JP2020522970A - 軸方向磁束機械内の磁石／ステータ間隙の制御のための予歪ロータ - Google Patents

Abstract

軸方向磁束モータまたは発電機内での使用のためのアセンブリが、ロータプレートと、磁石とを含み、磁石は、磁石の磁化方向に対して直交する表面を有する。ロータプレートは、回転軸を中心として回転するロータシャフトに係合するように適合され、磁石は、ロータプレートに取り付けられる。ロータプレートおよび磁石は、ロータプレートおよび磁石が、他の磁場発生構成要素全てから分離される場合、第１の平面と第２の平面との間の距離が、実質的にゼロを上回るように構成および配列され、該第１の平面は、表面上の第１の点にインターセプトし、それに対して回転軸が法線方向にあり、該第２の平面は、表面上の第２の点にインターセプトし、それに対して回転軸が法線方向にある。

Description

（関連出願）
本願は、（Ａ）米国出願第１５／９８３，９８５号、発明の名称ＰＲＥ−ＷＡＲＰＥＤ ＲＯＴＯＲＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬ ＯＦ ＭＡＧＮＥＴ−ＳＴＡＴＯＲ ＧＡＰ ＩＮ ＡＸＩＡＬ ＦＬＵＸ ＭＡＣＨＩＮＥＳ、出願日２０１８年５月１８日，（Ｂ）米国仮特許出願第６２／５１５，２５１号、発明の名称ＰＲＥ−ＷＡＲＰＥＤ ＲＯＴＯＲＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬ ＯＦ ＭＡＧＮＥＴ−ＳＴＡＴＯＲ ＧＡＰ ＩＮ ＡＸＩＡＬ ＦＬＵＸ ＭＡＣＨＩＮＥＳ、出願日２０１７年６月５日、および（Ｃ）米国仮特許出願第６２／５１５，２５６号、発明の名称ＡＩＲ ＣＩＲＣＵＬＡＴＩＯＮ ＩＮ ＡＸＩＡＬ ＦＬＵＸ ＭＡＣＨＩＮＥＳ、出願日２０１７年６月５日の各々に対する優先権を主張するものである。上記出願の各々の内容は、あらゆる目的のために、参照により本明細書中に援用される。

軸方向磁束モータおよび発電機は、一般的には、磁束を生成する、対向する磁石の対の間に形成される間隙の中に位置付けられる、ステータ、および磁石を支持し、それらがステータに対して連動して回転することを可能にする、ロータを採用する。そのような軸方向磁束モータまたは発電機１００の実施例が、図１および２に示される。示されるように、モータまたは発電機１００は、ステータ１０４の両側に位置付けられる、環状の磁石１０２ａ、１０２ｂの対を含む。磁石１０２ａ、１０２ｂは、シャフト１０８に固定して取り付けられる個別のロータプレート１０６ａ、１０６ｂによって支持される。磁石１０２ａ、１０２ｂ、ステータ１０４、およびロータプレート１０６ａ、１０６ｂは全て、ケーシング１１０の中に含有される。ステータ１０４の周辺部は、ケーシング１１０の２つの部分１１０ａ、１１０ｂの間に添着され、そのため、ステータ１０４は、ケーシング１１０に対して静止したままである。

磁石１０２ａ、１０２ｂ、ロータプレート１０６ａ、１０６ｂ、およびシャフト１０８は、ともに、ステータ１０４およびケーシング１１０に対して回転し得る、「ロータアセンブリ」を形成する。図２に示されるように、ロータプレート１０６ａの上面と上側ケーシング半分１１０ａの内面との間のわずかなクリアランス１１２ａ、およびロータプレート１０６の底部と下側ケーシング半分１１０ｂの内面との間のわずかなクリアランス１１２ｂが、ロータアセンブリがケーシング１１０に対して回転することを可能にする。同様に、磁石１０２ａの底部とステータ１０４の上面との間の（およびロータプレート１０６ａの暴露される底部とステータ１０４の上面との間の）わずかなクリアランス１１４ａ、および磁石１０２ｂの上面とステータ１０４の底部との間の（およびロータプレート１０６ｂの暴露される上部とステータ１０４の底部との間の）わずかなクリアランス１１４ｂが、ロータアセンブリがステータ１０４に対して回転することを可能にする。シャフト１０８とケーシング１１０との間の支持軸受１１６ａ、１１６ｂが、ロータアセンブリが制御される方式でステータ１０４およびケーシング１１０に対して自由に回転することを可能にする。

いくつかの実施形態では、軸方向磁束モータまたは発電機内での使用のためのアセンブリが、ロータプレートと、磁石とを含み、磁石は、磁石の磁化方向に対して直交する表面を有する。ロータプレートは、回転軸を中心として回転するロータシャフトに係合するように適合され、磁石は、ロータプレートに取り付けられる。ロータプレートおよび磁石は、ロータプレートおよび磁石が、他の磁場発生構成要素全てから分離される場合、第１の平面と第２の平面との間の距離が、実質的にゼロを上回るように構成および配列され、該第１の平面は、表面上の第１の点にインターセプトし、それに対して回転軸が法線方向にあり、該第２の平面は、表面上の第２の点にインターセプトし、それに対して回転軸が法線方向にある。

いくつかの実施形態では、軸方向磁束モータまたは発電機における使用のためのアセンブリを形成するための方法は、ロータプレートに磁石を取り付けるステップを含み、磁石は、第１の磁石の磁化方向に対して直交する表面を有する。ロータプレートは、回転軸を中心として回転する、ロータシャフトに係合するように適合され、磁石がロータプレートに取り付けられた後、第１の平面と第２の平面との間の距離が、実質的にゼロを上回るように構成され、該第１の平面は、表面上の第１の点にインターセプトし、それに対して回転軸が法線方向にあり、該第２の平面は、表面上の第２の点にインターセプトし、それに対して回転軸が法線方向にある。

図１は、軸方向磁束モータまたは発電機の断面斜視図を示す。 図２は、図１に示される軸方向磁束モータまたは発電機の断面側面図を示す。 図３は、誇張される間隙およびロータ偏向を伴う、図１および２に示されるもののような軸方向磁束モータまたは発電機の一部の断面側面図を示す。 図４は、本明細書に開示されるような予歪ロータ要素の実施例を採用する、軸方向磁束モータまたは発電機の断面側面図を示す。 図５Ａは、図４に示されるモータまたは発電機の構成要素に加え、コントローラを含む、システムの斜視図を示す。 図５Ｂは、図５Ａに示されるシステムの拡大図を示す。 図６は、本明細書に開示されるような予歪ロータ要素の形成を可能にするためのテーパ状領域を有する、ロータプレートの実施例の断面側面図を示す。 図７は、本明細書に開示されるような予歪ロータ要素の実施例の断面側面図を示す。 図８は、図６に示されるもの等のロータプレートの実施例の上面図を示す。 図９は、いくつかの実施形態において採用され得る環状磁石の上面図を示す。 図１０は、ロータ要素がロータアセンブリの中に組み込まれると、それらが所望される構成に屈曲し得る方法を図示する、予歪ロータ要素の対の断面側面図を示す。 図１１は、個別の磁石間に誇張される間隙を含む、図７に示されるもの等の予歪ロータ要素を組み込む、モータまたは発電機アセンブリの実施例の断面側面図を示す。 図１２は、本明細書に開示されるような予歪ロータ要素を組み込むモータまたは発電機アセンブリの別の実施例の断面側面図を示す。 図１３は、本明細書に説明されるように構成される予歪ロータ要素の上面を示す、写真である。

図１４は、図１３に示される予歪ロータ要素の側面の写真である。

米国特許第７，１０９，６２５号（「第’６２５号特許」）（参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）を含むいくつかの特許によって説明される、軸方向磁束モータおよび発電機は、交互の南北極を用いて磁化される磁石の間に挿入される、略平面状のプリント回路基板ステータアセンブリを特徴とする。これらの磁石は、機械的負荷（または発電機のための源）への接続のための「地鉄」を介してシャフトに添着される。そのような地鉄は、磁束帰還経路を提供し、例えば、図１および２に示される、ロータプレート１０６ａ、１０６ｂに対応し得る。間隙内の磁束密度は、主として、２つの磁石の間の間隔に依存する。より小さい間隙が、同一の束密度に関してより小さく、より軽い磁石の使用を可能にする。ステータから両側上の磁石までの０．０２インチと同程度に小さい間隙サイズが、使用されている。本発明者は、磁石が本構成内に設置されると、円形のロータ要素が、それらの間の磁気吸引力に起因して屈曲することを認識および理解している。この屈曲は、磁石の外径における間隙サイズを低減させ、面積は、すでに、他所の寸法変動に起因して摩擦を生じやすい。これは、モータ動作の間の磁石／ステータ接触につながり得る。

開示されるものは、モータまたは発電機の全体的質量または厚さを増大させることなく、軸方向磁束モータまたは発電機内のロータとステータとの間に一貫した間隙を維持するための、装置および技法である。いくつかの実装では、ロータプレート（例えば、地鉄）上の機械面が、組み立てられると、磁力がロータプレートを所望される間隙をもたらす位置の中に屈曲させるように、予歪状態を達成するために使用されることができる。いくつかの実施形態では、円形、円錐形状のテーパ状部が、前述の平坦なロータプレート表面の表面上に機械加工され、それによって、モータまたは発電機の中に組み立てられ、磁力によって作用されると、略平行または他の所望される状態に屈曲される、歪んだ表面を生成する。代替として、テーパ状のロータプレートが、ロータプレートを所望されるテーパ状構成に成型することによって形成されることができる。

記載されるように、軸方向磁束モータまたは発電機内の磁石間の間隙は、機械における重要な設計パラメータであり得る。ステータ内の所与の電流密度に関して、生産され得るトルクの量は、間隙内の磁場に比例する。本間隙のサイズは、磁場の強度に大きい影響を及ぼし、概して、間隙サイズを可能な限り多く低減させることを望ましくすることができる。これは、間隙サイズが低減されるにつれて、同一の磁場増加がロータプレート上により多くの力を及ぼし、プレートを屈曲させるという点で問題をもたらす。図３は、図１および２に示されるもののような単純化された軸方向磁束モータまたは発電機の一部の断面側面図を示すが、間隙のサイズおよび偏向の量は、問題の性質を例証するために誇張されている。可能な限りロータ／ステータ間隙を低減させることを求める機械では、このタイプの屈曲は、ステータ上の磁石の非均一な磁場強度および均一な摩擦をもたらし得る。本摩擦は、ステータを損傷させ、可聴の掻爬雑音を生産し、低減された効率をもたらし得る。

以前の解決策は、間隙のサイズを増大させることまたはロータプレートの屈曲強度を増大させることである。これらの解決策はそれぞれ、望ましくない結果を有する。第１の従来の解決策、すなわち、間隙サイズを増大させることは、上記に記載される理由のために、所与の磁石サイズに関して磁場強度の低減をもたらす。第２の従来の解決策、すなわち、ロータ屈曲強度を増大させることは、ロータの厚さの増加を必要とし、これは、機械の全体的質量を増加させ、望ましい薄型の形状因子を低減させる。これはまた、より複雑な製造プロセスの使用を必要とし、全体的コストを増大させ得る。図２に示されるモータまたは発電機１００では、例えば、ロータプレート１０６ａ、１０６ｂはそれぞれ、縁１１５と、ロータプレート１０６ａ、１０６ｂの中心近傍の増加された厚さの領域１１８とを具備する。これらの方法は、依然として、半径の関数として減少する幅を伴う間隙をもたらし、不均一な間隙の問題ではない症状に対処する。

図１および２に示されるように、いくつかの軸方向磁束機械では、軸受１１６ａ、１１６ｂが、ロータプレート１０６ａ、１０６ｂおよび取り付けられた磁石１０２ａ、１０２ｂを支持するために利用される。これらの軸受１１６ａ、１１６ｂは、一体化し、かつステータ１０４をその周囲でクランプする、個別のケーシング部分１１０ａ、１１０ｂによって支持される。ロータ／ステータの整合が、シャフト１０８と軸受１１６ａ、１１６ｂの整合によって決定される。軸受１１６ａ、１１６ｂは、半径方向の振れのある量を有し、これは、軸受が摩耗するにつれて増加する。加えて、多くの場合、ケーシング１１０内の公差に起因して、２つの軸受１１６ａ、１１６ｂの間にある程度の不整合が、存在するであろう。薄型モータまたは発電機の中に組み立てられると、これらの設計が、典型的にそうであるように、振れおよび不整合の影響が、ステータ／磁石間隙の外径において拡大され、上記に記載される摩擦につながり得る。本開示は、少なくともいくつかの実施形態では、磁場の低減または質量の増大を伴わない、本問題に直接対処するための方法を提供する。

図４は、本開示による、予歪ロータ要素を組み込むモータまたは発電機４００の例示的実施形態の断面側面図である。見られ得るように、モータまたは発電機４００は、図１および２に示されるモータまたは発電機１００と共通していくつかの構成要素を有するだけではなく、いくつかの顕著な差異も有する。２つの設計の間の一差異は、モータまたは発電機４００におけるハブ４２２の構成に関連する。示されるように、ハブ４２２は、ロータプレート４０６ａ、４０６ｂをハブ４２２に、そして相互に固定するために使用されているピン４２４ａ、４２４ｂを用いて、およびハブ４２２をシャフト４０８に固定するために使用されているピン４２６を用いて、ロータプレート４０６ａ、４０６ｂおよびシャフト４０８をともに結合させるために使用されてもよい。加えて、（下記により詳細に議論されるような）組立に先立ったロータ要素の予歪処理は、モータまたは発電機４００内のロータプレート４０６ａ、４０６ｂが、モータまたは発電機１００内のロータプレート１０６ａ、１０６ｂほど大型ではなく、および／またはあまり複雑ではなくなることを可能にし、したがって、モータまたは発電機４００が、より薄型の形状因子を達成し、および／または製造するためにあまり困難および／または高価ではなくなることを可能にする。図４に示される例示的実施形態では、例えば、ロータプレート４０６ａ、４０６ｂは、図２に示されるロータプレート１０６ａ、１０６ｂの縁１１５または中心近傍の増加された厚さの領域１１８を含まない。

本明細書に説明されるような予歪ロータ要素を含むアセンブリは、第’６２５号特許に説明される軸方向磁束モータ／発電機および米国特許第９，６７３，６８４号および米国特許第９，８００，１０９号（そのそれぞれの内容全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明されるモータおよび発電機を含む、任意の公知のまたは将来開発されるモータまたは発電機において採用されることができる。

図５Ａは、図４に示されるもののようなモータまたは発電機アセンブリ４２０に加えてコントローラ５３２を含む、システム５００の実施例を示す。モータまたは発電機アセンブリ４２０の構成要素およびそれらが組み立てられ得る様式を示す拡大図が、図５Ｂに示される。示されるように、ステータ１０４は、それぞれが個別のロータプレート４０６ａ、４０６ｂに取り付けられる磁石１０２ａ、１０２ｂを含む、２つの予歪ロータ要素５３４ａおよび５３４ｂの間の間隙の中に配置されてもよい。磁石１０２ａ、１０２ｂ内の磁極のパターンもまた、図５Ｂの拡大図内で明白である。ねじまたは他の締結具５２８が、ロータ要素５３４ａ、５３４ｂをハブ４２２に固着させるために使用されてもよく、ピン４２４ａ、４２４ｂおよび４２６が、上記で議論されるように、ロータ要素およびシャフトを固定するために使用されてもよい。

図示される実施形態では、電気接続５３０が、ステータ１０４の外径においてとられ、ステータが、外周においてフレームまたはケーシングに搭載される。別の有用である構成、すなわち、「アウトランナ」構成は、内径においてステータ１０４を搭載し、内径において電気接続５３０を作製し、シャフト４０８をロータを半分に分離する環状リング（図示せず）に置換することを含む。１つの磁石のみ、すなわち、１０２ａまたは１０２ｂのいずれか一方を伴うシステムを構成すること、または連続する磁石アセンブリ間に複数のステータを挿入することもまた、可能性として考えられる。ワイヤ５３０はまた、ステータ上に搭載されるホール効果または類似するセンサ（図示せず）の読取値に基づくロータの位置に関する情報を伝達してもよい。加えて、または代替として、エンコーダ（図示せず）が、シャフト４０８に取り付けられ、コントローラ５３２に位置情報を提供してもよい。

図５Ａおよび５Ｂのシステム５００は、コントローラ５３２の動作およびシャフト４０８に接続される構成要素に応じて、モータまたは発電機のいずれか一方として機能することができる。モータシステムとして、コントローラ５３２は、ステータ１０４内の電流が、シャフト４０８に接続される磁石１０２ａ、１０２ｂに由来する、間隙内の磁束に起因してシャフト４０８を中心としてトルクを生成するように、スイッチを動作させてもよい。コントローラ５３２の設計に応じて、間隙および／またはロータの位置内の磁束が、測定または推定され、シャフト４０８におけるトルク出力を達成するようにスイッチを動作させてもよい。発電機システムとして、シャフト４０８に接続される機械回転電力源が、ステータの端子に電圧波形を生成する。これらの電圧は、負荷に直接印加されるか、またはそれらがコントローラ５３２内で３相（または多相）整流器を用いて整流されるかのいずれか一方であることができる。整流器の実装は、例えば、発電機モードのダイオートを使用して「自己整流」してもよい、またはモータコントローラの制御されるスイッチを使用して構成されるが、シャフトトルクが機械源によって提供されるトルクと対向し、機械エネルギーが電気エネルギーに転換されるように動作されてもよい。したがって、図５Ａ内の同じ構成が、コントローラ５３２が動作される方法に応じて、発電機およびモータの両方として機能し得る。加えて、いくつかの実施形態では、コントローラ５３２は、スイッチング効果を軽減させ、ワイヤ５３０からのＥＭＩ／ＲＦＩを低減させ、損失を低減させ、コントローラ５３２に供給されるまたはそれから送達される電力における付加的な柔軟性を提供する、フィルタ構成要素を含んでもよい。

図６および７は、ロータプレート４０６ｂと、磁石１０２ｂとを含む、予歪ロータ要素５３４ｂを形成するための例示的方法を図示する。類似する技法が、ステータが配置される間隙の他側上に位置する予歪ロータ要素５３４ａを形成するために採用されてもよい（例えば、図１０−１２参照）。組立の間に磁石１０２ａ、１０２ｂとロータプレート４０６ａ、４０６ｂを整合させるための技法の実施例が、例えば、米国特許第９，６７３，６８８号（その内容全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明される。

図６に見られるように、ロータプレート４０６ｂは、それに対してロータシャフトの回転軸６０２が法線方向にある平面に対してテーパ状である、表面領域６０４、およびそのような平面に平行である略平坦な表面を有する、中心領域６０６を含むように形成されてもよい。テーパ状の表面領域６０４と、中心領域６０６とを含む、ロータプレート４０６ｂの上面図が、図８に示される。ロータプレート４０６ｂは、加えて、ピン４２４ａ、４２４ｂを受容するための孔８０２と、ねじ５２８を受容するための孔８０４と、シャフト４０８を受容するための孔８０６とを全て、中心領域６０６の中に含んでもよい。テーパ状の表面領域６０４は、多数の形態のうちのいずれかを呈してもよく、本発明は、テーパの任意の特定の構成またはタイプに限定されるものではない。示される例証的実施形態では、ロータプレート４０６の上側部分は、中心領域６０６の上部が錐台の上側基部を形成する、直円錐台の形状にある。しかしながら、他の構成もまた、可能性として考えられ、検討される。

図７に図示されるように、磁石１０２ｂは、これがテーパ状の表面領域６０４の少なくとも一部に接触するように、ロータプレート４０６ｂの上側表面に取り付けられてもよい。図示される実施形態では、磁石１０２ｂは、テーパ状の（例えば、円錐形の）領域６０４の実質的に全てを被覆する、環状形状を有する。環状磁石１０２ｂの上面図が、図９に示される。示されるように、磁石１０２ｂ内の円形の孔９０２は、中心点９０４から測定される半径Ｒ１を有し、磁石１０２ｂの円形の外周９０６は、半径Ｒ２を有する。図７に示されるようにテーパ状領域６０４に環状磁石１０２ｂを取り付けるステップは、磁石１０２ｂを歪ませ、少なくとも部分的に、円錐形のテーパ状領域６０４の形状に共形化させるであろう。磁石のこの歪みを印加するステップは、ロータプレート４０６ｂの本体に応力を印加し、それを歪ませるであろう。

図７に示されるように、表面領域６０４のテーパの程度は、磁石の下側表面７２０に接触するロータプレート４０６ｂの表面上の２つの点７０２、７０４を識別し、２つの平面７０６および７０８（それらに対して回転軸６０２が法線方向にあり、それぞれ、第１の点７０２および第２の点７０４にインターセプトする）の間の距離Ｄ１を決定することによって測定され得る。示される実施例では、円錐形のテーパ状領域６０４に接触する磁石の下側表面は、磁石１０２ｂの磁化方向に対して直交する。いくつかの実施形態では、それらに関する距離Ｄ１が実質的にゼロを上回る２つの磁石接触点７０２、７０４が、（磁石の内径Ｒ１および外径Ｒ２または他所に）見出され得る。本文脈における用語「実質的に」は、許容可能な公差内の処理および／または材料の不完全性に起因するわずかな変動を除外することが意図される。いくつかの実装では、距離Ｄ１は、例えば、０．００３インチを上回ってもよい、または０．０１インチを上回ってもよい、またはさらに０．０２インチを上回ってもよい。加えて、または代替として、いくつかの実施形態では、距離Ｄ１対２つの点間の距離の比、および／または、距離Ｄ１対磁石の内径Ｒ１と外径Ｒ２との間の差異の比が、実質的にゼロを上回るような、２つの磁石接触点７０２、７０４が、見出され得る。いくつかの実装では、そのような比は、例えば、０．００２を上回ってもよい、または０．００５を上回ってもよい、またはさらに０．０１を上回ってもよい。

また、図７に図示されるように、いくつかの実施形態では、少なくとも１つの点７１０が、磁石１０２ｂに接触するロータプレート１０６ｂの表面上に見出され得、それに対し、該表面から離れるように延在し、該表面に対して法線方向にある光線７１２が、平面（それに対して回転軸６０２が法線方向にある）に対して実質的に９０度未満である角度α１を形成する。いくつかの実装では、角度α１は、例えば、８９．９度未満であってもよい、８９．７度未満であってもよい、またはさらに８９．５度未満であってもよい。点７１０は、磁石１０２ｂの内径Ｒ１、磁石１０２ｂの外径Ｒ２、またはそれらの２つの半径間のある点に位置し得る。

加えて、または代替として、また図７に示されるように、磁石１０２ｂのテーパの度合は、ロータプレート４０６ｂに取り付けられるとき、磁石１０２ｂの磁化方向に対して直交する磁石１０２ｂの表面（例えば、図７に示される磁石１０２ｂの上側表面７１８）上の２つの点７１４、７１６を識別し、２つの平面７２６および７２８（それらに対して回転軸６０２が法線方向にあり、それぞれ、第１の点７１４および第２の点７１６にインターセプトする）の間の距離Ｄ２を決定することによって測定され得る。示される実施例では、円錐形のテーパ状領域６０４に接触する磁石の下側表面７２０はまた、磁石１０２ｂの磁化方向に対して直交する。いくつかの実施形態では、それらに関する距離Ｄ２が実質的にゼロを上回る２つの磁石表面点７１４、７１６が、（磁石の内径Ｒ１および外径Ｒ２または他所に）見出され得る。いくつかの実装では、距離Ｄ２は、例えば、０．００２インチを上回ってもよい、または０．００５インチを上回ってもよい、またはさらに０．０１インチを上回ってもよい。加えて、または代替として、いくつかの実施形態では、距離Ｄ２対２つの点間の距離の比、および／または、距離Ｄ２対磁石の内径Ｒ１と外径Ｒ２との間の差異の比が、実質的にゼロを上回るような、２つの磁石表面点７１４、７１６が、見出され得る。いくつかの実装では、そのような比は、例えば、０．００２を上回ってもよい、または０．００５を上回ってもよい、またはさらに０．０１を上回ってもよい。

また、図７に図示されるように、いくつかの実施形態では、少なくとも１つの点７２２が、磁石１０２ｂ（例えば、上側表面７１８）の磁化方向に対して直交する磁石１０２ｂの表面上に見出され得、それに対し、磁石の表面から離れるように延在し、該表面に対して法線方向にある光線７２４が、平面（それに対して回転軸６０２が法線方向にある）に対して実質的に９０度未満である角度α２を形成する。いくつかの実装では、角度α２は、例えば、８９．９度未満であってもよい、８９．７度未満であってもよい、またはさらに８９．５度未満であってもよい。点７２２は、磁石１０２ｂの内径Ｒ１、磁石１０２ｂの外径Ｒ２、またはそれらの２つの半径間のある点に位置し得る。

図１０に図示されるように、２つのロータ要素５３４ａ、５３４ｂが、シャフト４０８およびハブ４２２（図１０に図示せず）に取り付けられると、磁石１０２ａ、１０２ｂの磁束は、磁石の間の間隙１００２内に、ロータ要素５３４ａ、５３４ｂの端部が相互に向かって移動するようにロータ要素５３４ａ、５３４ｂを歪ませる吸引力を生成する。図１０の破線は、ロータ要素５３４ａ、５３４ｂが、図４、５Ａ、および５Ｂに示されるもの等のモータまたは発電機の中に組み立てられた後、成形され得る方法を図示する。いくつかの実施形態では、ロータ要素５３４ａ、５３４ｂは、相互に面する２つの磁石１０２ａ、１０２ｂの表面が組み立てられたモータまたは発電機４００内で略平行であり、したがって、間隙１００２の幅を全体を通して実質的に均一にするように、組立に先立って予歪される。他の実装では、ロータ要素５３４ａ、５３４ｂは、いったん組み立てられると、半径の関数として増加するテーパが得られるように、わずかに「過大に歪んだ状態に」されてもよい。これは、より大きい半径において間隙を低減させる望ましくない影響を及ぼし得るが、これは、より小さい平均間隙幅Ｇの使用を可能にし、したがって、平均磁場強度を増大させ、磁石１０２ａ、１０２ｂの外径にクリアランスを保定する。

図１０に図示されるように、組立に応じてロータ要素５３４ｂが被る歪み量は、磁石１０２ｂの外径Ｒ２に位置する点１００４を識別し、点が組立に応じて回転軸６０２と一致する方向に移動する距離Ｄ３を決定することによって測定され得る。距離Ｄ３は、例えば、点１０４４にインターセプトし、かつそれに対して回転軸６０２が法線方向にある平面を識別し、ロータ要素５３４ｂの中心またはその近傍の点に交差し、かつそれに対して回転軸６０２がまた法線方向にある別の平面に対してそのような平面が移動する距離を決定することによって測定され得る。いくつかの実施形態では、距離Ｄ３は、０．００１インチを上回る、または０．００５インチを上回る、またはさらに０．０１インチを上回る。加えて、または代替として、いくつかの実施形態では、距離Ｄ３対間隙１００２の平均幅Ｇの比は、０．０１を上回る、または０．０５を上回る、またはさらに０．１を上回る。加えて、または代替として、距離Ｄ３対磁石１０２ｂとステータ１０４の表面（図１０に図示せず）との間の平均クリアランス距離の比は、０．２５を上回ってもよい、０．５を上回ってもよい、またはさらに１を上回ってもよい。故に、いくつかの実施形態では、ロータ要素５３４ｂは、可能な限りまたは平均磁石／ステータクリアランス距離より多く偏向してもよい。

図１０と併せて図７を参照すると、いくつかの実施形態では、ロータ要素５３４ａ、５３４ｂが、ロータ要素毎に、以下の値、すなわち、（１）平面７０６と７０８との間の距離Ｄ１、（２）距離Ｄ１対点７０２および７０４の間の距離の比、および／または、距離Ｄ１対磁石の内径Ｒ１と外半径外径Ｒ２との間の差異の比、（３）平面７２６および７２８の間の距離Ｄ２、（４）距離Ｄ２対点７１４および７１６の間の距離の比、および／または、距離Ｄ２対磁石の内径Ｒ１と外径Ｒ２との間の差異との比のうちの１つ以上のものが、ロータ要素５３４ａ、５３４ｂがシャフト４０８に取り付けられ、図１０に図示されるように偏向されると、５０パーセント以上だけ減少し得るように構成および配列され得ることを理解されたい。

図１１は、ロータ要素５３４ａ、５３４ｂが、組立に応じて、相互に面する２つの磁石１０２ａ、１０２ｂの表面１１０２、１１０４が略平行であるように組立に先立って予歪された、磁石１０２ａと１０２ｂとの間に誇張される間隙を伴う、モータまたは発電機アセンブリ４２０を示す。

図１２は、それぞれが全体を通してより均一な幅を有する予歪ロータプレート４０６ａ、４０６ｂが採用される、モータまたは発電機アセンブリ４２０を図示する。そのような実装では、磁石１０２ａ、１０２ｂが取り付けられるテーパ状の表面は、それぞれ、図６および７に示される実施例に類似する形状を有してもよいが、ロータプレート４０６ａ、４０６ｂの厚さは、半径方向に実質的に一定であってもよい。他の実施形態では、予歪が、採用されながら、ロータプレート４０６ａ、４０６ｂの厚さを、ロータプレート４０６ａ、４０６ｂの磁気抵抗を最適化し、モータまたは発電機４００の性能を最大限にするため等の種々の理由のために、他の方法でロータプレート４０６ａ、４０６ｂの厚さを変動させることができる。

本明細書に説明される予歪技法の使用は、上記に説明および示されるようなリング磁石に限定されない。これはまた、例えば、各ロータ要素が、それぞれが単一の磁極を形成する複数の磁石を備える、区画化された磁石を利用する方法に適用され得る。軸方向磁束機械におけるそのような設計は、一般的であり、同一の偏向問題を被る。円錐形のテーパ状部を伴う円形のロータプレートが、使用され得る、またはそれぞれが、モータまたは発電機の中に組み立てられると、間隙サイズが外径において低減されないように個々にテーパ状である、各磁石が、それ自体のポケット内に設置され得る。この場合では、例えば、単一の円錐表面ではなく、個々の平坦な表面が、実装され得る。

図１３および１４は、本明細書に説明されるように組み立ておよび構成されるロータ要素５３４の写真である。示される実施例では、テーパ量（すなわち、図７に関連して説明される値Ｄ１）は、平坦からの逸脱が、外径において０．００５インチのみである、非常にわずかなものであり、これは、画像内で知覚不可能である。この場合では、有限要素解析（ＦＥＡ）を組み込むコンピュータモデルが、磁気吸引の強度および結果として生じるロータ要素４３５の屈曲の両方を決定するために使用された。結果として生じる偏向は、０．００２インチであると計算された。付加的な０．００３インチのテーパが、追加され、軸受１１６ａ、１１６ｂのある半径方向の振れと不整合を可能にした。本適用のために機械加工された冶具が、ロータを、これがモータまたは発電機４００内で被るであろう反対方向の０．００５インチの偏向状態に屈曲させるために使用された。この状態にある間、ロータプレート４０６の磁石軸受表面は、治具から取り外されたとき、それが所望されるテーパ状部を有するであろうように、平坦に機械加工された。平坦なリング磁石１０２が、次いで、ロータプレート４０６上に組み立てられた。ロータプレート４０６が磁石１０２に接近すると、磁気吸引力は、磁石４０６にロータプレート４０６の偏向形状をとらせた。鋼と比較してはるかにより低い磁石の弾性係数に起因して、ロータプレート４０６は、有意に偏向せず、磁石内に誘発された応力は、降伏応力よりはるかに低いものであった。

上記の実施例におけるように、ＦＥＡ等のコンピュータベースの方法が、磁場に起因するロータプレート４０６に作用する力および結果として生じる偏向プロファイルの両方を正確に決定するために使用されることができる。典型的には、一定の厚さのロータの単純な幾何学形状は、磁石搭載部の領域内に半径の関数として線形の偏向曲線をもたらし、所望されるテーパ状部を上記に議論される実施例に見られるような半径の線形関数にする。本テーパ状部は、ある材料が除去されるにつれて、ロータプレート４０６の屈曲強度を低減させる。変化する物性を構成するために反復的な方法を使用することが、可能であるであろうが、テーパ状部は、これが必要ではないほど十分にわずかに作製され得る。コンピュータモデルは、種々の材料の単純および複雑な幾何学形状に関する屈曲量の予測を可能にする。

上記に説明される機械加工治具は、単に平坦面を機械加工する機械加工道具の使用を用いてロータ上にテーパ状部を機械加工する、繰り返し可能かつ予測可能な方法を提供する。将来のテーパ状ロータは、特に、非線形テーパ状部が所望される場合、他の方法を用いて生成されてもよい。軸方向磁束機械の最適化プロセスの一部として使用され得る、近代的な道具が、正確な設計が開発され、複雑な幾何学形状が機械加工されることを可能にする。

本明細書に説明されるタイプのテーパ状ロータ要素が、モータを起動するステップにおいて使用され、軸方向磁束機械内の磁石／ステータ間隙のサイズを制御する、繰り返し可能かつ効果的な方法として実証されている。測定値が、図１３および１４に示されるもの等の生産されたロータ要素内のテーパ部が、正確であることを示し、アセンブリが、磁石１０２が、ロータプレート４０６に取り付けられると、テーパ状部と整合することを確認している。

したがって、本発明の少なくとも一実施形態のいくつかの側面を説明しているため、種々の改変、修正、および改良が、当業者に容易に想起されるであろうことを理解されたい。そのような改変、修正、および改良は、本開示の一部であることが意図され、本発明の精神および範囲内であることが意図される。故に、前述の説明および図面は、実施例にすぎない。

本発明の種々の側面は、単独で、または組み合わせ、または前述に説明される実施形態内で具体的に議論されていない種々の配列で使用され得、したがって、本願では、前述の説明に記載または図面内に図示される構成要素の詳細および配列に限定されない。例えば、一実施形態において説明される側面は、他の実施形態において説明される側面と任意の様式で組み合わせられ得る。

また、本発明は、その実施例が提供されている方法として具現化され得る。方法の一部として実施される行為は、任意の好適な方法で順序付けられてもよい。故に、例証的実施形態では順次行為として示されたとしても、ある行為を同時に実施することを含み得る、図示されるものと異なる順序で行為が実施される、実施形態が構築されてもよい。

請求項要素を修飾するための請求項内での「第１の」、「第２の」、「第３の」等の序数用語の使用は、それ自体が一請求項要素の、別のものに優るいかなる優先順位、優先権、または順序、または方法の作用が実施される時間的順序も暗示せず、単に、ある名称を有する１つの請求される要素を（序数用語の使用がなければ）同一の名称を有する別の要素から区別し、請求項要素を区別するための標識として使用される。

また、本明細書に使用される語法および専門用語は、説明の目的のために使用され、限定するものとして見なされるべきではない。「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（〜を含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（〜を備える）」、または「ｈａｖｉｎｇ（〜を有する）」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（〜を含有する）」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ（〜を伴う）」、およびそれらの変形例の使用は、本明細書では、その後に列挙される物品と、その均等物、および付加的な物品を包含することを意味する。

Claims (30)

1. 軸方向磁束モータまたは発電機内での使用のためのアセンブリであって、
   回転軸を中心として回転するロータシャフトに係合するように適合される第１のロータプレートと、
   前記第１のロータプレートに取り付けられる第１の磁石であって、前記第１の磁石は、前記第１の磁石の磁化方向に対して直交する第１の表面を有する、第１の磁石と
   を備え、
   前記第１のロータプレートおよび第１の磁石は、前記第１のロータプレートおよび前記第１の磁石が、他の磁場発生構成要素全てから分離される場合、第１の平面と第２の平面との間の距離が、実質的にゼロを上回るように構成および配列され、前記第１の平面は、前記第１の表面上の第１の点にインターセプトし、それに対して回転軸が法線方向にあり、前記第２の平面は、前記第１の表面上の第２の点にインターセプトし、それに対して前記回転軸が法線方向にある、アセンブリ。
2. 前記第１のロータプレートは、その中心に開口部を伴う環状形状を有し、前記開口部は、前記ロータシャフトを受容するように適合される、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記第１の磁石が取り付けられる前記第１のロータプレートの一部は、直円錐台の形状を有する、請求項１または請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記第１の磁石は、交互の磁極を伴うリング磁石を含む、請求項１−３のいずれか１項に記載のアセンブリ。
5. 前記第１の磁石は、前記回転軸を中心とする個別の角度位置において前記第１のロータプレート上に配置される複数の個々の磁石のうちの１つである、請求項１−３のいずれか１項に記載のアセンブリ。
6. 前記第１のロータプレートは、第１の材料で作製され、
   前記複数の個々の磁石は、前記第１の材料と異なる第２の材料を使用して分離され、位置する、
   請求項５に記載のアセンブリ。
7. 前記第２の点は、前記第１の点よりも、前記第１の磁石の中心から大きい距離にあり、
   前記第１および第２の点は、それぞれ、第１および第２の場所において、前記第１のロータプレートの第２の表面に接触し、
   前記第１のロータプレートおよび前記第１の磁石はさらに、前記第１のロータプレートおよび前記第１の磁石が、他の磁場発生構成要素全てから分離される場合、前記第２の場所から離れるように延在し、そこにおいて前記第２の表面に対して法線方向にある光線が、前記第１の平面にインターセプトするように構成および配列される、
   請求項１−６のいずれか１項に記載のアセンブリ。
8. 前記第１のロータプレートおよび前記第１の磁石はさらに、前記第１のロータプレートおよび前記第１の磁石が、他の磁場発生構成要素全てから分離される場合、前記光線と前記第１の平面との間の角度が、実質的に９０度未満であるように構成および配列される、請求項７に記載のアセンブリ。
9. 前記ロータシャフトであって、前記第１のロータプレートが、前記ロータシャフトと係合される、前記ロータシャフトと、
   前記ロータシャフトと係合される第２のロータプレートと、
   第２の磁石であって、第１の磁束が、前記第１の磁石と第２の磁石との間の間隙の中に生成されるように、前記第２のロータプレートに取り付けられる、第２の磁石と
   をさらに備える、請求項１−８のいずれか１項に記載のアセンブリ。
10. 前記第２の点は、前記第１の点よりも、前記第１の磁石の中心から大きい距離にあり、
    前記第１および第２の点は、それぞれ、第１および第２の場所において、前記第１のロータプレートの第２の表面に接触し、
    前記第１および第２のロータプレートは、前記第２の平面が、前記第１の平面の第１の側上にあるように位置付けられ、
    前記第１のロータプレートおよび前記第１の磁石はさらに、前記第１のロータプレートおよび前記第１の磁石が、他の磁場発生構成要素全てから分離された場合、
    前記第２の場所から離れるように延在し、そこにおいて前記第２の表面に対して法線方向にある光線が、前記第１の平面にインターセプトし、
    前記第２の平面が、前記第１の平面の第１の側上に留まる
    ように構成および配列される、請求項９に記載のアセンブリ。
11. 前記第１および第２のロータプレートは、前記第１の磁束が、前記第１の平面と第２の平面との間の前記距離を実質的にゼロに等しくさせるように位置付けられる、請求項９に記載のアセンブリ。
12. 前記間隙の中に配置されるステータであって、前記ステータは、前記ロータシャフト、前記第１のロータプレート、および前記第１の磁石を連動して回転させるように、前記第１の磁束と相互作用する第２の磁束を選択的に生成するように構成される、ステータ
    をさらに備える、請求項９−１１のいずれか１項に記載のアセンブリ。
13. ケーシングであって、前記ケーシングは、少なくとも部分的に、前記第１のロータプレート、前記第１の磁石、前記ステータ、前記第２のロータプレート、前記第２の磁石、および前記ロータシャフトの一部を封入する、ケーシング
    をさらに備え、
    前記第１のロータプレート、前記第１の磁石、前記第２のロータプレート、前記第２の磁石、および前記ロータシャフトは、前記ケーシングに対して移動可能であり、
    前記ステータは、前記ケーシングに対して固定される、請求項１２に記載のアセンブリ。
14. 少なくとも１つの軸受であって、前記少なくとも１つの軸受は、前記ケーシングと前記ロータシャフトとの間に配置され、前記ケーシングと前記ロータシャフトとの間の相対移動を可能にする、少なくとも１つの軸受
    をさらに備える、請求項１３に記載のアセンブリ。
15. 前記第１のロータプレート、前記第１の磁石、前記第２のロータプレート、および前記第２の磁石は、前記第１の平面と第２の平面との間の前記距離と、前記第１の点と第２の点との間の距離との比が、第１の値であるように構成および配列され、
    前記第１のロータプレートおよび第１の磁石はさらに、前記第１のロータプレートおよび前記第１の磁石が、他の磁場発生構成要素全てから分離される場合、前記第１の平面と第２の平面との間の前記距離と、前記第１の点と第２の点との間の前記距離との比が、前記第１の値の少なくとも２倍である第２の値であるように構成および配列される、
    請求項９−１４のいずれか１項に記載のアセンブリ。
16. 前記第１の磁石は、前記第１の点に配置される内縁を有し、
    前記第１の磁石は、外縁を有し、前記外縁は、前記内縁の反対側にあり、前記第２の点に配置され、
    前記第１のロータプレートおよび第１の磁石はさらに、前記第１のロータプレートおよび前記第１の磁石が、他の磁場発生構成要素全てから分離される場合、前記第１の平面と第２の平面との間の前記距離と、前記第１の点と第２の点との間の距離との比が、０．００２を上回るように構成および配列される、
    請求項１−１５のいずれか１項に記載のアセンブリ。
17. 軸方向磁束モータまたは発電機における使用のためのアセンブリを形成するための方法であって、
    第１のロータプレートに第１の磁石を取り付けるステップであって、前記第１の磁石は、前記第１の磁石の磁化方向に対して直交する第１の表面を有し、前記第１のロータプレートは、回転軸を中心として回転するロータシャフトに係合するように適合され、前記第１の磁石が前記第１のロータプレートに取り付けられた後、第１の平面と、第２の平面との間の距離が、実質的にゼロを上回るように構成され、前記第１の平面は、前記第１の表面上の第１の点にインターセプトし、それに対して前記回転軸が法線方向にあり、前記第２の平面は、前記第１の表面上の第２の点にインターセプトし、それに対して前記回転軸が法線方向にある、ステップ
    を含む、方法。
18. 前記第１のロータプレートは、その中心に開口部を伴う環状形状を有し、前記開口部は、前記ロータシャフトを受容するように適合される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１の磁石が取り付けられる前記第１のロータプレートの一部は、直円錐台の形状を有する、請求項１７または請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１の磁石は、交互の磁極を伴うリング磁石を含む、請求項１７−１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記第１の磁石は、前記回転軸を中心とする個別の角度位置において前記第１のロータプレート上に配置される複数の個々の磁石のうちの１つである、請求項１７−１９のいずれか１項に記載の方法。
22. 前記第２の点は、前記第１の点よりも、前記第１の磁石の中心から大きい距離にあり、
    前記第１および第２の点は、それぞれ、第１および第２の場所において、前記第１のロータプレートの第２の表面に接触し、
    前記第１の磁石が前記第１のロータプレートに取り付けられた後、前記第２の場所から離れるように延在し、そこにおいて前記第２の表面に対して法線方向にある光線が、前記第１の平面にインターセプトする、
    請求項１７−２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記第１の磁石が前記第１のロータプレートに取り付けられた後、前記光線と前記第１の平面との間の角度が、実質的に９０度未満である、請求項２２に記載の方法。
24. 前記第１のロータプレートを前記ロータシャフトと係合させるステップと、
    第２のロータプレートを前記ロータシャフトと係合させるステップとをさらに含み、第２の磁石が、前記第２のロータプレートに取り付けられ、第１の磁束が、前記第１の磁石と第２の磁石との間の間隙の中に生成される、
    請求項１７−２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記第２の点は、前記第１の点よりも、前記第１のロータプレートの中心から大きい距離にあり、
    前記第１および第２の点は、それぞれ、第１および第２の場所において、前記第１のロータプレートの第２の表面に接触し、
    前記第２のロータプレートを前記ロータシャフトに係合させるステップに先立って、前記第２の場所から離れるように延在し、そこにおいて前記第２の表面に対して法線方向にある光線が、前記第１の平面にインターセプトし、前記第２の平面は、前記第１の平面の第１の側上にあり、
    前記第２のロータプレートを前記ロータシャフトに係合させるステップの後、前記第２の平面は、前記第１の平面の第１の側上にある、
    請求項２４に記載の方法。
26. 前記第１および第２のロータプレートは、前記第１の磁束が、前記第１の平面と第２の平面との間の前記距離を実質的にゼロに等しくさせるように、前記ロータシャフトと係合される、請求項２４に記載の方法。
27. 前記第２のロータプレートを前記ロータシャフトと係合させるステップはさらに、
    ステータが前記間隙の中に配置されるように、前記第２のロータプレートを前記ロータシャフトと係合させるステップであって、前記ステータは、前記ロータシャフト、前記第１のロータプレート、および前記第１の磁石を連動して回転させるように前記第１の磁束と相互作用する第２の磁束を選択的に生成するように構成される、ステップ
    を含む、請求項２４−２６のいずれか１項に記載の方法。
28. 前記第２のロータプレートを前記ロータシャフトと係合させるステップに先立って、前記第１の平面と第２の平面との間の前記距離と、前記第１の点と第２の点との間の距離との比が、第１の値であり、
    前記第２のロータプレートを前記ロータシャフトと係合させるステップの後、前記第１の平面と第２の平面との間の前記距離と、前記第１の点と第２の点との間の前記距離との比は、第２の値であり、前記第１の値は、前記第２の値の少なくとも２倍である、
    請求項２４−２７のいずれか１項に記載の方法。
29. 前記第１の磁石は、前記第１の点に配置される内縁を有し、
    前記第１の磁石は、外縁を有し、前記外縁は、前記内縁の反対側にあり、前記第２の点に配置され、
    前記第１の磁石が前記第１のロータプレートに取り付けられた後、および前記第２のロータプレートが前記ロータシャフトと係合される前に、前記第１の平面と第２の平面との間の前記距離と、前記第１の点と第２の点との間の距離との比が、０．００２を上回る、
    請求項２４−２８のいずれか１項に記載の方法。
30. 前記第１の磁石が、前記第１のロータプレートに取り付けられた後、
    前記第１の磁石は、前記第１の点に配置される内縁を有し、
    前記第１の磁石は、外縁を有し、前記外縁は、前記内縁の反対側にあり、前記第２の点に配置され、
    前記第１の平面と第２の平面との間の前記距離と、前記第１の点と第２の点との間の距離との比が、０．００２を上回る、
    請求項１７−２８のいずれか１項に記載の方法。