JP2022506263A - 周期的トルク要件のためのステータおよびロータ設計 - Google Patents

Abstract

ロータとステータとを備えているモータまたは発電機が、開示され、ロータは、回転軸を有し、回転軸に平行な第１の磁束を発生させるように構成され、ステータは、回転軸に平行な第２の磁束を発生させるように構成され、ロータまたはステータのうちの少なくとも１つは、回転軸のまわりに不均一に分配された磁束プロファイルを発生させるように構成されている。軸方向磁束モータまたは発電機のロータの回転軸のまわりにステータの１つ以上の磁束生成巻線を不均一に配置することを伴う方法も、開示される。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１８年１１月１日に出願され、「ＰＬＡＮＡＲ ＳＴＡＴＯＲ ＡＮＤ ＲＯＴＯＲ ＤＥＳＩＧＮ ＦＯＲ ＰＥＲＩＯＤＩＣ ＴＯＲＱＵＥ ＲＥＱＵＩＲＥＭＥＮＴＳ」と題された米国仮出願第６２／７５４，０５１号の第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）号に基づく利益を主張する。本願は、２０１９年４月８日に出願され、「ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＬＯＳＳＥＳ ＩＮ ＰＲＩＮＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＯＡＲＤＳ」と題された米国特許出願第１６／３７８，２９４号の一部継続出願であり、その第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１２０号に基づく利益を主張し、それは、２０１８年１０月１９日に出願され、現在米国特許第１０，２５６，６９０号である「ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＬＯＳＳＥＳ ＩＮ ＰＲＩＮＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＯＡＲＤＳ」と題された米国特許出願第１６／１６５，７４５号の継続出願であり、その第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１２０号に基づく利益を主張し、それは、２０１７年１２月２２日に出願され、現在米国特許第１０，１７０，９５３号である「ＰＬＡＮＡＲ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＡＳＳＥＭＢＬＩＥＳ ＦＯＲ ＡＸＩＡＬ ＦＬＵＸ ＭＯＴＯＲＳ ＡＮＤ ＧＥＮＥＲＡＴＯＲＳ」と題された米国特許出願第１５／８５２，９７２号の継続出願であり、その第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１２０号に基づく利益を主張し、それは、２０１７年７月１０日に出願され、「ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＳＴＡＣＫＩＮＧ ＳＵＢＡＳＳＥＭＢＬＩＥＳ ＩＮ ＰＬＡＮＡＲ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＳＴＡＴＯＲＳ ＴＯ ＯＢＴＡＩＮ ＨＩＧＨＥＲ ＷＯＲＫＩＮＧ ＶＯＬＴＡＧＥＳ」と題された米国仮出願第６２／５３０，５５２号の第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）号に基づく利益を主張し、それは、２０１７年６月１日に出願され、現在米国特許第９，８５９，７６３号である「ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＬＯＳＳＥＳ ＩＮ ＰＲＩＮＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＯＡＲＤＳ」と題された米国特許出願第１５／６１１，３５９号の一部継続出願でもあり、その第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１２０号に基づく利益を主張し、その（Ａ）は、２０１６年９月３０日に出願され、現在米国特許第９，８００，１０９号である「ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＬＯＳＳＥＳ ＩＮ ＰＲＩＮＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＯＡＲＤＳ」と題された米国特許出願第１５／２８３，０８８号の一部継続出願であり、その第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１２０号に基づく利益を主張し、それは、２０１６年６月３０日に出願され、現在米国特許第９，６７３，６８４号である「ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＴＨＥＲＭＡＬ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＩＮ ＰＲＩＮＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＯＡＲＤ ＳＴＡＴＯＲＳ」と題された米国特許出願第１５／１９９，５２７号の一部継続出願であり、その第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１２０号に基づく利益を主張し、これはまた、２０１５年１０月２日に出願され、「ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＴＯ ＲＥＤＵＣＥ ＬＯＳＳＥＳ ＩＮ ＰＲＩＮＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＯＡＲＤ ＷＩＮＤＩＮＧＳ」と題された（１）米国仮特許出願第６２／２３６，４０７号および２０１５年１０月２日に出願され、「ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＦＯＲ ＴＨＥＲＭＡＬ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＩＮ ＰＲＩＮＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＯＡＲＤ ＳＴＡＴＯＲＳ」と題された（２）米国仮特許出願第６２／２３６，４２２号の各々の第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）号に基づく利益を主張し、その（Ｂ）は、２０１６年７月１２日に出願され、現在米国特許第９，６７３，６８８号である「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＦＯＲＭＩＮＧ Ａ ＭＡＧＮＥＴ ＡＳＳＥＭＢＬＹ」と題された米国特許出願第１５／２０８，４５２号の一部継続出願であり、その第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１２０号に基づく利益を主張し、それは、２０１６年１月６日に出願され、「ＡＬＩＧＮＭＮＥＴ ＯＦ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳ ＩＮ ＡＸＩＡＬ ＦＬＵＸ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＷＩＴＨ ＧＥＮＥＲＡＬＬＹ ＰＬＡＮＡＲ ＷＩＮＤＩＮＧＳ」と題された米国仮特許出願第６２／２７５，６５３号の第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）号に基づく利益を主張する。本願は、２０１８年５月１８日に出願され、米国特許出願公開第ＵＳ ２０１８／０３５１４４１号として公開され、「ＰＲＥ－ＷＡＲＰＥＤ ＲＯＴＯＲＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬ ＯＦ ＭＡＧＮＥＴ－ＳＴＡＴＯＲ ＧＡＰ ＩＮ ＡＸＩＡＬ ＦＬＵＸ ＭＡＣＨＩＮＥＳ」と題された米国特許出願第１５／９８３，９８５号の一部継続出願でもあり、その第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１２０号に基づく利益を主張し、それは、２０１７年６月５日に出願され、「ＰＲＥ－ＷＡＲＰＥＤ ＲＯＴＯＲＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬ ＯＦ ＭＡＧＮＥＴ－ＳＴＡＴＯＲ ＧＡＰ ＩＮ ＡＸＩＡＬ ＦＬＵＸ ＭＡＣＨＩＮＥＳ」と題された（１）米国仮特許出願第６２／５１５，２５１号および２０１７年６月５日に出願され、「ＡＩＲ ＣＩＲＣＵＬＡＴＩＯＮ ＩＮ ＡＸＩＡＬ ＦＬＵＸ ＭＡＣＨＩＮＥＳ」と題された（２）米国仮特許出願第６２／５１５，２５６号の各々への第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）号に基づく利益を主張する。前述の出願、公開、および特許の各々の内容は、あらゆる目的のために、本明細書に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。

米国特許第７，１０９，６２５号（「第’６２５号特許」）（特許文献１）を含むいくつかの特許によって説明される永久磁石軸方向磁束モータおよび発電機は、交互する南北極を特徴とする磁石間に挿入される略平面印刷回路基板ステータ（ＰＣＳ）を特徴とする。これらの印刷回路基板ステータは、ステータの外側縁から固定フレームに支持されるとき、孔を有し、ロータを連結するシャフトが、その孔を通る。代替実施形態は、内側および外側半径の役割を入れ替えることであり、ステータの内側半径が支持され、ロータがステータを内包する状況をもたらす。シャフトは、この構成において外側半径に事実上移動させられ、時として、「外側ランナ」と呼ばれる。

米国特許第７，１０９，６２５号明細書

本明細書に開示される実施形態の目的、側面、特徴、および利点は、同様の参照番号が、類似する、または同じ要素を識別する以下の発明を実施するための形態、添付される請求項、および付随の図からより完全に明白となるであろう。図と関連して本明細書に導入される参照番号は、他の特徴に関する文脈を提供するために、本明細書において追加の説明を伴わずに１つ以上の後続の図に繰り返され得、全ての要素が、全ての図に標識化されるわけではないこともある。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、実施形態、原理、および概念を例証することに重点が置かれている。図面は、本明細書とともに含まれる請求項の範囲を限定することを意図していない。

図１Ａは、本開示のいくつかの側面が採用され得る軸方向磁束モータまたは発電機の例を示す。

図１Ｂは、図１Ａに示される軸方向磁束モータまたは発電機の構成要素およびそのような構成要素を組み立てるための手段を示す拡大図である。

図２は、等面積を有するが、異なる構成を有する３つの印刷回路基板ステータを示す概念図である。

図３は、複数のステータセグメントが、標準的寸法の印刷回路基板パネル上での製造のために配置され得る方法を示す略図である。

図４は、図３に示されるステータセグメントのサブセットが、それらが、図３に示される回路基板パネル上で縁・縁に配置された場合にどのように見えるであろうかを示す略図である。

図５は、本開示のいくつかの側面による、ロータ上の磁石に対するステータセグメントの例示的配置を示す。

図６は、図５と同じ配置を示すが、ロータは、ステータセグメントがピークトルクを提供する磁石区分と重複する場合の角度において示される。

図７は、本開示のいくつかの側面による、ロータ上の磁石に対する複数のステータセグメントの例示的配置を示す。

図８は、本開示のいくつかの側面による、洗濯機負荷とともに構成および統合される軸方向磁束モータの例示的実施形態の断面を図示する。

（発明の概要）
本発明の概要は、発明を実施するための形態において下記にさらに説明される簡略化形態における一連の概念を導入するために提供される。本発明の概要は、重要な特徴または不可欠な要素を識別することを意図しておらず、本明細書とともに含まれる請求項の範囲を限定することも意図していない。
開示される実施形態のうちのいくつかにおいて、モータまたは発電機は、ロータと、ステータとを備え、ロータは、回転軸を有し、回転軸に平行な第１の磁束を発生させるように構成され、ステータは、回転軸に平行な第２の磁束を発生させるように構成され、ロータまたはステータのうちの少なくとも１つは、回転軸のまわりに不均一に分配される磁束プロファイルを発生させるように構成されている。
他の開示される実施形態において、方法は、軸方向磁束モータまたは発電機のロータの回転軸のまわりにステータの１つ以上の磁束生成巻線を不均一に配置することを伴う。
また他の開示される実施形態において、モータまたは発電機における使用のためのロータは、支持構造と、１つ以上の磁石セグメントとを備え、１つ以上の磁石セグメントは、支持構造によって支持され、１つ以上の磁石セグメントは、回転軸に平行な第１の磁束を発生させ、支持構造は、ステータと組み立てられると、回転軸のまわりに回転し、ステータは、回転軸に平行な第２の磁束を発生させ、１つ以上の磁石セグメントは、回転軸のまわりに不均一に分配される磁束プロファイルを発生させるように構成および配置される。
（詳細な説明）

米国特許第７，１０９，６２５号、第９，６７３，６８８号、第９，８００，１０９号、第９，６７３，６８４号、および第１０，１７０，９５３号、および、米国特許出願公開第２０１８－０３５１４４１ Ａ１号（「第’４４１号公開」）（それらの各々の全内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示されるもの等の既存の軸方向磁束モータまたは発電機において、ステータの磁束発生構成要素は、単一の連続的印刷回路基板から成るか、複数の印刷回路基板セグメントから成るかにかかわらず、ステータの巻線が電流を印加された任意の所与の時点で、ステータによって発生させられるピーク磁束の場所が、ロータの回転軸のまわりの角度に対して均一に分配されるように配置される。同様に、そのような機械において、ロータの磁束発生構成要素も、リング磁石から成るか、ポケット内に配置された個々の磁石から成るかどうかにかかわらず、任意の所与の時点で、ロータによって発生させられるピーク磁束の場所が、同様にロータの回転軸のまわりの角度に対して均一に分配されるように配置される。故に、全てのそのような機械において、機械が動作中である任意の所与の時点で、ロータおよびステータの各々によって発生させられるピーク磁束の場所は、機械の回転軸のまわりの角度の関数として均一に分配される。言い換えると、そのような機械におけるロータおよびステータの各々に関して、同じ角度が、回転軸のまわりにピーク磁束の各場所をピーク磁束の次の隣接する場所から分離し、それによって、ロータおよびステータの各々の磁束プロファイルは、回転軸のまわりに均一に分配される。

ある負荷および機械構成に関して従来の設計に対して費用において利点を有する代替設計が、本明細書に開示され、ステータおよび／またはロータは、代わりに、ロータの回転軸のまわりに不均一に分配される磁束プロファイルを有するように構成され得る。いくつかの実施形態において、例えば、ステータは、それが機械の主軸を包囲する弧の一部を描くように構成されることができる。そのようなステータセグメントが、機械と取り付けられる負荷との統合に起因して、同じ軸のまわりで均一に分配される等面積のステータと比較して大きい半径に位置付けられることができるならば、生成されるトルクは、ギャップにおける同等の磁束およびステータにおける電流密度限界を仮定すると、ステータセグメントが配置される半径の増加に比例し得る。しかしながら、「中心外れ」ステータセグメントに関するギャップにおける同等の磁束を維持する費用は、そのセグメントによって対される角度に反比例する磁石体積における増加である。これは、殆どの場合、望ましいトレードオフではない。しかしながら、ピークトルクがシャフト角度の特定の角度または範囲において所望される用途において、磁石材料は、ロータに対して不均一に分配され得、それによって、ステータは、ピークトルクが所望されるシャフト角度においてピーク磁束密度にさらされる。源が周期的トルク生産能力を有する発電機用途に関して、この原理に従って設計される機械は、類似する利点を提供し得る。

特定の角度においてピークトルクを生産するためのステータおよび磁石システムの設計は、１つのステータセグメントおよび／またはロータ上の磁性材料の１つの集中度に限定されないが、これは、最も単純な実施形態である。１つ以上の不均一に分配されるステータセグメントおよび／または１つ以上の不均一に分配される磁石セグメントを含む実施形態は、角度の関数としてのトルク能力の有用な組み合わせを提供し得る。角度の関数としての同じまたは類似するトルク能力が、１つ以上の不均一に分配されるステータセグメントおよび１つ以上の不均一に分配される磁石セグメントの異なる組み合わせを使用して達成され得ることを理解されたい。例えば、角度の関数としての同じまたは類似するトルク能力は、ステータセグメント対ロータ磁石場所の分配を入れ替えることによって達成されることができる。これは、設計者が、角度の関数と同じまたは類似するトルク能力を維持しながら、磁石材料の費用とステータ面積とにおけるトレードオフをもたらすことを可能にし得る。

特定の角度においてピークトルクを生産するための機械の設計は、連続回転を妨げない。連続回転が所望されるとき、ここで開示される原理に従って設計される機械は、ほぼ一定の速度を提供するために、取り付けられる負荷の慣性モーメントによって滑らかにされる一連のパルスにおける（ピークトルク角度における）トルクを供給することができる。この設計の利点は、ステータが、磁石と重複しないとき、渦電流に起因するステータの損失が、ゼロであり得ることである。連続回転に関する別の可能性は、ステータセグメントが、常時、「ピークトルク」角度より小さい大きさにおいてであるが、磁束を経験するように磁石を分配することである。

本明細書に説明されるいくつかの実施形態は、機械半径が、従来の設計と比較して大きく増加させられ得る用途に関して特に有利であり得る。これらの用途において、均一な平面回路基板ステータより大きい半径において配置される平面回路基板ステータ（ＰＣＳ）セグメントが、ステータの単位面積あたりのより高いピークトルクを達成し得る。さらに、大きい半径における薄い環状ステータと比較して、ステータセグメントは、標準的サイズの印刷回路基板「パネル」上に「タイル張り」または配置されることができる。これは、印刷回路基板材料のより効率的な利用を可能にし、関連付けられる機械の費用を削減し得る。

用途分野の例は、往復ピストンまたはダイヤフラムタイプポンプを含み、それらは、周期的トルク要件を有し得る。バランスの目的のために、これらの機械は、中心外れ質量を頻繁に含み、中心外れ質量は、非対称に設計されるロータによって潜在的に置換されることができる。同様に、単一ピストン機関に結合される発電機は、ステータセグメントタイプ発電機において磁性材料を伴う平衡質量の共同設計から利益を享受し得る。他の潜在的用途は、モータまたは発電機が限定された角度を通して移動する洗濯機または他の用途、および、周期的または「逆転」タイプ負荷を含む。

本明細書に開示される新規の概念の基本的観察は、設計の基本的考慮事項に基づいて、ステータの内部編成および接続から独立して、そうでなければ同等のステータまたはステータセグメントに関する「スケーリング」の議論に要約されることができる。第’６２５号特許の説明に準拠する従来の環状ＰＣＳにおいて、トルクは、以下のように表されることができる。

この式の成分は、ステータのアクティブエリアを含む第１の半径ｒ１から第２の半径ｒ２までの積分を含む。積分は、θに対する積分の限界によって完全な環帯を対象とする。項ｒ ｄｒ ｄθは、微小面積要素であり、ｒ ｆ_ｄｅｎｓは、方程式τ＝ｒｘＦに対応するトルク密度の大きさである。力密度は、軸方向磁束および半径方向電流密度に起因してθ方向であり、すなわち、以下である。

ここにおいて、力密度は、ステータによって支持される電流密度と、その電流密度におけるロータ磁石回路およびステータ反応からもたらされる磁束密度との積である。例証のために、Ｂは、半径方向であると仮定される。第’６２５号特許に従って設計されるステータにおいて、発散半径方向トレースは、事実上、内側半径ｒ１から電流密度における１／ｒの減少を導入する。この効果を捕捉するモデルは、以下である。

式中、Ｊ_０は、内側半径における所与の銅重量、ビアサイズ、およびクリアランス要件における特徴の干渉に基づく最大支持電流密度である。このモデルに関し、

であり、ステータによって支持される電流密度は、特徴サイズおよび関連付けられるクリアランスに依存するｒ１において配置され得る内側ビアの数、ｒ１における円周、およびその円周が製作限界に接近する間隔で特徴を収容するかどうかに依存する。したがって、Ｊ_０を定数と見なすことは、厳密には正しくない。例えば、ｒ１＝０に関して、いかなるビアも、収容されることができず、Ｊ_０＝０である。しかしながら、実践的に着目されるモータに関して、Ｊ_０は、主として、熱的考慮事項およびクリアランス要件に依存する値に接近するであろう。そうでなければ同等のステータの間の比較の目的のためにＪ_０を定数とすることは、より小さいｒ１を伴う中心シャフトの周囲に位置する従来のステータをより大きい半径におけるステータセグメントより優位性があるように見せる傾向がある。

角度範囲δを伴うステータまたはステータセグメントの面積Ａは、以下である。

従来の設計のステータに関して、δ＝２πである。ステータセグメントに関して、δは、理想的に、極対の全体数に対応する。費用に基づくステータセグメントと従来の設計との間の比較の目的のために、等面積のステータと磁石アセンブリとを比較することが、合理的である。内側半径ｒ_１が、増加させられ、ここにおいて、独立変数と見なされるので、δおよびｒ_２の複数の解が、任意のｒ_１に関して存在する。特に、δを考慮すると、セグメントにわたる極の間隔は、従来のステータにおけるように、２πラジアンにわたって極を均一に配置する通常の制約にも準拠する必要はない。これは、従来のステータによって享受されないセグメントに関する相当な設計柔軟性、および等面積Ａを達成する能力を示唆する。コンパクトなδを伴ってステータエリアをより大きいｒ_１に変位させる利点の例は、以下を含む：（１）より大きいｒ_１を伴うステータセグメントが、単位面積あたりのより高いピークトルクをもたらすこと、（２）ステータセグメントおよび磁性材料が、特定のロータ角度（または角度範囲）において完全に重複するとき、ピークトルクが、利用可能であること、（３）磁性材料およびステータが、重複しないとき、機械におけるいかなる渦電流損失も、存在しないこと、（４）ステータセグメントが、ｒ_１，ｒ_２およびδが、セグメントが印刷回路基板パネル上で「入れ子」になり得るようなものである場合に取得されることができ、無駄な材料および費用を最小化すること、および、（５）単位面積あたり（または単位費用あたり）のピークトルクが、ステータセグメントの半径とともに増加すること。

具体的トルクτ_ｐを満たすδ＝２πを伴うプロトタイプの従来のステータに関する設計手順を前提として、角度δに及ぶプロトタイプ設計における極のサブセットに対するステータセグメントに関する設計は、セグメントが磁性材料と完全に重複する角度の範囲にわたって

のピークトルクを生産するように推測されることができる。したがって、セグメントに関する実践的設計手順は、従来のステータプロトタイプを設計することであり、トルク要件は、セグメントにおいて保全されるように意図される極に対する従来のステータにおける極の比率によって増加させられる。この手順は、好都合であるが、極の間隔が、セグメントの角度範囲および従来の設計の２π範囲に同時に制約されるので、セグメント設計における自由度を活用していない。セグメント角度δは、２πの約数である必要はなく、したがって、設計制約を満たすように最適化されることができる。

固定フレームおよびロータ上の特定の角度に集中したステータセグメントと磁性材料との組み合わせは、角度の関数としての種々のトルク能力を達成することができる。ロータ上の１つ以上のエリアは、異なる磁束密度、１つ以上の極対を備える磁性材料を支持し得、ロータ上の１つ以上のエリアは、種々の角度において分配され得る。固定フレーム内に、種々の角度において位置付けられた１つ以上のステータセグメントが、存在し得る。

本明細書に開示されるもの等の不均一に分配されるステータおよび／またはロータが採用され得るモータおよび／または発電機設計の例は、米国特許第７，１０９，６２５号、第９，６７３，６８８号、第９，８００，１０９号、第９，６７３，６８４号、および第１０，１７０，９５３号、および米国特許出願公開第２０１８－０３５１４４１ Ａ１号（「第’４４１号公開」）（上記を参照することによって組み込まれる）に説明されている。そのような機械の例証的例が、最初に、図１Ａおよび１Ｂに関連して説明されるであろう。ロータの回転軸のまわりに不均一に分配される磁束プロファイルを有し、そのような機械に採用され得るステータおよびロータの例が、次いで、図２－８に関連して説明されるであろう。

図１Ａは、ロータ構成要素１０４ａおよび１０４ｂ、シャフト１０８、ワイヤ１１４、およびコントローラ１１２を伴うアセンブリにおいて平面複合ステータ１１０を採用するシステム１００の例を示す。これらの構成要素およびそれらの組立のための手段を示す拡大図が、図１Ｂに示される。ロータアセンブリの永久磁化部分１０６ａ、１０６ｂにおける磁極のパターンも、図１Ｂの拡大図において明白である。図１Ａは、電気接続１１４が、ＰＣＳ１１０の外側半径において採用され、ステータが、外側周辺においてフレームまたはケースに搭載される実施形態の例である。別の有用な構成である「外側ランナ」構成は、内側半径においてステータを搭載し、内側半径において電気接続１１４を作製し、シャフト１０８をロータ半体を分離する環状リングと置換することを伴う。システムを１０６ａまたは１０６ｂのいずれかの１つのみの磁石で構成すること、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、可能である。ワイヤ１１４は、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の読み取り値に基づいて、ロータの位置についての情報も伝え得る。示されないが、類似する目的で、シャフト１０８に取り付けられるエンコーダが、位置情報をコントローラ１１２に提供し得る。

図１Ａおよび１Ｂのシステム１００は、コントローラ１１２およびシャフト１０８に接続される構成要素の動作に応じて、モータまたは発電機のいずれか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１１２は、ステータ１１０における電流がシャフト１０８に接続された磁石１０４ａ、１０４ｂから生じるギャップにおける磁束に起因してシャフトのまわりでトルクを生成するように、スイッチを動作させる。コントローラ１１２の設計に応じて、ギャップにおける磁束および／またはロータの位置は、シャフト１０８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るために、測定または推定され得る。発電機システムとして、シャフト１０８に接続される機械的回転動力の源が、ステータの端子１１２において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ことができるか、または、それらは、コントローラ１１２内の３相（または多相）整流器を用いて整流されることができる。整流器実装１１２は、発電機モードにおいてダイオードを使用して「自己整流」されることができるか、または、モータコントローラの制御されたスイッチを使用して構築されることができるが、それは、シャフトトルクが、機械的源によって提供されるトルクに対抗し、機械的エネルギーが電気エネルギーに変換されるように動作させられる。したがって、図１Ａの同じ構成が、コントローラ１１２が動作させられる方法に応じて、発電機およびモータの両方として機能し得る。加えて、コントローラ１１２は、フィルタ構成要素を含み得、フィルタ構成要素は、スイッチング効果を軽減し、ワイヤ１１４からのＥＭＩ／ＲＦＩを低減させ、損失を低減させ、コントローラに供給され、または、コントローラから送達される電力における追加の柔軟性を提供する。

図２は、等面積であるが、異なる角度および半径方向範囲を有する３つのステータ２０２、２０４、２０６の幾何学形状を示す。ステータ２０４および２０６は、内側半径が異なる。ステータ２０６は、第’６２５号特許によって説明されるようなステータに典型的な相対的寸法を示す。ステータ２０４は、薄い環状設計である。ステータ２０４において、内側半径は、増加させられているが、これらの相対的寸法を伴うステータは、印刷回路基板材料の「パネル」を効率的に利用しない。ステータ２０２は、本明細書に提案されるように、ステータ２０４と等面積かつ同等の半径のステータセグメント２０８を示す。他の条件が同じであり、より大きい半径において、ステータ２０２および２０４は、半径がトルクアームを増加させるので、ステータ２０６より高いピークトルクを生産するであろう。

図３は、標準的サイズの印刷回路基板パネル３０２における図１に示されるセグメント２０８のようなステータセグメントの「パネル化」またはパッキングを示す。パネル３０２の有効利用は、図示される配置では高い。ステータセグメント２０８の費用は、パネル３０２の利用に反比例する。

図４は、パネル３０２における図３におけるものと同じサイズのセグメント２０８の効果的でない配置を示す。この配置は、実践的ではないが、それは、セグメント２０８によって達成されるものと同じ内側および外側半径を伴う従来のステータに関して達成されるであろう有効パネル利用を示す。

図５は、ロータ５０４上の磁石５０２に対するステータセグメント２０８の例示的配置を示す。図示される例において、本明細書において「高密度磁石エリア」とも称される磁石５０２のロータ５０４上の高密度角度範囲５０６は、ステータセグメント２０８との重複の角度においてピークトルクを達成するように提供される。本明細書において、「低密度磁石エリア」とも称される磁石５０２の低密度角度範囲５０８が、角度から独立したより低いトルク能力を提供するように配置される。図示されないが、いくつかの実施形態において、非磁性要素が、全体としてのロータ５０４の重量をバランスさせるために、低密度磁石エリア５０８の近傍に追加され得ることを理解されたい。さらに、いくつかの実施形態において、反対の極性であるが対応する磁石配置を有する追加のロータ部分（図示せず）が、ロータ５０４の図示される部分の上方に位置付けられ得、それによって、ステータセグメント２０８は、２つのロータ部分間のギャップ内に位置付けられ得、磁束線が、対向する反対の極性の磁石の対間のロータの回転軸に平行な方向に延びていることを理解されたい。加えて、図５に図示されないが、ステータセグメント２０８が、伝導性トレースおよび／またはビア（例えば、１つ以上の誘電体層上に配置されている）を含み得ることを理解されたい（それらは、通電されると、ロータの回転軸に平行な方向に磁束を発生させる巻線を形成するように構成される）。そのような巻線は、そのような磁束を発生させるために、電力供給源（図５に図示せず）から電流の１つ以上の相を受け取るように構成され得、そのような巻線は、１つ以上の螺旋において、１つ以上の蛇行パターンにおいて、または別様に配置され得る。

図５に示されるように、いくつかの実施形態において、ステータセグメント２０８は、ステータセグメント２０８が１つ以上のファスナ５１２を使用して取り付けられ得る弓形取り付け部材５１０を介して定位置に保持され得、ステータセグメント２０８の１つ以上の巻線（図示せず）は、印加する電流を巻線に供給するように、取り付け部材５１０に関連付けられる端子５１４に接続され得、その端子は、図１Ａおよび１Ｂに関連して上で議論されるコントローラ１１２等のコントローラ（図５に図示せず）に接続され得る。

図６は、図５と同じ構成を示すが、ロータ５０４は、ステータセグメント２０８がピークトルクを提供する高密度磁石区分５０６と重複する角度に位置付けられている。

図７は、図４および５の代替配置を示す。示されるように、高密度角度範囲５０６とともに、低密度磁石領域５０８（図７に図示せず）を採用することに加えて、またはその代わりに、ステータセグメント５０２ａ－ｇは、それらが任意の角度において一定の利用可能なトルクを伴う環状ステータを完全に描く、またはほぼ描くように配置され得る。いくつかの実施形態において、ステータセグメント５０２ａ－ｇの一部は、より小さくされ得、より粗いピッチで配置され得、より少ない巻線の「巻数」を含み得、および／または、１つ以上の他のステータセグメント５０２より少ない電力を供給され得、それによって、集中した磁石を伴う機械が、依然として任意の角度においてトルク能力を提供しながら、角度特定のピークトルクを提供し得る。例えば、いくつかの実施形態において、ステータセグメント５０２ａは、そのような目的のために、他のステータセグメント５０２ｂ－ｇと異なって構成、配置、および／または印加され得る。

採用される磁石５０２およびステータセグメント２０８の特定の配置にかかわらず、少なくともいくつかの状況において、ロータ５０４の回転中、少なくとも１つのステータセグメント２０８が少なくとも部分的に各位置において少なくとも１つの磁石５０２と重複し、それによって、ロータ５０４が、ステータセグメント２０８からのいかなる磁束も磁石５０２からの磁束と相互作用しない位置において「スタック」状態にならないことを確実にするために、注意が払われ得る。

上で説明される例示的構成の各々において、ステータセグメント２０８および／またはロータ５０４の磁石５０２は、機械の回転の主軸のまわりで不均一に分配される磁束プロファイルを有するように構成されている。特に、ステータセグメント２０８は、ステータ５０４の巻線が通電される任意の所与の時点で、ステータによって発生させられるピーク磁束の場所が、ロータの回転軸のまわりの角度に対して不均一に分配されるように配置される。同様に、そのような機械において、ロータ５０４の磁石５０２も、任意の所与の時点で、ロータによって発生させられるピーク磁束の場所が、同様にロータの回転軸のまわりの角度に対して不均一に分配されるように配置される。故に、そのような機械におけるロータおよびステータの各々に関して、異なる角度が、そのような構成要素によって発生させられる磁束プロファイルが、回転軸のまわりに不均一に分配されるように、回転軸のまわりにピーク磁束のいくつかの場所をピーク磁束の隣接する場所から分離する。

図８は、本開示のいくつかの側面による、図５および６に示されるもののような構成要素とともに構成され、洗濯機負荷８０４と統合される軸方向磁束モータ８０２の例示的実施形態の断面を図示する。示されるように、モータ８０２のステータセグメント２０８は、取り付け部材５１０および１つ以上のファスナ５１２を介して洗濯機槽８０８を含む筐体８０６に固定され得、洗濯機槽８０８は、軸受要素８１０を介して筐体８０６に回転可能に結合され得る。モータ８０２のロータ５０４は、洗濯機槽８０８から延び、および／または、それに固定して取り付けられ得るシャフト８１２を介して、洗濯機槽８０８を直接駆動し得る。図示される構成において、「急回転」モードにおける比較的に高い速度および低いトルクにおける連続回転が、図５および６に関連して上で説明されるように、ステータセグメント２０８と、高密度磁石領域５０６および１つ以上の低密度磁石領域５０８に配置される磁石５０２の集合とを使用して達成され得る。そのような急回転モード中、ロータの回転軸のまわりのロータおよびステータの磁束プロファイルの不均一な分配に起因して、ロータ５０４が、実質的に一定の速度でステータセグメント２０８に対してある範囲の角度を通して回転すると、ロータおよびステータによって発生させられる磁束間の相互作用に起因して生成されるトルクの周期性は、不規則である。「洗濯」モードのために必要とされる逆転アクションは、トルクが特定の角度において供給され得る比較的に低い速度、高いトルクの動作モードであり得る。この場合、ステータセグメント２０８と高密度磁石領域５０６との相互作用は、ピークトルク要件を提供し得る。
（本開示による装置および方法の例示的実装）

以下の段落（Ａ１）－（Ａ１４）は、本開示に従って実装され得る装置の例を説明する。

（Ａ１）モータまたは発電機は、回転軸を有し、回転軸に平行な第１の磁束を発生させるように構成されたロータと、回転軸に平行な第２の磁束を発生させるように構成されたステータとを備え得、ロータまたはステータのうちの少なくとも１つは、回転軸のまわりに不均一に分配された磁束プロファイルを発生させるように構成されている。

（Ａ２）モータまたは発電機は、段落（Ａ１）に説明されるように構成され得、ロータは、回転軸のまわりに不均一に分配された第１の磁束プロファイルを発生させるようにさらに構成され得る。

（Ａ３）モータまたは発電機は、段落（Ａ２）に説明されるように構成され得、ロータは、回転軸のまわりに不均一に分配された１つ以上の磁石セグメントをさらに備え得る。

（Ａ４）モータまたは発電機は、段落（Ａ３）に説明されるように構成され得、１つ以上の磁石セグメントの各々は、第１の磁束が最大密度を有するそれぞれの表面場所をさらに有し得、それぞれの表面場所は、回転軸のまわりに不均一に分配され得る。

（Ａ５）モータまたは発電機は、段落（Ａ２）－（Ａ４）のいずれかに説明されるように構成され得、ロータは、ロータが実質的に一定の速度でステータに対してある範囲の角度を通して回転すると、第１の磁束と第２の磁束との相互作用に起因して生成されるトルクの周期性が不規則であるようにさらに構成され得る。

（Ａ６）モータまたは発電機は、段落（Ａ２）－（Ａ５）のいずれかに説明されるように構成され得、ステータは、回転軸のまわりに不均一に分配された第２の磁束プロファイルを発生させるようにさらに構成され得る。

（Ａ７）モータまたは発電機は、段落（Ａ１）に説明されるように構成され得、ステータは、回転軸のまわりに不均一に分配される磁束プロファイルを発生させるようにさらに構成され得る。

（Ａ８）モータまたは発電機は、段落（Ａ２）－（Ａ７）のいずれかに説明されるように構成され得、ステータは、回転軸のまわりに不均一に分配された１つ以上の印刷回路基板セグメントをさらに備え得る。

（Ａ９）モータまたは発電機は、段落（Ａ２）－（Ａ８）のいずれかに説明されるように構成され得、ステータは、少なくとも１つの誘電体層上に配置された伝導性トレースをさらに備え、電流を印加されると、第２の磁束を発生させ得る。

（Ａ１０）モータまたは発電機は、段落（Ａ２）－（Ａ９）のいずれかに説明されるように構成され得、ステータは、伝導性トレースが電流を印加された任意の所与の時点で、第２の磁束の最大密度の１つ以上の場所が、回転軸のまわりに不均一に分配されるようにさらに構成され得る。

（Ａ１１）モータまたは発電機は、段落（Ａ９）または段落（Ａ１０）に説明されるように構成され得、伝導性トレースは、少なくとも１つの誘電体層上に配置され、電源に結合されることによって、電源によって出力される電流の３つの相に対応する第２の磁束の３つの相を発生させる。

（Ａ１２）モータまたは発電機は、段落（Ａ１）－（Ａ１１）のいずれかに説明されるように構成され得、ステータは、ロータが、一定の速度でステータに対してある範囲の角度を通して回転すると、第１の磁束と第２の磁束との相互作用に起因して生成されるトルクの周期性が不規則であるようにさらに構成され得る。

（Ａ１３）モータまたは発電機における使用のためのロータは、支持構造と、支持構造によって支持され、回転軸に平行な第２の磁束を発生させるステータと組み立てられると、それのまわりで支持構造が回転する回転軸に平行な第１の磁束を発生させる１つ以上の磁石セグメントであって、１つ以上の磁石セグメントは、回転軸のまわりに不均一に分配される磁束プロファイルを発生させるように構成および配置されている、１つ以上の磁石セグメントとを備え得る。

（Ａ１４）ロータは、段落Ａ１３に説明されるように構成され得、１つ以上の磁石セグメントは、少なくとも第１の磁石セグメントと、第１の磁石セグメントから間隔を置かれる第２の磁石セグメントとをさらに含み得、第１の磁石セグメントは、第２の磁石セグメントより多数の隣接する磁石を含み得る。

以下の段落（Ｍ１）－（Ｍ５）は、本開示に従って実装され得る方法の例を説明する。

（Ｍ１）方法は、軸方向磁束モータまたは発電機のロータの回転軸のまわりにステータの１つ以上の磁束生成巻線を不均一に配置することを含み得る。

（Ｍ２）方法は、段落（Ｍ１）に説明されるように実施され得、１つ以上の磁束生成巻線を配置することは、回転軸のまわりに巻線を含む１つ以上の印刷回路基板セグメントを不均一に配置することをさらに含む。

（Ｍ３）方法は、段落（Ｍ１）または段落（Ｍ２）に説明されるように実施され得、１つ以上の印刷回路基板セグメントを配置することは、巻線が電流を印加された任意の所与の時点で、第２の磁束の最大密度の１つ以上の場所が回転軸のまわりに不均一に分配されるように、１つ以上の印刷回路基板セグメントを配置することをさらに含み得る。

（Ｍ４）方法は、段落（Ｍ１）－（Ｍ３）のいずれかに説明されるように実施され得、ロータは、回転軸のまわりに不均一に配置される磁石を備え得る。

（Ｍ５）方法は、段落（Ｍ１）－（Ｍ４）のいずれかに説明されるように実施され得、１つ以上の磁束生成巻線を配置することは、ロータが一定の速度でステータに対してある範囲の角度を通して回転すると、ロータとステータとによって発生させられる磁束の相互作用に起因して生成されるトルクの周期性が不規則であるように、１つ以上の磁束生成巻線を配置することをさらに含み得る。

少なくとも１つの実施形態のいくつかの側面をこのように説明したが、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を意図しており、本開示の精神および範囲内であることを意図している。故に、前述の説明および図面は、例にすぎない。

本開示の種々の側面は、単独で、組み合わせて、または前述に説明される実施形態において具体的に議論されていない種々の配置において使用され得、したがって、本願において、前述の説明に記載され、または図面に図示される構成要素の詳細および配置に限定されない。例えば、一実施形態に説明される側面は、他の実施形態に説明される側面と任意の様式で組み合わせられ得る。

開示される側面は、方法としても具現化され得、その例が、提供されている。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得る。故に、行為が、例証的実施形態において連続的行為として示されているが、いくつかの行為を同時に実施することを含み得る例証されるものと異なる順序で実施される実施形態が、構築され得る。

請求項において請求項要素を修飾するための「第１」、「第２」、「第３」等の序数用語の使用は、それだけにおいて、１つの請求項要素の別のものに対するいかなる優先、先行、または順序も暗示せず、または方法の行為が実施される時間的順序を暗示せず、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）同じ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。

本明細書に使用される表現法および専門用語も、説明の目的のために使用され、限定と見なされるべきではない。本明細書における「～を含む」、「～を備える」、または「～を有する」、「～を含む」、「～を伴う」、およびそれらの変形例の使用は、その後に列挙されるアイテムおよびその均等物および追加のアイテムを包含することを意味する。

Claims (20)

1. モータまたは発電機であって、前記モータまたは発電機は、
   回転軸を有するロータであって、前記ロータは、前記回転軸に平行な第１の磁束を発生させるように構成されている、ロータと、
   前記回転軸に平行な第２の磁束を発生させるように構成されたステータと
   を備え、
   前記ロータまたは前記ステータのうちの少なくとも１つは、前記回転軸のまわりに不均一に分配された磁束プロファイルを発生させるように構成されている、モータまたは発電機。
2. 前記ロータは、前記回転軸のまわりに不均一に分配された第１の磁束プロファイルを発生させるように構成されている、請求項１に記載のモータまたは発電機。
3. 前記ロータは、前記回転軸のまわりに不均一に分配された１つ以上の磁石セグメントを備えている、請求項２に記載のモータまたは発電機。
4. 前記１つ以上の磁石セグメントの各々は、前記第１の磁束が最大密度を有するそれぞれの表面場所を有し、前記それぞれの表面場所は、前記回転軸のまわりに不均一に分配されている、請求項３に記載のモータまたは発電機。
5. 前記ロータは、前記ロータが実質的に一定の速度で前記ステータに対してある範囲の角度を通して回転すると、前記第１の磁束と前記第２の磁束との相互作用に起因して生成されるトルクの周期性が不規則であるように構成されている、請求項２に記載のモータまたは発電機。
6. 前記ステータは、前記回転軸のまわりに不均一に分配された第２の磁束プロファイルを発生させるように構成されている、請求項２に記載のモータまたは発電機。
7. 前記ステータは、前記回転軸のまわりに不均一に分配された磁束プロファイルを発生させるように構成されている、請求項１に記載のモータまたは発電機。
8. 前記ステータは、前記回転軸のまわりに不均一に分配された１つ以上の印刷回路基板セグメントを備えている、請求項７に記載のモータまたは発電機。
9. 前記ステータは、電流を印加されると前記第２の磁束を発生させるために、少なくとも１つの誘電体層上に配置された伝導性トレースを備えている、請求項１に記載のモータまたは発電機。
10. 前記ステータは、前記伝導性トレースが電流を印加された任意の所与の時点で、前記第２の磁束の最大密度の１つ以上の場所が、前記回転軸のまわりに不均一に分配されるように構成されている、請求項９に記載のモータまたは発電機。
11. 前記伝導性トレースは、前記少なくとも１つの誘電体層上に配置され、電源に結合されることによって、前記電源によって出力される電流の３つの相に対応する前記第２の磁束の３つの相を発生させる、請求項１０に記載のモータまたは発電機。
12. 前記ステータは、前記回転軸のまわりに不均一に分配された１つ以上の印刷回路基板セグメントを備えている、請求項１０に記載のモータまたは発生器。
13. 前記ロータまたは前記ステータのうちの少なくとも１つは、前記ロータが一定の速度で前記ステータに対してある範囲の角度を通して回転すると、前記第１の磁束と前記第２の磁束との相互作用に起因して生成されるトルクの周期性が不規則であるように構成されている、請求項１に記載のモータまたは発電機。
14. 方法であって、前記方法は、軸方向磁束モータまたは発電機のロータの回転軸のまわりにステータの１つ以上の磁束生成巻線を不均一に配置することを含む、方法。
15. 前記１つ以上の磁束生成巻線を配置することは、前記回転軸のまわりに前記巻線を含む１つ以上の印刷回路基板セグメントを不均一に配置することを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ロータは、前記回転軸のまわりに不均一に配置された磁石を備えている、請求項１５に記載の方法。
17. 前記１つ以上の印刷回路基板セグメントを配置することは、前記巻線が電流を印加された任意の所与の時点で、前記第２の磁束の最大密度の１つ以上の場所が前記回転軸のまわりに不均一に分配されるように、前記１つ以上の印刷回路基板セグメントを配置することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記１つ以上の磁束生成巻線を配置することは、前記ロータが一定の速度で前記ステータに対してある範囲の角度を通して回転すると、前記ロータと前記ステータとによって発生させられる磁束の相互作用に起因して生成されるトルクの周期性が不規則であるように、前記１つ以上の磁束生成巻線を配置することを含む、請求項１４に記載の方法。
19. モータまたは発電機における使用のためのロータであって、前記ロータは、
    支持構造と、
    １つ以上の磁石セグメントと
    を備え、
    前記１つ以上の磁石セグメントは、前記支持構造によって支持され、前記１つ以上の磁石セグメントは、ステータと組み立てられると、前記支持構造が回転する回転軸に平行な第１の磁束を発生させ、前記ステータは、前記回転軸に平行な第２の磁束を発生させ、前記１つ以上の磁石セグメントは、前記回転軸のまわりに不均一に分配された磁束プロファイルを発生させるように構成および配置されている、ロータ。
20. 前記１つ以上の磁石セグメントは、少なくとも第１の磁石セグメントと、前記第１の磁石セグメントから間隔を置かれた第２の磁石セグメントとを含み、前記第１の磁石セグメントは、前記第２の磁石セグメントより多数の隣接する磁石を含む、請求項１９に記載のロータ。

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