JP2024529977A - 磁性材料充填プリント回路基板およびプリント回路基板ステータ - Google Patents

Abstract

誘電性基板は、軸方向磁束機械の平面電機子の少なくとも１つの極のための巻線を形成する、伝導性トレースを支持し得る。軸方向磁束機械の環状有効面積内に位置付けられるように適合される、誘電性基板の少なくとも一部は、軟質磁性材料を含み得る。そのような平面電機子は、例えば、誘電性基板上に伝導性トレースを形成することと、伝導性トレース間の隙間間隙を、その中に軟質磁性材料が埋設される、少なくとも１つのエポキシ材料で充填することとによって、生産され得る。

Description

（背景）
その全内容が参照することによっ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」）および第１０，１７０，９５３号（「第‘９５３号特許」）等の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、ロータ間の平面プリント回路基板ステータアセンブリを特徴とする。

（要約）
本概要は、詳細な説明において下記にさらに説明される一連の概念を、単純化された形態で導入するために提供される。本概要は、重要となる特徴または本質的な特徴を識別することを意図しているわけでも、本明細書に含まれる請求項の範囲を限定することを意図しているわけでもない。

一例示的実施形態によると、軸方向磁束機械のための平面電機子は、軸方向磁束機械の環状有効面積内に位置付けられるように適合される少なくとも第１の部分を含む、誘電性基板であって、少なくとも第１の部分は、軟質磁性材料を備える、誘電性基板を備え、さらに、誘電性基板によって支持される、伝導性トレースであって、伝導性トレースは、平面電機子の少なくとも１つの極のための巻線を形成する、伝導性トレースを備える。

別の例示的実施形態によると、プリント回路基板は、誘電性基板と、誘電性基板によって支持される、伝導性トレースと備え、誘電性基板の少なくとも第１の部分は、軟質磁性材料を備える。

さらに別の例示的実施形態によると、軸方向磁束機械のための平面電機子を形成するための方法は、誘電性基板上に伝導性トレースを形成することであって、伝導性トレースは、平面電機子の少なくとも１つの極のための巻線を形成する、ことと、伝導性トレース間の隙間間隙を、その中に軟質磁性材料が埋設される、少なくとも１つのエポキシ材料で充填することとを含む。

本明細書に開示される実施形態の目的、側面、特徴、および利点が、同様の参照番号が類似または同じ要素を識別する、以下の詳細な説明、添付の請求項、および付随の図からより完全に明白な状態になるであろう。図と関連付けられた状態で本明細書内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、本明細書内に付加的な説明を伴うことなく、１つ以上の後続の図内で繰り返され得、全ての要素が、全ての図内で標識されない場合がある。図面は、必ずしも、縮尺通りではなく、実施形態、原理、および概念を例証することに強調が置かれる。図面は、本明細書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１は、平面ステータを伴う例示的軸方向磁束機械の内部構成要素の分解図を示す。

図２は、図１に示される構成要素を含む、軸方向磁束機械の断面図を示す。

図３は、図１および２に示される軸方向磁束機械等の軸方向磁束機械内で採用され得る、例示的平面ステータを示す。

図４は、従来のプリント回路基板のための複合構造内の材料の配置の概略図を示す。

図５は、図４に示される複合構造の複製物のうちのいくつかが、従来の複合プリント回路基板の積み重ね内で繰り返され得る方法の概略図を示す。

図６は、その中で磁性複合材料が銅特徴間の隙間内に配置される、（例えば、平面ステータ内での使用のための）複合構造を示す。

図７は、本開示のいくつかの実施形態による、図６の複合構造が、実践的な複合プリント回路基板を構築するための繰り返しユニットとして実装され得る方法を図示する。

図８は、半径方向トレース間の隙間内での磁性複合材料の堆積を示す、６つの伝導性層を伴う平面ステータからのサンプルの断面図である。

（詳細な説明）
電機子が、多くの場合、ワイヤを使用して軟質磁性材料コア上に巻回される、従来の構築物の機械とは異なり、（例えば、第‘６２５号特許および第‘９５３号特許（上記を参照することによって組み込まれる）内に説明されるような）プリント回路基板ステータ内の巻線は、非磁性複合材料によって支持される。本複合物は、典型的には、巻線および熱構造に関して、繊維ガラス布と、エポキシと、銅とから成る。故に、本タイプの機械は、多くの場合、「空気コア」機械として説明される。

本発明者らは、そのような平面プリント回路基板ステータが、１つ以上の軟質磁性材料をステータ基板の中に導入することによって有意に改良され得ることを認識し、理解している。そのような軟質磁性材料、ならびにそのようなステータを生産するためのいくつかの例示的技法を用いて向上される、平面回路基板ステータのいくつかの実施例が、本明細書に説明される。

図１および２は、それぞれ、第‘６２５号特許および第‘９５３号特許内に開示されるタイプの平面ステータ軸方向磁束機械１００の分解図および断面図を示す。これらの図に示されるように、平面ステータ１０２は、ロータの構成要素によって確立される磁気回路の間隙内に設置されてもよい。図３は、機械１００内に採用され得る、例示的平面ステータ１０２の上面図を示す。図１に最も詳細に示されるように、ロータは、ロータのシャフト１１０に取り付けられ得る、一対のロータアセンブリ１０８ａ、１０８ｂをともに形成する、磁石１０４ａ、１０４ｂと、支持構造１０６ａ、１０６ｂとを含んでもよい。図２に示されるように、平面ステータ１０２の外縁１１２が、（例えば、筐体１１４の個別の区分１１４ａ、１１４ｂ間に保持されることによって）筐体１１４に固定して固着されてもよい一方、（ロータアセンブリ１０８ａ、１０８ｂが取り付けられる）ロータシャフト１１０は、（例えば、軸受１１６を介して）筐体１１４に対して回転可能であってもよい。

図３に示されるように、平面ステータ１０２は、半径方向トレース３０２を含んでもよい。そのような半径方向特徴を伴う平面ステータ１０２の一部、すなわち、半径方向距離ｒ１（機械１００のロータの回転軸と一致する、平面ステータ１０２の中心点３０４から測定される）と半径方向距離ｒ２（また、中心点３０４から測定される）との間に延在する、環状領域が、主として、機械１００内でのトルクの生産に関わる意味において、機械１００の「有効」面積内に位置する。機械１００のロータに取り付けられる磁石１０４の内径および外径は、典型的には、それぞれ、半径方向距離ｒ１（ステータの回転軸から測定される）および半径方向距離ｒ２（また、ステータの回転軸から測定される）またはその近傍に位置付けられ、したがって、環状有効面積内に軸方向に指向される磁気束を生成する。残りの特徴、例えば、平面ステータ１０２の環状有効面積に半径方向に隣接する、（平面ステータ１０２の異なる層上に存在し得る）内側座巻３０６および外側座巻は、半径方向トレース３０２を直列および並列の組み合わせに接続し、関連付けられる電流および電圧を平面ステータ１０２の端子３０８に伝達するためにのみ存在し得る。

モータモードでは、ロータの回転軸を中心として同期的に回転する電流密度が、（図１に示される）コントローラ１１８によって、平面ステータ１０２に課され得る。本電流密度とロータアセンブリ１０８ａ、１０８ｂからの間隙内の磁気束の相互作用が、電磁気起源のトルクにつながる。コントローラ１１８は、本構造によってもたらされるエネルギー転換が、電気機械が機械端子から電力を吸電し、これを電気端子に送達し得る、またはこれが電力を機械端子に送達し得る意味において、双方向であるように動作されてもよい。適切な制御下で、本種類の機械は、摩擦の成分、慣性のモーメント、および類似物を含む、様々な機械的負荷をシミュレートし得る。

図４は、比較的に起伏のあるトレースを伴う従来のプリント回路基板のための、複合構造４００内での材料の配置の概略図を示す。そのような構造は、例えば、図１－３に示される軸方向磁束機械１００の平面ステータ１０２等の軸方向磁束機械のための従来の平面ステータを形成するために使用されてもよい。図４に示される積み重ねは、銅被覆材料（例えば、事前加工されたガラスエポキシ、銅シート）の２つの層４０２ａ、４０２ｂと２つの銅被覆層上にエッチングされた対向する銅特徴４０４との間の界面上に集束する。いくつかの実装では、例えば、層４０２はそれぞれ、ＦＲ－４ ＣＣＬ等の個別の銅被覆積層（ＣＣＬ）シートをエッチングし、銅特徴４０４を形成することによって形成されてもよい。図示されるように、各層４０２は、（銅特徴４０４を含む）エッチングされた銅シートが（例えば、エポキシ樹脂を介して）接着される、誘電性コア層４０６（例えば、繊維ガラス布）を含んでもよい。図４に示されていないが、図示される誘電性コア層４０６の対向側も同様に、それらに接着される（可能性として、付加的な銅特徴４０４を形成するようにエッチングされた）銅シートを有し得ることを理解されたい。本タイプのエッチングされたＣＣＬシートが、例えば、図５および７と関連して下記に説明される複合プリント回路基板構造５００、７００を形成するために使用されてもよい。銅特徴４０４は、例えば、図３に図示されるように、第１の半径ｒ１と第２の半径ｒ２との間に延在する、平面ステータ１０２の「有効面積」内の半径方向トレース３０２に対応し得る。

図４に示されるように、個別の層４０２ａ、４０２ｂをともに接合し、平坦な複合構造４００を達成し、対向する銅特徴４０４間に誘電性を提供するために、「事前含浸物」４０８のいくつかの層が、エッチングされた銅表面間に挿入されてもよい。「事前含浸物」は、エポキシ含浸ガラス繊維布である。図示されるように、事前含浸物４０８からのエポキシ４１０が、起伏のある接触面積から外に、有効面積トレース間の隙間空間の中に流動し得る。十分な事前含浸物が、隙間空間が、複合構造４００がともに圧縮および接合されると充填され得るように、採用されてもよい。

図５は、図４に示される複合構造４００の複製物のうちのいくつかが、本実施例では、例えば、銅特徴４０４を含む伝導性材料の１２個の層を伴う、典型的な複合プリント基板構造５００の積み重ねの中に含まれ得る方法の概略図を示す。

最も単純な用語において、図１および２に示されるタイプの機械では、ロータは、間隙を伴う回転フレーム内で磁気回路を支持する。平面ステータ１０２は、間隙内に位置付けられ、平面ステータ１０２上の巻線が、ロータからの磁束を連結させる。静止条件下において、間隙内の磁束のための解は、ステータ構築物（例えば、図４および５に示される誘電性コア層４０６、事前含浸物４０８、およびエポキシ４１０）内で使用される材料が、本質的には自由空間、すなわち、「空気」と同一である、透磁性を有するため、平面ステータ１０２の存在とは本質的に無関係である。より従来の構築物の機械は、巻線と、多くの場合、特別な鋼鉄の積層物から作製される、軟質磁性材料を統合させる。本材料は、磁気回路に関与する。しかしながら、軟質磁気構造が、例えば、永久磁石ブラシレス機械内のステータと統合されると、鋼鉄は、軟質磁性材料内の様々な損失機構を駆動する傾向にある、有意な時変磁気束を受ける。これは、そのような機械内で使用される材料が、典型的には、磁性材料内の渦電流と関連付けられる損失を低減させる、積層されたスタンピングから作製される理由のうちの１つである。典型的な鋼鉄積層構築物内への軟質磁性材料の組み込みに付随して、型化コストと、巻回限界（充填係数）と、電気および音響ノイズと、電気的絶縁要件と、運動の品質と、熱懸念とを含む、いくつかの欠点が、存在する。

利点は、コアの利用が、経済的に感受性である希土類硬質磁性材料の必要性を低減させる、またはある場合には、排除し得ることである。加えて、硬質磁性材料とは無関係に、コアを組み込むことは、他のものとのトレードオフにおいて、性能のいくつかの側面を改良し得る。例証の目的のために、回転フレームへの電気変数の変換を伴う無損失機械、すなわち、理想的に整流された機械を考慮されたい。本状況において、機械は、トルクを電流（Ｋ_ｔ）に、および電圧、すなわち、逆ＥＭＦを速度（Ｋ_ν）に関連させる、単一の定数によって特徴付けられる。適切な単位および分量において、これらの定数は、等しい。定数が、より大きくされる場合、より小さい電流が、所与のトルクを提供し、より低い速度が、所与の端子電圧をもたらすであろう。

機械の逆ＥＭＦ、および機械電流をトルクに関連させる定数が、巻によって連結される磁束によって推測されることができる。特に、磁気準静的場合におけるＭａｘｗｅｌｌの方程式の結果として、磁束λを連結させる巻は、以下のように電圧に寄与する。

さらに、（ステータ内の）巻の静的幾何学形状によって連結される磁束が、ステータに対して角度θにおけるロータの配向によって変更される場合、上記の方程式は、以下の状態になる。

項
は、永久磁石機械において考慮するべき２つの成分を有する。
に寄与する磁束λ_１の一方の源は、ロータ内に固定される磁石（θは、ロータの角度である）および関連付けられる磁気回路の解に由来する。これは、空気コア機械内で最も重要な項である。
に寄与する別の成分λ_２は、巻自体から連結される磁束の変化を伴う。本成分に関して、λ_２＝Ｌ（θ）であり、これは、角度依存インダクタンスとして考えられ得る。

固定された速度、すなわち、
および定常状態条件において、
の有意性は、これが、電気機械の性能特性を判定する、速度と電圧との間の関係を提供することである。これは、部片毎に分析されることができ、例えば、巻線の電圧は、巻線の構成要素の
寄与量の重畳である。

が、θの関数であり、したがって、周期的であるため、これは、Ｆｏｕｒｉｅｒ級数を有する。ある場合には、
項は、その級数の第１項によって良好に概算され得る。この場合には、ｎ個の極を有し、周波数ωにおいて機械的に回転する機械に関する端子電圧は、以下のように記述されることができる。

本方程式では、ωは、回転の機械的周波数であり、ｎは、機械の極数であり、ｎωは、電気的周波数であり、ｔは、時間であり、θ_０は、角度オフセットであり、Ｋｓｉｎ（ｎωｔ＋θ_０）は、巻線にわたる
を概算する、Ｆｏｕｒｉｅｒ級数の第１項である。機械の整流は、正弦波依存性を効果的に除去し、機械に、単位速度あたりのより多くの電圧およびアンペアあたりのより多くのトルクを生産させ得る要因として、硬質磁性材料からの寄与、連結された磁束のための解、およびθ依存インダクタンス項を用いて、Ｋを明らかにする。空気コア機械への軟質磁性コア材料の追加は、
への成分寄与を増加させ、したがって、概して、本機械のためのＫを増加させることができる。

軟質磁性コア材料を空気コア機械に導入するための１つの可能性として考えられる方法は、導電性トレース（例えば、従来のＣＣＬシートの誘電性コア層）を支持する繊維ガラス基板を、軟質磁性材料に置き換えることである。本材料は、非伝導性かつ比較的に堅固であり、例えば、軟質フェライト等のセラミック絶縁体であってもよい。材料は、機械の動作の過程において時変磁場に暴露されるであろうため、低損失磁気特性が、望ましいであろう。支持基板としてセラミック絶縁体または同等物を伴う回路基板構造を生産するために、平面伝導性層（例えば、銅層）が、セラミック絶縁体材料の平面シートのいずれかまたは両方の表面上に配置され、ＣＣＬシートに類似する構造を発生させてもよく、そのような伝導性シートは、次いで、電機子および／または他の伝導性トレースの極の巻線のためのパターンを形成するために、例えば、標準的なプリント回路基板（ＰＣＢ）プロセスを使用して、エッチングされもよい。

機械加工の難易度等、これらの基準を充足する材料の群の性質は、平面巻線構造を形成するために必要とされる層の数を低減させる実装に向かって緩和され得る。第‘９５３号特許（上記を参照することによって組み込まれる）に開示される巻線構造は、わずか２つの伝導性層において達成されることができる。許容可能な熱条件の観点から、平面ステータの巻線を支持するための基板として軟質磁性材料を使用することに対する利点もまた、存在し得る。

軟質磁性コア材料を空気コア機械に導入するための別の可能性として考えられる方法は、製造プロセスの一部として、磁性コア材料とプリント回路基板を統合することである。そのような実装は、プリント回路基板プロセスのために設計された平面ステータの技法および巻回手順と、同様に、そのようなプロセスと関連付けられる固有の精度およびスケーラビリティとを留保するという利点を有する。いくつかのそのような実装では、１つ以上の粉末状の軟質磁性材料は、そうではない場合には磁性複合材料を形成するためにプリント回路基板内に「充填物」として使用される、１つ以上のキャリア材料（例えば、低粘度エポキシ製品）と組み合わせられてもよい。そのような磁性複合材料は、したがって、伝導性トレースを支持し、また、（少なくとも）これが必要とされる場所内に一体型の軟質磁性材料を有する、誘電性基板を伴う平面電機子をもたらす、軟質磁性コアを形成してもよい。

図６は、その中で誘電性基板（誘電性コア層４０６と、磁性複合材料６０２と、事前含浸物４０８とを含む）が伝導性トレース（すなわち、銅特徴４０４）を支持し、その中で磁性複合材料６０２が（例えば、図３に示される半径方向トレース３０２に対応する）銅特徴４０４間の隙間内に配置される、（例えば、平面ステータ１０２内での使用のための）例示的複合構造６００を示す。複合構造６００は、その中で事前含浸物４０８および関連付けられるエポキシ４１０が、代わりに、銅特徴４０４間の隙間内に配置される、図４に示される複合構造４００と比較されることができる。複合構造６００では、これらの隙間は、磁性複合材料６０２で充填されるため、事前含浸物４０８がそれらの空間を充填する必要性が、低減され得る。したがって、いくつかの実装では、事前含浸物４０８は、平面ステータ１０２の誘電性要件、すなわち、軸方向に近接する銅特徴４０４間の電気的絶縁を充足するためにのみ使用され得る。いくつかの実装では、例えば、事前含浸物４０８の単層のみが、エッチングされた銅被覆材料の２つの層４０２ａ、４０２ｂ間に配置されてもよい。図７は、図６に示される複合構造６００の複製物のうちのいくつかが、本実施例では、例えば、銅特徴４０４を含む伝導性材料と、一体型の軟質磁性材料、例えば、銅特徴４０４間の隙間内に位置付けられる磁性複合材料６０２との１２個の層を伴う、新規の複合プリント基板構造７００の積み重ね内に含まれ得る方法の概略図を示す。

上記に記載されるように、図３は、ステータ巻線を形成するトレースを含む、典型的平面ステータ１０２の上面図を示す。ロータ軸方向磁束が課される場所である、平面ステータ１０２の有効面積が、半径ｒ_１とｒ_２との間の環状部によって説明される。示されるように、平面ステータ１０２の有効面積は、半径方向トレース３０２を含んでもよい。いくつかの実装では、本明細書に説明される磁性複合材料６０２は、本有効面積内、例えば、半径方向トレース３０２間の隙間内のみに設置されてもよい。他の実装では、磁性複合材料６０２は、加えて、または代替として、平面ステータ１０２の他の領域内に設置されてもよい。

粉末状の軟質磁性材料は、チョーク、インダクタ、および変圧器等の構成要素の製造のために広く利用可能である。そのような粉末状の軟質磁性材料を使用して形成される製品の実施例は、全て、Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇ， ＰＡに本社を有する）から入手可能である、Ｋｏｏｌ Ｍｕ（センダスト）と、ＭＰＰ（モリパーマロイ）と、Ｋｏｏｌ Ｍμ ＭＡＸと、Ｋｏｏｌ Ｍｕ＿Ｈｆと、Ｅｄｇｅと、Ｈｉｇｈ Ｆｌｕｘと、ＸＦｌｕｘと、７５シリーズとを含む。これらの従来の用途では、粉末は、多くの場合、埋設されるワイヤを用いて、またはその周りにワイヤが巻回され得る、形態としてのいずれかでコアを形成するために焼結または接合される。本タイプの粉末状の軟質磁性材料は、いくつかの調達元から入手可能である。実施例は、（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃの一部である）Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ（Ｔｅｗｋｓｂｕｒｙ， Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）から入手可能である、４０３３７鉄粉末と、００１７０鉄粉末と、１０２１４鉄粉末とを含む。

そのような粉末状の軟質磁性材料を含む、構成要素内の渦電流損失は、伝導性粒状体間の界面が疎性に、すなわち、粒子がより大きい伝導性ネットワークを形成する傾向にならないように作製され得るため、粒子サイズを介して制御されることができる。磁気損失は、粒状体の集合体が、より少ないドメイン間相互作用を伴う個々のドメインを近似するため、同一の材料のバルクサンプルと比較して、粒子サイズに伴って同様に減少する。材料粒子サイズが、並外れて小さい（ナノスケール、例えば、１～１００ナノメートル）状態になるにつれて、新しい効果が、明白になり得る。これらの効果は、概して、磁気の観点から有益であるが、プリント回路基板環境内での統合のための材料を用いた取扱、混合、および反応性の観点からの課題を提示し得る。

いくつかの実装では、プリント回路基板ステータの中に、上記において識別されたもの等の粉末状の軟質磁性材料を導入するために、１つ以上のそのような軟質磁性粉末が、上記に説明されるように、プリント回路基板材料およびプロセスと適合する、１つ以上の低粘度エポキシ製品と混合される、手順が、使用され、磁性複合材料６０２を形成してもよい。いくつかの実装では、所与の用途のために最適な磁性粒子サイズを有する、軟質磁性粉末が、選択されてもよい、および／またはそのような軟質磁性粉末が、使用される磁性粒子のサイズを制御するように選別されてもよい。いくつかの実装では、例えば、１マイクロメートル（μｍ）、または２μｍ、または５μｍ、または１０μｍ、または２０μｍ、または５０μｍ、または１００μｍの平均磁性粒子サイズ（例えば、直径）を有する磁性粉末が、採用されてもよい。さらに、いくつかの実装では、そのような磁性粉末は、加えて、または代替として、それらが含有する磁性粒子の最大サイズ（例えば、直径）が、１００μｍ未満、または５０μｍ未満、または２０μｍ未満、または１０μｍ未満、または５μｍ未満、または２μｍ未満、または１μｍ未満であるように選別されてもよい。上記に記載されるように、これらの材料内での渦電流損失は、個々の粒子間の界面を、十分に疎性の状態にさせるように、軟質磁性粒子のサイズを制御することによって管理されることができる。さらに、磁性粒子を十分に小さくおよび／または疎性に保つことによって、磁性複合材料６０２は、個々の磁性粒子が、いくつかの実装においてそれ自体で伝導性であり得る場合でも、バルク内で非伝導性に作製されることができる。磁性複合材料６０２は、したがって、平面ステータ１０２の個々の伝導性トレース３０２、４０４間で絶縁体としての役割を果たし得る。

磁性複合材料６０２を形成するためにそのような磁性粉末と混合され得る、低粘度エポキシ製品のある実施例は、Ｅｌｅｃｔａ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ Ｌｔｄ．（Ｋｅｎｔ， Ｅｎｇｌａｎｄ）から入手可能である、ＥＭＰ１１０ Ｐｈｏｔｏｉｍａｇｅａｂｌｅ Ｓｏｌｄｅｒｍａｓｋである。そのような磁性複合材料６０２は、次いで、製造のプロセスにおいて、標準的プロセスを用いて、そうではない場合には他の材料（例えば、事前含浸物４０８および／またはエポキシ４１０の層）で充填されるであろう、（例えば、銅特徴４０４間の隙間内の）プリント回路基板内の容積の中に分注されてもよい。本アプローチの結果は、複合プリント回路基板構造、例えば、低損失磁性材料、例えば、磁性複合材料６０２を組み込む、図７に示される複合プリント基板構造７００である。

いくつかの実装では、トレース、例えば、図３に示される半径方向トレース３０２間の隙間内に１つ以上の粉末状の軟質磁性材料を統合する、平面複合ステータを作製するために、アセンブリの銅被覆繰り返しユニットのうちの１つ、例えば、図６に示される層４０２のうちの１つを処理することにおいて採用され得る、２つの原理ステップが、存在する。第１のそのようなステップは、軟質磁性材料、例えば、磁性複合材料６０２を所望の場所に設置すること、および非磁性充填材材料を磁性材料が必要とされない場所に設置することであってもよい。本目的のために好適である、非磁性充填材材料の実施例は、上記に記載される、ＥＭＰ１１０ Ｐｈｏｔｏｉｍａｇｅａｂｌｅ Ｓｏｌｄｅｒｍａｓｋである。平面電機子の構築において、軟質磁性材料、例えば、磁性複合材料６０２を、ロータとの相互作用が有意である、（図３のｒ１とｒ２との間の）ステータの有効面積に限局することが、望ましくあり得る。第２のそのようなステップは、層４０２が均一な結果を伴って「スタック」され得るように、それらを平面化することであってもよい。これらのステップに関して説明される技法の順列は、類似の結果を有し得る。

いくつかの実施形態では、個々のＣＣＬシート、例えば、ＦＲ－４ ＣＣＬパネルが、従来の平面ステータ、例えば、第‘６２５および第‘９５３特許（上記を参照することによって組み込まれる）に説明されるタイプの平面ステータに関して行われるであろうように、所望の巻線パターンを用いてエッチングされてもよい。１つ以上のエポキシと、１つ以上の粉末状の軟質磁性材料、例えば、上記に説明される磁性複合材料６０２との混合物が、次いで、例えば、図３に示される平面ステータ１０２の半径方向トレース３０２を形成する、銅特徴４０４間のエッチングされたＣＣＬシートの有効面積上に、コンピュータ制御されたディスペンサを介して選別または設置されてもよい。いくつかの実装では、磁性複合材料６０２は、エッチングされたＣＣＬシート上に磁性複合材料６０２を堆積させることに先立って、これらの面積内に非磁性充填材材料を堆積させ、部分的に硬化させることによって、所望されていない面積、例えば、平面ステータ１０２の有効面積の外側から除外されてもよい。未硬化材料は、次いで、例えば、ドクターブレードを用いて機械的に平坦化されてもよい。これらのプロセスの結果として、一部の材料が、銅トレース上に存在してもよく、トレース上部のレベルを越えて延在してもよい。

他の実施形態では、個々のＣＣＬシート、例えば、ＦＲ－４ ＣＣＬパネルは、続いて導入される磁性材料のために所望の場所において空所を残すように、最初に初期のパターンを用いてエッチングされてもよい。１つ以上のエポキシと、１つ以上の粉末状の軟質磁性材料、例えば、上記に説明される磁性複合材料６０２との混合物は、次いで、最初にエッチングされたＣＣＬシート上に選別、コンピュータ分注、または一括して分注され、例えば、ドクターブレードを用いて平坦化されてもよい。これらのプロセスの結果として、一部の材料が、平面ステータ１０２のためのトレースを形成するであろう、ＣＣＬシートの銅の一部上に存在してもよい。残りのパターンの後続のエッチングが、磁性材料で充填されることが所望されない、ステータ回路トレースのために要求される、隙間および空所を生産し得る。そのような空所は、次いで、例えば、上記に説明されるタイプの非磁性充填材材料で充填されてもよい。これらのエッチングおよび充填ステップのシーケンスは、いくつかの実装において入れ替えられてもよい。

上記のステップに続いて、余剰非磁性充填材料は、層４０２の均一なシーケンスのアセンブリを可能にするために除去される必要があり得る。平面ステータ１０２のための銅トレースが、トレースのパターンを伴うＣＣＬシートを調製するために使用される、Ｇｅｒｂｅｒコードによって正確に説明され得るため、いくつかの実装では、同一のコードが、磁性複合材料６０２を扁平化し、表面を平坦化し得る、レーザに関する制御シーケンスに変換され得る。本プロセスのための適切なレーザは、エポキシ材料、例えば、上記に説明される磁性複合材料６０２または非磁性充填材料を除去することにおいて効果的であり得るが、下層の銅トレースによって停止され得る。そのようなレーザは、プリント回路基板内の内側層に接続を行うために、標準的ＰＣＢ製造において採用される。他の実装では、磁性複合材料６０２および／または非磁性充填材料は、代わりに、層を経済的かつ効果的に機械的に平面化し、余剰材料を除去することが可能である、硬化の状態にもたらされ得る。

本明細書に開示される技法はまた、従来の技法を使用して作製される同等のステータと比較してより薄肉である、平面プリント回路基板電機子を作製するために適用されることができる。本結果は、例えば、磁性材料が装填されるエポキシではなく、エポキシで隙間間隙を充填することによって達成され得る。表面を平坦化し、余剰材料を除去するための類似のステップが、そのような実装において使用され得る。事前含浸された布の低減された数の層、例えば、上記に説明される事前含浸物４０８が、次いで、積み重ねの中で使用されることができる。

軟質磁性コア材料を統合する特徴および恩恵

電気機械内でのコア材料の統合は、そのうちのいくつかが前述に記載されている、いくつかの恩恵を有する。特に、ここでの構築は、ＰＣＢ内のスロットおよび／または孔内に離散磁性コアを設置することを要求する方法と対照的に、ＰＣＢの構築において自動化されることができる。磁性材料は、ＰＣＢ母材内に効果的に固着され得る。

モータ用途において、コア材料の存在は、類似の空気コア設計と比較してより低いグレードの磁石の代用および／またはより少ない磁性材料の使用を可能にし得る。運動の品質、高調波、および他のモータパラメータのトレードオフもまた、伴われ得る。コア材料の存在は、例えば、弱め界磁用途において電機子反応のより効果的な使用を可能にし得る。

本技法の否定的側面は、空気コア機械とは異なり、静止条件下においてステータとロータとの間に磁気引力が存在することである。間隙の中心において、磁性材料充填ステータは、不安定な平衡点にあり得る。これは、例えば、元来、空気コア設計と比較してより堅固である、ステータ幾何学形状を要求し得る。

安価な磁石と良好に協働する、または非常に高トルク密度が必要とされる、モータおよび発電機に関する、多数の市場機会が、存在する。

ここで説明される磁性材料の組み込みの恩恵は、他の種類の電磁気デバイスおよび回路要素にも当てはまり得る。例えば、ＰＣＢトレース巻線を伴うインダクタ、変圧器、誘導センサ、および環境発電デバイスは、埋設されるコア材料からの恩恵を得られ得る。

軟質磁性材料で隙間間隙を充填する技法はまた、低減された全体的厚を伴う、起伏のある銅特徴を伴うプリント回路基板（平面電機子を含む）を作製するためにも採用され得る。これは、実践に移されている。典型的サンプルでは、０．０９２０インチの厚さを伴う、従来の積み重ねと、構築物とを伴う、ステータが、本プロセスを使用して再度作製され、０．０６９５インチの厚さをもたらした。低減されたステータ厚が、低減された磁石使用量、より高い効率、増加された性能、損失の低減、および／または向上された熱性能を含む、様々な緊密に連結された、機械性能のトレードオフと、恩恵とを伝達し得る。

図８は、磁性複合材料６０２の堆積を示す、６つの伝導性層を伴う平面ステータからのサンプルの断面図である。半径方向トレース３０２間の隙間を充填するために使用される磁性複合材料６０２が、上記に説明されるように、２５μｍの最大サイズに選別され、次いで、低粘度エポキシ製品と混合された、粉末状の軟質磁性材料を使用して形成された。磁性粒子と、そのような粒子が固着されるエポキシ母材とを含む、面積が、明白である。本プロトタイプでは、事前含浸物４０８の厚さは、可能な程度まで低減されなかった。これが行われていた場合、これは、半径方向トレース３０２間の磁性複合材料６０２の相対的含有量を実質的に増加させていたであろう。

少なくとも一実施形態のいくつかの側面を上記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が意図され、本開示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。

本開示の種々の側面は、単独で、組み合わせにおいて、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様々な配列において使用され得、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、任意の様式において、他の実施形態において説明される側面と組み合わせられてもよい。

また、開示される側面は、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、いくつかの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」、「第２」、「第３」等の序数用語の使用は、それ自体で一請求項要素の、別のものに優るいかなる優先順位、優先権、または順序、もしくは方法の行為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、およびその均等物、ならびに付加的な物品を包含することを意味する。

請求されるものは、以下の通りである。

Claims (21)

1. 軸方向磁束機械のための平面電機子であって、前記平面電機子は、
   前記軸方向磁束機械の環状有効面積内に位置付けられるように適合される少なくとも第１の部分を含む、誘電性基板であって、少なくとも前記第１の部分は、軟質磁性材料を備える、誘電性基板と、
   前記誘電性基板によって支持される、伝導性トレースであって、前記伝導性トレースは、前記平面電機子の少なくとも１つの極のための巻線を形成する、伝導性トレースと
   を備える、平面電機子。
2. 少なくとも前記第１の部分は、非伝導性キャリア材料内に埋設される軟質磁性材料の粒子を含む、磁性複合材料を備える、請求項１に記載の平面電機子。
3. 前記軟質磁性材料は、粉末状の軟質磁性材料を備える、請求項２に記載の平面電機子。
4. 前記非伝導性キャリア材料は、エポキシを備える、請求項２または請求項３に記載の平面電機子。
5. 前記粒子の最大直径は、５０マイクロメートルまたはそれを下回る、請求項２－４のいずれかに記載の平面電機子。
6. 前記磁性複合材料の少なくとも一部は、銅被覆積層シートのエッチング領域内に配置される、請求項２－５のいずれかに記載の平面電機子。
7. 前記磁性複合材料は、誘電性層間に軸方向に、および前記伝導性トレース間に半径方向に埋設される、請求項２－６のいずれかに記載の平面電機子。
8. 前記誘電性基板は、セラミックを備える、請求項１に記載の平面電機子。
9. 前記セラミックは、軟質フェライトを備える、請求項８に記載の平面電機子。
10. プリント回路基板であって、
    誘電性基板と、
    前記誘電性基板によって支持される、伝導性トレースと
    を備え、
    前記誘電性基板の少なくとも第１の部分は、軟質磁性材料を備える、プリント回路基板。
11. 少なくとも前記第１の部分は、非伝導性キャリア材料内に埋設される軟質磁性材料の粒子を含む、磁性複合材料を備える、請求項１０に記載のプリント回路基板。
12. 前記軟質磁性材料は、粉末状の軟質磁性材料を備える、請求項１１に記載のプリント回路基板。
13. 前記非伝導性キャリア材料は、エポキシを備える、請求項１１または請求項１２に記載のプリント回路基板。
14. 前記粒子の最大直径は、５０マイクロメートルまたはそれを下回る、請求項１１－１３のいずれかに記載のプリント回路基板。
15. 前記磁性複合材料の少なくとも一部は、銅被覆積層シートのエッチング領域内に配置される、請求項１１－１４のいずれかに記載のプリント回路基板。
16. 前記プリント回路基板は、軸方向磁束機械のための平面電機子として動作するように構成され、
    前記磁性複合材料は、誘電性層間に軸方向に、および前記軸方向磁束機械の有効面積内に位置する、伝導性トレースの少なくとも第１の対間に半径方向に埋設される、請求項１１－１５のいずれかに記載のプリント回路基板。
17. 前記プリント回路基板は、軸方向磁束機械のための平面電機子として動作するように構成され、
    前記軟質磁性材料は、誘電性層間に軸方向に、および前記軸方向磁束機械の有効面積内に位置する、伝導性トレースの少なくとも第１の対間に半径方向に埋設される、請求項１０－１６のいずれかに記載のプリント回路基板。
18. 前記誘電性基板は、セラミックを備える、請求項１０に記載のプリント回路基板。
19. 前記セラミックは、軟質フェライトを備える、請求項１８に記載のプリント回路基板。
20. 軸方向磁束機械のための平面電機子を形成するための方法であって、前記方法は、
    誘電性基板上に伝導性トレースを形成することであって、前記伝導性トレースは、前記平面電機子の少なくとも１つの極のための巻線を形成する、ことと、
    前記伝導性トレース間の隙間間隙を、その中に軟質磁性材料が埋設される、少なくとも１つのエポキシ材料で充填することと
    を含む、方法。
21. 前記隙間間隙を充填することは、
    前記軸方向磁束機械の有効面積内の第１の伝導性トレース間に位置する、第１の隙間間隙を、その中に軟質磁性材料が埋設される、第１のエポキシ材料で充填することと、
    前記有効面積の外側の第２の伝導性トレース間に位置する、第２の隙間間隙を、前記軟質磁性材料が存在しない第２のエポキシ材料で充填することと
    を含む、請求項２０に記載の方法。

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