＫＭである。ＫＭは、所与の電力に対して十分な冷却を仮定している。ＫＭは、一定水準のトルクを発生させるため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高さの関数とする

表面２３３０を、図３９Ｅでプロットした。

図３９Ｆでは、スロットピッチ及びポスト高さの関数である

表面２３３２のグラフに見られるように、トルク対重量対消費電力は、開示の範囲２３２２内で最も予想外で劇的な効果を示している。固定用途では、高いＫ_Rは、大きな効果があるとは限らないが、ロボット工学などの用途においては、Ｋ_Rは、システム全体の重量を減少させることによって、消費電力に関する効果を実現できることを示している。

が、磁極密度とポスト高さと共に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。小さい導体体積（小さいポスト高さ）及び低い磁極密度を有する形状Ａのモータセクションについて、考える。形状Ａを有するモータセクションを、シミュレーションした。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をステータ内面に適用した。水の温度を１５℃に設定し、この水は、流量が６〜２０ｍｍ／ｓである。定常状態を仮定した。次いで、導体の最大温度が７０℃に達するまで、形状Ａの導体内を通る電流を増加させた。更に、この時点での形状Ａのトルク密度を記録し、対応するポスト高さ及び磁極密度の値を、グラフにプロットした。このプロセスを、ポスト高さ及び磁極密度を変化させ、上述のように残りのパラメータをスケーリングするという例により得られた、他の形状に対しても、繰り返した。例えば、形状Ｂは、他の全てのパラメータを上述のようにスケーリングしつつ、ポスト高さを増加させることで形状Ａから得てもよい。形状Ｃは、形状Ａと同じポスト高さでよいが、形状Ａよりも大きい磁極密度でなければならない。形状Ｄは、形状Ａと比較して、ポスト高さが増加し、磁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。

磁極密度が増加し、かつポスト高さが減少すると、トルク密度は増加することがわかる。低いポスト高さ又は高い磁極密度のいずれかを有する形状では、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、トルク密度の効果は、これらの２つの要因を組み合わせた形状についてのみ観測される。更に、この領域内では、効率が低下している。グラフは示された仮定に基づいて作成されたが、磁極密度の増加及び導体体積又はポスト高さの減少に関する、開示された冷却効果及び磁束損失の減少を基に、同じ形状は、シミュレーションで使用されたパラメータの他の値において有益であると考えられる。ポスト高さや磁極密度に影響しないモータ設計要素を変更すると、効果の損失を招くとは予測されていない。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、及び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、

表面が幾分異なる場合がある。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高さ及び高い磁極密度の形状の領域内での効果が、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、ポストを有する電気機械に対してのみ当てはまる。

開示の式やグラフでは、パラメータ

は、寸法に依存しないものであり、トルクの代わりに力を使用し、円周方向長さと軸方向長さの両方から独立するように、従来のＫ_Rから変換されたものである。したがって、任意の寸法のモータの従来のＫ_Rは、

値から求めることができる。また、同じ寸法（空隙位置の径や、軸方向長さ）だが、異なる形状（すなわち、磁極密度、及び／又は、ポスト高さ）の２つのモータでは、倍率は同じになり、そのため、

が高い方のモータは、より高い従来のＫ_Rを有することになる。

は、磁極密度及びポスト高さの関数として、従来型ＫＲを示しているグラフの表面とよく似ている。しかしながら、トルク密度に対応するこの特定の表面は、解析において、異なる温度を制約として使用すると、大幅に変化し得る。これに対して、

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、３Ｄ曲線形状が変化する）。したがって、

は、前述の効果をもたらす磁極密度及びポスト高さの特定範囲を画定するために使用される。

開示の効果の範囲は、空隙位置で得られるモータ直径に依存する。より小さいモータは、モータの物理的な寸法が、より低いスロット密度の使用を不可能にするため、より制約の厳しいものとなる。２００ｍｍ以上、１００ｍｍ以上、５０ｍｍ以上、及び２５ｍｍ以上に対応して、４つの別個のモータ直径を定義した。それぞれの直径範囲に対して、３水準の

を記載する。特定の直径範囲について、第１水準は、

への僅かな効果が開始する位置に対応し、第２水準は、中程度の

への効果対応し、更に、第３水準は、大きい

への効果に対応する。全般に、高い方の

値は、該当モータ寸法範囲について、低い方の全トルク値に対応する。

これらの開示されたモータ寸法（直径が２５ｍｍ〜２００ｍｍ以上）は、小型モータから大型モータまでに相当する。シミュレーションで使用する０．００５インチの空隙は、この範囲のモータに対する、最小の合理的な空隙寸法であると考えられる。より小さい空隙は、製作公差、軸受精度、構成要素のたわみ、及び熱膨張に起因して、このモータ範囲に対して実用的ではない。

上の式における係数を、対象の領域を画定し、結果として生じる関係がほぼ連続となるように選択した。

分析では、比率が４０：６０〜６０：４０の間の際、最大の効果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ポストの比率５０：５０の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。固定されたポスト高さで、１０：９０のスロットを使用し、このポストの幅比は、比較すると著しく低下した性能を有する。解析から、一定ポスト高さにおいて、一実施形態は５０％スロット幅で最大のトルク及びトルク密度を示し、４０％スロット幅で最大のＫｍ及びＫｒを示すことがわかった。ただし、Ｋｍ及びＫｒの最大値は、５０：５０の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の比率を、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した。ポストの他の比率では、スロット幅は、開示された利得の一部を付与する。

様々な実施形態に対し、ＫＲに関して、又はトルク、トルク対重量比及びＫｍを組み合わせる重み関数に関して、有意な効果をもたらす磁極密度と導体体積の範囲を示す式並びにグラフについて以下で検討する。前述の式の場合と同様、重み関数に関する効果の領域は、冷却量に依存する。

電気機械の寸法は、本明細書で規定されるように軸方向磁束機械、若しくは半径方向磁束機械の空隙径を意味するか、又は線形機械のキャリアの並進方向の長さを意味する。

第１有界領域は、定義域内の残りの形状に対して大幅なＫ_Rの効果が見出される領域に対応する。所与の装置寸法に対して、Ｋ_Rは、形状の開示の範囲内において、その範囲の外側のどの場所でよりも高い値を有しており、これらの形状の装置を使用する特定の用途にて、全システムの効率性に対する潜在的な利益を示している。

のグラフは、指定された

値において水平面を全体にわたって配置することで、境界を画定するのに使用される。

の４つの値は、２００ｍｍ以上、１００ｍｍ以上、５０ｍｍ以上、及び、２５ｍｍ以上の寸法に対応している、４つの異なるアクチュエータ寸法範囲に対する効果の領域を定義するために使用される。

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

２５ｍｍ寸法の機械では、

の境界線は、表１で示す値で定義されており、対応するグラフは図４９である。

２５ｍｍ寸法の機械では、

の境界線は、表２に示されている値で定義されており、対応するグラフは、図５０である。

２５ｍｍ寸法の機械では、

の境界線は、表３に示されている値によって定義されており、対応するグラフは図５１である。

５０ｍｍ寸法の機械では、

の境界線は、表４の値によって定義されており、対応するグラフは図４６である。

５０ｍｍ寸法の機械では、

の境界線は、表５の値によって定義されており、対応するグラフは図４７である。

５０ｍｍ寸法の機械では、

の境界線は、表６の値によって定義されており、対応するグラフは図４８である。

１００ｍｍ寸法の機械では、

の境界線は、表７の値によって定義されており、対応するグラフは図４３である。

１００ｍｍ寸法の機械では、

の境界線は、表８の値によって定義されており、対応するグラフは図４４である。

１００ｍｍ寸法の機械では、

の境界線は、表９の値によって定義されており、対応するグラフは図４５である。

２００ｍｍ寸法の機械では、

の境界線は、表１０の値によって定義されており、対応するグラフは図４０である。

２００ｍｍ寸法の機械では、

の境界線は、表１１の値によって定義されており、対応するグラフは図４１である。

２００ｍｍ寸法の機械では、

の境界線は、表１２の値によって定義されており、対応するグラフは図４２である。

それぞれの機械寸法において、それぞれの境界線は、所与のＫ”値に対して定義されており、その結果、それぞれの機械寸法に対して、Ｋ”値の組及び対応する境界線の組が存在する。境界線の対を選択でき、この境界線の対では、１つの境界線が２つの連続した装置の寸法、すなわち、２５ｍｍ及び５０ｍｍ、５０ｍｍ及び１００ｍｍ、又は１００ｍｍ及び２００ｍｍのそれぞれから選択される。境界線は、寸法、磁極ピッチ及びポスト高さによって画定された空間又は体積を占める。境界表面は、第１境界線内の任意の点及び第２境界線内の任意の点を接続する、全ての線の和集合の外面である２次元の連続した表面として、空間内に定義されてよい。境界表面は、効果空間を取り囲む。それぞれの境界線の対に対して、境界表面は効果空間を画定する。所与の効果空間内にある寸法、磁極ピッチ及びポスト高さを有する電気機械は、その機械寸法の対応する境界線で画定される、実施形態の範囲に含まれると考えられる。

最大計算寸法よりも大きい機械装置寸法には、最大計算寸法に対して計算された境界線が使用される。したがって、最大計算寸法を越えている効果空間は、単に、その寸法に対する計算された境界線によって画定されている表面、及びより大きい寸法に対応しているが表面上の点に等しい、磁極ピッチ及びポスト高さを有する点の体積である。

電気機械装置の主な構成要素は、電磁素子のアレイを有する第１キャリア（ロータ、ステータ、又は線形機械装置の部品）と、磁極を画定している電磁素子を有する第２キャリアと、を備え、第２キャリアは、例えば軸受によって、第１キャリアに対して相対的に移動するように配置されており、軸受は、磁気軸受であってよい。移動は、第１キャリア及び第２キャリアの電磁素子により生成された磁束の相互作用によって（モータ実施形態）、又は外部源によって発生可能であり、外部源の場合、この移動により、電気機械の巻線に起電力が生じる（ジェネレータ実施形態）。空隙は、第１キャリアと第２キャリアとの間に設けられる。第１キャリアの電磁素子は、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キャリアのポストは、ｍｍ単位のポスト高さを有する。第１キャリア及び第２キャリアは、電気機械の寸法を共に画定する。磁極は、ｍｍ単位で磁極ピッチを有する。モータの寸法、磁極ピッチ及びポスト高さは、寸法、磁極ピッチ、及びポスト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。領域は、１）ａ）電気機械の第１寸法に対する第１組の不等式によって画定される第１表面、ｂ）電気機械の第２寸法に対する第２組の不等式によって画定される第２表面、及びｃ）第１表面上にある第１端部点と第２表面上にある第２端部点とを有する線分上に存在する全ての点を含むものとして定義されている集合の和集合、又は２）不等式の組によって画定される表面、及びより大きい寸法に対応しているが、表面上の点に対応している磁極ピッチ及びポスト高さを有する全ての点、によって画定される。

第１組の不等式の組、及び、第２組の不等式はそれぞれ、不等式の組Ａ及びＢ、又はＢ及びＣ、あるいは、Ｃ及びＤであり、Ａは表１、表２及び表３（それぞれ、不等式の組Ａ１、Ａ２及びＡ３）に記載されている式からなる不等式の組の群から選択され、Ｂは表４、表５及び表６（それぞれ、不等式の組Ｂ１、Ｂ２及びＢ３）に記載されている式からなる不等式の組の群から選択され、Ｃは表７、表８及び表９（それぞれ、不等式の組Ｃ１、Ｃ２及びＣ３）に記載されている式からなる不等式の組の群から選択され、Ｄは表１０、表１１及び表１２（それぞれ、不等式の組Ｄ１、Ｄ２及びＤ３）に記載されている不等式からなる不等式の組の群から選択されている。

電気機械が特徴付けられている空間は、隣り合う寸法に対する不等式の組によって定義された、任意の不等式の対、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によって形成されてよい。この空間はまた、任意の不等式の組、及びより大きい寸法に対応しているが、不等式の組によって画定された領域内のポスト高さ及び磁極ピッチを有する全ての点、によって形成されてもよい。

本出願に記載されている装置の全ては、これらの式によって画定された領域及び空間の範囲に含まれている寸法、磁極ピッチ及びポスト高さを有してよい。

この範囲の形状は、所与の電力入力に対して非常に高いトルク対重量比を提供してよい。この効率性は温度に依存しない。開示の範囲内の装置装置はより少ない電力を使用することになるので、例えば、所与のトルク対重量比において、開示された範囲の内側にあるアクチュエータは、所与の冷却方法に対して、開示された範囲の外側にある同様のアクチュエータよりも、低い温度で動作し得る。

小さい導体体積は、この場合では、より短い導体に起因したより低い熱抵抗の効果を得る。開示された範囲内では、所与のトルク対重量比を達成するために、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分は、装置の放熱効果で補償される分よりも大きい。開示された

範囲内では、重量の減少（これは、部分的に、小さい導体体積に起因する）は、必要な余剰電力（これは、より高い電流密度に起因する）を上回ることができ、その結果、ＫＲに関して正味の効果を得ることができる。所与の径の機械装置での提示された範囲の形状は、特徴形状に関連して放熱効果を提供することは、よりはるかに小さい機械装置に対して知られているが、本装置の原理に従って使用される、大きい径の機械でも提供される。

説明を明瞭にするために、冷却は、ＫＲ効果を実現するために依然として必要であるが、ＫＲ計算では、十分な冷却が使用されていることが仮定されている。幾つかのモータ及び用途では、放射冷却で十分である。他のものでは、ファン及び冷却フィンが必要である。全出力の他のものでは、水冷が必要である。

開示された電気機械では、Ｋ_Rは、低出力時から高出力時まで同じであり（ステータが飽和するまでであり、飽和するとＫ_Rが減少することになる）、そのため、出力に応じて様々な水準の冷却が必要になるが、トルク対重量対消費電力は適度に一定のままであり続ける。開示された範囲の磁極密度及び導体体積は、所与の冷却方法による所与の放熱速度に対して非常に高いトルク対重量比を提供し得る。開示された範囲の磁極密度及び導体体積は、ステータの背面に適用された所与の冷却方法及び所与の導体温度に対して、より高いトルク対重量比を生成できる。開示された範囲の磁極密度及び電気伝導体体積に対する、電気伝導体冷却の一次形態は、電気伝導体からステータの背面への熱伝導性熱伝達である。

熱は、冷却流体との直接接触によって、又はハウジングなどの別の部材への伝導によって、又は例えば、放射によって、ステータの背面から取り出すことができる。ステータの他の表面又は導体もまた、様々な手段によって冷却することができる。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、コスト効率に優れかつ単純な選択肢であることが示されている。サンプル解析（本明細書に示していない）によると、（開示された範囲の外にあるモータと比べて）ステータの背面からの、より優れた放熱を示す、開示された範囲内の形状はまた、ステータの他の表面又は導体が冷却されるときに、開示された範囲の外にあるモータよりも、改善された放熱を一般に示すことになることも示されている。したがって、ステータの背面は、有用な冷却面としてだけでなく、ステータの他の表面及び導体へ冷却を適用することに対し、シリーズ内のそれぞれのモータの、有効性の指標であるとみなされる。ステータの背面は、開示された範囲を識別するために使用される、モータシリーズ解析の主冷却面として選択されている。

他の冷却方法を、開示の範囲の磁極密度及び導体体積を有する、電気機械に適用してもよいが、導体からステータの背面までの熱流経路は、好ましくは、どのような種類の冷却（例えば、直接的なコイルの冷却）が使用されるかに関係なく、モータを冷却するために常に使用されることになる。

ステータ背面鉄部は、ポストの幅（円周方向又は接線方向幅）の５０％となる軸方向奥行きを有してよい。ポストはそれぞれ、接線方向幅を有してよく、ステータは、背面鉄部部分を備えることができ、背面鉄部部分は、ポストの接線方向幅の半分以下の厚さを有するか、又はポストの接線方向幅未満であってよい。より厚い背面鉄部は、重量が増えて、効果が最も少ない。より薄い背面鉄部は、冷却で役立つが、冷却に対する背面鉄部厚さの効果は、あまり大きくない。背面鉄部表面は、熱をステータからハウジングへ物理的に伝導させるために、ハウジングと物理的に接触した状態にあってよく、かつ／又はステータの背面は、活発に循環された冷却流体に曝されることができ、かつ／又はステータの背面は、媒体への又はハウジング若しくは他の構成要素への放射性放熱用に構成されることができ、かつ／又はステータの背面は、ステータ及び／又はハウジングの表面にわたる空気又は液体の移動による対流、又は受動的冷却用に構成できる。ステータの背面を通過する気体、又は液体は、封じ込められていても、封じ込められていなくてもよい。ステータの背面は、環境から封止されていても、媒体に曝されていてもよい。媒体は、アクチュエータを取り囲んでいる空気又は水又は他の流体であってよい。また、環境は、幾つかの製造プロセスに必要な真空又は真空空間などの、真空であってもよい。ステータの背面は、表面積を増加させる冷却フィンと共に構成されていてよい。これらの冷却フィンは、冷却流体に曝されていてよく、かつ／又はハウジング又は他の固体部材などのヒートシンクと接触していてよい。ステータ上の冷却フィンは、ポスト幅の５０％を円周方向に超える高さを有してよい。

ステータの背面からの放熱に加えて、他の放熱面としては、導体とポストとの間など、スロットを通して循環されている空気又は液体などの冷却流体に曝され得る、ポストの表面が挙げられ得る。

ステータ及び／又は導体を冷却する他の方法としては、ステータの表面上若しくは下にある、及び／又は導体の表面上若しくは下にある冷却チャネルが挙げられ得る。これら及び他の形態の冷却は、導体からステータの背面への一次熱伝導性冷却を補うものとみなされる。幾つかの事例では、補助的な冷却方法は、一次伝導性冷却効果よりも多くの熱をステータから引き出せるが、能動型冷却方法は、エネルギー、並びに追加のコスト及び複雑さを必要とするので、本明細書には導体からステータの背面までの伝導性冷却経路が、冷却の一次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では、消費電力は開示の範囲内で上昇し、開示された範囲の内側で最小のポスト高さ及びスロットピッチに向かい、指数関数的により大きくなる。半径方向歯長さ３２ｍｍ、並びにロータ及び巻線を有する単一の２００ｍｍ平均空隙径アクチュエータで１００Ｎｍのトルクを生成するために必要な消費電力のシミュレーションから、最低消費電力は開示の範囲の外側で発生すること、及び消費電力は開示の範囲の内側で大幅に増加することを確認することができる。消費電力を最小限に抑えるために、設計者は、より大きいスロットピッチ及びより大きい導体体積の装置に向かって導かれるはずである。この種の用途では、本装置の形状を使用する任意のアクチュエータは、開示の範囲の外側でより大きいスロットピッチ及び導体体積の値の方にあるものよりも、消費電力が大きくなる。

電気機械の磁極キャリアがスロット及びポストを含む開示の構造体では、スロットがスロット又は磁極ピッチｓを有し、ポストが高さｈを有しており、開示の式に従ってｓがｈに関連付けられている際、電気励起を、少なくとも７０Ａ／ｍｍ２の電流密度でスロット内の導体に印加できる。７０Ａ／ｍｍ²を超えている電気励起は一般に、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体を有することの冷却効果は、導体内の電流による発熱の一部又は全てを相殺する冷却を提供する。残りの発熱は、開示された冷却構造体又はチャネルのうちの１つ以上を使用して散逸できる。開示された範囲の内側にあるモータは、所与の入力電力に対して磁路内の平均磁束密度の減少を示す。これは、部分的には、短い方のポストの、縮小された磁路長さ、背面鉄部を介したポストから隣接ポストまでの縮小された距離、及びポスト間の減少された漏れ磁束に起因する。結果として、開示の範囲内のモータにおいて飽和に達することなく、より高い電流密度を流すことができる。所与の電流密度における開示された範囲外のモータと比べて増強された冷却能力と、低下した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、より大きい持続的なトルク対重量比を達成することができる状態、及び開示された範囲内の所与のトルク対重量比に対して、より低い磁束密度で動作することに起因して、開示された範囲内のモータの瞬間的な最大トルク対重量比が、有意により高くなり得る状態、の組み合わせを作り出す。

開示された形状の性能及び消費電力の効果を達成するために克服しなければならない最重要課題の１つは、ロータとステータとの間に存在する非常に大きな磁力に耐えることができる構造体を提供することである。開示されたロータの実施形態は、ステータポスト上の大きい引力の発生につながる空隙内での、非常に高い磁束密度を達成することができる。同時に、開示された電気機械の一実施形態の、高いトルク対重量比を実現することは、一実施形態では、ポストの円周方向厚さより小さい（及び、一実施形態では、ポスト厚さの約半分である）軸方向厚さを有する背面鉄部の使用を要する。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では、一体化されたポストを有する環状積層体を使用することができる。これは、固有の剛性を有しており、積層体の円周方向及び半径方向に沿って望ましい磁路を、自然に提供する。その一方、本装置の実施形態の軸方向磁束機能は、積層された個々の部品の組み立てを必要とする。結果として、それぞれのアクチュエータに対して最大数百個ものポスト構成要素を製造する必要があり、これにより、製造の複雑さ、時間及びコストが増加する。更に、相対的に薄い背面鉄部は、特に電気的機械装置に共通している高頻度の力の変動及び高温において、多くのポッティング化合物又は接着剤が確実にポストを背面鉄部に固定するための十分な表面積を提供しない。例として、ステータポストをステータ内の受容スロット内へ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未満のエポキシ樹脂上の応力に対して、８０℃未満の熱変形温度を有し得る。

一実施形態の背面鉄部ディスクは、積層体、粉末状金属、又は固体金属から作製できる。積層体の使用には、プレス加工された材料構成の可能性を含む幾つかの利点がある。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、取り付けられなければならない。接着剤（glue）などの一般の方法は、力及び／又は温度が高い特定の動作形態に対して十分でない可能性がある。それにもかかわらず、積層体は、他の形態に対して良い選択であり得、多くの高速度の用途ではうまく機能することが予想される。

それぞれの粒子に電気絶縁コーティングを有する粉末状金属を、一実施形態の背面鉄部に使用すると、渦電流が減少するという利点がある。しかしながら、このコーティングは、磁路内で、複数の非常に小さい空隙のように振る舞うので、通常は磁力を減少させることになる。この材料はまた、典型的には、特に高温において、かなり高いクリープ速度を有する固体の鋼又は鉄ほど強くはない。

固体の鋼から製造されたステータは、典型的には大きい渦電流損を有する。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、幾つかの動作の形態において、例えば、ロボット工学に適した速度で動作する際、渦電流損が、固体ステータを使えるほどに十分に小さいものになり得る、渦電流及びヒステリシス減少効果を有する。固体材料を使用することは、強度、剛性、熱抵抗性、及び疲労強度に関して有利である。本装置の実施形態は、多くの場合、特定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できるので、結果として生じる動作速度は、固体鋼ステータであっても渦電流損を許容できる十分に低いものであり得る。固体鋳鉄は、幾つかの構成、及び、動作形態で実用的であるほどに十分に小さい渦電流損を発生させることが明らかになっている。

ステータは、積層されたスタック又は焼結された粉末状金属のいずれかから構築されてよい。こうした構造の目的は、固体材料の使用と比べて、磁路に垂直な、電気絶縁された軟磁性材料の断面積を減少させ、ひいては、渦電流の発生を減少させることである。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、これらは、システムで放散する必要のある余剰熱を生成し、減衰現象を生み出すことで、出力トルクを下げる。

固体導電材料で製造された単一要素ステータは、とりわけ、磁極密度及びポール高さの開示範囲内で、開示された装置の実施形態で使用できる。渦電流の発生を回避するために、この用途は、十分に低い速度にすべきであり、例えば開示の範囲の形状を有する１７５ｍｍ平均空隙径モータに対して、２００ｒｐｍ以下での動作の５０％（６０％、７０％、８０％、９０％）からなる荷重サイクルにすべきである。この相対的に低い速度範囲を、開示された範囲の、相対的に小さいステータ歯の断面形状と組み合わせることにより、個々のステータ歯は、幾分積層体のように振る舞い、渦電流の発生を減少させる。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、渦電流の発生は、開示された範囲の、相対的に小さい歯高によって減少させられる。渦電流損及びヒステリシス損は体積測定であるため、本装置の小さい体積は、所与の磁束密度及びスイッチング周波数について、総鉄損の減少に寄与する。

連続した磁路は、例えば、ダクタイル鉄、コバルト又はケイ素鋼などの合金鋼、圧縮成形又は焼結された粉末状金属など、等方性材料から作製されたステータによって提供できる。金属は、ポストから隣接ポストまでは等方性であり、ポストから軸受レースまで、又はポストから軸受に接続している部材若しくは組立体までは、背面鉄部から冷却フィンまで及び／又は軸受までの可変の材料合金を含めて、非等方性であってよい。これは、爆発圧接若しくは熱溶解積層造形法、又は撹拌接合若しくは異種材料を結合する他の形態によって行うことができる。

ステータは、ポストから隣接ポストまで、及びポストから軸受レース座（あるいは、ブッシングシートや接点）までは、単一、又は一体型であってよい。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１つから軸受、又はブッシングを予圧するために圧縮状態にある部材や組立体まで、一体型であってよい。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１つから、軸受、又はブッシングを予圧するために圧縮状態にある部材や組立体までは、一体型であってよく、圧縮荷重の全て又は一部は、ステータとロータとの間の磁力によるものである。予圧された軸受の場合、ハウジング組立体は、軸受が存在する場合、軸受座の位置を通る軸受予圧の方向で、軸受が存在しない場合は、０．００２”を超えて、軸受レース座を変位させるのに十分に可撓性であってよい。予圧された軸受の場合、ハウジング組立体は、軸受が存在する場合、軸受座の位置を通る軸受予圧の方向で、軸受が存在しない場合は、０．００２”を超えて、軸受レース座を変位させるのに十分な可撓性であってよく、ハウジングのこの変形を引き起こすためにステータに働く力は、少なくとも部分的に、ロータへのステータの磁気引力によってもたらされる。

次に、ロータを支持している内側及び外側軸受を有する、電気機械の一実施形態について、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内に挿入されている、磁極密度及びポスト高さの、開示された範囲内にある装置の、例示的なステータ３８０２及びロータ３８０１の概略図及び簡易断面図を示している。簡略化のために、導体及び巻線はこれらの図に示されていないことに注意されたい。アーム枢軸支持に使用されている外側軸受３８０４はまた、空隙３８０９を画定することにも使用されている。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に、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。追加の軸受３８０８は、半径方向ポスト長さがより長い、所望の空隙寸法を維持するよう、フレームレスアクチュエータ組立体のＩＤ上でスペーサリング３８０３と組み合わせて使用できる。インターロッキング機構３８１２（図５９）は、図５７の上昇して弧を描いて隣に移る経路３８１５に従って、ステータタブ３８１２をハウジングタブ３８１６の間に滑り込ませ、それらを所定位置に固定することにより、下位アームハウジング３８０６、３８０７へのステータ３８０２の取り付けを可能にする。ロータ上の同様のタブ３８１４は、ロータ３８０１を上位アームハウジング３８０５、３８１０、及び内側軸受スペーサリング３８０３に固定する。ステータとロータの質量は、追加の固定機構３８１４、３８１２、並びに軸受スペーサリング３８０３及び内側軸受３８０８の重量でのみ増加する。スペーサ要素３８０３は、アルミニウムやマグネシウムなどの低密度材料から作製することができる。この例示的実施形態は、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。背面鉄部を有する、等方性合金鋼製又は鉄合金製ステータ３８０２、及び等方性合金鋼製又は鉄合金製ロータ３８０１は、ＩＤ及びＯＤにおいて軸受で支持されている際、０．００５”の空隙を維持するほどに十分に硬質である。

一実施形態では、ロータ３８０１とステータ３８０２との間の磁気引力は、軸受３８０４、３８０８を予圧するのに使用でき、また軸受が、上位及び下位アームハウジング３８０５、３８０６それぞれに着座している状態を維持する締結具の必要性を減らすか、又は無くすために使用可能である。この構造は、アーム組立体全体が、開示された範囲外にあるモータを使用した場合よりも軽くなる点で、簡素化と軽量化に関して有益であると考えられる。

ロータ３８０１及びステータ３８０２間の軸方向内向き磁気引力に起因して、空隙３８０９において、互いに向かって移動することがないよう、双方とも固定されなければならない。軽量だが硬いロボットアームハウジングを実現することは有益であり、そのため、この例示的実施形態は、アクチュエータの空隙軸方向端部から、アーム及び磁性構成要素を組み立てる方法を提供する。これは、ステータ３８０２及びロータ３８０１のＯＤ上でタブ３８１２、３８１４のアレイを使用することで実現され、これにより、ステータ及びロータを、ハウジング３８０５、３８０６内に挿入してから、曲げることで、ハウジング３８０５、３８０６上の対応するタブ３８１６、３８１３のアレイと係合できる。別の選択肢としてねじ係合もあり得る。

ロータ３８０１及びステータ３８０２がそれぞれのアーム内で組み立てられると、ステータを有する上位アーム組立体、及びロータを有する下位アーム組立体は、一体化する。次いで、ロータとステータとの間の力は、軸受３８０４、３８０８を予圧し、この寸法の装置では、最大およそ４００ＫＧの軸方向の力でアーム関節部を一体に維持することになる。

本装置の１０ＯＤアクチュエータは、ステータ又はロータとの間に最大１５００ポンド以上の受動ＰＭ予圧を有することができる。このため、組み立てることは非常に困難であり、危険でさえある。本装置の実施形態では、ステータ及びロータが一体的に組み立てられた後、ＰＭを挿入可能とする。これにより、ＰＭ及びそれらの磁力が組立体に印加される前に、ステータ及びロータ、並びに軸受及び接続部の精密かつリスクの低い位置合わせが可能になる。

磁石を個々に追加及び取り外しできることは、大きなモータ／アクチュエータにとって、軸受など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。ロータを取り外す前に磁石を取り外すことができない場合、大きいアクチュエータは、ロータを取り外すために１０，０００ポンド以上の力を必要とし得る。

軸方向又は円錐モータのＩＤ及びＯＤ上で軸受を使用することにより、適度に一貫した軸方向予圧を、軸受上で実現できる。これは、以下の複数の潜在的な利点を有する。（ａ）反対の軸方向において軸受レース保持を不要にできる、（ｂ）軸受レース座が正常稼働時に想定され得るほどに互いに相対的に軸方向に移動しても、大きく変化しない磁力で予圧が提供されているので、軸受の着座、摩耗、又は熱膨張にもかかわらず、軸受の予圧を適度に一定に維持できる、（ｃ）これはまた、より低い軸方向製作公差を可能にする追加の利点を有することがある。

先の説明は本発明の好ましい実施形態に関して行われてきたが、多くの変形及び改変が可能であることは、当業者によって理解されるであろう。これらの変形のいくつかは上で論じてきたものであり、他の変形は当業者にとって明らかであろう。

特許請求の範囲では、用語「含む（comprising）」は、その包含的意味で使用されており、他の要素が存在する可能性を排除するものではない。請求項の特徴の前にある不定冠詞「１つ（a/an）」は、１つのみの要素が意図されていることが文脈から明らかでない限り、２つ以上のこの特徴が存在することを除外するものではない。

Claims (50)

1. 電気機械であって、
   電磁素子のアレイを有するステータと、
   軸受に取り付けられたロータであって、前記ロータは、ロータポストのアレイを有し、前記各ロータポストは、対向端部を画定する長さを有し、前記ロータポストのアレイは、前記各ロータポストの長さに対して垂直な方向でロータに沿って延在し、前記ロータが、前記複数のロータポスト間に配置された磁極を画定する電磁素子を有する、ロータと、
   空隙であって、前記ステータ及び前記ロータが、作動位置にある際、前記ロータと前記ステータとの間に形成された空隙と、
   前記ロータ上で形成された複数のロータ磁束絞りであって、前記複数のロータ磁束絞りはそれぞれ、前記ロータポストの前記対向端部の１つと隣接して存在する、複数のロータ磁束絞りと、を備える、電気機械。
2. 前記軸受は、
   前記ロータと前記ステータとを接続する第１軸受であって、前記ロータ及び前記ステータの相対回転運動が可能となるように配置されている、第１軸受と、
   前記ロータと前記ステータとを接続する第２軸受であって、前記ロータ及び前記ステータの相対回転運動が可能となるように配置されている、第２軸受と、を更に備え、
   前記ロータポストのアレイ、及び前記複数のロータ磁束絞りは、前記第１軸受と前記第２軸受間の、前記ロータ上に置かれる、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記複数のロータ磁束絞りが、前記ロータ内に複数の孔を更に備える、請求項２に記載の電気機械。
4. 前記複数のロータ磁束絞りが、複数の止まり孔を更に備える、請求項３に記載の電気機械。
5. 前記複数のロータ磁束絞りが、複数の貫通孔を更に備える、請求項３に記載の電気機械。
6. 前記電気機械は、
   軸方向電気機械を更に備え、
   前記第１軸受は、内側スラスト軸受を更に備え、
   前記第２軸受は、外側スラスト軸受を更に備え、
   前記ステータの前記電磁素子、及び前記ロータの前記電磁素子が、前記外側スラスト軸受の半径方向内側、及び前記内側スラスト軸受の半径方向外側に配置され、前記内側スラスト軸受及び前記外側スラスト軸受が、前記ロータの前記電磁素子及び前記ステータの前記電磁素子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、請求項２〜５のいずれか一項に記載の電気機械。
7. 前記複数のロータ磁束絞りが、前記ロータポストから半径方向外側に、かつ前記外側スラスト軸受から半径方向内側に存在する複数の外側磁束絞りを更に備える、請求項６に記載の電気機械。
8. 前記複数のロータ磁束絞りが、前記ロータポストから半径方向内側に、かつ前記内側スラスト軸受から半径方向外側に存在する複数の内側磁束絞りを更に備える、請求項６に記載の電気機械。
9. 前記複数のロータ磁束絞りが、前記ロータポストから半径方向内側に、かつ前記内側スラスト軸受から半径方向外側に配置された複数の内側磁束絞りを更に備える、請求項７に記載の電気機械。
10. 前記内側及び外側磁束絞りの各々が、前記ロータポストに対して、交互パターンで半径方向に整列し、その結果、前記内側及び外側磁束絞りが、全ての第２ロータポストに隣接している、請求項９に記載の電気機械。
11. 前記内側と外側磁束絞りは、ロータポストと交番するよう隣接し、これにより、各ロータポストが、前記内側磁束絞りの１つ、又は前記外側磁束絞りの１つのみと隣接する、請求項１０に記載の電気機械。
12. 前記内側及び外側磁束絞りの各々が、前記ロータポストと半径方向に整列し、前記内側及び外側磁束絞りが、各ロータポストと隣接する、請求項９に記載の電気機械。
13. ロータポストごとに、前記ロータポストが、２つの内側磁束絞り及び２つの外側磁束絞りと隣接する、請求項９に記載の電気機械。
14. 前記複数の内側磁束絞り及び前記複数の外側磁束絞りがそれぞれ、同じ形状を有する複数の孔を更に備える、請求項９〜１３のいずれか一項に記載の電気機械。
15. 前記同じ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備える、請求項１４に記載の電気機械。
16. 前記複数の孔それぞれの、前記円形断面が、等しい寸法を有する、請求項１５に記載の電気機械。
17. 前記ステータが、前記ステータの前記電磁素子を形成するステータポストを更に含み、前記ステータポスト間にはスロットが配置され、各スロットには１つ以上の導電体が配置され、前記ステータポストはそれぞれ、対向端部を画定する長さを有し、前記ステータポストのアレイは、前記各ポストの長さと垂直な方向で円状にステータの周りに延在し、前記ステータは、前記ステータ上で形成された複数のステータ磁束絞りを更に備え、前記複数のステータ磁束絞りはそれぞれ、前記ステータポストの前記対向端部の１つと隣接して存在する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の電気機械。
18. 前記電気機械装置は、リニア電気機械を更に備え、前記第１軸受は、第１リニア軸受を更に備え、前記第２軸受は、第２リニア軸受を更に備え、
    前記ステータの前記電磁素子、及び前記ロータの前記電磁素子が、前記第１リニア軸受及び前記第２リニア軸受との間で軸方向に配置され、前記第１リニア軸受、及び、前記第２ラジアル軸受が、前記ロータの前記電磁素子及び前記ステータの前記電磁素子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、請求項２〜５のいずれか一項に記載の電気機械。
19. 前記複数の磁束絞りは、前記ロータポスト及び前記第１リニア軸受との間に存在する、複数の第１磁束絞りを更に備える、請求項１８に記載の電気機械。
20. 前記複数の磁束絞りは、前記ロータポスト及び前記第２リニア軸受との間に存在する、複数の第２磁束絞りを更に備える、請求項１９に記載の電気機械。
21. 前記第１及び第２の磁束絞りがそれぞれ、前記ロータポストに対する交互パターンで、対応する前記ロータポストの１つの長さに整列し、これにより、前記内側及び外側磁束絞りは、全ての第２ロータポストに隣接する、請求項２０に記載の電気機械。
22. 前記第１及び第２の磁束絞りがそれぞれ、対応する前記ロータポストの１つの長さに整列し、前記内側及び外側磁束絞りは、各ロータポストに隣接する、請求項２１に記載の電気機械。
23. 前記複数の第１磁束絞り及び前記複数の第２磁束絞りがそれぞれ、同じ形状を有する複数の孔を更に備える、請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の電気機械。
24. 同じ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備える、請求項２３に記載の電気機械。
25. 前記複数の孔それぞれの前記円形断面が、等しい寸法を有する、請求項２４に記載の電気機械。
26. 前記電気機械は、寸法、磁極ピッチ、及びポスト高さを有し、前記磁極ピッチ及びポスト高さが、本明細書の段落［０１６３］〜［０１６６］に記載のとおりに定義された領域のうち、少なくとも１つの領域内にあるように選択される、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の電気機械。
27. 前記ステータは、前記ステータの前記電磁素子を形成するステータポストを更に備え、前記ステータポスト間にはスロットが配置され、各スロットには１つ以上の導電体が配置され、前記ステータの前記ポストは、ｍｍ単位のポスト高さを有し、前記ステータ及び前記ロータは共に、前記電気機械の寸法を画定し、前記磁極は、ｍｍ単位の磁極ピッチＳを有し、前記電気機械の寸法、磁極ピッチ及びポスト高さは、寸法、磁極ピッチ、及びポスト高さによって画定された空間の領域内であるように選択され、前記領域は、
    １）第１和集合であり、
    ａ）電気機械の第１寸法に対する、第１組の不等式によって画定される第１表面と、
    ｂ）電気機械の第２寸法に対する、第２組の不等式によって画定される第２表面と、
    ｃ）前記第１表面上にある第１端部点と、前記第２表面上にある第２端部点と、を有する線分上に存在する、全ての点を含むものとして定義されている集合と、の第１和集合であって、
    前記第１組の不等式及び前記第２組の不等式は、それぞれ、不等式の組Ａ及びＢ、又はＢ及びＣ、又はＣ及びＤであり、前記不等式の群Ａは２５ｍｍの寸法に対するものであり、前記不等式の群Ｂは５０ｍｍの寸法に対するものであり、前記不等式の群Ｃは１００ｍｍの寸法に対するものであり、前記不等式の群Ｄは２００ｍｍの寸法に対するものである、第１和集合であり、あるいは
    ２）不等式の組Ｄによって画定される表面と、前記表面よりも大きい寸法を有するが、前記表面内の点に対応している、磁極ピッチ及びポスト高さを有する全ての点が対応する集合と、の第２和集合、のいずれかによって定義される領域であり、
    ここで、
    Ａは、以下の組から成る、不等式の組の群から選択され、
    

    

    

    

    Ｂは、以下の組から成る、不等式の組の群から選択され、
    

    

    

    

    Ｃは、以下の組から成る、不等式の組の群から選択され、
    

    

    

    

    かつ、
    Ｄは、以下の組から成る、不等式の組の群から選択され、
    

    

    

    

    である、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の電気機械。
28. 電気機械であって、
    電磁素子のアレイを有する第１キャリアであって、第１キャリア軸を画定している第１キャリアと、
    磁極を画定している電磁素子を有する第２キャリアであって、第２キャリア軸を画定している第２キャリアと、
    前記第１キャリア及び第２キャリアが作動位置にある際、前記第１キャリア及び前記第２キャリアとの間に形成される空隙と、
    前記第１キャリア及び前記第２キャリアを接続する、少なくとも１つの第１軸受であって、前記第１キャリア及び前記第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、少なくとも１つの第１軸受と、を備え、
    前記少なくとも１つの第１軸受は、第１軸受溝、第２軸受果樹園、及び、複数の軸受要素を含み、
    前記第１キャリアは、均質な第１プレートを更に備え、前記第１内側軸受溝は、前記均質な第１プレートの、均質な拡張部であり、
    前記第２キャリアは、均質な第２のプレートを更に備え、前記第２内側軸受溝は、前記均質な第２プレートの、均質な拡張部である、電気機械。
29. 前記電気機械が、軸方向磁束電気機械である、請求項２８に記載の電気機械。
30. 前記少なくとも１つの第１軸受は、スラスト軸受である、請求項２９に記載の電気機械。
31. 前記少なくとも１つの第１軸受は、アンギュラ軸受である、請求項２９に記載の電気機械。
32. 前記第１キャリア及び前記第２キャリアを、互いに対して回転する際、支持する第２軸受を更に含む、請求項２８〜３１のいずれか一項に記載の電気機械。
33. 前記第２軸受は、前記少なくとも１つの第１軸受から半径方向外側に配置される、請求項３２に記載の電気機械。
34. 前記第２軸受は、前記均質な第１プレート及び前記均質な第２プレートの、それぞれの均質な拡張部である、軸受レースを組み込んでいる、請求項３２又は３３のいずれか一項に記載の電気機械。
35. 前記第２軸受は、スラスト軸受又はアンギュラ軸受を含む、請求項３２、３３、又は３４のいずれか一項に記載の電気機械。
36. 前記少なくとも１つの第１軸受は、半径方向に配置する軸受を備える、請求項２８〜３５のいずれか一項に記載の電気機械。
37. 前記少なくとも１つの第１軸受はを備え、半径方向及び軸方向の両方で配置している、請求項２８〜３５のいずれか一項に記載の電気機械。
38. 前記第２軸受が、半径方向に配置する軸受である、請求項３５に記載の電気機械。
39. 前記第２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キャリアから離れるように面する前記第２キャリアの面に開口している、請求項２８〜３８のいずれか一項に記載の電気機械。
40. 前記第１及び第２キャリアが前記作動位置にある際、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３９に記載の電気機械。
41. 前記軸受要素が、ボールを備える、請求項２８〜４０のいずれか一項に記載の電気機械。
42. 前記軸受要素が、ローラを備える、請求項２８〜４０のいずれか一項に記載の電気機械。
43. 前記第２軸受が、ボールを備える第２軸受要素を備える、請求項３２〜３５のいずれか一項に記載の電気機械。
44. 前記第２軸受が、ローラを有する第２軸受要素を備える、請求項３２〜３５のいずれか一項に記載の電気機械。
45. 前記均質な第２プレートが、背面鉄部を更に備え、前記第２キャリアの前記磁極が、永久磁石を備え、前記永久磁石は、前記背面鉄部で画定された、対応するスロット内に配置され、前記スロットは、前記作動位置で、前記第１キャリアから離れるように面する前記第２キャリアの面に開口している、請求項２８〜４４のいずれか一項に記載の電気機械。
46. 前記均質な第１プレート及び前記均質な第２プレートの一方又は両方が、鉄、鋳鉄、ダクタイル鉄、及び合金鋼のいずれか１つ以上から作られている、請求項４５に記載の電気機械。
47. 前記均質な第１プレートは、前記第１キャリアの前記電磁素子を形成するポストを更に備え、前記ポスト間にはスロットを有し、各スロット内には１つ以上の導電体が配置され、前記ポストが前記均質な第１プレートの一部を形成している、請求項２８〜４６のいずれか一項に記載の電気機械。
48. 前記均質な第１プレートが、鉄、ダクタイル鉄、及び合金鋼の１つ以上から作られている、請求項２８〜４７のいずれか一項に記載の電気機械。
49. 前記第１キャリアは、前記第１キャリアの前記電磁素子を形成するステータポストを更に備え、前記第１キャリアのポスト間にはスロットが配置され、各スロットには１つ以上の導電体が配置され、前記第１キャリアの前記ポストは、ｍｍ単位のポスト高さを有し、前記第１キャリア及び前記第２キャリアは共に、前記電気機械の寸法を定め、前記磁極は、ｍｍ単位の磁極ピッチＳを有し、前記電気機械の寸法、磁極ピッチ及びポスト高さは、寸法、磁極ピッチ、及びポスト高さによって画定された空間の領域内にあるように選択され、前記領域は、
    １）第１和集合であり、
    ａ）電気機械の第１寸法に対する第１組の不等式によって画定される第１表面と、
    ｂ）電気機械の第２寸法に対する第２組の不等式によって画定される第２表面と、
    ｃ）前記第１表面上にある第１端部点と、前記第２表面上にある第２端部点とを有する線分上に存在する全ての点を含むものとして定義されている集合と、の第１和集合であって、
    前記第１組の不等式、及び前記第２組の不等式がそれぞれ、不等式の組Ａ及びＢ、又はＢ及びＣ、又はＣ及びＤであり、前記不等式の群Ａは２５ｍｍの寸法に対するものであり、前記不等式の群Ｂは５０ｍｍの寸法に対するものであり、前記不等式の群Ｃは１００ｍｍの寸法に対するものであり、前記不等式の群Ｄは２００ｍｍの寸法に対するものである、第１和集合であり、あるいは、
    ２）不等式の組Ｄによって画定される表面と、前記表面よりも大きい寸法を有するが、前記表面内の点に対応している磁極ピッチ及びポスト高さを有する全ての点の対応する集合と、の第２和集合、のいずれかによって定義される領域であり、
    ここで、
    Ａは、以下の組から成る、不等式の組の群から選択され、
    

    

    

    

    Ｂは、以下の組から成る、不等式の組の群から選択され、
    

    

    

    

    Ｃは、以下の組から成る、不等式の組の群から選択され、
    

    

    

    

    かつ、
    Ｄは、以下の組から成る、不等式の組の群から選択され、
    

    

    

    

    である、請求項２８〜４７のいずれか一項に記載の電気機械。
50. 請求項１〜２７の場合における前記ステータ、又は請求項２８〜４９の場合における前記第１キャリアが、バルク等方性抵抗率が２００マイクロオーム・センチメートルを超えない均質材料を含む、請求項１〜２７、又は、請求項２８〜４９のいずれか一項に記載の電気機械。

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