JP2023004958A - 電気機械用ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの軽量化を図りつつ、回転中の安定性を向上させることができるロータを提供すること。【解決手段】ロータは、センターシャフトと、センターシャフトの半径方向外側に配置され、内面及び／又は外面に永久磁石を担持するための中空円筒を備え、センターシャフト及びロータの回転軸と同軸であるロータドラムと、センターシャフトをロータドラムに結合し、ロータドラムとセンターシャフトとが回転軸を中心に一緒に回転できるように配置されたキャップと、を備えている。キャップの内側部分は、回転軸の長さ方向に沿った第１の位置でセンターシャフトに結合され、キャップの外側部分は、回転軸の長さ方向に沿った第２の位置でロータドラムに結合されている。第１の位置は、第２の位置に対して回転軸に沿った異なる長さにある。【選択図】図１

Description

本開示は、電気機械用ロータの分野に関するものである。

モータ等の電気機械は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するように構成されている。電気機械は、通常、ステータとロータとを含んでいる。ステータは、ロータを取り囲み、１つ又は複数の巻線を含む。ロータは、１つ又は複数の磁石を有し、シャフトに結合されている。ステータの巻線に電流を流すと、結果として生じる磁場が回転子の磁石と相互作用して、ロータ及びシャフトを回転させることができる。

今日、小型でパワフルな電気モータは、芝刈り機、バッテリー又はハイブリッド車等、さまざまなモバイルアプリケーションに使用されている。かつては、このような機械はほとんど内燃機関で駆動されていた。

モータの大きな質量は、ロータ、磁石、巻線、フラックスリング、ハウジングである。従来の方法では、永久磁石モータのロータは積層鋼板で作られていたが、これは重量がある。多くの先行技術発明は、加速度向上のためにロータの軽量化に成功したが、これはフォルハーバーモータのようにアクティブ巻線を搭載するロータに焦点を当てたものであった。

米国特許第３７３５１７４号明細書 米国特許第４１０３１９６号明細書

米国特許第４１０３１９６号(Panasonic １９７５)には、積層鉄芯を持たないコアレスＤＣモータが記載されている。ロータ巻線はスキューパターン又はハニカムパターンで巻かれ、自立した円筒を形成する。ここでは、低質量の中空ロータを使用しているが、磁気還流のためのインナーステータもある。また、これでは円筒ドラム、キャップディスク、ロータの機械的な組み合わせの安定性が高いとは言えない。

本開示の態様は独立項に記載されており、任意の特徴は従属項に記載されている。本開示の態様は、互いに関連して提供されてもよく、一態様の特徴は他の態様に適用されてもよい。

一態様において、電気機械用のロータが提供され、ロータは、センターシャフトと、センターシャフトの半径方向外側に配置され、中空円筒の内面及び／又は外面に永久磁石を担持するための中空円筒を備え、センターシャフト及びロータの回転軸の両方と同軸であるロータドラムと、センターシャフトをロータドラムに結合し、ロータドラムとセンターシャフトとが回転軸を中心に一緒に回転できるように配置されたキャップと、を備えている。キャップの内側部分は、回転軸の長さ方向に沿った第１の位置でセンターシャフトに結合され、キャップの外側部分は、回転軸の長さに沿った第２の位置でロータドラムに結合される。第１の位置は、第２の位置に対して回転軸に沿った異なる長さにある。

実施形態は、ロータの軽量化を図りつつ、回転中の安定性を向上させることができる。ひいては、ステータにおける電気エネルギーとロータにおける運動エネルギーとの間のより効率的な変換につなげることができる。例えば、ロータはモータの一部であってもよく、その場合、ステータの巻線に電流を印加することでロータを回転させることができる。例えば、ロータは発電機の一部であってもよく、その場合、ロータの回転によってステータの巻線に電流が誘導させることができる。

キャップは、材料の厚みが不均一であってもよい。例えば、キャップの厚さは、その半径方向の位置（例えば、回転軸からどれだけ離れているか）に応じて変化してもよく、及び／又はキャップの厚さは、その角度方向の位置（例えば、回転軸からどの方向に離れているか）に応じて変化してもよい。キャップは、キャップの内側部分とキャップの外側部分との間に延びる少なくとも１つのスポークを有していてもよい。例えば、スポークは、半径方向外側に延びていてもよい。スポークは、一定の方向で半径方向外側に延びていてもよい（例えば、まっすぐな半径方向スポークを提供するために）。少なくとも１つのスポークの各々は、キャップの開口部に隣接していてもよい。例えば、キャップは、キャップの重量を減らすために１つ以上の開口部を有していてもよく、開口部は、スポークによって分離されていてもよい。キャップは、複数のスポークと複数の開口部とを備えていてもよい。キャップのスポークは、ロータの回転軸に対して一様に分布していてもよい。例えば、キャップは、複数の放射状スポーク（中心から半径方向外側に延びるスポーク）を備えていてもよい。放射状スポークは、直線状（例えば、その長さに沿って同じ方向に半径方向外側に延びている）であってもよいし、曲線状（例えば、カップ状）であってもよい。スポーク及び／又は開口の分布は、キャップについて対称的であってもよい。センターシャフトは、ロータハブの一部として設けられてもよい。キャップは、センターシャフトの一端に設けられてもよい。

キャップは第１のキャップであってもよく、ロータは第２のキャップをさらに備えてもよい。第２のキャップは、センターシャフトをロータドラムに結合するように配置されてもよい。第２のキャップは、ロータの回転軸に沿って第１のキャップからオフセットされていてもよい。第２のキャップの内側部分は、回転軸の長さに沿った第３の位置でセンターシャフトに結合されてもよい。第２のキャップの外側部分は、回転軸の長さに沿った第４の位置でロータドラムに結合されてもよい。第３の位置は、第４の位置に対して回転軸に沿った異なる長さであってもよい。第２の位置は、ロータの回転軸上において、第３の位置よりも第４の位置に近い位置にあってもよい。ロータの回転軸上における第１の位置と第２の位置との間の距離は、ロータの回転軸上における第３の位置と第４の位置との間の距離と同じであってよい。例えば、２つのキャップが提供されてもよく、キャップはそれぞれの鏡面バージョン（ロータの回転軸に垂直な平面に対して）であってもよい。各キャップ又は両方のキャップは、ロータがそのキャップの端で（端に近い）狭い幅から（その端から遠い）広い幅へと先細りになるように、テーパーを提供してもよい。例えば、ロータは、センターシャフトをロータドラムに結合するための２つのテーパー付きスポークキャップを備えてもよい。

センターシャフトの外径は、その長さ方向に変化してもよい。第１のキャップの内径は、第２のキャップの内径と異なっていてもよい。ロータの回転軸上の第２の位置は、第１の位置よりもシャフトの中心領域に近くてもよい。中空円筒の内部容積は、少なくとも部分的に軽量非磁性材料で満たされてもよい。材料は、発泡体のような多孔質媒体を含んでもよい。センターシャフトは、中空であってもよい。ロータは、ロータドラムを冷却するために、中空のセンターシャフトを通して冷却剤を受け入れるように配置されてもよい。ロータは、中空円筒の外周面に永久磁石を担持するように配置されてもよい。ロータは、磁石を中空円筒に固定するために、磁石の半径方向外側に配置されたライナーをさらに備えてもよい。ロータは、中空円筒の内面に永久磁石を担持するように配置され、（ｉ）キャップの外側部分が、中空円筒の内面の所定の位置に磁石を保持するために磁石に結合するように配置されてもよく、（ｉｉ）キャップの外側部分が、中空円筒に結合するように配置されてもよい。キャップは、その内側部分と外側部分との間に磁石接触部分を含み、磁石に接触して磁石を内面の所定の位置に保持するように配置されてもよい。

中空円筒の外径は、回転軸の長さに沿って一定であってもよい。中空円筒の内径は、回転軸の長さに沿って変化してもよい。内径は、ロータの回転軸に沿った中空円筒の中心領域よりも中空円筒の軸方向両端部の一方又は両方において大きくてもよい。ロータドラムの内面は、その中にキャップを受け入れるための１つ又は複数の凹部を備えていてもよい。ロータは、ロータドラムによって担持される複数の永久磁石を備えてもよい。永久磁石は、中空円筒の内面及び／又は外面にハルバッハアレイで配置されてもよい。キャップは、ステータの動作を制御するためにロータの回転位置を特定するためのセンサによって検出されるように構成された少なくとも１つの特徴を含んでもよい。中空円筒の材質の厚さは、キャップの材質の厚さとほぼ同じであってもよい。

本開示の別の態様では、電気機械用のロータが提供され、ロータは、回転軸を中心に回転するように構成される。ロータは、永久磁石をその上に支持するためのロータドラムと、ロータドラムを支持するためにロータドラム内に入れ子構造にされ、ロータドラムと同軸であるハブと、ロータドラムをハブに結合する少なくとも１つのキャップ又はスポークと、を備える。ロータは、ロータドラムの内側に結合された永久磁石のアレイを備え、アレイの磁石はハルバッハアレイを形成するように配置されている。

本開示の態様は、本明細書に記載されるようなロータを有する電気機械を提供し得る。電気機械は、ロータドラムの中空円筒によって運ばれる永久磁石と相互作用するように配置された複数の巻線を含むステータと、ロータ及びステータを収容するように構成されたハウジングと、をさらに備える。ハウジングは、ステータ及びハウジングに対するロータの回転軸を中心とした回転を可能にするように配置された少なくとも一つのベアリングアセンブリを備えている。キャップは、第１のキャップを備えてもよく、ロータは、センターシャフトをロータドラムに結合するように配置された第２のキャップをさらに備えてもよい。ハウジングは、２つのベアリングアセンブリを備えていてもよく、第１のベアリングアセンブリは、ハウジング及びセンターシャフトの第１の端部に設けられてもよく、第２のベアリングアセンブリは、第１の端部とは反対側のハウジング及びセンターシャフトの第２の端部に設けられてもよく、第１のキャップの内側部分は、第１のベアリングアセンブリに近接した位置でセンターシャフトに結合され、第２のキャップの内側部分は、第２のベアリングアセンブリに近接した位置でセンターシャフトに結合されてもよい。

別の態様では、電気機械用のロータが提供され、ロータは回転軸を中心に回転するように構成される。ロータは、永久磁石のアレイをその上に支持し、回転軸と同軸の長手軸を有するロータドラムと、ロータドラムを支持するためにロータドラム内に入れ子構造なっており、ロータドラムと同軸でそれに結合しているハブとを備える。アレイ内の磁石は、その間にプッシャー永久磁石によって分離された一連の交互極性永久磁石を備えたハルバッハアレイを提供するように配置され、プッシャー永久磁石は、交互極性永久磁石に対して横方向の極性を有する。プッシャー磁石は、半径方向の厚さが交互極性磁石の半径方向の厚さより小さい。ロータドラムは、周方向に連なる交互キャスタレーションと、交互極性磁石を支持するように配置された凸部と、プッシャー磁石を支持するように配置された凹部と、を備えている。

交互キャスタレーションの寸法は、それぞれの凸部及びそれぞれの凹部に取り付けられた交互極性磁石及びプッシャー磁石が同じ半径方向範囲を有するように選択される。ロータは、ロータドラムの円周の周り及び永久磁石の周りに延びるラッピング層又は巻線層を備えていてもよく、ラッピング層又は巻線層は、使用時にロータが回転軸を中心に回転するとき、ラッピング層又は巻線層が永久磁石に働く遠心力を少なくとも部分的に打ち消すように配置されている。

別の態様では、電気機械用のロータが提供される。ロータは、回転軸を中心に回転するように構成されている。ロータは、回転軸と同軸の長手方向軸を有し、永久磁石をその上に支持するためのロータドラムと、ロータドラムを支持するためにロータドラム内に入れ子構造に設けられ、ロータドラムと同軸であるハブと、ロータドラムをハブに結合する円錐台ディスクを形成する少なくとも一つのスポークと、を備えている。

いくつかの例では、ロータは、長手方向軸に沿って第２の距離でロータドラムをハブに結合する第２のスポークを備えている。第２のスポークは、円錐台ディスクを形成してもよい。

いくつかの例では、ロータは、少なくとも１つのスポーク、ハブ、及びロータドラムによって囲まれた空洞を備えている。空洞は、その中に冷却剤を受け入れるように構成されてもよい。空洞は、発泡アルミニウムのような多孔質低密度材料で、少なくとも部分的に充填されていてもよい。

いくつかの例では、スポークの材料の重量を減らすために、１つ以上の開口部がスポークディスクを貫通して延びている。開口部は、流体を取り込んだり、空洞から流体を排出するような形状/角度にしてもよい。

いくつかの例では、第１と第２のスポークは、回転軸を横切る平面に関して互いに鏡像になっている。

いくつかの例では、少なくとも１つのスポークは、回転軸に対して鋭角であり、例えば、３度から３０度の間である。

いくつかの例では、ロータは、ロータドラムに結合された永久磁石のアレイからなり、アレイの磁石はハルバッハアレイを形成するように配置されている。磁石のアレイは、ロータドラムの内部及び／又はロータドラム上に配置されてもよい。

いくつかの例では、ロータは、ロータドラムの円周及び磁石のアレイの周囲に延びるラッピング層又は巻線層を含み、ラッピング層又は巻線層は、使用時にロータが回転軸を中心に回転するとき、永久磁石に作用する遠心力に少なくとも部分的に対抗するように配置されている。巻線層は高い引っ張り強度を有していてもよく、例えば巻線層はステンレス鋼又は繊維強化ポリマーを含むか、又はこれらから成っていてもよい。

いくつかの例では、長手方向又は回転軸におけるスポークディスクの厚さは、長手方向軸に直交する半径方向におけるロータドラムの厚さとほぼ同じである。いくつかの例では、長手方向又は回転軸におけるスポークディスクの厚さは、ドラムの軸方向長さの１０％以下、好ましくはドラムの長さの５％以下と等しいか、又はそれ以下である。いくつかの例では、ロータドラムの長手方向軸における長さは、ハブからロータドラムまでのスポークディスクの半径よりも大きい。

一部の例では、ハブはシャフトに干渉嵌め合いで取り付けられている。

いくつかの例では、スポークの少なくとも１つとハブとの間に凹部が形成され、凹部は、ロータ位置センサがロータドラムの長手方向範囲内に少なくとも部分的に入れ子構造になるように凹部に取り付けられたロータ位置センサを収容し、スポークは、ロータの位置をロータ位置センサに示すためのロータ位置インジケータを備え、ロータ位置センサは、凹部内に配置される。

いくつかの例では、ロータは、ドラムに結合された磁石からの渦電流を低減するように構成されたロータドラムに結合された内側フラックスリングを備えている。さらに、いくつかの例では、ロータは、ロータドラムに結合され、永久磁石の周りにある外側フラックスリングを備えている。

いくつかの例では、ロータドラム、ハブ、及び少なくとも１つのスポークは、一体的に形成される。例えば、それらは、鋳造、押出成形、３Ｄ印刷、又は繊維強化複合材から製造されてもよい。

別の態様では、上述したいずれかの態様のロータを含むワイドギャップＤＣ電気モータが提供される。

図１は、ステータ及びハウジングの内側に配置した中空キャップロータを示す。 図２は、界面がない一体型として製作した、ドラム部、キャップ部、及びシャフト部を有する中空キャップロータを示す。 図３は、ロータ製造時に別々に製造され、取り付けられ、固定される、円筒形のドラム部、２つのスポーク付きキャップ部、及びシャフト部を有する中空キャップロータを示している。 図４は、軸部とキャップ部とを含む一方の結合部と、ドラム部とキャップ部とを含む結合部の２つの結合部を含む中空キャップロータを示す。 図５は、磁石アレイを組み合わせたロータを示す。ディテールは、ハルバッハ磁石アレイ及び薄いスチールライナーの磁石カバーを示す。 図６は、軸部が薄厚の逆ボトル型のロータを示す。ここでは、ベアリングは一方の端がシャフトの外側にあり、もう一方の端がシャフトの内側にある。 図７は、単純な成形による製造を可能にするために広い開口部を有するスポークキャップとしてデザインされた２つのキャップ部を備える中空キャップロータを示す。 図８は、非常に薄いコンパクトな壁からなる円筒形のドラム部と、その内部の泡状又は海綿状構造とを含む中空キャップロータを示す。 図９は、繊維強化材料の層によって覆われ、スポンジ材料を含むキャップ部によってシャフト部に取り付けられるハルバッハ磁石アレイを外側に担持する繊維強化ドラム部を示す。 図１０は、ドラム部の内側に取り付けられた磁石アレイと、半径方向に磁石を固定し、ドラム配置をシャフト部と接続するキャップ部とを有する中空キャップロータを示す。 図１１は、ドラム部の内側に取り付けられた磁石アレイと、磁石を軸方向に固定し、ドラム配置をシャフト部と接続するキャップ部とを有する中空キャップロータを示す。 図１２は、シャフト部のキャップ部のバリエーションを示す。 図１３は、キャップ部のデザインのバリエーションを示す。 図１４ａは、ロータ用の磁気アレイの例を示す。 図１４ｂは、ロータ用の磁気アレイの例を示す。 図１５は、１つだけエンドキャップ部を有するロータの例を示す。 図１６は、変形後のロータの一例を示す模式図を示す。 図１７は、２つのエンドキャップ部を有するロータの例を示す。

次に、本開示のいくつかの例について、図を参照しながら、例示的にのみ説明する。図では、同様の要素を示すために、同様の符号が使用される。

本開示の実施形態は、回転性能が向上した電気機械用のロータを対象とする。実施形態は、また、ロータ上に磁石のハルバッハアレイを利用することができる。

ここで、ロータの一例を、図１を参照して説明する。

図１は、中空キャップロータ２（ロータ２は後述の図２に詳細に示す）からなる電動機１の一例の断面を示している。ロータ２は、ハウジング４の内部で一対の軸受３によって位置決めされている。ハウジング４は、フラックスリング８と、フラックスリング８の内側にあるステータ巻線７を備えている。ロータ２は、ステータ巻線７の内側に位置し、エアギャップ９によって分離されている。底板５は、ハウジング４を閉じ、ロータ２のベアリング３を固定／支持するために使用される。

ロータ２は、外側に磁石アレイ６を担持するロータドラム５０を提供するが、他の例では、磁石アレイ６はロータドラム５０の内側に担持されてもよいことが理解されよう。示された例では、磁石アレイ６はハルバッハアレイである。ロータ２は、ロータの回転軸を中心に回転するためのセンターシャフトからなるハブ２０を備えている。また、ロータ２は、２つのキャップ３０（図２に良く示されている）と、ドラム部又はロータドラム５０とを含んでいる。２つのキャップ３０は、ロータドラム５０を支持し、ハブ２０に結合する。したがって、２つのキャップ３０及びロータドラム５０は、図８に示すように（そして、以下で詳細に説明するように）、中空であってもよいし、充填材４０で充填されていてもよい空洞を画定する。充填材４０は、冷却剤及び／又は発泡アルミニウムのような低密度材料であってもよい。図示の例では、ロータドラム５０は円筒形であり、ハブ２０と同軸である。

図示の例では、２つのキャップ３０は、ロータドラム５０の回転軸又は長手方向軸を横切る軸に対して互いに鏡像である。図示の例では、２つのキャップ３０はそれぞれ、ロータ２の回転軸に対して鋭角になっている。例えば、キャップ３０はそれぞれ、ハブ２０に結合される内側領域から、ドラム５０に結合される外側領域まで延びている。各内側領域は、外側領域に対して回転軸の長さ方向に沿って異なる位置に配置されている。このように、キャップ３０はテーパー状である。図示されるように、キャップ３０の各狭い端部（内側領域）が、キャップの広い端部（外側領域）よりもセンターシャフトのそれぞれの端部に近い位置にあるように、それらは外側にテーパー状である。図示の例では、２つのキャップ３０はそれぞれ、それぞれの固体円錐台ディスクを形成している。しかしながら、他の例では、キャップ３０はそれぞれ固体ディスクを形成しないかもしれないが、離散的要素からディスク状の形状を形成してもよい－例えば、各キャップ３０は（例えば、自転車の車輪に似た）一連の又は複数のスポーク状の要素から構成されてもよい－ことが理解されるであろう。また、これらは錐体状である必要はないことが理解されよう。その代わりに、他の幾何学的形状が提供されてもよい（例えば、内側領域が外側領域から軸方向にオフセットされている場合）。複数のスポークが設けられる場合、これらは、円錐台ディスク状の形状を形成するように配置されてもよいが、その間に離散的なギャップ又は開口部が設けられてもよい。いくつかの例では、キャップ３０は、キャップ３０の材料の重量を減少させるように、及び／又は、例えば冷却を助けるためにロータドラム５０によって囲まれた空洞に流体（空気等）を取り込むように、（例えば、より詳細に後述する図６に示すように）一つ以上の開口部を備えてもよい。

ロータ２のドラム部５０とフラックスリング８との間のステータ巻線７の径方向の厚さは、フラックスリング８の径方向の厚さとほぼ同じか、フラックスリング８よりもさらに厚い。ロータドラム部５０の長さ及び直径は、（図１に示すように）同じ大きさであってもよいが、他の例ではロータドラム部５０の長さが直径よりも実質的に長くてもよいことは理解されよう。

図１に示す磁石アレイ６を有するロータ２は、ステータ巻線７に触れることなく一対の軸受３を中心に自由に回転するようにデザインされており、ステータ巻線７とはフリーエアギャップ９で分離されている。ロータ２を内部に有する機械１は、モータとして機能することができるとともに、発電機としても機能することができる。ロータ２は、シャフト２０の荷重受け部２６に結合された荷重受けコネクタ３４を介して、芝刈り機の刃やトラクションホイールのような別の回転部に動力又は荷重を伝達するようになっている。ステータ巻線７は、好ましくは、半径方向に厚いギャップレス巻線（図示）であるが、異なるタイプの巻線（図示せず）でもよい。

上述したように、図２は、図１のロータ２の断面をより詳細に示している（マグネットアレイ６は図示せず）。図から分かるように、ロータドラム５０は比較的薄い（各キャップ３０の厚さより薄い）。図示の例では、ロータドラム５０、キャップ３０及びハブ２０は、一部品の装置を形成するように（例えば同じ材料から）一体的に形成されている。図示の例では、ハブ２は中空シャフトを形成しており（内部に空洞２２を形成している）、これは必須ではないが、安定性をあまり失うことなく重量を減らすことができる。例えば、ロータ２は、３Ｄ印刷や他の加法的製造技術によって製造することができる。

キャップ３０は、第１の接続領域３３でハブ２０に結合され、第２の接続領域３４でロータハブ５０に結合される。ほぼリング状の接続領域３３及び３４は、応力が最適化された形状で形成されてもよい。フライス加工又はより安価な製造技術を可能にするために、キャップ３０のデザインは最適化されてもよい（図７参照）。キャップ３０は、平坦な垂直回転平面から離れた円錐角３１を有する（すなわち、ロータ２の回転軸を横切る平面に対して角度３１を有する）円錐形を示す。円錐角３１は、曲げ力に対する高い安定性と、シャフト２０とドラム５０との間のより良い荷重伝達とを得るために好ましい。キャップ３０の第１及び第２の接続部３３，３４は、応力緩和のためにデザインされており、２つの接続部３３，３４の間にあるキャップ３０の主要な壁部よりもわずかに厚くなっている。

図示の例では、ロータハブ５０は、各キャップ３０が第２の接続領域３４でハブに結合するところを越えて長手方向又は回転軸方向に延びている。これにより、ロータドラム５０の近い方の端部に第１のオーバーハング５２が残され、ロータドラム５０の遠い方の端部に第２のオーバーハング５３が残される。図示の例では、キャップ３０は、互いに対して内側に広がるように構成されている、すなわち、キャップ３０のハブ２０との接続領域３３は、キャップ３０のロータドラム５０との接続領域３４よりも長手方向又は回転軸において互いに大きく離間している。しかしながら、他の例（図１１に示され、以下で詳細に説明されるもの等）において、キャップ３０は、キャップ３０のハブ２０との接続領域３３がキャップ３０のロータドラム５０との接続領域３４よりも長手方向又は回転軸において互いに近くなるように反対方向に広がってもよいことは理解されるであろう。

図３は、ロータドラム５０と２つのキャップ３０とシャフト２０とを有するロータ２の他の例を示し、ここではこれら４つの部品が別々に製造され、ロータ製造中に取り付けられ固定される。この例では、各キャップ３０は、複数の開口部３５を備えている。開口部３５は、ロータ２の重量を減少させ、ロータ２の冷却を助けるために、キャップ３０とロータドラム５０とによって囲まれた空洞に空気のような流体が流れ込むことを可能にする。この例では、開口部３５は、各接続部３３，３４の間のキャップ３０の壁部に形成されている。図示の例では、開口部３５は一般にＤ字形であるが、他の例では、開口部はしずく形などの他の形状を取ることができることが理解されよう。例えば、キャップの内側領域をキャップの外側領域に結合するキャップ３０の部分は、スポークで構成されてもよい。スポークは、内側領域から外側領域に向かって半径方向外側に延びていてもよく、例えば、真っ直ぐ（一定方向）に延びていてもよい。

この例における部品間の接続領域３３、３４は、圧入及び／又は接着剤による接合を作り出すようにデザインされているが、追加的又は代替的に、界面は溶接による接合を作り出すようにデザインすることもでき、溶接は外側から行うことができる。部品の製造は、鋳造、圧力成形、鍛造、フライス加工、又はその他の利用可能な方法によって行うことができる。ここでは、このバージョンを１部品１ピースと呼ぶ。部品の材料は、ドラム部、キャップ部、及びシャフト部の潜在的に異なる材料最適化結果に従って、同じであっても異なっていてもよい。接続部３３、３４は、応力緩和と、より良い取り付けのためにデザインされている。より良い安定性のために、特にキャップ部品３０を取り付ける際に、部品の接続領域３３、３４にポリマーのような接着材や溶着材を加えてもよい。

図４は、「２部品」デザインで作られるロータ２の他の例を示す。図４に示す例のロータ２は、それぞれ２つの部分を構成する２ピースで構成されている。結合部品である一方のピースは、シャフト部２０と第１キャップ３０とを備えている。他方のピースは、ロータドラム５０と第２キャップ３０とを備えている。２つの組み合されたピースは、一緒に押し込むか、ねじ込むか、プレスするか、又は溶接することができ、その後、ピース間に２つのリング状の界面を有するロータ２を形成し、全体として、安定性は高いが軽量かつ低コストのデザインでロータドラム５０、キャップ３０及びシャフト２０を構成する。

図示の例では、キャップ３０の１つは、ロータ位置センサ８２によって検出される円周パターン又は構造体８１を備えている。円周パターン又は構造体８１は、ホールセンサによって検出され得る幾何学的又は光学的構造又は多数の磁石であってもよい。図４に示す例では、ロータ位置センサ８２は、キャップ３０とロータドラム５０のオーバーハング５２との間の凹部に形成されている。ロータ２の回転中、ロータ位置センサ８２は、通過する円周パターン又は構造体８１を感知しながら、正確なセンサ信号を与えるようにデザインされている。ロータ位置センサ８２は、ロータ２の一部である磁石アレイ６０の磁場を利用することもできる（図示せず）。

図５は、ロータドラム５０の外側に円筒形の磁石アレイ６０を取り付けたロータ２の他の例を示している。磁石アレイ６０は、磁石を遠心力に抗して保持するために、例えば薄いシートメタルライナー又は炭素繊維強化ライナーから作られるラッピング層又は巻線層のような磁石カバー６５によって取り囲まれている。磁石アレイ６０は、交互に配向するメイン磁石６１、６２と、メイン磁石の間のプッシャー磁石６３からなる円筒形のハルバッハアレイであってもよい（ディテール図に示すように）。

図４に示した例と同様に、図５のロータ２は、ロータ位置を測定するためのセンサアセンブリ８０を備えている。図示の例では、１つのキャップ３０は、キャップ３０とロータドラム５０との間に形成されたオーバーハング５３に、センサ的なパターン又は構造体８１を担持している。センサ的なパターン又は構造体８１は、ロータ２の回転の際に、位置センサ８２にセンサ信号を誘導するように配置されている。このセンサ信号は、モータ動作の場合にステータ巻線７の作動を制御するために使用される。図示の例では、ロータ位置測定の非常に高い角度分解能を得るために、センサパターン又は構造体８１は、円周方向に配置された双極磁石と、ホールセンサ群を備えている。

磁石アレイ６１、６２、６３は、接着力のみ（図示せず）で取り付けられてもよいし、接着材で取り付けられて、ラッピング層又は巻線層のような円周方向の磁石カバー６５によって固定されてもよい。ロータ２が使用時に回転軸を中心に回転しているとき、ラッピング層又は巻線層は、永久磁石６０に作用する遠心力を少なくとも部分的に打ち消す。あるいは、磁石アレイ６０は、永久磁石６０に作用する遠心力に対抗するように作用し得るドラム部５０（図示せず、図１０及び図１１参照）の内側に取り付けられてもよい。

図６は、他の例のロータ２を示す。図３に示す例と同様に、図６に示す例では、キャップ３０は、材料のない、又は実質的にはるかに薄い壁厚を有するＤ字型開口部３５を備えている。開口部３５の間のスポーク領域３６は、回転中の換気効果を得るために（例えば、ロータドラム５０とキャップ３０によって形成される空洞に流体を巻き込むために）平面から（キャップ３０の残りの部分から）又は円錐から外れてデザインされてもよい。

図７は、この例では、例えば簡単な鋳造工具を用いた鋳造によって製造することができる「１ピース」デザインを有する別の例のロータ２を示す。鋳造は、キャップ３０のデザインのために容易になり得る。第１のキャップ３７及び第２のキャップ３８は、デザイン上類似しているが、ロータハブ２０上の方向が異なる（すなわち、一方が他方に対してハブ２０上でツイストするように）。図７に示すキャップ３０は、円錐形のデザインを有するが、これは任意であることが理解されよう。一体型ロータ２として鋳造又はフライス加工するための好ましいデザインは、２つのキャップ３７、３８の間にツイスト角があることを特徴としている。キャップ３０は開口部３５を備え、成形又はフライス加工工具は、それぞれの開口部３５を通してキャップ３０を貫通し、キャップ３０の間の空洞に到達することができる。ロータハブ２０上のキャップ３０の向きが異なるため、成形又はフライス工具は、一方のキャップ３０の開口部３５と他方のキャップ３０の開口部３５との間の相対的なオフセットにより、空洞内の領域にアクセスすることができる。

いくつかの例では、ロータ２は、１つのキャップ３０のみ備えてもよい。図８は、ロータドラム５０及びシャフト２０と組み合わされた１つのキャップ３０のみを有する別の例のロータ２を示している。ロータドラム５０の内部空間又は空洞は、少なくとも部分的にスポンジ状の低密度材料４０で充填されている。この低密度部分の材料は、ロータドラム５０を中心にして回転中の円形精度を確保するために、発泡アルミニウムのような発泡材料、印刷構造物、又は軽量であるが安定した任意のタイプの材料である。また、この材料は、非フェライト系で強磁性体ではなく、ドラム５０とシャット２０に接続されているためロータ２の回転に追従する。

低密度材料４０は、１つのキャップ３０、あるいはすべてのキャップ３０と置き換わってもよい。好ましいデザインでは、キャップ３０は、穴又は開口部３５を有していない。低密度材料４０は、ロータドラム５０とハブ２０との間の開口部に押し込まれてもよく、及び／又はこの開口部の内部に形成されてもよく、及び／又は低密度材料４０が支持体として作用してロータドラム５０が低密度材料４０上に後付けで取り付けられてもよい。

図９は、２つのキャップ３７、３８を備え、ロータドラム５０、キャップ３７、３８及びハブ２０の間の容積の主要部分を充填する低密度充填材４０を備えた別の例のロータを示している。この容積の充填は安定性を高めるだけでなく、非常に薄厚のキャップ３０及び非常に薄厚のドラム５０を据え付けることを可能にする。

図示の例では、キャップ３０の一方（第１のキャップ３７）のみが錐体形状を有し、他方のキャップ（第２のキャップ３８）はハブ２０の周囲に平坦なディスクを形成する平坦形状である。図示の例では、中空ハブ２０は２段階の直径を有し、中空ハブ２０の直径はロータドラム５０の軸方向位置で大きく、ベアリング３の近傍で小さくなっている。このデザインは、例えば、繊維強化材を用いた複合ハブ部品や、冷却目的に使用することができる。

好ましい例では、この２段階直径のハブ２０は、中空ハブ２０の内部を通して冷却液を移送するために、冷却システムの一部として使用することができる。

好ましい例では、磁石の円筒形配置を有する磁石アレイ６０は、繊維強化カバー６５により、又は金属カバー６５により包まれる。炭素繊維カバー部品は、金属カバー部品よりもさらに剛性及び強度が高い。金属カバー部品は、好ましくは０．５ｍｍより薄い。

上述したように、いくつかの例では、ロータハブ５０が使用時に磁石アレイ６０に掛かるあらゆる遠心力に対抗して作用できるように、磁石アレイ６０はロータハブ５０の内側に配置されてもよい。図１０は、ロータドラム５０の内部に磁石アレイ６０を有するこのようなロータ２の例を示している。この例では、キャップ３０は、ロータドラム５０に対して磁石アレイ６０を固定し、高負荷及び高回転速度下でもこの位置に留まるようにするために用いられる（例えば、キャップは、ロータ２の長手方向又は回転軸における磁石アレイ６０の移動を抑制又は防止することができる）。磁石アレイ６０のロータハブ５０及び／又はキャップ３０への固定を支持するために、接着材が使用されてもよい。磁石６１、６２、６３はロータドラム５０に囲まれているので、追加の磁石カバー６５やライナーは不要である。ロータドラム５０は、繊維強化複合材のオーステナイト系ステンレス鋼のような強磁性でない材料から作られることが好ましいので、ロータドラム５０は、磁石アレイ６０と外側フラックスリング８（図示せず）の間の磁気エアギャップの一部となる。特にハルバッハアレイを使用する場合、磁場は主に半径方向外側に押し出され、ロータドラム５０の内側と磁石アレイ６０の内側にはほんの少しの磁場しかない。

図１１は、ロータドラム５０の内部に磁石アレイが取り付けられたロータ２の他の例を示しているが、この実施形態では、両方のキャップ３０が円錐台ディスクを形成し、両方のキャップ３０がロータドラム５０に直接接続される。図１１は、また、キャップ３０のハブ２０との接続領域３３が、キャップ３０のロータドラム５０との接続領域３４よりも長手方向又は回転軸において互いに近づくように、キャップ３０が反対方向に広がっていてもよいことを示す。

図１１に示す例では、磁石アレイ６０は、キャップ３０が長手方向又は回転軸に沿って磁石アレイ６０を拘束するように、キャップ３０によって軸方向に位置決めされるが、半径方向には位置決めされない。この例は、ロータドラム５０を、磁石アレイ６０よりも長く、長手方向又は回転軸においてアクティブ巻線よりも長くし、さらに外側フラックスリング（全て図示せず）よりも長くするものである。それにもかかわらず、この例の利点は、磁石を機械的に安定したロータドラム５０の内部に正確かつ安全に固定することができることである。さらに、磁石アレイ６０は、キャップ３０がしっかりと密閉されると同時に、湿度や攻撃的な物質から保護することができる。その結果、追加の磁石カバー６５が必要ない場合もある。

キャップ３０とシャフト２０とを連結した場合、軸方向内側の位置３３は、キャップ３０とシャフト２０との融着領域の機械的中心であり、軸方向外側の位置３４は、キャップ３０とドラム５０との融着領域である。この組み合わせにより、シャフト２０が非常に短くなり、コンパクトな低重量デザインが可能となる。

図１２ａ及び図１２ｂは、ハブ２０上のキャップ３０の異なる配置を示す。キャップ３０は、異なってもよいし同じでもよい円錐角３１及び３９を有する円錐形のデザインを有することが好ましい。また、図１２ａ及び１２ｂに示すように、キャップ３０の内側及び外側の直径は、各キャップ３０が異なる半径方向範囲に延びることができるように、異なっていてもよい。キャップ３０の軸方向は、図１２ｂに示すように同じであってもよいし、図１２ａに示すように異なっていてもよい（例えば、長手方向又は回転軸を横切る平面について対称であってもよい）。

図１２ａは、２つのエンドキャップ３０、３８を有する例を示している。第１のエンドキャップ３０は、（長手方向又は回転軸に沿って）正の軸方向位置差を有する。第２のエンドキャップ３８は、（長手方向又は回転軸に沿って）負の軸方向位置差を有し、この例では、第１のエンドキャップ３０に対してより小さな半径方向の広がりを有する。これは、異なる内側ドラム半径を有するドラムに使用され得る。

図１２ｂは、２つのエンドキャップ３０、３８を有する異なる例を示している。ここでは、第２のエンドキャップ３８は、シャフト２０に対して、第１のエンドキャップ３０とは異なる角度にある。

図１３ａ、図１３ｂ及び図１３ｃは、本開示の例示的なロータ２に使用され得る例示的なキャップ３０の異なるデザインを示す。

図１３ａにおいて、キャップ３０の好ましいデザインは、円錐形又は円錐台ディスク形状を有する形状を備え、（長手方向又は回転軸に沿って）外側と内側の軸方向位置の間に正の差分を有するエンドキャップ３０を示す。この円錐台ディスク形状は、微動に対する高い安定性を実現する。フラットキャップ３０のデザインと比較して、円錐／円錐台構造は、より剛性が高い。このようなエンドキャップは、金属やカーボン強化材料などの剛性の高い材料で作られてもよい。これらは、シャフトに固定するためにデザインされている。キャップ３０の剛性は、特に取り付け及び固定手順にとって重要である。この例では、キャップ３０は、円錐形又は円錐台ディスク形状を提供するために直線状であるが、他の例では、キャップ３０は、同様の形状、例えば放物線状、双曲線状、又は疑似球面状（又はホーン状）を提供するために曲線又はカップ状でもよいことが理解されるであろう。

図１３ｂでは、（長手方向又は回転軸に沿った）軸方向の位置にほとんど又は全く差がない、平らなディスク状の形状を有する（すなわち、シャフト２０に垂直な）キャップ３０が示されている。本実施例のキャップ３０は、少なくとも部分的に弾性体であってもよい。しかし、ハブ２０に対するキャップ３０の位置の精度は、あまり良くないであろう。

図１３ｃでは、圧力成形プロセスによって形成されるシートメタルから作られる２つのキャップ３０が示されている。キャップ３０とハブ２０との間の接続領域３３及び３４が安全かつ安定した取り付けのためにデザインされている限り、キャップ３０の壁厚は、１ｍｍ以下の非常に薄いものであってもよい。また、キャップ３０は、ハブ２０への取り付けを容易にするために、異なるデザイン、直径、円錐角が用いられてもよい。図１３ｃは、シャフト、鏡面構成の２つのエンドキャップ３０、３８、及び外側ドラム表面５０と半径Ｒ.５１を有する内側ドラム表面５１とを有するドラム５０との組合せを示す。図１３ｃは、完全に対象で理想的な状況を示し、薄い材料の壁で非常に軽量なデザインになっている。２つのエンドキャップ３０、３８を使用することで、非常に高い安定性がもたらされる。２つのエンドキャップ３０、３８、及び中心性によってもたらされる高度な安定化の結果として、ドラムチューブ５０の壁厚は、例えば１～４ｍｍに低減することができる。これらのエンドキャップ３０、３８のデザインは、代替的に、シャフト２０又はドラム５０又はその両方と融合されてもよい。

次に、本開示のさらなる実施例を、図１４ａ及び図１４ｂを参照しながら説明する。

図１４ａ及び図１４ｂは、図１～図１３のいずれかに示されるロータなどのロータ２用の磁気アレイ３４０を例示する。図１４ａに示されるロータは、上端キャップ３４８及び下端キャップ３４９を含む。磁気アレイ３４０は、複数のメイン磁石３４５と複数のプッシャー磁石３４６とを備えている。

磁気アレイ３４０は、ハルバッハアレイを提供するように配置されてもよい。複数の磁石は、ロータドラム５０の周囲を覆っていてもよい。アレイ３４０の各磁石は、ドラム５０の円周の選択された部分を覆ってもよく、例えば、各磁石は、円周の領域に対してアレイ３４０の長手方向の範囲を覆うことになる。円周の周りを移動すると、メイン磁石３４５はプッシャー磁石と交互になる（例えば、後続のメイン磁石３４５がプッシャー磁石によって分離され、各メイン磁石がその両脇にプッシャー磁石３４６を有するように）。メイン磁石３４５は、一連の交互の極性を提供するように配置される。後続の各メイン磁石は、（アレイ３４０の円周を横断するとき）その先行するメイン磁石と反対の極性を有する。プッシャー磁石３４６は、メイン磁石３４５の交互の極性に対して横向きの極性を有するように配置される。各後続のプッシャー磁石は、その先行するプッシャー磁石に対して反対の極性を有することになる。

ハルバッハアレイの磁石は、異なる形状及び／又はサイズであってよい。磁石は、アレイ３４０の半径方向外側の表面において互いに平らになるように、例えば、磁石アレイ３４０の外側表面が一定（半径が一定）となるように配置されてもよい。図１４ａ及び図１４ｂに示すように、プッシャー磁石３４６は、メイン磁石３４５よりも幅が狭くてもよい。すなわち、各プッシャー磁石は、各メイン磁石よりも小さい部分の円周上に延在していてもよい。プッシャー磁石３４６は、メイン磁石３４５よりも深くてもよい。すなわち、プッシャー磁石３４６は、メイン磁石３４５よりも大きな半径方向の長さに沿って延在していてもよい。アレイ３４０の周囲には、選択された数の磁石が存在してもよい。磁石の総数（プッシャー及びメイン）は、例えば、８、１６、３２、６４などであってもよい。

ロータドラム５０は、意図された磁気アレイ３４０に対応する外面を有するように配置されてもよい。例えば、ロータドラム５０は、一連の交互の凸部を有していてもよい。ロータドラムの外表面の各凸部は、特定の磁石（プッシャー又はメイン）用に選択されてもよい。各凸部は、それが受け取ることを意図される磁石に基づいて選択される、対応する幅及び深さを有してもよい。幅及び深さは、凸部が意図された幅の磁石を受け取ることができ、磁石が凸部に挿入されたとき、磁石の半径方向の広がりが選択された半径になるように（例えば、各磁石の外側半径方向表面が同じ半径になるように）選択されてもよい。

磁石アレイ３４０は、磁石の一方の側に強い磁場を提供するが、他方の側にははるかに弱い磁場を提供するように配置されてもよい。例えば、ハルバッハアレイを使用して、この機能が提供されてもよい。ロータドラムの磁石アレイ３４０は、強い磁界側が半径方向外側（例えばステータの巻線方向側）になるように配置されてもよい。また、プッシャーとメイン磁石３４５の幅及び深さを選択して、さらに片側磁場の分布を持たせてもよい。すなわち、磁石アレイ３４０の磁石は、ロータの半径方向内側の構成要素に伝達する磁場を抑制するように配置されてもよい（例えば、インジケータ及び／又はロータの回転等の他の構成要素に干渉する場合）。例えば、図１４ｂは、アレイ３４０の各磁石の磁化ベクトルの方向を指し示す矢印を示す。この配置は、磁気アレイ３４０／ロータドラムの半径方向外側に強い磁場を有し、半径方向内側に弱い磁場を有するハルバッハアレイを提供し得る。

また、図１４ａには、ロータ２用のエンドキャップが示されている。エンドキャップは、ロータドラムの上部及び／又は下部を覆う（例えば、シールする）ために設けられてもよい。エンドキャップは、ロータドラム及び／又はハブに（例えば、ベアリングインターフェースを介して）結合され、その間の相対的な回転を可能にする。一方又は両方のエンドキャップは、ロータ２が回転している間、静止するように構成されてもよい。エンドキャップは、１つ又は複数のセンサを含んでいてもよい。例えば、エンドキャップは、エンドキャップ内に円形に配置された複数のセンサを有していてもよい。センサは、ロータ位置インジケータを検出するように構成されていてもよい（例えば、センサは、ホール効果センサであってもよい）。センサは、磁場の複数の測定値を提供するために協働するように構成されてもよい（例えば、インジケータの移動によってもたらされる変化する磁界に基づきロータの回転位置を特定するために）。

本開示の文脈において、図に示された例は、限定的であるとみなされるべきでない例であることが理解されよう。例えば、異なる図に示された組み合わせは、ロータ２のための例示的な構成要素を説明するためのものである。これらの構成要素は、示された組み合わせで提供されてもよいし、異なる組み合わせで提供されてもよい。例えば、本開示の実施形態は、上部及び／又は下部エンドキャップ、又は全くエンドキャップを含まなくてもよい。いくつかの例では、キャップ３０はエンドキャップの機能性を提供してもよい。実施形態は、ロータ２の位置検出のために内部及び／又は外部センシングを利用してもよい（例えば、ロータドラム５０内で入れ子になっているセンサが提供されてもよく、又はロータドラム５０の外側にあるがロータドラム５０の移動を検出し得るセンサが提供されてもよい）。例えば、キャップ３０の１つの上又は中にではなく、ハブ２０に接続された位置インジケータを使用する別個のセンサ配置が提供されてもよい。センサ／インジケータの組み合わせの特定のタイプが限定的であると見なされないことが理解される。インジケータは、それらが提供する結果としての磁場、又はその欠如に基づいて検出されてもよい（例えば、インジケータは磁性体であってもよいし、磁性材料の欠如であってもよい）。実施例では、位置検出はホールセンサを使用しないことがあり、代わりに、超音波／赤外線検出及び／又は誘導検出等の他の検出手段を利用してもよい。

本開示の実施形態は、磁石６０のアレイにハルバッハアレイを利用してもよい。代替的に、磁石の異なる配列が利用されてもよい。アレイ６０内の磁石は、同じサイズ及び／又は形状であってもよいし、これらは異なっていてもよい。アレイ６０の磁石は、ライナー（鋼鉄ライナーなど）によって所定位置に保持されてもよいし、他の手段（例えば、所定位置に保持するための接着剤又は固定手段）を用いてロータドラム５０に取り付けられてもよい。本明細書に開示されるハブ２０は、ハブと他の構成要素との間の相対回転を促進するために、１つ以上のベアリング配置３を用いてもよい。例えば、ロータドラムの片側又は両側に、ハブは、他の構成要素とハブの相互作用のためのベアリングインターフェースを有していてもよい。

本明細書に記載されたロータ２は、ロータ２の磁気アレイの回転を駆動するためのトルクを加えることによって、回転運動をセンターシャフトに伝達できるように構成されてもよいことが、本開示の文脈において理解されよう。実施形態は、回転を磁石からハブ２０に、そして、任意にハブ２０からシャフト２６に（例えば、干渉嵌め合いを介して）伝達するように構成された１つ又は複数の構成要素を含んでいてもよい。本明細書に記載のロータは、磁石６０のアレイを支持するためのロータドラム５０を備えてもよく、ドラム５０からシャフト２６への回転の伝達を容易にするために、ロータドラム５０をシャフト２６に結合するように配置されてもよい。この回転の伝達を促進するために、１つ以上のキャップ３０がドラム５０をシャフト２６に（直接的又は間接的に）結合するようにしてもよい。本明細書に記載されるハブ２０は、キャップ３０のシャフトへの結合を提供するために使用されてもよい（例えば、干渉嵌め合いを介して）。ハブ２０が構成要素の内側部分を表し、キャップ３０がロータドラム５０に結合するための外側部分を表すように、ハブ５０及びキャップ３０が単一の構成要素によって形成されてもよいことは、本開示の文脈で理解されるであろう。また、ドラム５０は、この単一の構成要素の一部であってもよい（又は、ドラム５０及びキャップ３０は、単一の構成要素であってもよい）。本開示の実施形態は、例えば発泡アルミニウム等の発泡材料により、１つ又は複数のハブ２０、ドラム５０及び／又はキャップ３０を提供する等、１つ又は複数の発泡材料を利用することができる。

ハブ２０とキャップ、及び／又は、キャップ３０とドラム５０は、その間に係合するための係合面を有していてもよい（例えば、係合面は、２つの構成要素が接合される接触ゾーンを備えてもよい）ことが理解されよう。前記係合面は、その間の回転の伝達を容易にするような形状であってもよい。例えば、ドラム５０の内側領域は、第１の形状を有していてもよく、キャップ３０の外側領域は、キャップ３０がドラム５０内に半径方向に挿入されたときに、２つの表面が一致して２つの構成要素を一緒に固定し、一方の回転によって他方を回転させることができるように、第１の形状に対応する形状を有していてもよい。例えば、前記形状は、星型形状（例えば、その間の係合のために一緒にロックする多数の対応する凸部及び凹部を有する）を提供することによって、１つ又は複数の角部を含んでもよい（例えば、それらは円形でなくてもよい）。ロータドラム５０の一部は、内側フラックスリングを形成してもよい。例えば、ドラム５０のある領域（又は全ての領域）は、内側フラックスリング機能を提供するために適切な材料であってもよい。

１つ以上のロータ位置インジケータ８１及び／又はロータ位置センサ８２が提供されてもよいことは、本開示の文脈で理解されるであろう。複数のインジケータ及び／又はセンサは、ロータ２の位置を決定する際に、より高い精度及び／又は信頼性を可能にし得る。インジケータの数は、センサの数に対応してもよい（例えば、同じであってもよい）。また、センサの配置は、インジケータの配置に対応してもよい。

ロータ２について言及されているが、本開示がロータを提供するためにシャフトに取り付けられてもよい構成要素を提供する（例えば、実施形態は、シャフトに結合され、ロータを提供するためにステータに配置される前記コンポーネントを提供し得る変換キットを提供してもよい）ことは、本開示の文脈で理解されるであろう。

いくつかの例では、ロータ２全体が繊維強化複合構造体から作られてもよい。これらの例では、ロータドラム５０は、円筒を形成する繊維構造体によって強化されてもよい。多数の繊維がロータドラム５０の繊維構造で織られ又は接続され、またキャップ（複数可）３０の繊維構造で接続されてもよい。また、ハブ２０は、ハブ２０と各キャップ３０とを接続する多数の繊維を有する繊維構造体から構成されてもよい。強化繊維は高い引っ張り強度を有していてもよく、ポリマーマトリックスと共に繊維強化複合構造体を構築する。繊維の配置は、手動で、又はプリプレグの助けを借りて、又は繊維層作成ロボットの助けを借りて配置されてもよい。このような繊維強化ロータ２は、最大限の安定性と最小限の重量を達成することができる。多数の繊維又は長繊維は、磁石アレイ６０を取り囲み、ロータの回転速度が非常に速い場合でも、磁石を正確に配置し続けることができる。

多くの例において、ロータドラム５０は薄厚の円筒形ドラムであることが理解されるであろう。このドラムは、キャップ３０と直接接続され、ひいてはハブ２０と接続されてもよい。この接続は、溶接でもよいし、圧入又はシュリンクフィットでもよいし、ロータ２は、例えば鋳造、又は加法的又は減法的製造技術により単一部品として製造されてもよい。

ロータドラム５０は、好ましくはドラム半径の１０％以下、最も好ましくはドラム半径の５％以下、極端に軽量な設計では１．５ｍｍ以下、あるいは１．０ｍｍ以下の薄い壁厚を有するほぼ円筒形の要素を備えている。

ロータドラム５０は、ドラム５０の軸方向両端部において、さらに薄い肉厚を有していてもよい。外径は同じであることが好ましいが、これらの領域におけるドラム５０の内径は、ドラム５０の軸方向中心の深さよりも軸方向両端で大きいことが好ましい。これは、マグネットアレイ６０へのボンディング固定の耐久性に有利である。

また、ロータドラム５０は、キャップ３０との接続のためにデザインされた領域を有してもよい。好ましい例では、ディスク部分のストッパーリングのように機能する直径の凹部がある。別の好ましい実施形態では、接続領域３４は、ドラム５０の１つの固体部分としてキャップ３０と接続される。

ロータドラム５０は、鋼又は炭素複合材のような高い引っ張り強度を有する材料から作ることができる。好ましくは、ドラム材料は、アルミニウムの導電率の１０パーセント未満又は３％未満でさえあるオーステナイト系ステンレス鋼のように、鉄と比較して中程度又は低い導電率を有する。

キャップ３０は、ロータドラム５０の直径に接続する外径と、ハブ２０の外径に接続する内径を有する。キャップ３０は、ドラム５０の軸方向長さの１０％以下、好ましくは５％以下の中肉厚の薄厚であることが好ましい。

キャップ３０は、好ましくは、３度から３０度の間の傾斜角度を有する円錐形のデザインを有する。しかし、いくつかの単純なケースでは、キャップ３０は部分的に平らであってもよい。平らなキャップ３０は、コストの観点から好ましいかもしれないが、その結果、安定性が低下するか、又は重量が増す可能性があることを考慮に入れなければならない。キャップ３０のデザインは円錐形である必要はなく、代わりに他の形状が使用されてもよい。例えば、キャップ３０の内側領域と外側領域は、互いに軸方向にオフセットされていてもよい。キャップ３０が半径方向外側に伸びるにつれて、その軸方向位置が一様に変化しない場合があり、例えば、軸方向変位の速度が半径方向伸長の増加に応じて変化する場合がある。

キャップ３０の平均肉厚は、好ましくは半径の１０％より薄く、好ましくは半径の５％より薄く、非常に軽量なバージョンでは半径の３％より薄い。好ましい円錐キャップディスクのデザインは、キャップディスクの一種のミラー対称性を利用して、ハブ２０に対する軸方向及び半径方向の動きに対してドラム５０を効果的に安定させる。

非常に好ましい実施形態では、キャップ３０は、円錐角度が３０度未満、又は平坦度２０度未満のより平坦な円錐形デザインを有する。円錐ディスクデザインは、特に、対称的又は少なくとも対向する向きで２つの円錐キャップ３０を有する好ましい実施形態において安定性を増加させる。

実施例では、ロータ２は、上述した図１に示すように、モータ又は発電機に使用されてもよい。このような例では、エアギャップ９が存在することになる。磁気エアギャップは、高透磁率の外側フラックスリング８とロータ２上の円筒形磁石アレイ６０との間に位置する。磁石アレイ６０を取り囲む金属ライナーが存在する場合があるので、磁気エアギャップには固体物質がないわけではない。そして、そのライナーを取り囲む空気の薄い層がある。次に、ステータ巻線７上の円筒形開口部の内側のコーティングのように、エポキシの薄い層が続いてもよい。次に、さらに半径方向外側に導電性巻線７が位置する。巻線７の導電層は、導電性領域と絶縁性領域とを備えている。導電性領域は、銅線のフィラメントであってもよい。ソリッドワイヤは、高周波での渦電流損失が激しくても、壁として使用されてもよい。

導電性巻線７の径方向の厚さは、磁石アレイ６０の径方向の厚さより小さくても大きくてもよい。広い磁気エアギャップは、半径方向に１～１０ｍｍの厚さ、好ましくは２～６ｍｍの厚さの銅巻線の厚い層を得るためにデザインされてもよい。ハルバッハアレイが使用され得るので、磁場はさらに広いギャップを貫通し得る。好ましい円筒形のハルバッハアレイは、磁場を外側に押し出し、ロータドラム５０の内部には低い磁場しか発生させない。

ロータ２とステータとの間の材料エアギャップ又はフリーエアギャップ９は、摩擦がなく、損傷のリスクのない回転運動を可能にする。フリーエアギャップ９は、磁気エアギャップよりもはるかに狭い。フリーエアギャップ９は、ほとんどが等距離であり、ギャップ距離は、好ましくは千マイクロメートル以下、最も好ましくは六百マイクロメートル以下である。好ましくは、フリーエアギャップは、ロータ２の半径の１．２％程度又は１．２％未満である。

磁気エアギャップは、実際のエアギャップ＋磁石６０の周りのライナー６５の厚さ＋ステータの内側コーティングの厚さ＋巻線７の厚さの合計である。そして、外側フラックスリング８がある。内側フラックスリングは存在しない場合もある。

図１５は、１つのエンドキャップ３０、中空ドラム５０、主に円筒形のシャフト２０のみを有するロータ２の理論上の例を示している。この例では、エンドキャップ３０は曲線状又はカップ状である。ドラム５０は中央に見える。ドラム２０及びディスク３０は、同じ材料で一体に／一体的に形成されてもよい。シャフトも同じ材料で作られ、全体の組み合わせが一体に／一体的に形成されてもよい。それにもかかわらず、このロータ２は、ドラム５０の軸方向の長さＬが大きいので、機械的安定性がやや低い。小さな角度偏差は、測定可能な、そして場合によってはロータ２の破壊的な変形をもたらすであろう。

この例では磁石は示されていないが、磁石はドラム５０の内側又は外側に取り付けられてもよいことが理解されよう。

ドラム５０は、３６０度の全周で一定の局所内半径Ｒ.５１を有する。実際の半径は、円に沿った角度位置と、ドラム上の軸方向位置の関数になる。実際のロータが理想的でない場合、静的及び動的不均衡が現れる。

図１６は、実際のロータ２の変形後の模式的なモデルを示す。この例では、エンドキャップ３０も曲線状又はカップ状である。変形は、製造時、取り付け時、使用時に発生することがある。芝刈り機のモータの場合、芝刈り機の刃が例えば石に当たったときに衝撃が発生することがある。このような衝撃は，高負荷運転時に頻繁に発生する。しかし、ロータは軽量であることが望ましい。

エンドキャップ３０が１つだけ使用される場合、ロータドラム５０は、シャフト２０の軸に対してその軸を傾ける可能性がある。これは、特にエンドキャップなしの開放端において、ロータの局所半径の大きな測定可能な偏差をもたらすことになる。ドラム５０と磁石はバランスを崩したまま回転し、問題はますます大きくなる。このため、エンドキャップ３０を１つだけ備えた単純な組み合わせでは安定性に限界があり、ヘビーデューティ用途には十分な耐衝撃性が得られない可能性があります。

ヘビーデューティ用途では、例えば図１～８及び図１０～１３を参照して上述したように、２つのエンドキャップ３０、３８を有する軽量ロータが好ましい実施形態である。

図１７は、カットアウト又は開口部３５（例えば、上述した図３に示すものと同様のもの）を有する２つのエンドキャップ３０、３８を有する高度に発展した実施形態を示している。このようなデザインは、鋳造、あるいは深鍛造を介した製造を可能にする。そして、軽量化のため製造後にフライス加工を行うことができる。例えば、その後のフライス加工は、エンドキャップのカットアウト又は開口部３５を通したオープンアクセスを利用して、機械工具２００又はレーザーを用いて実行されてもよい。

２つのエンドキャップ３０及び３８は一種の鏡像であるが、それらは角回転を示し、そうでなければ機械工具がロータ２の内側部分にアクセスするのが困難になる。

このようなデザインは、金属３Ｄ印刷、又は繊維強化３Ｄ印刷、又は３Ｄ焼結のような積層造形により製造されてもよい。レーザーエネルギー又は機械エネルギーを使用して、材料を除去したり、材料を移動又は追加したりすることで、ロータ２の静的及び動的安定性を向上させることができる。

上記の議論から、図に示された例は単に例示的なものであり、本明細書に記載され、請求項に規定されるように一般化、削除、又は置換され得る特徴を含むことが理解されるであろう。一般に図面を参照すると、本明細書に記載されたシステム及び装置の機能性を示すために、概略的な機能ブロック図が使用されていることが理解されるであろう。

本開示の文脈で当業者に理解されるように、本明細書に記載される各実施例は、様々な異なる方法で実施されてもよい。本開示の任意の側面の特徴は、本開示の他の側面のいずれかと組み合わされてもよい。例えば、方法の側面は、装置の側面と組み合わされてもよく、装置の特定の要素の動作を参照して説明される特徴は、それらの特定のタイプの装置を使用しない方法において提供されてもよい。さらに、各実施例の特徴のそれぞれは、他の何らかの特徴がその運用に不可欠であると明示されていない限り、それが組み合わせて説明される特徴から分離可能であることを意図している。これらの分離可能な特徴の各々は、もちろん、それが記載されている実施例の他の特徴のいずれか、又は本明細書に記載されている他の実施例の他の特徴又は特徴の組み合わせと組み合わせてもよい。さらに、上記に記載されていない等価物や変更も、本発明から逸脱することなく採用することができる。本開示の他の実施例及び変形例は、本開示の文脈において当業者には明らかであろう。

Claims (30)

1. 電気機械用のロータであって、
   センターシャフトと、
   前記センターシャフトの半径方向外側に配置され、内面及び／又は外面に永久磁石を担持するための中空円筒を備え、前記センターシャフト及び前記ロータの回転軸と同軸であるロータドラムと、
   前記センターシャフトを前記ロータドラムに結合し、前記ロータドラムと前記センターシャフトとが前記回転軸を中心に一緒に回転できるように配置されたキャップと、
   を備え、
   前記キャップの内側部分は、前記回転軸の長さ方向に沿った第１の位置で前記センターシャフトに結合され、前記キャップの外側部分は、前記回転軸の長さ方向に沿った第２の位置で前記ロータドラムに結合され、
   前記第１の位置は、前記第２の位置に対して前記回転軸に沿った異なる長さにある、
   ロータ。
2. 請求項１に記載のロータにおいて、
   前記キャップは、材料の厚みが不均一である、
   ロータ。
3. 請求項１又は２に記載のロータにおいて、
   前記キャップは、前記キャップの前記内側部分と前記キャップの前記外側部分との間に延びる少なくとも１つのスポークを有する、
   ロータ。
4. 請求項３に記載のロータにおいて、
   少なくとも１つの前記スポークの各々は、前記キャップの開口部に隣接している、
   ロータ。
5. 請求項４に記載のロータにおいて、
   前記キャップは、複数の前記スポークと複数の前記開口部を備えている、
   ロータ。
6. 請求項５に記載のロータにおいて、
   前記キャップ内の前記スポークは、前記ロータの前記回転軸に対して均一に分布している、
   ロータ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   前記キャップは、第１のキャップであり、
   前記ロータは、第２のキャップをさらに備え、
   前記第２のキャップは、前記センターシャフトを前記ロータドラムに結合するように配置され、前記ロータの前記回転軸に沿って第１のキャップからオフセットされている、
   ロータ。
8. 請求項７に記載のロータにおいて、
   前記第２のキャップの前記内側部分は、前記回転軸の長さに方向に沿った第３の位置で前記センターシャフトに結合され、前記第２のキャップの前記外側部分は、前記回転軸の長さ方向に沿った第４の位置で前記ロータドラムに結合され、
   前記第３の位置は、前記第４の位置に対して前記回転軸に沿った異なる長さにある、
   ロータ。
9. 請求項８に記載のロータにおいて、
   前記ロータの前記回転軸上において、前記第２の位置は、前記第３の位置よりも前記第４の位置に近い、
   ロータ。
10. 請求項８又は９に記載のロータにおいて、
    前記ロータの前記回転軸上の前記第１の位置と第２の位置との間の距離は、前記ロータの前記回転軸上の前記第３の位置と前記第４位置との間の距離と同じである、
    ロータ。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    前記センターシャフトの外径は、前記センターシャフトの長さ方向に沿って変化する、
    ロータ。
12. 請求項７から１０のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    前記センターシャフトの外径は、前記センターシャフトの長さ方向に沿って変化し、
    前記第１のキャップの内径は、前記第２のキャップの内径と異なる、
    ロータ。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    前記ロータの前記回転軸上の前記第２の位置は、前記第１の位置よりも前記シャフトの中心領域に近い、
    ロータ。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    前記中空円筒の内部容積が、少なくとも部分的に軽量非磁性材料で充填されており、 任意で、材料は多孔質媒体を含む、
    ロータ。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    前記センターシャフトは中空であり、
    任意で、前記ロータは、中空の前記センターシャフトを通して冷却剤を受け入れ、前記ロータドラムを冷却するように配置される、
    ロータ。
16. 請求項１から１５のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    前記ロータは、前記中空円筒の外面に前記磁石を担持するように配置され、
    前記ロータは、前記磁石の半径方向外側に配置され、前記永久磁石を前記中空円筒に固定するライナーをさらに備えている、
    ロータ。
17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    前記ロータは、前記中空円筒の内面に前記永久磁石を担持するように配置され、
    前記キャップの外側部分が、前記中空円筒の内面の所定の位置に前記磁石を保持するために前記磁石に結合するように配置されるか、
    前記キャップの外側部分が、前記中空円筒に結合するように配置され、前記キャップは、内側部分と外側部分との間に磁石接触部分を含み、前記磁石に接触して前記磁石を内面の所定の位置に保持するように配置されるか、
    のいずれか一方である、
    ロータ。
18. 請求項１から１７のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    前記中空円筒の外径は、前記回転軸の長さ方向に沿って一定であり、
    前記中空円筒の内径は、前記回転軸の長さ方向に沿って変化する、
    ロータ。
19. 請求項１８に記載のロータにおいて、
    前記中空円筒の前記内径は、前記ロータの前記回転軸に沿った前記中空円筒の中央領域よりも、前記中空円筒の軸方向の端部の一方又は両方で大きい、
    ロータ。
20. 請求項１から１９のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    前記ロータドラムの内面は、前記キャップを受け入れるための１又は複数の凹部を備えている、
    ロータ。
21. 請求項１から２０のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    前記ロータは、前記ロータドラムに担持された複数の前記永久磁石を備え、
    前記永久磁石は、前記中空円筒の内面及び／又は外面にハルバッハアレイで配置されている、
    ロータ。
22. 請求項１から２１のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    前記キャップは、ステータの動作を制御するためにロータの回転位置を特定するためのセンサによって検出されるように構成されている、
    ロータ。
23. 請求項１から２２のいずれか１項に記載のロータにおいて、
    前記中空円筒の材質の厚さは、前記キャップの材質の厚さとほぼ同じである、
    ロータ。
24. 電気機械用のロータであって、
    前記ロータは、回転軸を中心に回転するように構成され、
    前記ロータは、
    永久磁石を支持し、前記回転軸と同軸の長手方向軸を有するロータドラムと、
    前記ロータドラムを支持するために前記ロータドラム内で入れ子構造になっており、前記ロータドラムと同軸であるハブと、
    前記ロータドラムと前記ハブとを結合する少なくとも１つのスポークと、
    を備え、
    前記ロータは、前記ロータドラムの内側に結合された前記永久磁石のアレイを備え、
    アレイの前記磁石は、ハルバッハアレイを形成するように配置されている、
    ロータ。
25. 請求項１から２４のいずれか１項に記載のロータと、
    前記ロータドラムの前記中空円筒によって運ばれる前記永久磁石と相互作用するように配置された複数の巻線からなるステータと、
    前記ロータ及び前記ステータを収容するように構成されたハウジングと、
    を備え、
    前記ハウジングは、前記ステータ及び前記ハウジングに対するロータの回転軸を中心とした前記ロータの回転を可能にするように配置された少なくとも１つのベアリングアセンブリを備えている、
    電気機械。
26. 請求項２５に記載の電気機械において、
    前記キャップは、第１のキャップを備え、前記ロータは、前記センターシャフトを前記ロータドラムに結合するように配置された第２のキャップをさらに備え、
    前記ハウジングは、前記ハウジング及び前記センターシャフトの第１の端部に設けられた第１のベアリングアセンブリ、及び前記ハウジング及び前記第１の端部とは反対側の前記センターシャフトの第２の端部に設けられた第２のベアリングアセンブリの２つのベアリングアセンブリを備え、
    前記第１のキャップの内側部分は、前記第１のベアリングアセンブリに近接した位置で前記センターシャフトに結合され、前記第２のキャップの内側部分は、前記第２のベアリングアセンブリに近接した位置で前記センターシャフトに結合されている、
    電気機械。
27. 電気機械用のロータであって、
    前記ロータは、回転軸を中心に回転するように構成され、
    前記ロータは、
    永久磁石のアレイを支持し、前記回転軸と同軸の長手軸を有するロータドラムと、
    前記ロータドラムを支持するために前記ロータドラム内で入れ子構造になっており、前記ロータドラムと同軸で、前記ロータドラムに結合しているハブと、
    を備え、
    前記アレイ内の前記磁石は、その間にプッシャー永久磁石によって分離された一連の交互極性永久磁石を備えたハルバッハアレイを提供するように配置され、
    前記プッシャー永久磁石は、前記交互極性永久磁石に対して横方向の極性を有し、
    前記プッシャー磁石は、前記交互極性磁石の半径方向の厚さよりも小さい半径方向の厚さを有し、
    前記ロータドラムは、周方向に連なる交互キャスタレーションと、前記交互極性磁石を支持するように配置された凸部と、前記プッシャー磁石を支持するように配置された凹部と、を備えている、
    ロータ。
28. 請求項２７に記載のロータにおいて、
    前記交互キャスタレーションの寸法は、それぞれの前記凸部及びそれぞれの前記凹部に取り付けられた前記交互極性磁石及び前記プッシャー磁石が同じ半径方向範囲を有するように選択される、
    ロータ。
29. 請求項２７又は２８に記載のロータにおいて、
    前記ロータドラムの円周及び前記永久磁石の周囲に延びるラッピング層又は巻線層をさらに備え、
    前記ラッピング層又は前記巻線層は、使用時に前記ロータが前記回転軸を中心に回転するとき、前記永久磁石に作用する遠心力に少なくとも部分的に対抗するように配置されている、
    ロータ。
30. 請求項１から２４、２７、２９のいずれか１項に記載のロータを備えたワイドギャップＤＣ電気モータ。

Images