JP2023541629A - 電磁相互作用が増強された電気機械 - Google Patents

Abstract

モータ、及び／又は、発電機であってもよい電気機械は、軸を中心に回転するように取り付けられるロータを有する。複数の磁極は、ボア内でロータの周りに周方向に離間して配置される。ロータは、軸を中心とするトロイダルボアを提供するように形成されるシェルを有する。スリットは、ロータの周りに周方向に延在している。スリットは、シェルを通ってボア内に貫通する。電気機械は、また、ロータのスリットを通って延在する１つ以上の支持体によって、ボア内に支持されるステータを有する。ステータは、ボアの周りに離間して配置される複数の巻線を搬送する。

Description

関連出願の参照

この出願は、２０２０年９月１６日に出願された米国特許出願第６３／０７９２５９号、発明の名称「電磁相互作用が強化された電気機械」からの優先権を請求し、その出願は、すべての目的を参照して本明細書に組み込まれる。アメリカ合衆国の目的に関し、この出願は、２０２０年９月１６日に出願された米国特許出願第６３／０７９２５９号、発明の名称「電磁相互作用が強化された電気機械」に関する３５ＵＳＣ第１１９の下の利益を請求する。

本発明は、電動機、及び、発電機のような電気機械に関する。いくつかの実施形態は、永久磁石モータ、及び／又は、発電機を提供する。

電動モータは、電力を回転運動に変換する。発電機は、回転運動を電力に変換する。用語「電気機械」は、電動機、及び、発電機の両方を包含する。

よりエネルギー効率の高い電気機械が必要とされている。また、重量比に対して、高い電力を有する電気機械が必要とされている。例えば、これら両方の必要性は、電動航空機（例えば、ドローン、又は、飛行機）、及び、電気自動車の分野に存在する。

典型的な電動機は、円筒形のステータ内で回転するように取り付けられた、概ね円筒形のロータを有する。ロータの半径方向外側表面は、機械的クリアランスを提供するエアギャップによって、ステータの半径方向最内側部分から分離される。ステータ内の電磁石によって生成される磁場と、ロータの磁石に関連する磁場との相互作用によって、ロータを、回転させる。

いくつかの電動モータは、ロータの面上の磁石の磁場が、ロータの前方に位置するステータのコイルと相互作用する軸方向磁束幾何学形状を有する。いくつかの軸方向磁束電動機は、２つのロータを有し、ステータの両側のそれぞれに１つのロータを有している。

いくつかの電気モータ（例えば、誘導モータ）では、ロータはコイルを有し、また、ロータの磁場は、コイルの電流によって生成される。永久磁石モータでは、ロータの磁場は、ロータに担持される永久磁石によって生成される。永久磁石モータは、通常、誘導モータよりも電気的に効率が高い。

永久磁石モータでは、ロータは、ロータの周りに周方向に離間して配置される永久磁石を有してもよい。ステータは、ステータの周りに円周方向に離間して配置された電磁石を有してもよい。ステータの電磁石を励磁し、ロータの磁石の磁場と相互作用する磁場を生成できる。この磁場は、ステータの電磁石を、適切な順序、又は、パターンで、励磁することによって、ロータにトルクを加える（また、それによって、ロータを回転させる）ように作用させることができる。

電気機械における発熱は問題である。加熱は、ジュール加熱、ヒステリシス、及び渦電流損失などの物的損失から生じる可能性がある。この熱は、除去されない場合には、エネルギーが失われる割合を増加させる可能性がある温度上昇を生じさせる可能性がある。さらに、電気機械の動作温度の上昇は、機械の長期信頼性に有害である。また、より高い動作温度は、より高い動作温度にもかかわらず、それらの磁気特性を保持することができるより高いグレードの、より高価な磁石を使用することを、設計者に強いる可能性がある。加熱効果を低減するために、従来のモータのコイルにおける電流密度は、典型的には、１０Ａ／ｍｍ^２より小さくなるように設計される。従来の電気モータにおけるより高い電流密度は、コイル温度を十分に上昇させて、電気絶縁の破壊、及び／又は、永久磁石の消磁を引き起こす可能性がある。

改善された電気効率、重量割合に対するより高い電力、一体化された冷却、及び、製造コストの低減のうちの１つ、又は、複数を提供するといった、電気機械に関する一般的なニーズがある。電気機械のための既存の幾何学的形状に対する新たな代替物に関するニーズもある。

本発明は、モータ、及び、発電機を含む電気機械に関する。本発明は、様々な態様を有する。これらは、限定されるものではないが、
・トロイダルボアを有するロータ、及び、トロイダルボアに配置されるステータの幾何学配置を有する電気機械であって、ステータは、ロータのスリットを通って延伸する支持体によって支持されている。この幾何学的形状を、有利に適用し、比較的小さなパッケージにおけるロータとステータとの間の電磁相互作用のための大きな領域を提供する。
・ロータのボアに対して接線方向に配向され、また、磁極を提供する強磁性材料によって分離される永久磁石を有する上記のような電気機械であって、強磁性材料は、有利には、圧縮、又は、付加製造プロセスによって形成される可能性がある材料にできる。強磁性材料は、例えば、軟磁性複合体を有してもよい。本明細書に記載のような３Ｄ幾何学的形状を有するように強磁性材料を形成することは、３Ｄ磁束経路を最適化し、小型で効率的なモータを達成できる。付加製造プロセスを用いて、複雑な３Ｄ構造を、効率的に、製造できる。この構成は、有利には、強磁性材料の利用、及び／又は、電気機械の効率を改善する方法で、ロータを形成する機会を提供する。
・ステータが積極的に冷却される上記のいずれかのような電気機械であって、例えば、ステータは、スリットを介して冷媒が供給される流路を有してもよい。この構成は、ステータの温度を制御することにより、効率、及び／又は、信頼性を、有利に、改善できる。また、この構成は、ロータからステータへの熱の達によって、ロータの温度制御を助けることができる。
・ロータに隣接して、外側に、冷却面を有する上記のいずれかのような電気機械であって、このような冷却面は、ロータから熱を除去でき、それによって、ロータの温度を制御できる。
・電気機械用部品（例えば、ロータ、及び、ステータ）。
・電気機械を構成する方法。
・ロータ、及び、ステータの役割が上記のいずれか。
を有する。これらの態様は、任意の組み合わせで適用されてもよいし、個別に適用されてもよい。以下に、本発明のより具体的な態様の一例を示す。

本発明の一態様は、軸について回転するように取り付けられるロータを有する電気機械を提供する。ロータは、軸を中心とするトロイダルボアを提供するように形成されたシェルを有し、及び、ロータの周りに、円周方向に延伸するスリットを有する。スリットは、シェルを通って、ボア内に貫通する。ロータは、ボア内でロータの周りに周方向に間隔を置いて配置される複数の磁極を有する。ステータは、ロータのスリットを通って延伸する支持体によって、ボア内で支持される。ステータは、ボアの周りに間隔を空けて配置される複数の巻線を有する。

いくつかの実施形態では、磁極は、それぞれ、スリットの第１の縁部の近くの位置から、スリットの第２の縁部の近くの位置まで、ボアの内面の周りにポロイダル方向に延在する。いくつかの実施形態では、スリットは、ロータの内面のポロイダル方向の円周の１／３より小さい幅を有する。いくつかの実施形態では、スリットは、軸を含む平面内のボアの断面の重心に対して、所定の角度で広がっており、また、その角度は、60度以下である。いくつかの実施形態では、ロータの内面が広がるトロイダル面の領域とスリットの面積との間の比は、１：１２以下である。

いくつかの実施形態では、ロータは、ポロイダル方向に、ロータの周りに延びる複数の離間したリング磁石を有している。リング磁石は、スリットと一直線にされる隙間を有してもよい。いくつかの実施形態では、リング磁石のそれぞれは、ロータに対して接線方向に磁化され、また、隣接するリング磁石は、極のうちの１つを提供する強磁性材料の部分によって分離されている。いくつかの実施例では、ロータの外側の強磁性体材料の表面は、ポロイダル方向に延伸する切り欠き、又は、溝で形成される。強磁性体材料は、軟磁性複合体（ＳＭＣ）を有してもよい。いくつかの実施例では、リング磁石は、１つ以上のハルバック・アレイを形成する。いくつかの実施形態では、リング磁石は、半径方向に磁化され、また、シェルは、ボアから離れた磁石の側面で磁石を裏打ちする強磁性材料の連続層を備える。

いくつかの実施形態では、ステータは、冷却液を有する冷却チャネルを有している。電気機械は、スリットを通って延びる導管を有している。導管を接続し、冷却液を冷却チャネルに供給し、及び／又は、冷却チャネルから冷却液を除去する。いくつかの実施形態では、冷却チャネルは、ステータの周りに、トロイダルに、延びる。いくつかの実施形態では、冷却チャネルは、ステータの中心線の周りに延びる。

いくつかの実施形態では、ステータは、強磁性材料のコアを有し、また、巻線は、コアに沿って離間して配置されている位置でコアの周りに巻かれているトロイダル巻線を有している。トロイダル巻線は、一体型、又は、可分型の巻線を有してもよい。いくつかの実施形態では、コアは、隣接する巻線の間に位置する強磁性材料のリブを有している。リブは、コアの周りに、ポロイダル方向に延びている。いくつかの実施形態では、リブは、リブがスリットを横切る位置で分断される。いくつかの実施形態では、リブは、スリットと一直線にされるＶ字形の切り欠きによって分断される。いくつかの実施形態では、トロイダル巻線の外面とリブの外面とは、互いに、一直線にされる。いくつかの実施形態では、トロイダル巻線の外面は、リブの外面に対してステータコアに向かって凹んでいる。

いくつかの実施形態では、電気機械は、ロータの外面と一致するように形成される筐体を有している。筐体は、筐体とロータとの間に隙間を設けるように配置される。いくつかの実施形態では、筐体は、ロータに隣接して配置され、及び、冷却液を有する冷却チャネルを有している。

いくつかの実施形態では、支持体は、ステータに、又は、ステータから電力を運ぶために接続される導電体を有している。いくつかの実施形態では、ステータは、巻線の間に配置され、及び、ステータから半径方向に離れるように延びるスポークを有している。

いくつかの実施形態では、スリットは、軸から離れて面するロータの側に位置する。いくつかの実施形態では、スリットは、軸に向かって面するロータの側に位置する。

いくつかの実施形態では、軸を有する平面内のボアは、円形の断面を有している。いくつかの実施形態では、軸を有する平面内のボアは、楕円形の断面を有している。

さらなる態様、及び、例示的な実施形態は、添付の図面に示され、及び／又は、以下の明細書に記述される。

本発明は、これらが異なる請求項に記載されている場合であっても、上記特徴の全ての組み合わせに関連することを、強調する。

添付の図面は、非限定的な、本発明の実施形態を示す。

図１、及び、図１Ａは、実施形態に係る永久磁石モータの断面の模式図である。図１Ｂは、図１Ａのモータの斜視図である。

図２は、実施形態に係る図１Ａのモータのステータコアの部分の斜視図である。図２Ａは、実施形態に係る図１の図１Ａのモータの巻線型ステータの部分の斜視図である。図２Ｂは、ロータのボア内に受け入れられる巻線型ステータの部分の斜視図である。図２Ｃは、リブを有さない巻線型ステータの部分の斜視図である。

図３は、実施形態に係るロータの部分の斜視図である。図３Ａは、図３のロータの様々な構成要素の磁気の方向を示す。図３Ｂ、及び、図３Ｃは、それぞれ、周方向に分割された磁石と径方向に分割された磁石とを示す図である。

図４は、例示的な実施形態に係るロータの部分の斜視図である。図４Ａは、図４のロータの様々な構成要素の磁化の方向を示す。

図５は、例示的な実施形態に係るロータの部分の斜視図である。図５Ａ－５Ｄは、図５のロータの切り欠き部の様々な実施形態の２次元断面図である。

図６は、例示的な実施形態に係るハルバッハ配列ロータの部分の斜視図である。図６Ａは、図６のロータの例示的な実施形態の様々な構成要素の磁化の方向を示す。

図７は、例示的な実施形態に係る磁気モータアセンブリの部分の斜視図である。図７Ａ－７Ｆは、図７の磁気モータアセンブリの様々な構成要素の部分の斜視図である。

図８Ａ－８Ｆは、本明細書に記載の電気機械の性能を予測するシミュレーションの結果を示す。

詳細な説明

以下の説明において、本発明のより完全な理解を提供するために、具体的な詳細が明らかにされる。しかしながら、本発明は、これらの特定なしに実施されてもよい。他の例では、本発明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、周知の要素を図示せず、また、詳細に説明していない。したがって、本明細書、及び、図面は、限定的な意味よりは、例示的な意味とみなされるべきである。

発明者らは、ロータとステータとの間の電磁的相互作用が円筒状のシェル内で発生する従来の電動モータの幾何学的形状、及び、ロータとステータとの間の電磁的相互作用が軸方向エアギャップ内の円盤状空間内で発生する軸流束モータの幾何学的形状が、効率を向上させるための障害であることを認識した。

本開示は、ロータとステータとの間の磁界の相互作用がトロイダルシェル内で発生する幾何学的形状を有する電気機械を説明する。この幾何学的形状は、所定の体積内に収まる電気機械において、ステータとロータとの間の電磁相互作用が増加した領域を、有利に、提供できる。

本明細書に記載されるような電気機械は、軟磁性複合体材料（「ＳＭＣｓ」）を有するステータを含むことができる。ＳＭＣｓは、材料を効率的に使用するために成形されてもよく、また、接線方向に配向された磁化された磁石を有してもよい。本明細書で詳細に説明されるこれらの構造は、重要な製造上の、及び、性能上の利点を提供できる。

開示される電気機械の別の特徴は、非常に効率的な熱抽出を提供できる冷却装置である。開示される冷却装置は、高価な／外国産の材料を用いることなく、電磁石巻線において、高い電流密度（例えば、１０Ａ／ｍｍ^２以上の電流密度）を容易にできる。効果的な冷却は、磁気コイル、及び、他の構成要素の温度を、比較的、低く維持しながら、電気機械を、比較的、高い電力で動作するようにできる。比較的低い動作温度を維持することは、改善された効率をもたらすことができる（例えば、磁気コイルの温度を、コイルの電気抵抗が大幅に増加する閾値未満に維持することは、Ｉ２Ｒ損失を低減し、また、磁性材料の温度を低く保つことは、ジュール加熱、ヒステリシス、及び、渦電流損失のような材料損失を低減できる）。磁気機械の構成要素の温度を、比較的、低く保つことも、（例えば、電気絶縁性、又は、他の構成要素を劣化させる高い温度を回避することによって、）信頼性を改善できる。

１．全体構成

本明細書に記載の電気機械は、ロータとステータとの間の電磁相互作用が起こる可能性があるトロイダル面を提供するように配置されるロータ、及び、ステータを有している。好ましい実施形態では、ステータは、ロータのトロイダルチャンバ内に配置される。ステータは、ロータのスリットを通って延伸する部材によって支持されてもよい。

「トロイダル面」は、中央に穴を有する回転面を意味する。トロイダル面は、例えば、平面形状の平面内にあり、及び、その形状の境界から離間して配置される回転軸の周りに、その形状を掃引することによって、トロイダル面を生成できる。平面形状は、例えば、円、楕円、長方形、正方形等である。ドーナツ形状の表面は、トロイダル面の一例である。

トロイド、又は、トロイダル面は、回転軸に垂直な面内で回転軸を中心とする円に沿うトロイダル方向を有している。また、トロイド、又は、トロイダル面は、回転軸を有する平面内のその形状の周りに伸びるポロイダル方向を有している。トロイダル方向、及び、ポロイダル方向を、それぞれ、矢印１０２、及び、１０１で、図１Ｂに示す。

以下の説明は、例示的な機械の構成を説明する。このような構成は、モータ、及び、発電機にも適用できる。

図１は、例示的な実施形態による永久磁石機械１００の概略断面図である。機械１００は、モータ、又は、発電機として動作できる。この例示的な機械１００では、機械１００が電源１１０に接続されると、機械的負荷１５０を回転させるように駆動されるシャフト１２０を有している。機械１００を、回転する駆動シャフト１２０によって電力を発生するようにしてもよい。

機械１００は、ロータ２０のトロイダルボア２１内に収容されるステータ１０を有している。この例では、ステータ１０は、概ね円形の円環、及び／又は、楕円の円環のように形成されているが、他のトロイダル形状が可能である。ロータ２０は、適当な軸受（図１に図示せず）によって軸１１５を中心に回転するように支持されている。ロータ２０は、ステータ１０の周りを、ポロイダル方向１０１に、取り囲み、ロータ２０とステータ１０との間の相対的に大きな相互作用領域を提供する。

ステータ１０は、スリット２３を通って延びる１つ以上の支持体１１２によって支持されている。スリット２３は、ロータ２０の周りをトロイダル方向に延在している。支持体１１２は、筐体（例えば、図７の筐体２００）であってもよいベース１１１に接続されている。

電力は、スリット２３を通過する導電体（図示せず）によって、ステータ１０に、又は、ステータ１０から供給されてもよい。導電体は、例えば、１つ以上の支持体１１２の内部にあっても、又は、１つ以上の支持体１１２に取り付けられてもよい。

図１に示す幾何学的形状を変更させてもよい。例えば、ポロイダル方向におけるスリット２３の位置を変更してもよい。図１Ａは、スリット２３が軸１１５に面する他の例示的な実施形態に係るモータ１００Ａを示している。図１Ａの実施形態は、図１の実施形態におけるスリット２３の長さ、及び、総面積に比して、スリット２３の長さ（したがって、スリット２３の総面積）が減少する、という利点を有している。

スリット２３は、相対的に狭くても、したがって、ステータ１０とロータ２０との間の磁気的相互作用のための大きな領域を提供してもよい。スリット２３は、支持体１１２とスリット２３の縁との間の必要な機械的クリアランスを加えた、支持体１１２を収容するために必要なものより広くする必要はない。スリット２３の相対的な幅は、様々な方法で示すことができる。例えば、
・スリット２３は、ロータ２０の内面のポロイダル方向の円周の１／２未満の幅を有してもよい。好ましくは、スリット２３の幅は、ロータ２０の内面のポロイダル方向の円周の１／３より大きくなく、又は、１／４より大きくなく、又は、１／６より大きくなく、又は、１／１２より大きくない。いくつかの実施形態では、スリット２３の幅は、スリット２３の一方の縁からスリット２３の対向する縁までの、ボア２１の周囲で、ボア２１の内面に沿ってポロイダル方向に延びる距離の約１０％から２０％の範囲にある。
・スリット２３は、ロータ２０の内側トロイダル面を規定する断面形状の中心、又は、重心に対して、１８０度より小さい角度で広がってもよい。好ましくは、角度は、１２０度より大きくなく、又は、９０度より大きくなく、又は、６０度より大きくなく、又は、３０度より大きくない。例えば、ロータ２０は、ステータ１０のトロイダル中心軸に関して１８０°～３５５°の範囲のポロイダル角度の範囲ΦＲ（図１Ｂ参照）で広がってもよい。図１Ｂの例示的な実施形態では、ロータ２０は、約３００°のポロイダル角度ΦＲで広がっている。
・ロータ２０の内側面が広がるトロイダル面の領域に対するスリット２３の領域の比は、１：２より小さく、及び、１：３より大きくなく、又は、１：４より大きくなく、又は、１：６より大きくなく、又は、１：１２より大きくないことが好ましい。
・スリット２３は、ロータ１０の最大径よりも小さい幅を有してもよい。例えば、ロータ１０の最大径に対するスリット２３の幅の比は、２：３よりも小さくても、及び、１：２、又は、１：４、又は、１：６よりも大きくないことが好ましい。

ステータ１０の外面と、トロイダルボア２１に面するロータ２０の内面との間のクリアランスを、小さくしてもよい。これにより、ステータ１０に起因する磁界とロータ２０に起因する磁界との間の磁気的な相互作用の強度が、増大される。

ステータ１０がロータ２０のトロイダルボア２１の内側に配置され、及び、ロータ２０がステータ１０の周りの大部分を取り囲む、本明細書に記載の機械を生成する様々な方法が存在する。これらは、以下を有する。
・ロータ２０を、ステータ１０の周りに組み付けできる２つ以上の部分に形成する。例えば、図１Ａは、ロータの周りに組み立てられ、その後、締結具２７によって接合されてもよい部品２０－１、及び、２０－２から作られるロータ２０を示す。
・ステータ１０の周りにロータ２０を、型に入れて成形し、又は、他の方法で形成する。
・ロータ２０のスリット２３、又は、他の開口を通ってロータ２０内に導入され、及び、ロータ２０の内側に組み立てられることができる部分に、ステータ１０を形成する、
・ステータ１０、及び／又は、ロータ２０を、積層造形によって作る。例えば、ステータ１０、及び、ロータ２０は、積層造形によって、同時に作られてもよい。

（機械１００がモータとして動作しているとき、）ステータ１０は、電源１１０から電力を受けて磁界を発生する巻線１８を有している。いくつかの実施形態では、巻線１８は、ステータ１０の周りをポロイダル方向に巻回するトロイダル巻線である。

ロータ２０は、永久磁石２４を保持している。磁石２４は、例えば、鉄－ネオジウム－ホウ素（例えば、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ）、又は、サマリウム－コバルト（例えば、ＳｍＣｏ_５）、又は、アルミニウム－ニッケル－コバルト、又は、フェライト磁石のような磁石を有してもよい。

巻線１８によって生成される磁場は、磁石２４からの磁場と相互作用し、ロータ２０を駆動し、軸１１５周りでトロイダル方向１０２に回転させる。シャフト１２０は、部材１２１によってロータ２０に機械的に結合され、その結果、シャフト１２０は、ロータ２０と共に回転する。

いくつかの実施形態では、ボア２１に面するロータ２０の内面は、ステータ１０の形状に適合するように成形される。例えば、ステータ１０の外面とロータ２０の内面との間の半径方向の最小距離は、ロータ２０によって広げられるポロイダル角度範囲ΦＲにわたって、実質的に同じであってもよい。

図１Ｂは、図１Ａに示されるような幾何学的形状を有する例示的なロータ、及び、ステータの部分を示す。

任意の実施形態では、ロータは、接着剤、機械ストラップ、クランプなどを用いて磁石が取り付けられる非磁性ホルダを含むように構成されてもよい。例えば、アルミニウム、又は、炭素繊維から形成されてもよい。さらに、又は、代わりに、永久磁石は、磁性材料を堆積し、磁石を形成するコールドスプレーのような、付加製造方法を用いてホルダ上に形成できる。強磁性材料（例えば、ＳＭＣｓ）は、（例えば、本明細書で説明される様々な実施形態に記述されるように、）所望の方法で磁束を誘導するように整形される磁石、及び／又は、本体のホルダ上に堆積されてもよい。

２．ステータ構造の例

図２は、例示的な実施形態に係るステータ１０の例示的なステータコア１１の部分の斜視図である。ステータコア１１は、トーラス状、又は、略トーラス状の本体１２を有している。本体１２は、透磁性を有する材料で形成されている。

複数の溝、又は、スロット１５は、本体１２の周りに、円周方向に延在し、また、本体１２に沿ってトロイダル方向１０２に離間している。溝１５は、コイル１８（図２Ａ参照）を受容するように寸法決めされている。リブ１４は、隣接する溝１５の間に形成される。リブ１４は、ステータ１０に関する磁極片として機能する。

リブ１４は、好ましくは、スリット２３に対応する部分で切り欠きされる。図２は、リブ１４における切り欠き、又は、隙間１４Ａを示している。この構成は、コイル１８によって生成される磁場を、ロータ２０によって広げられるポロイダル角度範囲ΦＲに集中させることに役立つ。いくつかの実施形態では、隙間１４は、Ｖ字形状である。例えば、隙間１４Ａの側面は、ステータコア１０の放射状に伸びるラインに沿ってもよい。

隙間１４Ａは、代替構造を有してもよい。例えば、
・隙間１４Ａは、ステータ１０の周りをトロイダル方向１０２に延在し、及び、リブ１４を通過するスロット、及び／又は、溝によって提供されてもよい。
・隙間１４Ａは、スリット２３に隣接する部分で、リブ１４を狭くすることによって提供されてもよい。
・隙間１４Ａは、非磁性材料、又は、材料群で充填されていてもよい。

リブ１４が隙間１４Ａを有する場合、リブ１４は、ステータ１０のトロイダル中心軸を中心とした１８０°－３５５°の範囲のポロイダル角度範囲ΦＴに広がってもよい。好ましくは、リブ14によって広げられるポロイダル角度範囲ΦＴは、ロータ２０によって広げられるポロイダル角度範囲ΦＲと、少なくともほぼ同じである。いくつかの実施形態では、隙間１４Ａの縁とスリット２３の縁との間のポロイダル角度オフセットは、８°より小さい（例えば、図１Ｂ参照）。

リブ１４、及び、スロット１５（及び、他の同様の構成要素）を、トロイダル方向１０２に平行な方向に配向された幅寸法Ｗ、及び、半径方向（すなわち、ポロイダル方向１０１に直交し、及び、ステータ１０のトロイダル中心軸を通る方向）に配向される厚さ寸法Ｔを有するように、特徴付けできる。

リブ１４は、好ましくは、本体１２の周りに、等間隔で配置される。いくつかの実施形態では、リブ１４は、等しい幅である。いくつかの実施形態では、スロット１５は、等しい幅である。リブ１４とスロット１５との相対的な幅は、調整されてもよい。例えば、スロット１４を、巻線１８を受容するためのより大きな体積を提供するために、リブ１４よりも幅広に設計してもよい。巻線18のために、より多くの体積を提供することは、モータ１００の出力電力を増加できる。また、リブ14をより広くできるように、スロット１５を、より狭く設計してもよい。より広いリブ１４を提供することにより、ステータ１０の磁気的飽和の可能性を回避、又は、低減できる。

いくつかの実施形態では、ステータコア１１は、適切な軟磁性複合体材料（「ＳＭＣｓ」） で形成される。このような材料は、典型的には、互いに電気的に絶縁された強磁性材料（例えば、鉄粉）の粒子を有する。ステータコア１１を、電気絶縁層で被覆された強磁性粒子の粉末を、コア１１の形状に、又は、コア１１となるように組み立てられるだろう構成要素の形状に、圧縮することによって（例えば、直接圧縮によって）、ＳＭＣから形成できる。また、ＳＭＣｓは、付加製造プロセスによって、所望の形状に形成されてもよい。

３．ロータ構造の例

ロータ２０を、本明細書に記載の一般的なアーキテクチャを容易にする様々な方法で構築してもよい。理想的には、ロータ２０は、以下を提供する。
・ステータ１０に関する支持部を収容するスリット２３、
・円周方向に間隔をあけて配置され、磁束が集中する磁極、
・磁極は、ロータ２０の周りをトロイダル方向１０２に移動すると、極性が交互であり、及び、
・磁極は、ロータ２０の周りをポロイダル方向１０１に延在し、スリット２３の一方の縁からスリット２３の対向する縁までステータ１０を取り囲む集中磁束の領域を提供する。

いくつかの実施形態では、ロータ20は、トロイダル方向102においてシェルの周りに延びるスリット23を有するトロイダルシェルの形態を有し、シェルの全部または大部分は、強磁性材料によって覆われている。強磁性材料は、磁石を有し、及び、さらに、シェルのボア２１に面する極に磁石から磁束を集中させるように配置される、ＳＭＣ、鉄、又は、スチール、又は、他の強磁性材料を有してもよい。

いくつかの実施形態では、ロータ２０は、磁石、及び、磁石からの磁束をチャネル化するように配置されたＳＭＣｓを有する。

４．形状最適化

いくつかの実施形態では、ロータ２０、及び／又は、ステータコア１１のような構成要素における磁性材料は、磁性材料が高い利用率を有するように（すなわち、構成要素が使用されているときに、磁性材料の大部分、又は、全てが、閾値磁束密度よりも高い磁束密度を支持するように）、形成される。適切な形状を、例えば、所望の寸法の磁石（例えば、コイル１８、又は、磁石２４）を受容するように構成される構成要素のコンピュータモデルを作成することによって、達成してもよい。モデルを、磁石が存在し、また、適切であれば、励磁されるときに、構成要素内の点における磁束密度を推定するように、処理してもよい。そのうえ、モデルを、推定磁束密度が閾値を下回る領域において、構成要素から材料を除去することによって、改良してもよい。いくつかの実施形態では、閾値は、モデルから推定される最大磁束密度、及び／又は、構成要素の材料が磁気飽和する磁束密度に対して、設定される。このプロセスを、部品の形状を改良するために繰り返し、重量、及び、サイズが低減される一方、所望の磁気特性、及び、性能を保持するロータ２０、又は、ステータコア１１のような構成要素を産出してもよい。

例えば、ＳＭＣｓを用いる付加製造を用いて、例えば、上述のようなモデリングによって決定されるであろう、任意に、成形される外面を有するステータコア１１、又は、ロータ２０を製造してもよい。

これらの技術は、性能が保存される一方、重量が大幅に低減されるロータ構成を提供する際に、特に有効となる可能性がある。これは、特に、ロータ２０の磁石２４が、接線方向に配向されている場合である（例えば、図５参照）。

いくつかの実施形態では、磁石２４の間のロータ２０の外面のすぐ内側のロータ２０の材料の磁束勾配は、ロータ２０の表面に対して実質的に垂直に配向されている。いくつかの実施形態では、磁石２４の間のロータ２０の外面は、均一の、又は、均一に近い（例えば、±２０％）の磁束密度に従う。

いくつかの実施形態では、リブ１４のちょうど内面のステータコア１１の材料の磁束勾配は、リブ１４の表面に対して、実質的に、垂直に配向されている。いくつかの実施形態では、リブ１４の表面は、均一、又は、均一に近い（例えば、±２０％）の磁束密度に従う。

５．熱管理

本明細書に記載の機械が動作しているとき、ステータ１０、及び／又は、ロータ２０に、熱エネルギーが放出される。熱は、例えば、巻線１８の抵抗損失（「Ｉ２Ｒ損失」）、ステータコア１１におけるヒステリシス、及び、渦電流損失、磁石における渦電流損失、及び、ステータ１０における機械的振動の散逸の結果として放出される可能性がある。本明細書に記載される機械は、ステータ１０を冷却するための手段を有してもよい。

ステータコア１１は、任意選択で、１つ以上の冷却チャネル１６を有している。チャネル１６は、ステータ１０の外に熱を排出するように、機能してもよい。空気、水、オイル、アルコール（例えば、メタノール、又は、エタノール）のような冷却液が、チャネル１６に供給されてもよい。冷却チャネル１６は、（例えば、ステータ１０に供給され、及び、スリット２３を通って延びる１つ以上の導管によってステータ１０から除去されてもよい）循環液を搬送してもよい。導管は、例えば、支持体１１２に、又は、支持体１１２に隣接して、存在してもよい。冷却チャネル１６は、任意選択で、ステータ１０の中で、及び／又は、外で、熱を運ぶためのヒートパイプとして構成されてもよい。

図示の実施形態では、ステータコア１１は、ステータ１０の周りでトロイダル方向１０２に延在する冷却チャネル１６を有している。冷却チャネル１６は、例えば、ステータ１０の中心線に沿って延在してもよい（例えば、ステータ１０は、軸１１５を有する平面で切断したときに円形断面を有し、円形断面の中心は、冷却チャネル１６内に、例えば、冷却チャネル１６の中心に位置してもよい）。冷却チャネル１６は、必ずしも円形である必要はなく、例えば、冷却チャネル１６は、熱伝達のために大きな表面積を提供する他の形状の壁を有するように形成されてもよい。

ステータ１０内に冷却チャネル１６を配置することによって、冷却チャネル１６を、巻線１８からリブ１４への磁束の結合を妨げることなく、巻線１８との良好な熱接触で、配置できる。冷却チャネル１６は、巻線１８に、物理的に近接して位置してもよい。ステータ１０（例えば、巻線１８）で熱を発生することによって、ステータ１０の中心に向かって流し、それによって、ステータ１０の温度を低下させ、及び、巻線１８、及び、磁石２４の過熱を防止するようにしてもよい。

現在の好ましい実施形態では、冷却チャネル１６は、トロイダル方向に、完全にステータコア１１を回って、延在している。冷却液は、冷却チャネル１６に循環されてもよく、また、加温された液を、任意の所望の位置で、冷却チャネル１６から取り出してもよい。いくつかの実施形態では、冷却チャネルはセグメントに分割され、また、各セグメントは、１つ以上の流体入口、及び、１つ以上の流体出口を有している。

冷却チャネル１６は、例えば、ステータコア１１の本体１２の体積の約５％－３０％を構成してもよい。

ステータコア１１は、任意選択で、ステータコア１１から半径方向に離れて延びるスポーク１７を有している（例えば、図２Ｂ、及び、７Ｅ参照）。スポーク１７は、熱伝導率が高い材料で構成されていてもよく、及び／又は、ヒートパイプを有してもよい。スポーク１７は、例えば、アルミニウム、又は、銅のような熱伝導性金属を有することができる。スポーク１７は、冷却チャネル１６から半径方向に離れて延在してもよい。

スポーク１７は、ステータ２０の本体から冷却チャネル１６に熱を伝導する経路として機能する。いくつかの実施形態では、スポーク１７は、コイル１８の端部の近くを通過し、スポーク１７は、コイル１８から冷却チャネル１６に熱を運ぶ経路として機能する。

図２Ｂに示される実施形態のようないくつかの実施形態では、スポーク１７は、ボア２１の壁に近接するように、半径方向に、コイル１８を通り過ぎて延在するようにしてもよい。そのような実施形態では、スポーク１７は、ロータ２０から冷却チャネル１６へ熱を搬送するためのより強い有効性を有しうる。

図２Ｂに示される実施形態のようないくつかの実施形態では、冷却チャネル１６の壁１６Ａは、熱伝導性材料で形成され、及び、スポーク１７は、壁１６Ａの熱伝導性材料と熱的に接触していてもよく、また、任意選択で、統合されていてもよい。

いくつかの実施形態では、冷却チャネル１６、及び、スポーク１７は、ステータ１０の他の部分を支持、及び／又は、堆積させることができる骨格、又は、フレームワークとして機能する。いくつかの実施形態では、冷却チャネル１６、及び／又は、スポーク１７の壁１６Ａは、ステータ２０の機械的特性（例えば、剛性）を高める。

ステータ１０から熱を除去することに加えて、冷却チャネル１６は、ステータ１０の温度をロータ２０の温度よりも低い温度に低減でき、その結果、熱は、ロータ２０からステータ１０に流れることができ、ステータ１０から、冷却チャネル１６を経由して、熱を除去できる。

いくつかの実施形態では、冷却は、ロータ20の外側に提供される。冷却は、例えば、ロータ２０におけるヒステリシス、及び、渦電流損失から生じる、ロータ２０からの熱を除去できる。冷却される表面は、ロータ２０の外側に設けられてもよい（例えば、図７参照）。冷却される表面は、例えば、ロータ２０を実質的に取り囲むシュラウドを有してもよい。冷却される表面を、冷却される表面と熱的に接触する導管を通して流体を循環させることによって、冷却してもよい（例えば、図７の冷却チャネル２１６参照）。冷却される表面は、ロータ２０の外面に非常に近接して配置されてもよく、ロータ２０と冷却される表面との隙間、及び、ロータ２０が、比較的小さい熱抵抗を有する。

いくつかの実施形態では、冷却は、ステータ１０、及び、ロータ２０の外側にある冷却される表面の両方に提供される。そのような実施形態では、ステータ冷却回路、及び、冷却される表面の両方を経由して、熱を、ロータ２０から熱を除去してもよい。

６．ステータ巻線構造の例

本明細書に記載の機械におけるステータは、広い範囲の巻線構造を有することができる。

図２Ａは、例示的な実施形態に係る巻回されたステータ１０Ａの部分の斜視図である。ステータ１０Ａは、ステータコア１１の周りにポロイダル方向１０１に取り囲む巻線１８を有している。巻線１８の外面は、必須ではないが、リブ１４の外面に、実質的に、一直線であってもよい（例えば、リブ１４の外面は、巻線１８の外面に対して半径方向に突出していてもよい）。巻線１８の外側部分を、リブ１４の外面と半径方向に一直線に作り、対応するスロット１５の利用を最大化してもよい。リブ１４を巻線１８の外面を通って放射状に突出させることによって、磁石の渦電流損失、及び／又は、巻線のＡＣ損失の低減を助けてもよい。

いくつかの実施形態では、ステータ１０は、リブ１４、又は、スロット１５を有さない（すなわち、ステータ１０は、スロットレス構造を有してもよい）。このような実施形態では、巻線１８は、ステータコア１１の本体１２の外面に直接巻き付けられてもよい（例えば、図２Ｃ参照）。

巻線１８を、一体的な、又は、部分的な構成で接続してよい。一体的な構成では、スロット１５（及び、対応する巻線１８）の数とロータ２０の磁極の数との比は、巻線１８を駆動するために用いられる電力の相数を乗じた整数（例えば、１、２、３、４、５等）である。例えば、モータが３相の電力によって電力供給される例では、ロータ２０は、ステータ１０の巻線１８にある多くの極の３、６、９・・・倍を有してもよい。このような実施形態では、各巻線１８を、異なる相に接続される隣接する巻線１８とともに、電力の１つの相に接続してもよい。

巻線１８が、部分的な構成で接続される場合、スロット１５（及び、対応する巻線１８）の数とロータ２０の磁極の数との間の比は、相数の分数（例えば、１／４、１／２、３／７、３／１１、２／５、２／７、４／８、３／１０、５／１４、５／１６等）倍である。一体的なお、及び、部分的な構成の両方において、巻線１８の一部、又は、全部は、供給される電力の異なる相によって駆動されるように接続される多層巻線を有してもよい。

いくつかの実施形態では、巻線18は分布巻線を有する。分布巻線は、別々の絶縁体で覆われていてもよい。一部、又は、全てのスロット１５は、２つ以上の分布巻線を受容してもよい。分布巻線は、通常、部分的な巻線と比較して、より多くのスロット／コイルを利用する。分布巻線は、ロータ損失を、有利に、低減できる。分布巻線は、比較的低い高調波含有率で磁場を生成できる。いくつかの実施形態（例えば、内部磁石を有するロータ設計に関する）では、分布巻線は、ロータコアの異なる位置でのリラクタンス変化を利用して、モータトルクを向上させる追加のリラクタンストルク成分を生成できる。

いくつかの実施形態では、巻線１８は、短いピッチであり、つまり、トロイダル方向１０２の巻線１８の幅は、トロイダル方向１０２のロータ２０の極のピッチよりも小さい。いくつかの実施形態では、巻線１８は、フルピッチであり、つまり、トロイダル方向の巻線１８の幅は、ロータ２０の磁極のピッチと同じである。短いピッチの巻線１８は、フルピッチの巻線に関する逆起電力波形（「逆ＥＭＦ」）よりも、ほぼ正弦波であり、また、高周波高調波の少ない逆ＥＭＦ波形を、有利に、もたらす。これは、負荷条件における低減されたトルクリップル、及び／又は、低減されたロータ損失を、有利に、導くことができる。

巻線１８の構成を選択し、特定の目的で本明細書に記載される機械の動作を最適化してもよい。例えば、異なる分布、及び、集中巻線構成は、磁石損失、及び、全体的なモータ性能に影響を与えることができる。トレードオフは、効率と、平均トルク、及び、トルクリップルのような他の性能測定基準との間で形成される可能性がある。例えば、６０－スロット／２０－極のフルピッチ分布巻線、及び、１８－スロット／２０－極、２４－スロット／２０－極、及び、２４－スロット／２２－極を有する３つの部分的な集中巻線の特性が、表１に提供される。

表１：異なる巻線構成の比較

６０－スロット／２０－極分布巻線設計は、最も低い磁石渦電流損失を有することが分かる。しかしながら、この構成は、また、いくつかの用途において望ましくない可能性がある大きなトルクリップルを有している。表１に列挙される構成のうち、２４－スロット／２２－極構成は、最も高い平均トルク、及び、最も低い全体損失、及び、トルクリップルを示している。

いくつかの実施形態では、電源１１０は、巻線１８に、正弦波電流波形を印加する。しかし、正弦波電流波形を巻線１８に印加することによって、機械１００が、正弦波、又は、ほぼ正弦波の逆起電力を有する永久磁石同期モータとして動作することを可能にする。永久磁石同期モータは、電化輸送システムのような用途に好適にできる円滑な動作という利点を有している。

いくつかの実施形態では、電源１１０は、巻線１８に矩形電流波形を印加する。しかし、これらの実施形態では、巻線１８、及び、磁石２４は、機械100がブラシレスＤＣモータとして動作するように、台形波形を有する逆ＥＭＦを提供し得る。ブラシレスDCモータは、永久磁石同期モータよりも高い電力密度を達成することができるが、より高いトルクリップルを有することができる。

７．ロータ構成の例
７．１ ロータ例１－径方向磁化磁石

図３は、例示的な一実施形態に係るロータ２０Ａの断面の斜視図である。ロータ２０Ａは、ステータコア１１の形状に適合するように、円形の円環、及び／又は、楕円形の円環のような形状であることが好ましいが、他の形状（例えば、他のトロイダル）が可能である。

ロータ２０Ａは、シェル２２の内面の周りにトロイダル方向１０２に離間して配置される複数の磁石２４を収容するシェル２２を有している。

シェル２２は、トロイダル方向１０２に延在するボア２１を画定するように湾曲している。ボア２１は、ステータ１０を収容するように寸法決めされている。

シェル２２は、ロータ２０Ａの周りにトロイダル方向１０２に延在するスリット２３を有している。図１に示されるように、開口２３は、ステータのための１つ以上の支持体１１２（例えば、図７のケーシング２００）が、ボア２１内を通過し、及び、ステータ１０を適所に保持できるようにする。

スリット２３は、図３の例示的な実施形態では、内側に向きを合わされており、また、回転軸１１５に向かって面しているが、このことは、必要ではない。スリット２３は、ステータ支持体１１２の設計、及び／又は、向きに基づいて、任意の好適な方向（例えば、外側、上方、下方等）に向きを合わされてもよい。

シェル２２の内面には磁石２４が取り付けられている。各磁石２４は、スリット２３に対応する部分切り欠きを有するリング形状を有している。磁石２４は、ロータ２４の周りをトロイダル方向に１周しながら、極性が交互となる磁極を提供するように、配置されている。

ロータ２０Ａでは、磁石２４は、径方向に磁化されている。磁石２４は、径方向内側の面にＮ磁極、及び、径方向外側にＳ磁極を有する磁石２４Ａと、Ｓ磁極が径方向内側を向き、及び、Ｎ磁極が径方向外側を向く磁石２４Ｂとを有している。磁石２４Ａ、及び、２４Ｂは、ロータ２０Ａの周りをトロイダル方向１０２に沿って１周しながら、交互に配置される。各磁石２４は、ロータ２０の極を提供する。隣接する磁石２４は、極ピッチだけ離間して配置される。隣接する磁石２４は、空間２５によって隔てられている。

磁石２４は、強磁性体２２Ａによって裏打ちされている。例えば、シェル２２は、軟磁性複合体（「ＳＭＣ」）材料のような適切な強磁性材料２２Ａを有しても良く、又は、それから作られていてもよい。

図３Ａは、どのようにして、シェル２２の強磁性裏打ち材料が、磁石２４Ａ、及び、２４Ｂの磁束をトロイダル方向１０２に向け、ステータコイル１８を通過する空隙磁束を生成できるのか、を示している。

いくつかの実施形態では、シェル２２、及び／又は、磁石２４は、コールドスプレー、バインダ噴射のような付加製造技術を用いて製造される。

いくつかの実施形態では、磁石２４は、分割される。分割磁石２４は、磁石渦電流損失の低減に、有利に、役立つことができる。図３Ｂは、磁石が、ポロイダル方向１０１に部分に分割される例を示している。図３Ｃは、磁石２４が、径方向に分割されている例を示している。

７．２ ロータ例２－接線方向磁化磁石

図４は、別の例示的な実施形態による、ステータ１０の周りに取り囲まれるロータ２０Ｂの部分の斜視図である。ロータ２０Ａのように、ロータ２０Ｂは、ステータコア１１の形状に適合するように、円形の円環、及び／又は、楕円形の円環ように成形されているが、他の形状（例えば、他のトロイダル）が可能である。ロータ２０Ｂは、ステータ１０を収容するボア２１を有している。

ロータ２０Ｂは、シェル２２の一部を形成する複数の磁石２４を有している。磁石２４Ｃ、２４Ｄが示されている。磁石２４Ｃ、２４Ｄは、トロイダル方向１０２にシェル２２の周りに離れて配置されている。各磁石２４Ｃ、２４Ｄは、スリット２３に対応する部分が欠落したリング形状を有している。ロータ２０ｂでは、磁石２４Ｃ、２４Ｄは、接線方向に配向されている（すなわち、磁石２４Ｃ、２４Ｄは、磁化され、それによって、Ｎ極、及び、Ｓ極が、それぞれ、ボア２１の周りをトロイダル方向１０２に延在する軸に沿って面する磁石２４の対向面上にある）。

図示の実施形態では、磁石２４Ｃ、及び、２４Ｄは、ロータ２０Ｂの周りをトロイダル方向１０２に沿って１周するように、交互に配置されている。各磁石２４ＣのＮ極は、第１の側で、隣接する磁石２４ＤのＮ極に面している。各磁石２４ＣのＳ極は、第１の側とは反対側の第２の側で、隣接する磁石２４ＤのＳ極に面している。磁石２４Ｃ、２４Ｄは、任意に、同一の構成を有していてもよい（ロータ２０Ｂに対して極が向いている方向を除く）。

図４Ａに示すように、隣接する磁石２４Ｃ、２４Ｄの間の間隔は、磁石２４Ｃ、２４Ｄからロータ２０Ｂの極に、磁束を向ける強磁性体２２Ａを有している。

ロータ２０Ｂは、以下の１つ以上を含む利点を提供してもよい。
・ロータ２０Ｂの磁石２４、及び、シェル２２の配置は、シェル２２の材料（例えば、軟磁性複合材料）を介して、ロータ２０Ｂとステータ１０との間の空隙に、磁束を入らせる。このことは、電機子界磁高調波を損傷するために、磁石２４の露出を、減少させる。このことは、本明細書の他の箇所で説明されるように、磁石渦電流損失を、有利に、低減し、及び／又は、モータ１００全体の効率を、改善できる。
・ロータ２０Ｂにおける磁石２４、及び、シェル２２の配置は、電機子界磁とシェル２２の材料との間の引力に基づいて、追加のリラクタンストルク成分を生成できる。追加のリラクタンストルク成分は、モータ１００の全体的な出力トルクを、有利に、高めることができる。
・ステータ１０に対するシェル２２の強磁性材料の近接は、巻線１８のインダクタンスを増加させる。巻線１８のインダクタンスの増加は、モータ１００の耐障害性を、有利に、向上させ、短絡電流を制限し、高速でのモータ１００の制御を容易にできる（改善された界磁弱め能力によって）。
・製造コストを、低減でき、また、磁石２４の比較的単純な幾何学的形状（例えば、リング形状の幾何学的形状）によって製造プロセスを、簡略化できる。
・磁石２４の磁化処理は、簡単であり（すなわち、磁石２４の側面に垂直な方向に磁石２４を磁化すること）、また、標準的な磁化設備を用いて実現できる。
・ロータ２０Ｂは、強磁性裏打ち材料のシェルを必要としないため、軽量化できる。

７．３ ロータ例３－接線方向磁化磁石

図５は、さらなる例示的な実施形態に係るロータ２０Ｃの部分の斜視図である。ロータ２０Ｃは、隣接する磁石２４の間の空間の強磁性体２２Ａが、シェル２２の内側に向かって集中されていること（すなわち、ロータ２０Ｂと比較して、切欠領域２７におけるシェル２２の外側で材料２２Ａは、切り欠きされていること）以外は、ロータ２０Ｂのように構成されている。この構成で、シェル２２の中央の空隙の大きさは、磁石２４の側のものよりも小さくなる。これは、空隙磁束のより正弦波の空間分布を導き、空隙高調波を減少し、及び／又は、モータトルクリップルを低減できる。

図５Ａ～５Ｄは、２つの磁石２４の間の空間の強磁性材料２２Ａを示しているが、ロータ２０Ｃの湾曲を無視している。図５Ａ～５Ｄに示すように、強磁性体材料２２Ａは、磁石２４の極の表面（この具体例ではＮ極）を被覆している。切り欠き２７は、磁石２４の間のシェル２２を通って、途中まで、延在している。その結果、切り欠き領域２７に隣接する強磁性体材料２２Ａの厚さは、磁石２４の厚さよりも小さくできる。いくつかの実施形態では、切り欠き領域２７におけるシェル２２の最小厚さの磁石２４の厚さに対する比は、約０．３～０．７の範囲にある。

切り欠き領域２７を有するように強磁性材料２２Ａを成形することは、ロータ２２Ｃの重量を、有利に、低減でき、また、ロータ２２Ｃと、ロータ２２Ｃのボア２１に収容されるステータとの間の空隙の磁石２４から磁束を集めることを助けることができる。

切欠き領域２７の形状、及び／又は、大きさは、変更されてもよい。図５Ａ～５Ｄは、切り欠き領域２７に関する非限定的な表面プロファイルの例を示している。切り欠き領域２７における強磁性体材料２２Ａのプロファイルを、強磁性体材料２２Ａに関する様々な表面プロファイルで生成される磁場をモデル化し、また、表面プロファイルを最適化し、低減されるロータ重量と、ロータ２０Ｃとステータ１０との間の空隙の所望の磁場との間の良好なバランスを見出すことによって、生成してもよい。ロータ２０Ｃの重力を低減すること、及び／又は、ロータ２０Ｃにおける磁性体材料利用を改善することによって、モータ１００は、有利に、より高いトルクを出力し、及び／又は、モータトルク密度を増加し、及び／又は、ロータ２０のより速い加速を提供できる可能性がある。

いくつかの実施形態では、例えば、ＳＭＣによって提供される可能性がある強磁性体材料２２Ａは、内側に（すなわち、トロイダルボア２１の壁の一部を形成する側に）形成され、ステータ１０に向かって膨出する湾曲形状を有し、ロータ２０とステータ１０との間の空隙が、強磁性体材料２２Ａの中心の部分で、ロータ２０と磁石２４の側面との間の長さよりも、長さが短くなる。このことは、空隙高調波、及び、トルクリップルを低減できる空隙内の磁束のより正弦波の空間分布に導くことができる。

７．４ ロータ例４－ハルバッハ配列として配置される磁石

ハルバッハ配列では、複数の磁石を、配向される磁石のうち異なるもの磁化方向で配置し、その結果、強い磁場が、配列の第１の側に生成される一方、磁石のうちの異なるものからの磁場は、配列の第１の側に対向する配列の第２の側で相殺する。ハルバッハ配列の原理を、適用し、強い磁場が、ボア２１に提供され、また、非常にわずかな磁場が、ボア２１の外側に存在する本明細書に記載の電気機械のためのロータ２０を提供してもよい。

ハルバッハ配列では、隣接する磁石は、１つの磁石から次の磁石に、アレイに沿って移動するにつれて、磁化の方向が、回転するように、異なる磁化方向を有する。例えば、隣接する磁石の磁場方向を、９０度回転させてもよい。

図６Ａは、ロータ２０Ｄに提供できるハルバッハ配列における連続磁石２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄの磁化方向を、模式的に、示している。ロータ２０Ｄの曲率は、図６Ａでは、無視されている。図６Ａの例示的な実施形態では、磁石２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄの隣接するものの磁化方向の間の角度θＨは、９０°である。図６Ａの例示的な実施形態では、磁石２４Ａは、ボア２１に対して径方向に内向きである第１の方向に磁化され、磁石２４Ｂは、トロイダル方向１０２に沿う第１の方面に向く第２の方向に磁化され、磁石２４Ｂは、ボア２１に対して径方向に外向きである第３の方向に磁化され、磁石２４Ｄは、トロイダル方向１０２に沿う第１の方面と対向する第２の方面に向く第４の方向に磁化されている。

ロータ２０Ｄは、図６Ａのように配置される４個の磁石からなる各グループで、４Ｎ個の磁石を有し、ボア２１内に磁場を生成する一方、ロータの外側にはほとんど磁場を生成しないようにできる。

ハルバッハ配列は、４つより多い磁石からなるグループに基づくことができる。ｎ－磁石ハルバッハ配列は、隣接する磁石２４の磁化方向の間の角度θＨが、３６０／ｎであってもよい。ハルバッハ配列における連続磁石の磁化方向の間の典型的な角度θＨは、限定されないが、１０°、１５°、３０°、４５°、６０°、９０°、及び、１２０°である。

図６は、複数の永久磁石２４－１、２４－２、・・・・、２４－Ｎを有するハルバッハ配列ロータ２０Ｄの一例を示している。磁石２４－１、２４－２、・・・・、２４－Ｎの磁化方向は、空間的に回転するパターンに配置され、トロイダル方向１０２に延在する１つ以上のハルバッハ配列を形成する。

ロータ２０Ｄでは、磁石２４－１、２４－２、・・・・、２４－Ｎは、磁石２４－１、２４－２、・・・・、２４－Ｎの隣接するもの間に有意な隙間がないように、幅にテーパされている（例えば、くさび形）。磁石２４－１、２４－２、・・・・、２４－Ｎを、非磁性のロータホルダに、（例えば、接着剤を用いて、コールドスプレーなどの付加製造方法によって、）非磁性のロータホルダに、任意に、取り付けできる。ロータホルダを、例えば、アルミニウム、炭素繊維複合材のような材料から製造できる。

ハルバッハ配列ロータ２０Ｄは、有利には、（例えば、例示的なロータ２０Ａのシェル２２によって提供されるような）強磁性バックコアを必要としない。ロータ20Dのようにハルバッハ配列におけるトロイダルロータ幾何学的形状に磁石を配置することは、例えば、ロータ２０Ｄの内側とステータ１０との間の隙間における無負荷磁束密度を、有利に、増大できる。このことは、回転子バックコアの排除に起因して、（同じ電気的条件について）より高い出力トルク、及び／又は、より高いトルク密度（ロータ、及び、ステータの単位重量当たりのトルク）を導くことができる。

７．５ シフトロータ磁石

いくつかの実施形態では、ロータの磁石を、ステータからロータの外面に向かって小さな距離（例えば、１ｍｍ程度）だけ、離れるように移動する。このような移動は、電機子界磁高調波への磁石の露出を減少させることによって、本明細書に記載されるように、機械の全体的な効率を高めることができる。モータの中の１つのロータ磁石が、他のモータの磁石位置に対して外側にシフトされている、本明細書に記載されるような２つのモータを比較する３Ｄ限要素解析シミュレーションは、シフトされた磁石設計でのモータが、平均トルクを、０．６％だけ減少するように、わずかに高い銅損を有していること、を示している。一方、シフトされた磁石でのモータは、他のモータに比べて、３２％だけ低減された磁石渦電流損失を有している。

８．機械構造の例

図7は、例示的な実施形態に係る電気機械１０００（モータ、及び／又は、発電機として機能できる）の部分の斜視図である。機械１０００は、筐体２００に収容される永久磁石モータ１００を有している。機械１００のロータ２０は、ロータホルダ１２１によってシャフト１２０に連結される。シャフト１２０は、軸方向に延在し、及び、ベアリング２１０によって支持されている。

いくつかの実施形態では、ロータホルダ１２１は、適切なグレードのプラスチック、アルミニウム、チタン、非磁性ステンレス鋼のような１つ以上の適切な非磁性材料から作られる。

図示の実施形態では、筐体２００は、ロータ２０の外側に延在するトロイダルチャンバ２０１を形成する。チャンバ２０１は、ロータ２０にきっちりと適合し、筐体２００がロータ２０の自由回転と干渉しないようにしてもよい。

図示された実施形態では、筐体２００は、シャフト１２０に向かって径方向内向きに延在し、また、ベアリング２１０を支持する。

筐体２００を、分離可能な部品から作り、機械１０００の組立を容易にしてもよい（例えば、筐体２００を、分離分割でき、モータ１００を筐体２００に挿入できる２つの半体で作ってもよい）。

機械１０００では、ステータ１０は、筐体２００の内面からロータ２０のスリット２３を通って延在する支持体１１２Ａを経由して、筐体２００によって支持され、ステータ０を定位置に保持する。支持体１１２Ａは、例えば、以下の１つ以上を含む多種多様な支持構造のいずれかを有してもよい。
ステータ１０に取り付ける
・離間して配置された複数のポストまたはスポーク、
・フランジ
・複数のテンションをかけられたケーブル
・その他
図７の例示的な実施形態では、開口部２３は、外側に向けられている（すなわち、開口部２３は、回転軸１０３から離れて開口している）が、必要ではない。

支持体１１２Ａを、ステータ１０と、及び、筐体２００と、良好に熱的に接触する熱伝導性材料から作り、支持体１１２Ａが、ステータ１０から熱を除去するのを助けるようにしてもよい。

筐体２００は、任意選択で、１つ以上の冷却チャネル２１６を有している。チャネル２１６は、ロータ２０に隣接して配置され、また、適切な冷却液（例えば、本明細書の他の箇所に記述されているような）を搬送するように接続されてもよい。

冷却チャネル２１６は、ロータ２０と筐体２００との間の小さな隙間を横切って、ロータ２０から熱を受け取ることができる。この隙間は、例えば、空気で満たされてもよい。ロータ２０が回転すると、ロータ２０と筐体２００との間の空隙の熱伝導率は、ロータ２０の回転速度が増加するにつれて、有利に、増加する。磁石２４の温度を低下させることによって、磁石２４が過熱からの減磁に、有利に、影響されないようにできる。

９．実験結果

図８Ａ～Ｆは、モータ１００の様々な実施形態の性能を、従来の永久磁石モータと比較する３Ｄ有限要素解析（「ＦＥＡ」）を用いたケーススタディの結果を示す。

図８Ａは、本発明の例示的な実施形態による、従来の径方向磁束永久磁石モータ（曲線８０Ａ）、従来の軸方向磁束永久磁石モータ（曲線８０Ｂ）、及び、径方向に磁化されたロータ２０Ａを有するモータ１００（曲線８０Ｃ）の間の出力トルクを比較するグラフである。３つのモータは、同じ体積、磁石重量、電機子電気負荷、空隙長、及び、ステータスロット、及び、ロータの極の数で設計されている。図８Ａには、３つのモータの出力トルクのシミュレーションが示されている。モータ１００は、設計、及び、材料最適化を通じてさらなる改善の余地を有しながら、径方向磁束モータ、及び、軸方向磁束モータと比較して、より高い出力トルクを達成できることが、示されている。

例えば、３ＤＦＥＡシミュレーションは、図８Ｂに示すように、接線方向に磁化されるロータ構造２０Ｂが、ロータ構造２０Ａと比較して、モータ効率の大幅な改善を導く、磁石渦電流損失を８２．５％減少できることを示している。

図８Ｃは、接線方向磁化ロータ構造２０Ｂの磁束密度分布を示す。磁石間のＳＭＣの部分（ダークエリア）は、磁気回路において効率的に利用されないことが分かる。

本明細書の他の箇所で説明されるように、ＳＭＣの十分に活用されていない部分を取り除き切り欠き領域２７を提供してもよい（例えば、図５参照）。図８Ｄは、図５に示されるようなロータ２０Ｃの磁束密度を示している。図８Ｃに比べて、磁性材料の利用が改善されていることを、図８Ｄに見ることができる。この改善は、図８ＥのＦＥＡシミュレーション結果に示されるように、モータトルク密度において、５％のより高い出力トルク、及び、１０％の改善を提供した。

図８Ｆは、時間の関数としての、８１８２ｒｐｍ－４５０ｋＷでのモータ１００のＦＥＡシミュレーションの最高温度のグラフである。

１０．変形例

本明細書に開示される技術は、本明細書に記載のある発明の概念を保持しながら、変更されてもよい。例えば、
・本明細書に記載のトロイダル状の物理的構成を有するロータは、上述した永久磁石に代えて、電磁石で構成されていてもよく、
・ステータは、切れ目のないリング状でなくてもよく、代わりの実施形態では、本明細書に記載されるように、ロータのボア内で個別に支持される複数の円弧状セグメントを有してもよく、
・ロータ２０、及び、ステータ１０の役割は、逆であってもよい（すなわち、トロイダルボアを有するステータが、トロイダルボアの内側に位置するロータの周りを取り囲んでもよい）。

構成要素（例えば、ベアリング、シャフト、支持体、巻線、アセンブリ、動力源など）が上記で言及されている場合、他のものが示されていない限り、その構成要素への言及（「手段」への言及を含む）は、その構成要素の同等物として、本発明の例示的な実施形態において機能を実行する開示された構造と構造的に等価ではない構成要素を含みながら、説明された構成要素の機能を実行するいかなる構成要素も含むように解釈されるべきある。

電気機械、及び、関連する方法の具体例は、例示を目的として、本明細書に記載されている。これらは、単なる例示である。本明細書で提供される技術を、上述した例示的なシステム以外のシステムに適用してもよい。本発明の実践では、多くの変更、修正、追加、省略、及び、並べ換えが可能である。本発明は、当業者には明らかであろう記載された実施形態のバリエーションを含み、特徴、要素、及び／又は、機能と同等の特徴、要素、及び／又は、機能での置き換え；異なる実施形態からの特徴、要素、及び／又は、機能の混合、及び、調和；他の技術の特徴、要素、及び／又は、機能と共に本明細書に記載されるような実施形態からの特徴、要素、及び／又は、機能の組み合わせ；及び／又は、説明された実施形態からの特徴、要素、及び／又は、機能を組み合わせの省略、によって得られるバリエーションを含む。

様々な特徴が、「いくつかの実施形態」に存在するとして、本明細書に記載されている。そのような特徴は、必須ではなく、また、すべての実施形態において、存在しなくてもよい。本発明の実施形態は、そのような特徴に関して、ゼロ、任意の１つ、又は、２つ以上の任意の組み合わせを含んでもよい。このような特徴が異なる図面に示され、及び／又は、異なる部分、又は、段落に記載されていても、このような特徴の全ての可能な組み合わせが、この開示によって、考えられる。このことは、当業者が、このような互換性がない特徴を組み合わせる実用的な実施形態を構築することが不可能であろうという意味で、このような特徴のあるものが、このような特徴の他のものとは互換性がないという点でのみ、制限される。したがって、（説明が、他のものに明言し、又は、特徴Ａ、及び、Ｂが、根本的に、互換性がないということでなければ、）特徴Ａを有する「ある実施形態」、及び、特徴Ｂを有する「ある実施形態」は、発明者も、特徴Ａ、及び、Ｂを組み合わせる実施形態を考えているという明白な示唆として、解釈されるべきである。

用語の解釈

文脈が、明らかに、他のものを要求しなければ、明細書、及び、特許請求の範囲を通して、
・「有する」、「有している」等は、排他的、又は、網羅的な意味とは反対に、包括的な意味に、すなわち、「含んでいるが、これに限定されない」という意味に、解釈されるべきである。
・「接続される」又は、「結合される」、及び、その変形型は、2つ以上の要素の間の、直接的、又は、間接的のいずれかの接続、又は、結合を意味する；要素間の結合、又は、接続は、物理的、論理的、又は、それらの組み合わせにできる。
・「本明細書中」、「上記の」、「以下の」、及び、同様の持ち込みに関する用語は、本明細書の記述に用いられる場合、全体として本明細書を参照するものとし、また、本明細書の特定の部分を参照するものではない。
・「又は」は、２つ以上の項目のリストの参照では、以下の用語解釈の全てを包含する：リストのいずれかの項目、リストの全ての項目、及び、リストの項目の任意の組み合わせ。
・「ａ」、「ａｎ」、及び、「ｔｈｅ」を形成する単数形は、また、任意の適切な複数の形態の意味も含む。

本明細書、及び、（存在する）添付の特許請求の範囲で使用される、「縦の」、「横の」、「水平の」、「上の」、「下の」、「前方に」、「後方に」、「内側の」、「外側の」、「右」、「左」、「前」、「後ろ」、「上面」、「下面」、「より下に」、「より上に」、「下に」等のような方向を示す用語は、記述され、及び、図示される装置の特定の配向に依存する。本明細書に記述される主題は、様々な代替の方向を仮定できる。したがって、これらの方向の用語は、厳密に定義されず、また、狭く解釈されるべきではない。

以下の添付の特許請求の範囲、及び、今後に導入される特許請求の範囲は、合理的に推論される可能性があるような変更、並べ換え、追加、省略、及び、サブコンビネーションの全てを含むものと解釈されることが、意図されている。特許請求の範囲は、実施例に記載された好ましい実施形態によって限定されるべきではない一方、明細書全体としての説明と一致する最も広い解釈を与えるものとする。

この出願は、２０２０年９月１６日に出願された米国特許出願第６３／０７９２５９号、発明の名称「電磁相互作用が強化された電気機械」からの優先権を請求する。

スリット２３は、相対的に狭くても、したがって、ステータ１０とロータ２０との間の磁気的相互作用のための大きな領域を提供してもよい。スリット２３は、支持体１１２とスリット２３の縁との間の必要な機械的クリアランスを加えた、支持体１１２を収容するために必要なものより広くする必要はない。スリット２３の相対的な幅は、様々な方法で示すことができる。例えば、
・スリット２３は、ロータ２０の内面のポロイダル方向の円周の１／２未満の幅を有してもよい。好ましくは、スリット２３の幅は、ロータ２０の内面のポロイダル方向の円周の１／３より大きくなく、又は、１／４より大きくなく、又は、１／６より大きくなく、又は、１／１２より大きくない。いくつかの実施形態では、スリット２３の幅は、スリット２３の一方の縁からスリット２３の対向する縁までの、ボア２１の周囲で、ボア２１の内面に沿ってポロイダル方向に延びる距離の約１０％から２０％の範囲にある。
・スリット２３は、ロータ２０の内側トロイダル面を規定する断面形状の中心、又は、重心に対して、１８０度より小さい角度で広がってもよい。好ましくは、角度は、１２０度より大きくなく、又は、９０度より大きくなく、又は、６０度より大きくなく、又は、３０度より大きくない。例えば、ロータ２０は、ステータ１０のトロイダル中心軸に関して１８０°～３５５°の範囲のポロイダル角度の範囲ΦＲ（図１Ｂ参照）で広がってもよい。図１Ｂの例示的な実施形態では、ロータ２０は、約３００°のポロイダル角度ΦＲで広がっている。
・ロータ２０の内側面が広がるトロイダル面の領域に対するスリット２３の領域の比は、１：２より小さく、及び、１：３より大きくなく、又は、１：４より大きくなく、又は、１：６より大きくなく、又は、１：１２より大きくないことが好ましい。
・スリット２３は、ロータ２０の最大径よりも小さい幅を有してもよい。例えば、ロータ２０の最大径に対するスリット２３の幅の比は、２：３よりも小さくても、及び、１：２、又は、１：４、又は、１：６よりも大きくないことが好ましい。

ステータ１０がロータ２０のトロイダルボア２１の内側に配置され、及び、ロータ２０がステータ１０の周りの大部分を取り囲む、本明細書に記載の機械を生成する様々な方法が存在する。これらは、以下を有する。
・ロータ２０を、ステータ１０の周りに組み付けできる２つ以上の部分に形成する。例えば、図１Ａは、ロータの周りに組み立てられ、その後、締結具２８によって接合されてもよい部品２０－１、及び、２０－２から作られるロータ２０を示す。
・ステータ１０の周りにロータ２０を、型に入れて成形し、又は、他の方法で形成する。
・ロータ２０のスリット２３、又は、他の開口を通ってロータ２０内に導入され、及び、ロータ２０の内側に組み立てられることができる部分に、ステータ１０を形成する、
・ステータ１０、及び／又は、ロータ２０を、積層造形によって作る。例えば、ステータ１０、及び、ロータ２０は、積層造形によって、同時に作られてもよい。

スポーク１７は、ステータ１０の本体から冷却チャネル１６に熱を伝導する経路として機能する。いくつかの実施形態では、スポーク１７は、コイル１８の端部の近くを通過し、スポーク１７は、コイル１８から冷却チャネル１６に熱を運ぶ経路として機能する。

いくつかの実施形態では、冷却チャネル１６、及び、スポーク１７は、ステータ１０の他の部分を支持、及び／又は、堆積させることができる骨格、又は、フレームワークとして機能する。いくつかの実施形態では、冷却チャネル１６、及び／又は、スポーク１７の壁１６Ａは、ステータ１０の機械的特性（例えば、剛性）を高める。

図7は、例示的な実施形態に係る電気機械１０００（モータ、及び／又は、発電機として機能できる）の部分の斜視図である。機械１０００は、筐体２００に収容される永久磁石モータ１００を有している。機械１０００のロータ２０は、ロータホルダ１２１によってシャフト１２０に連結される。シャフト１２０は、軸方向に延在し、及び、ベアリング２１０によって支持されている。

機械１０００では、ステータ１０は、筐体２００の内面からロータ２０のスリット２３を通って延在する支持体１１２Ａを経由して、筐体２００によって支持され、ステータ０を定位置に保持する。支持体１１２Ａは、例えば、以下の１つ以上を含む多種多様な支持構造のいずれかを有してもよい。
ステータ１０に取り付ける
・離間して配置された複数のポストまたはスポーク、
・フランジ
・複数のテンションをかけられたケーブル
・その他
図７の例示的な実施形態では、開口部２３は、外側に向けられている（すなわち、開口部２３は、回転軸１１５から離れて開口している）が、必要ではない。

Claims (39)

1. 軸を中心に回転するように取り付けられるロータであって、前記軸を中心とするトロイダルボアを提供するように形成されるシェル、及び、前記ロータの周りに周方向に延在するスリットであって、前記シェルを通って前記ボアに貫通するスリット、前記ボア内で前記ロータの周りに周方向に離間して配置される複数の磁極、を有するロータ、
   前記ロータの前記スリットを通って延在する１つ以上の支持体によって前記ボア内に支持されるステータであって、前記ボアの周りに離間して配置される複数の巻線、を有するステータ、
   を有する電気機械。
2. 請求項１に係る電気機械において、
   前記磁極は、
   前記スリットの第１の縁部に近い位置から、前記スリットの第２の縁部に近い位置まで、前記ボアの内面の周りで、ポロイダル方向に延在する、
   電気機械。
3. 請求項１、又は、請求項２に係る電気機械において、
   前記ロータは、
   周方向に離間して配置される複数の永久磁石、
   を有し、
   隣接する前記磁石は、
   前記磁極の１つを提供する強磁性材料の部分によって分離されている、
   電気機械。
4. 請求項３に係る電気機械において、
   前記永久磁石は、
   前記回転子の直径に対して接線方向に磁化され、及び、
   周方向に隣接する前記磁石は、
   対向する方向に分極されている、
   電気機械。
5. 請求項３、又は、請求項４に係る電気機械において、
   前記磁石は、
   前記ロータの周りに前記ポロイダル方向に延在し、及び、前記スリットと一直線にされる隙間を有するリング磁石を有する、
   電気機械。
6. 請求項３～請求項５のいずれかに係る電気機械において、
   前記強磁性材料は、
   軟磁性複合体（ＳＭＣ）を有する、
   電気機械。
7. 請求項３～請求項６のいずれかに係る電気機械において、
   前記強磁性体材料の外面は、
   実質的に一定の磁束密度の輪郭に従うように形成されている、
   電気機械。
8. 請求項３～請求項６のいずれかに係る電気機械において、
   前記強磁性材料の前記外面への法線は、
   前記強磁性材料の前記外面に隣接する前記強磁性材料における磁束密度の勾配にほぼ平行である、
   電気機械。
9. 請求項３～請求項８のいずれかに係る電気機械において、
   前記ロータの外側の前記強磁性体の表面は、
   前記ポロライド方向に延在する切り欠き、又は、溝で形成されている、
   電気機械。
10. 請求項１、又は、請求項２に係る電気機械において、
    前記ロータは、
    前記ロータの前記トロイダルボア内に、磁場を集中させるように配向される１つ以上のハルバッハ配列を形成するように配置される複数の永久磁石を有している、
    電気機械。
11. 請求項１０に係る電気機械において、
    前記永久磁石は、
    前記スリットと一直線にされる隙間を有するリング形状の磁石を有する、
    電気機械。
12. 請求項６に係る電気機械において、
    前記ロータは、
    前記トロイダルボアに対して半径方向に磁化される複数の円周方向に離間して配置される永久磁石を有する、
    電気機械。
13. 請求項１２に係る電気機械において、
    周方向に隣接する前記磁石の極性は、交互である、
    電気機械。
14. 請求項１２、又は、請求項１３に係る電気機械において、
    前記磁石は、
    放射状に磁化され、及び、前記スリットと一直線にされる隙間を有するリング形状の磁石を有する、
    電気機械。
15. 請求項１０～請求項１４のいずれかに係る電気機械において、
    前記シェルは、
    前記ロータの前記ボアから離れた前記磁石の側で、前記磁石を裏打ちする強磁性材料の連続層を有する、
    電気機械。
16. 請求項１～請求項１５のいずれかに係る電気機械において、
    前記スリットの幅は、
    前記ロータの内面の前記ポロイダル方向における周方向の１／３より大きくない、
    電気機械。
17. 請求項１～請求項１６のいずれかに係る電気機械において、
    前記スリットは、
    前記軸を有する平面における前記ボアの断面の重心に対して、６０度より大きくない角度で広がっている、
    電気機械。
18. 請求項１～請求項１７のいずれかに係る電気機械において、
    前記ロータの前記内面が広がるトロイダル面の領域に対する前記スリットの領域の比は、
    １：１２より大きくない、
    電気機械。
19. 請求項１～請求項１８のいずれかに係る電気機械において、
    前記ステータは、
    １つ以上の冷却チャネル、を有し、及び、
    前記電気機械は、
    前記スリットを通って延在し、及び、１つ以上の前記冷却チャネルに冷却流体を供給し、及び／又は、１つ以上の前記冷却チャネルから前記冷却液を除去するように接続される１つ以上の導管を有する、
    電気機械。
20. 請求項１９に係る電気機械において、
    １つ以上の前記冷却チャネルは、
    前記ステータの周りにトロイダル状に延在する、
    電気機械。
21. 請求項２０に係る電気機械において、
    １つ以上の前記冷却チャネルは、
    前記ステータの中心線上で前記ステータの周りに延在する、
    電気機械。
22. 請求項１～請求項２１のいずれかに係る電気機械において、
    前記ステータは、
    強磁性材料のコアを有し、及び、
    前記巻線は、
    前記コアに沿って離れた配置される位置で、前記コアに巻かれるトロイダル巻線を有する、
    電気機械。
23. 請求項２２に係る電気機械において、
    前記トロイダル巻線は、
    一体型、又は、分数巻線を有する、
    電気機械。
24. 請求項２２、又は、請求項２３に係る電気機械において、
    前記コアは、
    隣接する前記巻線の間に配置される前記強磁性材料のリブであって、前記ポロイダル方向に前記コアの周りに延在するリブを有する、
    電気機械。
25. 請求項２４に係る電気機械において、
    前記リブは、
    前記リブが前記スリットを横切る位置で中断される、
    電気機械。
26. 請求項２５に係る電気機械において、
    前記リブは、
    前記スリットに一直線にされるＶ字状の切り欠きによって中断される、
    電気機械。
27. 請求項２４～請求項２６のいずれかに係る電気機械において、
    前記トロイダル巻線の外面、及び、前記リブの外面は、
    互いに、一直線にされている、
    電気機械。
28. 請求項２４～請求項２７のいずれかに係る電気機械において、
    前記トロイダル巻線の外面は、
    前記リブの外面に対して前記ステータコアに向かって凹んでいる、
    電気機械。
29. 請求項１～請求項２８のいずれかに係る電気機械において、
    前記ロータの外面に適合するように形成される筐体であって、前記筐体と前記ロータとの間にクリアランスギャップを提供するように位置決めされる筐体、
    を有する、
    電気機械。
30. 請求項２９に係る電気機械において、
    前記筐体内に冷却チャネル、
    を有し、
    前記冷却チャネルは、
    前記ロータに隣接して配置され、及び、冷却液を搬送するために接続できる、
    電気機械。
31. 請求項１～請求項３０のいずれかに係る電気機械において、
    １つ以上の前記支持体は、
    前記ステータに、又は、前記ステータから、電力を搬送するために接続される導電体を有する、
    電気機械。
32. 請求項１～請求項３１のいずれかに係る電気機械において、
    前記ステータは、
    前記巻線の間に配置され、及び、前記ステータから径方向に離れるように延在するスポークを有する、
    電気機械。
33. 請求項１～請求項３２のいずれかに係る電気機械において、
    前記軸を有する平面においける前記ボアの断面は、
    円形である、
    電気機械。
34. 請求項１～請求項３２のいずれかに係る電気機械において、
    前記軸を有する平面における前記ボアの断面は、
    楕円である、
    電気機械。
35. 請求項１～請求項３４のいずれかに係る電気機械において、
    前記スリットは、
    前記軸から離れて面している前記ロータの側に存在する、
    電気機械。
36. 請求項１～請求項３４のいずれかに係る電気機械において、
    前記スリットは、
    前記軸に向かって面している前記ロータの側に存在する、
    電気機械。
37. 請求項１～請求項３４のいずれかに係る電気機械において、
    前記スリットは、
    前記軸と平行に面する前記ロータの側に存在する、
    電気機械。
38. 本明細書に記載されるような、新規な、及び、進歩性を有する特徴、特徴の組み合わせ、又は、特徴のサブコンビネーションのいずれかを有する装置。
39. 本明細書に記載されるような、新規な、及び、進歩性を有するステップ、動作、ステップ、及び／又は、動作の組み合わせ、又は、ステップ、及び／又は、動作のサブコンビネーションのいずれかを有する方法。