JP4708707B2

JP4708707B2 - 高周波電動機或いは発電機

Info

Publication number: JP4708707B2
Application number: JP2003565012A
Authority: JP
Inventors: レイモン，エー．カーマニョ，
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: EP1472771B1; ES2815926T3; CN1625825A; KR101002352B1; CN101572469A; EP1472771A4; HK1136699A1; CN101572469B; JP2006506034A; EP1472771A1; CN101976896A; JP2009296878A; KR20050016294A; PT1472771T

Description

【技術分野】
【０００１】
関連米国出願の相互参照
本件出願は、「High Frequency Electric Motor or Generator Including Magnetic Cores Formed from Thin Film Soft Magnetic Material」という名称で２００２年１月３０日に出願された米国特許出願第１０／０６０６４５号に対する優先権を主張しており、この米国特許出願の一部継続出願であり、この米国特許出願第１０／０６０６４５号の全内容は、参考資料として本明細書に取り入れられている。本件出願は、また、「High Frequency Electric Motor or Generator Including Magnetic Cores Formed from Thin Film Soft Magnetic Material」という名称で２００２年１月３０日に出願された米国特許出願第１０／０６０７３２号に対する優先権を主張しており、この米国特許出願の一部継続出願であり、この米国特許出願第１０／０６０７３２号の全内容も参考資料として本明細書に取り入れている。
【背景技術】
【０００２】
本明細書は、全般的に、電動機、発電機、そして再生電動機に関する。この再生電動機（a regenerative electric motor）という用語は、電動機か、発電機かのいずれかとして機能され得る装置を指すように本明細書では使用されている。更に具体的に言うと、本明細書は、それ自体が複数個の単一電磁集成体を含んでいるステータ構造体を含んだ電動機、発電機、或いは再生電動機に関するものであり、各々の個別の単一電磁集成体は、薄膜軟質磁性材料で形成した一体形の付随磁心（an associated one-piece magnetic core）を含む。本明細書は、薄膜軟質磁性材料で形成した磁心を含んでいる高周波電動機或いは発電機を開示するものである。
【０００３】
電動機及び発電機業界は、効率および出力密度を高めた電動機及び発電機を絶えず探求している。今までかなり長い間、永久スーパー磁石ロータ（たとえば、コバルト希土類磁石およびネオジム−鉄−ホウ素磁石(cobalt rare earth magnets and Neodymium-Iron-Boron magnets)）と、薄膜軟質磁性材料で形成した磁心を有する電磁石を含んだステータとを用いて構成した電動機や発電機は、旧来の電動機や発電機と比較してかなり高い効率および出力密度をもたらす潜在能力を有すると考えられてきた。また、薄膜軟質磁性材料で形成された磁心は旧来の第一鉄磁心材料よりもかなり迅速に磁場の変化に応答できるため、薄膜軟質磁性材料で形成された磁心は、電動機や発電機内の磁界切り換えをかなり迅速に行え、したがって、従来の第一鉄磁心よりも電動機や発電機をかなり高速かつ良好に制御できる潜在能力を有するのである。しかしながら、今のところ、薄膜軟質磁性材料で形成した磁心を含んだ電動機や発電機を簡単に製造するのは非常に難しいことが判っている。さらに、今までに開示された構造では、或る種の用途に対し、これら潜在的にもっと効率の良い材料の可能性の利点を充分に利用し切れていない。
【０００４】
非晶質金属のような薄膜軟質磁性材料は、幅が均一で厚さの薄い連続したリボン形状にして供給されるのが一般的である。過去においては、非晶質金属磁心は、非晶質金属リボンをコイル状に巻き、この巻体を焼なまししてから、エポキシのような接着剤を使用して巻体を含浸してカプセル化することによって形成されていた。しかしながら、この材料は非常に硬いために、特にひとたび大きな片に積層したならば、たやすく切ったり形作ったりするのが非常に難しくなる。また、最高磁気性能を達成すべく焼なましをした途端に、これらの材料は非常にもろくなる。このことが、磁心を構築することに対し旧来の方法を利用しづらくさせ、また、値をはらせる原因にもなっている。
【０００４】
非晶質金属磁心に伴う別の問題は、非晶質金属材料が物理的な応力を受けたときに、その透磁率が低下するということである。この低下した透磁率は、非晶質金属材料にかかる応力の強度によっては相当なものとなる。非晶質金属磁心が応力を受けるにつれて、磁心が磁束を向けるまたは合焦する効率が低下し、その結果、磁気損失が大きくなり、効率が低下し、発熱量が増大し、出力が低下することになる。この現象は磁気ひずみと呼ばれており、電動機や発電機の作動中に磁力から生じる応力や、磁心を適所に機械的に締付けたり固定したりして生じる機械的応力や、或いはまた、熱膨張であるとか、非晶質金属材料の磁気飽和による膨張などによって生じる内部応力によって起こり得る。
【０００６】
本出願人に発行されたもので、ここに参考資料としてここに取り入れられている米国特許第５，９８２，０７０号および同第６，２５９，２３３号では、電動機および発電機を構築するための或る方法および配置が記載されている。これらの米国特許（今後、それぞれ、０７０特許および２３３特許と呼ぶ）においては、多数の非晶質金属磁心片が誘電体ハウジング内に支持されていて、全面非晶質金属磁心（an overall amorphous metal core）を形成している。Mischler, 外に発行された別の米国特許第４，２５５，６８４号は、非晶質金属材料を利用した別の電動機構造を記載している。これらの方法は非晶質金属磁心を使用して電動機や発電機を構築することができるが、これらの方法に伴ういくつかの固有の問題がある。たとえば、全面磁心（overall core）を形成するのに多数の磁心片を使用するということは、隣接する磁心片間に寄生空所（parasitic gaps）があり、磁束が磁心を貫いて流れるときにそこを交差しなければならない、ということを意味するのである。これらの寄生空所は、磁束が１つの磁心材料片（又は層）から別の磁心材料片（又は層）へ流れる必要のある所ならどこにでも生じる。これらの空所は、種々な磁心片を非常に狭い公差に製造することによって非常に小さくすることができるし、エポキシを充填することもできるが、それでもなお寄生損（parasitic losses）を生じさせ、空所（gaps）を持たない磁心と比較すると、これら空所が、磁束が磁心を通過することのできる効率性に低下を招く結果となる。
【０００７】
寄生空所問題に加えて、０７０特許及び２３３特許の方法および装置では、非晶質金属磁気材料を常に正しい向きに向けることが難しい。このことは、特にこれらの特許に開示されている半径方向空所装置に当てはまる。薄膜軟質磁性材料の正しい向きは、磁束が磁心材料を通って流れることができる効率にとって、したがって、装置の効率を最大化するのに重要である。
【０００８】
０７０特許及び２３３特許に開示されている軸方向空所構造の場合、軸方向空所装置の物理的な構成により、ロータ及びステータ間に正しい空隙を維持することが難しい。磁力が装置の回転軸線に沿って軸線方向に作用するため、非常に狭い公差を有する高価な軸受を使用してロータを所定位置に支持しなければならないのである。また、ステータを支持しているハウジング材料は、装置の寿命を通じて変形することなくこれらの非常に高い軸線方向力に耐えることができなければならない。さらに、ステータ及びロータ支持部材が実質的に円板状であり、全体的に平らな部材であるので、大きな軸線方向磁力による、そして、装置の通常動作中に規則的に生じる温度変化によって生じる内部応力による、反りまたは変形の影響をいっそう受けやすい。軸方向空所装置をより大きくすることを意図すればするだけ、ロータ及びステータ間の磁力がさらに大きくなり、この問題をさらにこじらせることになる。
【特許文献１】
米国特許出願第１０／０６０６４５号
【特許文献２】
米国特許第５，９８２，０７０号
【特許文献３】
米国特許第６，２５９，２３３号
【特許文献４】
米国特許第４，２５５，６８４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、薄膜軟質磁心材料で形成した磁心を使用する電動機、発電機、および再生電動機を提供するための改良した方法および装置を提供する。
本発明は、また、薄膜軟質磁性材料で形成した磁心を使用することに伴う潜在的な利点をより充分に利用する電動機、発電機、および再生電動機の改良した構造を提供する。
【問題を解決するための手段】
【００１０】
以下にさらに詳細に説明するように、電動機、発電機、或いは再生電動機のような装置のステータ構造体の一部として使用するための磁心をここに開示する。ステータ構造体（arrangement）および磁心を利用するステータ構造体を作る方法ならびにこのステータ構造体を利用する装置を製造する装置および方法も開示する。装置およびステータ構造体は、複数の独立した付勢可能な電磁集成体を含み、個々の独立した電磁集成体は、それぞれ、薄膜軟質磁性材料で形成した付随する一体形磁心を含む。各独立した電磁集成体は、一体形磁心の両端に位置する２つのステータ磁極を構成する。各一体形磁心は、各独立した電磁集成体に対応した２つの相対向するステータ磁極に対する全磁気戻り経路となる。
【００１１】
１つの実施例では、装置は半径方向空所装置（a radial gap device）であり、薄膜軟質磁性材料で形成された磁心はＵ字形で、ステータ磁極はこのＵ字形磁心の脚部の端部に位置づけられている。この実施例の変形例の１つにおいては、薄膜軟質磁性材料は、ナノ結晶材料である。本発明の別の実施態様によれば、各独立した電磁集成体は、個別に取り外して、交換ができる。また、装置は、多相装置であってもよいし、切り換え式磁気抵抗装置、電磁誘導装置、あるいは永久磁石装置であってもよい。
【００１２】
別の実施例においては、装置は高周波装置（a high frequency device）である。この実施例においては、装置は、一定範囲の通常の作動回転速度で所与の回転軸線周囲で回転できるように支持されたロータ構造体を含む。このロータ構造体は、ステータ磁極と磁気的に相互作用するための複数のロータ磁極を含む。そして、ロータ磁極は、円形経路に沿って回転軸線周囲に回転するように支持されている。装置は、さらに、電磁集成体を制御するためのスイッチング部を含む。このスイッチング部（arrangement）の構成は、該スイッチング部が、電磁集成体のステータ磁極に、少なくとも毎秒５００サイクルの周波数で磁気的にロータ構造体のロータ磁極と相互作用するようにさせることができる一方で、装置が少なくとも通常の作動回転速度範囲の一部内で作動される、というようになっている。この実施例の一変形例でのロータ磁極の数は、スイッチング部が、電磁集成体のステータ磁極に、装置の毎分回転数に対する毎秒サイクル数での装置の周波数比率が装置の作動中には１対４以上になるというようなロータ構造体のロータ磁極と磁気的に相互作用するようにさせる、というようになる数である。
【００１３】
別の実施例においては、装置は半径方向空所装置（a radial gap device）であり、そして、電磁集成体はＵ字形の一体形磁心を含んでいて、この一体形磁心は、個々の電磁集成体のステータ磁極が該Ｕ字形磁心の脚部の端部に位置づけられるように形成されている。電磁集成体は、ロータ磁極の円形経路周囲に位置付けされる。各々の電磁集成体は、その２つのステータ磁極が、互いに隣接して、かつ、装置の回転軸線に対して平行であるラインに沿って互いに整列して位置する、というように位置決めされている。この実施例の１つの変形例においては、ロータ磁極は、互いに反対の磁極性のロータ磁極を形成するように構成された、隣接した対の永久磁石セグメントで形成された対のロータ磁極である。各対の永久磁石セグメントは、２つの永久磁石セグメントが互いに隣接して、かつ、装置の回転軸線に対して平行であるラインに沿って互いに整列して位置し、その結果、ロータが装置の回転軸線の周囲を回転したときに、２つの永久磁石セグメントが装置の回転軸線周囲の２つの隣接した円形経路を定義（define）する、というようにように位置決めされる。２つの隣接した円形経路は、それぞれ、各電磁集成体のステータ磁極の対応した１つに対面する。この変形例においては、ロータ構造体は、少なくとも３６対の隣接したロータ磁極を含み、そして、ステータ構造体は、少なくとも４８個の電磁集成体を含む。ステータ磁極は、装置の回転軸線に向かって内方に面して配置されてもよいし、あるいは、装置の回転軸線から離れて外方に面するように配置されてもよい。
【００１４】
本明細書では、薄膜軟質磁性材料（a thin film soft magnetic material）ということが記載されている。当業者であれば、磁性材料に関連した「薄膜」および「軟質」という用語の意味には極めて精通しているであろう。現在、ハネウェル社（Honeywell）が市場に流通させているブランド名ＭＥＴＧＬＡＳＳ（登録商標）は、薄膜軟質磁気材料の登録商標名である。「薄膜(thin film)という用語は、代表的には、ほぼ５.０８×１０−３ｃｍ厚未満（すなわち、約２／１０００インチ厚未満）の商品を指している。しかしながら、これは単に近似値であり、より厚い軟質磁性材料も同様に考えられる。「軟質(soft)」」という用語は、磁極を固定する硬質磁性材料と異なって、その磁極を操作されたり切り換えられたりができる材料を意味している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
好ましい実施例の詳細な説明
本発明の特徴とするところは、添付図面と共に現在のところ好ましい実施例についての以下の説明を参照することで最も良く理解して貰えるであろう。種々の図を通して、同様の構成要素には同様の参照符号が付けてある。
【実施例】
【００１６】
まず、図１及び図２について注目されたい。図１は、本発明に従って設計された装置１００の横断面図を示している。装置１００は、本明細書を通じて種々の時点で電動機または発電機として説明するが、装置１００が使用される用途の要件に応じて、電動機、発電機、交流発電機、或いは再生電動機の形を採り得ることは了解されたい。説明の便宜上、再生電動機（regenerative motor）という用語は、電動機または発電機いずれかとして作動し得る装置を意味するとする。
【００１７】
また、装置１００は、ほとんどの場合、直流ブラシレス電動機（DC Brushless motor）として説明するが、広範囲にわたる様々なタイプの電動機や発電機の形を採ることができ、それらも依然として本発明の範囲内に留まるということは了解されたい。これら別タイプの電動機や、交流発電機／発電機としては、それに限定するつもりはないが、直流同期装置であるとか、可変磁気抵抗装置または切り換え式磁気抵抗装置、そして磁気誘導式電動機などがある。これら種々のタイプの装置間の明確な差異は当業者にとって周知のことであるから、ここでは詳しく説明しない。たとえば、装置１００は、ほとんどの場合、ロータ磁極として永久磁石を使用する直流ブラシレス電動機として説明することになるが、切り換え式磁気抵抗装置または磁気誘導装置の場合には、ロータ磁極が永久磁石とはならないことは了解されたい。その代りに、これらのタイプの装置のロータ磁極は、鉄のような材料の積層体のような、または好ましくは、本発明のステータ磁心材料に関して後に説明する薄膜軟質磁性材料のような、別の材料で形成された突起として設けられるであろう可能性が最も高い。
【００１８】
図１に最も良く示すように、装置１００は、ロータ構造体（arrangement）１０２とステータ構造体（arrangement）１０４とを含む。この実施例においては、装置１００はハブ電動機／ハブ発電機の形を取っており、ロータ構造体１０２が装置１００の外周に位置している。ステータ構造体１０４は、ロータ構造体１０２の内側に位置している。図２（図１の断面２-２に沿った装置１００の一部の断面図）に最も良く示すように、ロータ構造体１０２は軸受１１０で支持されているので、ロータ構造体１０２はステータ構造体１０４周囲を回転できる。エア空所１０８が、ロータ構造体１０２をステータ構造体１０４から分離している。
【００１９】
装置１００は、ステータ構造体１０４および軸線１０６周囲を回転するようにロータ構造体１０２を支持するために、軸受１１０を使用しているように図示されているが、これは必要条件ではなく、ロータ構造体１０２を支持するために適切で容易に入手可能な他の装置を利用してもよく、それも依然として本発明の範囲内に留まるということは了解されたい。また、装置１００はハブ電動機／ハブ発電機として説明されているが、これは発明の必要条件ではなく、以下にさらに詳細に説明するように、装置は、それが薄膜軟質磁性材料で形成した磁心を有する複数の電磁石を有するステータ構造体を含み、これらの電磁石が本発明に従って構成されている限り、いかなるタイプの電動機でも、発電機でも、再生電動機でもよい。
【００２０】
図１および図２を共に参照して、以下、ロータ構造体１０２をさらに詳細に説明する。この実施例において、装置１００は、半径方向空所型装置（a radial gap type device）であり、そして、ロータ構造体１０２は、４８対（48 pairs）の半径方向に隣接した永久磁石セグメント１１２を含む。磁石セグメント１１２は、コバルト希土類磁石のようなスーパー磁石でもいいし、他の適切な、容易に入手可能な磁石材料であってもよい。４８対の磁石セグメント１１２の各対（each of the 48 magnet segment pairs）は、ロータ北磁極１１２ａを形成するような向きになっている第１の磁石セグメントと、ロータ南磁極１１２ｂを形成するような向きとなっている第２の磁石セグメントと、を含む。図２に示すように、２つの永久磁石セグメントが装置の回転軸線に対して平行であるラインに沿って互いに整列するように、ロータ北磁極１１２ａはロータ南磁極１１２ｂに隣接して位置している。この向きによって、ロータ構造体が装置の回転軸線周囲で回転すると、各対の磁石セグメント１１２の２つの永久磁石セグメント１１２ａ、１１２ｂは、装置１００の回転軸線１０６周囲に隣接した２つの円形経路を限定する。図１に最も良く示すように、４８対の磁石は、エア空所１０８に面したロータ構造体１０２の内側周囲に位置付けられており、各々の連続した対（each consecutive pair）は、隣接した磁石セグメントのすべてが４８対の磁石セグメント１１２によって限定された両方の円形経路において、ロータ全体の配置周囲で北から南に交互に変わるように、反対向きになっている。
【００２１】
磁石１１２を永久スーパー磁石であるとして説明してきたが、これは必要条件ではない。代りに、磁石は他の磁性材料であってもよいし、または、或る場合には、電磁石であってもよい。また、ロータを４８対の磁石を含むものとして説明してきたが、ロータは任意数の磁石対（magnet pairs）を含んでいてもよく、それでもなお本発明の範囲内に留まることは了解されたい。最後に、磁石を含むものとしてロータ構造体を説明してきたが、これも必要条件ではく、たとえば、切り換え式磁気抵抗電動機または磁気誘導電動機の場合には、ロータ構造体１０２には磁石をまったく含まない。あるいはまた、当業者であれば理解できるように、ロータ構造体１０２を、鉄ベースの材料または薄膜軟質磁性材料のような他の磁性材料で構築して、ステータ構造体の切り換えによって生じる回転磁界によって駆動されることになる磁性ロータを形成するようにもでき得るであろう。
【００２２】
この実施例においては、ステータ構造体１０４は、４８個の独立した電磁集成体１１４を含む。各電磁集成体１１４は、ナノ結晶薄膜軟質磁性材料で形成された、対応して付随した一体形磁心（an associated one-piece magnetic core）１１６と、一対のコイル１１８とを含む。図２に最も良く示すように、各一体形磁心１１６は、Ｕ字形であり、このＵ字形磁心１１６の脚部まわりにコイル１１８が設置されている。この構成の場合、各独立した電磁集成体は、一体形磁心の両端に設置した２つのステータ磁極１２０ａ，１２０ｂを構成する。電磁集成体１１４は、図１に示すようにロータ磁極の円形経路の周囲に設置されている。図２に最も良く示すように、各電磁集成体１１４は、各電磁集成体の２つのステータ磁極１２０ａ，１２０ｂが互いに隣接すると共に、装置の回転軸線に対して平行であるラインに沿って互いに整列して位置するように設置されている。これにより、各電磁集成体の２つのステータ磁極をエア空所１０８に対面させると共に、磁石セグメント対（magnetic segment pairs）１１２ａ,
１１２ｂと直面する関係に置くことができる。
【００２３】
磁心１１６はナノ結晶薄膜軟質磁性材料で形成されたものとして説明してきたが、これは発明の必須条件ではない。その代わりに、如何なる薄膜軟質磁性材料を使用してもよい。これらの材料としては、それに限定するつもりはないが、一般に、非晶質金属と呼ばれる材料、材料の結晶構造のサイズをさらに減らすような方法で処理したナノ結晶材料に基本的な合金組成で類似する材料、そして、材料の分子構造のサイズおよび配向を制御するのに用いられた特殊なプロセスとは無関係に、非結晶金属材料、ナノ結晶材料に類似する分子構造を有する薄膜材料などがある。
【００２４】
また、電磁集成体１１４をＵ字形磁心１１６の脚部に設けた一対のコイルを含むものとして説明してきたが、これは発明の必須条件ではない。その代わりに、コイルは、Ｕ字形磁心の基部に設置した単一コイルであっても、磁心の全長にわたって伸張する単一のコイルであっても、または、２つ以上のコイルを使用する他の所望形態であってもよい。図１に示すように、コイルは、更に多くの巻線がＵ字形磁心の各脚部の一端部に巻装されたテーパ付きコイルであってもよい。この構成により、回転軸線からさらに離れた領域において、磁心間にあけられた大きなスペースには、一端部に巻装された更に数多くの巻線が一層ぎっしりと一杯に詰めることができるようになる。また更に、これらのコイルは、磁心片上へ直接巻き付けても良いし、あるいは、コイルを磁心片とは別体に形成し、絶縁材と共に巻き付けるか、さもなければ絶縁してから、電磁集成体の組立て中に磁心上に滑らせても良い。
【００２５】
本発明の一実施態様によれば、各々の一体形磁心１１６は、個々の独立した電磁集成体１１４と対応した２つの互いに相対向するステータ磁極１２０ａ，１２０ｂに対し、全磁気戻り経路をもたらす。この構成によれば、すべてのステータ磁極を磁気的に相互連結する伝統的スタイルの磁心材料製バック・アイアン（back iron：裏当て鉄片）の必要性がなくなる。ステータ磁極の各々に共通のバック・アイアンの必要性を除くことで、ステータ磁極を磁気的に相互連結する共通のバック・アイアンを含んだ従来の構成を利用している同じような大きさの装置の重量に比して、装置の重量を低減できることになる。
【００２６】
電磁集成体１１４は、構成要素を適所に保持するための従来方法を使用して機械的に適所に保持できる。たとえば、電磁集成体１１４は、伝熱性誘電エポキシのようなカプセル化材料を使用して、１つの完全なステータにポット化またはカプセル化してもよい。しかしながら、各電磁集成体は、個々別々に、図１に示すくさび状の片１２２のようなくさび状片内にカプセル化してもよい。そして、これらくさび状片は、電磁集成体の各側部にくさび片１２２を支持するように位置づけられた図２の要素１２４のような円板状の構成要素を用いて組み合わせ、全ステータへと作り上げることもともできる。あるいは、くさび状片を支持するために、他の適切な、容易に入手可能な装置を使用してもよく、これもなお本発明の範囲内にある。
【００２７】
各々の電磁集成体１１４は、それに付随するステータ磁極（an associated stator poles）に対し全戻り経路（entire return path）をもたらすそれ独自の一体形磁心を含んでいる、独立した集成体として提供されるので、これら電磁集成体は、容易に取り外して、交換できるように構成され得る。たとえば、先に説明したように、各電磁集成体を、個別にカプセル化して、それから、全ステータへと組み立てても良い。このようにすることで、どの電磁集成体も、かなり簡単に取り外して交換できるようになる。この、かなり簡単に個々の電磁集成体を交換できるという能力は、装置の有用性を向上させる。また、このモジュール式の方法により、特定の電磁集成体構成が種々な独得の装置設計において使用できるようになるので、これにより、この方法を用いることで、手中にできる節約規模を潜在的に改良することができる。
【００２８】
電磁集成体をカプセル化することを説明してきたが、これは本発明の必須要件ではない。その代わりに、電磁集成体を組み立てた後に、カプセル化しないで締め金で適所に固定してもよい。したがって、電磁集成体をそれぞれの位置に支持するのに、周知の方法が使用できることは了解されたい。
【００２９】
上述したように、装置１００は、４８対のステータ磁極を限定している４８個の電磁集成体を含む。装置１００は、また、対応する４８対のロータ磁極を限定する４８対の磁石セグメントを含む。この実施例において、ステータ構造体１０４は、単相装置として配線されている。すなわち、すべての電磁集成体は、図１で示すように、ワイヤ１２６で相互に直列に配線されている。また、この装置は、１対１のロータ磁極対ステータ磁極の比率を有する。この実施例は、１対１のステータ磁極対ロータ磁極の比率を有する単相装置として説明してあるが、これは必須条件ではなく、代わりに、装置は、多相装置でも、ステータ磁極対ロータ磁極の比率を有する装置でもよい。
【００３０】
装置１００は、その外周囲にロータ構造体と、ロータ構造体の内側に位置するステータ構造体とを備えると説明してきたが、これも必須条件ではない。代わりに、図３及び図４に示すように、ステータ構造体が装置の外周囲に位置し、ステータ構造体の内側にロータ構造体を設置する、というようにしてもよい。これらの図面には、ロータ構造体３０２とステータ構造体３０４とを有する装置３００が示されている。ステータ構造体３０４は、４８個の電磁集成体３０６を含み、これらの電磁集成体は、図４に最も良く示すように互いに相対向する方向に向けられていている点を除いては、装置１００で使用されたものと同じ磁心１１６を使用している。各電磁集成体３０６も、相対向するにテーパが付けてある点を除いては、装置１００のコイル１１８と類似しているので、Ｕ字形磁心１１６の各脚部の基部には更にいっそう巻線が多くなる。これにより、Ｕ字形磁心の両端に比較して、内向きであることにより、Ｕ字形脚部の基部で利用できる大きなスペースに巻線をいっそう充分に詰めることができるようになる。説明の便宜上、装置３００は、４対３のステータ磁極対ロータ磁極比を有する４相装置として構成してある。図４に示すように、ワイヤ３１０が、電磁集成体を４本ごとに直列に接続し、装置を４相装置にして１２個の電磁集成体からなる４つのグループ分けを作り出している。また、ロータ構造体３０２は、装置１００について説明したような４８対（48 pairs）ではなく、３６対（36 pairs）のロータ磁石セグメントしか含んでいない。この技術分野で周知のように、この種の構成は単相装置では一般的な戻り止め効果（detent effect）を減らすようになるので、単相装置と比較して、装置の回転中一貫して一層確実にトルクを発生することができる。
【００３１】
次に図５を参照して、図１〜４に示す具体的なの実施例に対する磁心１１６の詳細な構成を以下にさらに詳細に説明する。各々個々の一体形磁心１１６は、薄膜軟質磁性材料製の連続リボンを所望の形状に巻装することによって形成される。磁心１１６の場合、図５の巻線５００で示すように、その形状は、普通、楕円形である。非晶質金属またはナノ結晶材料のような薄膜軟質磁性材料は、普通、非常に薄いテープ形態（たとえば、厚さ１ミル未満）として提供されるので、巻線５００は数百回くらい材料を巻いて作り上げられる。所望の形状に巻かれたならば、巻線５００は所望の磁気特性を発生するよう焼なましされ、次いで、接着剤の薄層で含浸するか、カプセル化される。ひとたび焼なましされてしまうと、これらの材料は非常に硬くなり、一般的には非常にもろくなって、相当に機械加工しにくくなる。図５に示す実施例においては、巻線５００はそれから２つのＵ字形片に切断され、その各々の切断片が、先に説明したように、１つの一体形磁心１１６となる。
【００３２】
先に説明したように、この構成の１つの利点は、上記のように電磁集成体に組み込んだ場合には、各一体形磁心がＵ字形磁心の脚部によって形成された２つのステータ磁極に対し全戻り経路となることにある。これにより、磁気的に各ステータ磁極を相互連結するバック・アイアンの必要がなくなる。この構成の他の利点は、一体形磁心内に寄生空所がまったくないということである。また、この構成は、薄膜軟質磁性材料の層を正しい向きに向け、磁心を通して磁束を方向づける。
【００３３】
磁心片を薄膜軟質磁性材料の連続リボンで巻くと説明してきたが、これは必須条件ではない。代りに、所望の形状の磁心を形成するように、磁心は個別に形成した材料ストリップを積み重ねることによって形成してもよい。さらに、個々のストリップを上下に重ね、各片を同じサイズや形状としてもよいし、あるいは、個々のストリップを横に並べて種々の片が異なったサイズや形状を持つようにしてもよい。これら種々の方法により、広範囲にわたる特殊な形状を形成できる。
【００３４】
当業者には知られているように、薄膜軟質磁性材料を焼なまししたとき、それは磁束が最も効果的な向きを採るという或る特別な方向を持つことになる。薄膜軟質磁性材料のリボンの場合、この方向は、典型的には、リボンの長さ方向に沿っているか、または、リボンの幅方向に沿っている。磁心の各々を形成するために上述した適切な方法を使用することによって、磁心は、磁束を最も効果的に方向付ける材料の方向に沿って、磁束が磁心片を貫いて方向づけられる、ように常に材料が方向づけられる、というように形成され得る。
【００３５】
装置１００及び３００は、それぞれ交流極性を備えたコイル１１８及びコイル３０８を付勢したり消勢するために、図１，図３に示すスイッチング部（arrangement）５５０をも含む。スイッチング部５５０は、電磁集成体１１４及び３０６を動的に付勢したり消勢できる、適切な、容易に入手可能なコントローラであってもよい。好ましくは、スイッチング部５５０は、従来の電動機および発電機で典型的になされる速度よりもかなり高い速度で、電磁集成体を付勢したり消勢したりできるプログラマブル・コントローラである。これは、磁界が薄膜軟質磁心において切り換えられるという本来備わっている固有速度のためである。
【００３６】
本発明の別の態様によれば、装置１００及び３００は、非常に高い磁極数のステータ及びロータ構造体を含む。以下により詳しく説明するように、この高磁極数形態により、薄膜軟質磁性材料で形成した磁心を使用している従来の電動機／発電機と比較して、いくつかの実質的な予想外の利点を得ることができる。本願明細書の発明の背景で列挙した従来技術の特許に示したように、非晶質金属フィルムで形成した磁心を利用している従来技術装置が記されている。しかしながら、これらの電動機は、非常に高い回転速度の電動機を得るために、非晶質金属材料の高周波能力を使用している低磁極数電動機として説明されてきた。本発明は、新規な方法で高周波能力の利点を利用するものである。高周波を使用して高回転速度を発生させる代わりに、本発明は、薄膜軟質磁性材料で形成された磁心の高周波能力を非常に高い磁極数と組み合わせている。この組み合わせは、非常に管理しやすい回転速度を維持しながら、非常なる高出力密度を得ることができる、という装置を提供するのである。
【００３７】
従来技術の装置は、本願明細書に記載されている装置と比較すると、かなりそれに匹敵する全出力密度を達成できるけれども、従来技術の装置では、非常に高い回転速度の装置を使用することで高出力を得ている。このことは、高回転速度が望ましくない数多くの場合の用途に対しては、減速歯車を使用しなければならなくなり、減速歯車を使用しているシステム全体の効率を低下させることを意味する。本発明のこの態様に従って設計された装置では、多くの状況において減速歯車の必要性をまったく排除するので、これにより、装置を使用しているシステムの全効率を向上させることができるようになる。さらに、本発明の装置は、高い出力密度を発生することができる一方で、予め意図したよりもかなり低い回転速度で作動するので、これらの装置は、高回転速度の装置によって発生されるような極端な遠心力を受けることがない。このことが、高回転速度装置と比較すれば、本発明による装置の信頼性を高め、製造するにも経済的となる。
【００３８】
かなりの低回転速度で非常な高出力密度を得ることができるという利点に加えて、本発明に従って設計された装置は、予期せぬ別の利点をも提供する。鎖交磁束面積を（linkage area）一定に保つと仮定すると、すなわち、ステータ磁極とロータ磁極との間に存在する実際の物理的な面積を一定に保つと仮定すると、磁極数を増大させるということは、実際には、全電磁集成体を得るのに必要な材料の量を減らすということである。これが図６に示してあり、この図は、２つの異なったステータ磁極構成の概略平面図を示している。図６の左側の正方形のステータ磁極装置６００は、ステータ磁極６０２と、ステータ磁極周囲を取り囲んでいる巻体６０４とを含む。図６の右側のステータ磁極装置６０６は、４つの細い矩形の磁極６０８ａ〜ｄと、それぞれのステータ磁極周囲を取り囲んでいる付随した巻体（associated windings）６１０ａ〜ｄとを含む。この実施例においては、ステータ磁極６０２の面積は、ステータ磁極６０８ａ〜ｄの総面積に等しい。しかしながら、巻体６１０ａ〜ｄそれぞれが４分の１の磁束鎖交数を発生する必要があるだけなので、ステータ磁極構造体６０６の各々の巻体６１０ａ〜ｄは、ステータ磁極装置６００として或る程度の全磁束鎖交数を提供するには、巻体６０４と比較して、４分の１の巻体を持つだけでよい。
【００３９】
図６に示すように、装置６００，６０６の全幅Ｗは同じである。また、両構造体のステータ磁極の側部に沿った巻体の面積、したがって、体積は、２つの構造体の巻き体の交差斜線部分で示されるものと同じである。しかしながら、図６に明確に示すように、構造体６０６のおけるステータ磁極の上下での巻体の厚さＴ２、したがって、面積および体積は、構造体６００の厚さＴ１の４分の１まで縮小されている。これにより、装置と関連した全材料コストの重量を著しく減らすことができる。また、装置が磁束用の戻り経路を得るためにステータ磁極を磁気的に相互連結するバック・アイアンを含む装置である場合には、各ステータ磁極の面積が４の因数だけ減らされるので、バック・アイアンの必要な厚さもまた４の因数分だけ減らされる。これらの大磁極数装置は同じ鎖交磁束面積を有する小磁極数装置と同じトルクを提供するので、必要とされる材料量の低減は、大磁束数装置と関連した重量や、サイズ、そして材料を著しく減らすような潜在的な可能性を有する。
【００４０】
本発明に従って高周波／大磁極数装置を設計するための一般的な方法を説明してきたので、以下、特殊な例について説明し、この方法の利点をより明確に指摘する。第１の例においては、図１，２を参照しながら、先に説明した構成を有する永久磁石電動機を説明する。この構成では、ロータは、所与サイズの装置の対し最大に見込まれるトルクアームを提供する装置の外周付近に配置される。
【００４１】
この第１の例においては、電動機は、全直径約８インチ、そして全幅約４インチに設計されている。また、ロータ磁極を形成するために、４８対の磁石セグメントが使用されており、４８個の電磁集成体が使用されている。各々のＵ字形磁心片は、ナノ結晶材料を０.１５０インチの幅を有するテープに形成して使用しており、それによって、一体のＵ字形磁心に約０.１５０インチの全厚さを与えている。この例の場合、Ｕ字形磁心全体は、ほぼ幅２ 1/4インチ、高さ１ 3/4インチであり、Ｕ字形磁心の各脚部は、Ｕ字形磁心の基部部から約３／４インチ突出し、そして、Ｕ字形磁心の２つの脚部間には約１／４インチのスペースがある。この構成により、長さ３／４インチであり、そして、幅約１インチ×厚み０.１５０インチのステータ表面積を有する２つのステータ磁極が得られる。この例においては、各脚上にその全３／４インチ長に沿って１８ゲージ・ワイヤの２つの層を巻装することによって、Ｕ字形磁心の各脚部上に十字形が形成される。その結果、巻体の厚さは、約１／１６インチとなる。ロータ磁極を形成するのにスーパー磁石が使用され、各磁石セグメントは、約厚さ３／１６インチ、幅１インチであり、各磁石セグメントは、ロータの回転経路の方向に沿って約１／３インチの磁石スパンを有する。この構成により、装置全体で、３ 1/2インチのトルクアームを有し、ほんの約２０ポンドの重さとなる。
【００４２】
上記の装置が薄膜軟質磁性材料を使用してステータ磁極を形成しているため、この装置は、最高少なくとも１５００Ｈｚの周波数で非常に効率よく作動するように設計される。また、４８対の磁石が使用され、各円形経路が、北から南へ極性を変える４８個の磁石セグメントを有するので、この装置は、ロータの１回転毎に２４サイクルで作動することになる。したがって、毎秒１５００サイクルで作動するとき、この装置は、毎秒６２ 1/2回転の速度、すなわち、３７５０毎分回転数で回転することになる。これにより、０.４の非常に高い周波数（１５００Ｈｚ）対毎分回転数（３７５０）の比率が生じ、これは従来技術の装置よりもかなり大きい。周波数対毎分回転数のこの比率は、決定しやすい比率であり、本発明に従って設計された装置と従来技術の装置との違いを明らかにするのに使用される比率である。
【００４３】
証明された磁気モデリング方法に基づいて、そして、本発明に従って構築した特殊な構成要素および装置からのテスト結果に基づいて、上述の明細書で構築した電動機は、以下の性能特性を提供すると予想される。上述したように、この電動機は、０〜１５００Ｈｚの周波数範囲で作動し、０〜３７５０毎分回転数の範囲の速度で回転する。また、電動機の重量は、約２０ポンドに過ぎない。ピークトルクは、約７０フットポンド（foot-pounds）であり、約５０フットポンドの連続トルクを有すると予想される。ピーク馬力は、３７５０毎分回転数で約５３馬力（ＨＰ）であると予想され、そして、この電動機は、３７５０毎分回転数で約３５馬力の連続馬力出力を発生すると予想される。これらの結果から分かるように、本発明に従って設計された装置は、非常に高い出力密度を発生できる。
【００４４】
上記の装置を４８対の磁石および４８個の電磁集成体を有するものとして説明してきたが、これは必須要件ではない。実際、或る種の用途に対する本発明の好ましい実施例では、更に大きな直径の装置にもっと数多くの磁極数を利用することもできる。たとえば、本発明に従って設計され、そして、車両の車輪を直接駆動するハブ電動機として使用するように設計された電動機の場合、この電動機の全直径はかなり大きくなる可能性があり、そして、磁石および電磁石の数もかなり多くなる可能性がある。この点を説明するために、車両の車輪を駆動するためのハブ電動機の好ましい実施例を以下に簡単に説明する。
【００４５】
この実施例においては、ハブ電動機は、全直径が１５インチ（普通の車両車輪サイズである）であるように設計されることになる。この車輪サイズに基づいて、この直接駆動ハブ電動機の実施例は、約１５００毎分回転数で作動するように設計される。それは、この回転数がこの車輪サイズを与えられた車両に対し適切な最高速度をもたらすからである。また、上述したように、電動機は、０〜１５００Ｈｚの周波数範囲内で作動するようにも設計されることになる。これらのパラメータを与えた場合、電動機は、１対１の、周波数対毎分回転数、の比率を持つことになる。繰り返しになるが、この周波数対回転速度比は、従来の電動機よりもかなり高い。また、周波数対毎分回転数の比率がこの装置では１対１であるから、この装置は、１回転あたり６０サイクルで作動する必要があるので、１２０個のロータ磁極の磁極数を必要とし、この場合、この装置が説明の簡略化のために単相装置として説明しているので、１２０個の電磁集成体を必要とする。図１の８インチの電動機および装置１００について先に説明したと同じ基本設計を用いるならば、１２０の磁石対（magnet pairs）が電動機の外周に分布され、そして、１２０個の電磁集成体が、ロータ磁石に面して外向きに配置される。この構成により、約７インチのトルクアームが得られることになる。すなわち、８インチ電動機について説明した値の２倍である。また、各電磁集成体の厚さが１／３インチ未満であり、そして、ロータ及びステータ間のエア空所での装置の円周が約４４インチであるから、８インチ電動機について先に説明したとものとまったく同じサイズおよび構成になる１２０個の電磁集成体に対し充分なスペースがある。
【００４６】
上記の通りに設計を拡張することによって、更に大きな１５インチの装置では、以下の性能特性を得ることになる。上述したように、電動機は、０〜１５００Ｈｚの周波数範囲で作動し、０〜１５００毎分回転数の範囲の速度で回転する。また、電動機の重量は約５０ポンドである。トルクは、８インチ電動機のそれの約５倍となり、これは３５０フットポンドのピークトルクを与え、連続トルクは約２５０フットポンドとなる。これは、トルクアームが３ 1/2インチから７インチまで２倍になり、電磁石の数が４８から１２０に増えたためである。したがって、トルクは、２×１２０／４８の因数で増大し、これは５に等しい。ピーク馬力は１５００毎分回転数で約１００馬力であり、電動機は、１５００毎分回転数で約７１馬力の連続馬力を発生する。
【００４７】
本発明に従って設計した装置を従来装置と比較したとき、周波数対毎分回転数の比率が、容易に見分けることのできる特性を提供するのである。たとえば、現在入手可能な電動機の大多数は、５０〜６０Ｈｚで作動するように設計されている。これについての主な理由は、これらの周波数が交流電力グリッドで利用可能な周波数であるということである。しかしながら、別の理由もあって、交流電力をこの周波数で提供する理由の内の１つが、これらの周波数が従来の鉄心電動機の周波数容量内にうまく収まるからである。これらの電動機は、多くの場合、約１８００毎分回転数の回転速度で作動するようにも設計されている。このことが、これらのタイプの電動機に６０〜１８００すなわち０.０３の周波数対毎分回転数比率を与える。
【００４８】
専用の鉄心電動機の場合でも、一般的に周波数は４００Ｈｚ以下のレベルのままである。これは、熱という形態で現れる非常に大きな損失を生じさせないようにして磁界変化に対して迅速に応答することが、鉄心材料はできないためである。したがって、従来の電動機および発電機の周波数を低く保つために、これらの装置は、歴史的にかなり少ない磁極数をもって設計されてきた。更に高い周波数で作動することのできる新しい材料（たとえば、非晶質金属）が開発されたので、従来の電動機設計で新しい材料を使用する傾向が出てきた。これにより、これらの従来装置も、新しい高周波材料を使用してかなり高い毎分回転数で作動できるようになった。しかしながら、本発明は、高周波材料を使用して装置を設計する新しい方法を提供するものである。高周波材料を使用してより高い速度の装置を可能にする代わりに、本発明は、劇的に多い数の磁極数と高周波数能力を組み合わせて、従来技術の装置よりも高い周波数対回転速度比率を有する装置を提供するのである。たとえば、周波数が毎秒サイクルで測定され、回転速度が毎分回転数で測定される場合、本発明に従って設計された装置は、１対４以上の周波数対回転速度比を有することになる。０.２５以上のこの高い周波数対回転速度比により、非常に高い出力密度を発生するが、それでもなお非常に管理しやすい回転速度で作動する高ストール・トルク装置（high stall torque devices）を提供することができる。
【００４９】
簡単に言えば、本明細書では、複数の独立した付勢可能な電磁集成体を含む電動機や、発電機や、再生電動機のような装置を開示してきた。各独立した電磁集成体はそれぞれ、それに付随して結合された、薄膜軟質磁性材料製の一体形磁心を有する。各々の独立した電磁集成体は、一体形磁心の両端に位置した２つのステータ磁極を構成する。各々の一体形磁心が、各独立した電磁集成体にそれぞれ対応している２つの相対向するステータ磁極に対し全磁気戻り経路を提供する。
【００５０】
上記の実施例を種々の構成要素がそれぞれ特別な向きを有するものとして説明してきたが、本発明は様々な変化に富んだ具体的な構成の形態を取ることができ、種々の構成要素も種々に変化した位置や相互方向に配置され得るもので、これらもなお本発明の範囲内に入ることは了解されたい。たとえば、各ステータ構造体が或る数のステータ磁極を含むものとして説明し、ロータが或る数のロータ磁極を含むものとして説明してきたが、これは必須要件ではない。これに代えて、ステータ構造体はどのような所望数のステータ磁極を持っていてもよく、ロータもどのような数のロータ磁極でも有することができ、これも発明の範囲内に入るものである。
【００５０】
さらに、ここに記載した装置は、そのステータ構造体が複数の電磁集成体を含み、且つ、各電磁集成体が、そのステータ磁極のための全戻り経路を提供する薄膜軟質磁性材料で形成された一体形磁心を有する限り、広範囲にわたる電動機や発電機に等しく適用できる。あるいは、装置は、薄膜軟質磁心材料で形成された磁心を有し、且つ、１対４以上の周波数対回転速度比で作動するステータ構造体を含む限り、多種多様な電動機や発電機に等しく適用できる。これら種々の発電機および電動機としては、これらに限定するつもりはないが、直流ブラシレスタイプ、直流同期タイプ、可変磁気抵抗または切り換え磁気抵抗タイプ、磁気誘導タイプの電動機や発電機、そして他の多くのタイプの発電機や電動機、交流発電機がある。これら種々の装置は、また、単相装置および多相装置も含む。したがって、本実施例は、例示であり、限定するものではないと考えるべきであり、本発明は、ここに記載した詳細に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内で変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】ロータ構造体と、複数の電磁集成体を有するステータ構造体とを含む、本発明に従って設計された装置の概略横断面図である。
【図２】図１の２−２線に沿った図１の装置の断面図である。
【図３】ロータ構造体と、複数の電磁集成体を有するステータ構造体とを含む、本発明に従って設計された装置の別の実施例の概略横断面図である。
【図４】図３の４-４線から採った図３の装置の断面図である。
【図５】本発明による一体形磁心を形成するのに用いられる薄膜軟質磁性材料巻体の概略側面図である。
【図６】２つのステータ磁極構造の概略平面図である。

Claims

電動機、発電機、再生電動機からなる装置グループから選択された１つの装置であって、前記装置は、
複数の電磁集成体を有しており、各電磁集成体は薄膜軟質磁性材料から形成された磁心の少なくとも一部を含み、前記電磁集成体は、独立したＵ字形一体形磁心を含み、各々の個々独立した電磁集成体が一体形磁心の両端に位置する２つのステータ磁極を定義し、各々の一体形磁心が各独立した電磁集成体に対応する２つの相対向する向きのステータ磁極に対し全磁気戻り経路を提供するようになっている、少なくとも１つのステータ構造体と、
或る通常動作回転速度範囲内で所与の回転軸線周囲を回転するように支持され、前記ステータ磁極と磁気的に相互作用する複数のロータ磁極を含み、前記ロータ磁極が円形経路に沿って回転軸線周囲を回転するように支持されており、前記電磁集成体は前記ロータ磁極の前記円形経路周囲に設置されており、各電磁集成体は、その２つのステータ磁極が互いに隣接して前記回転軸線に対して平行であるラインに沿って互いに整列して位置するように設置されており、それにより、前記装置は半径方向空所装置とされる、少なくとも１つのロータ構造体と、
前記電磁集成体を制御するためのスイッチング部と、から成り、
前記スイッチング部は、前記電磁集成体のステータ磁極を或る周波数範囲内で前記ロータ構造体のロータ磁極と磁気的に相互作用させることができるように構成されており、前記ロータ磁極の数は、前記スイッチング部が前記電磁集成体のステータ磁極を前記ロータ構造体のロータ磁極と磁気的に相互作用するようにさせ、前記装置の毎分回転数に対する前記装置の毎秒サイクルの周波数の比率が、前記装置の動作中、１対４以上になる、というように選ばれることを特徴とする装置。
前記薄膜軟質磁性材料がナノ結晶材料であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記装置は、切り換え式磁気抵抗装置、磁気誘導装置、永久磁石装置からなる装置グループから選択される装置であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記装置は多相装置であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記ロータ磁極は、相対向する向きの磁極性のロータ磁極を形成するように構成された隣接する対の永久磁石セグメントで形成される対のロータ磁極であり、各対の永久磁石セグメントは、２つの永久磁石セグメントが、互いに隣接して前記装置の前記回転軸線に対して平行であるラインに沿って互いに整列して位置するように配置されており、２つの永久磁石セグメントは、前記ロータ構造体が前記装置の前記回転軸線周囲に回転したときに、前記装置の円形経路に沿って前記回転軸線周囲に配置されるようになっており、前記永久磁石セグメントの各々が各電磁集成体のステータ磁極の対応した１つと対面していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記ロータ構造体が、少なくとも３６対の隣接するロータ磁極を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記ステータ構造体が、少なくとも４８対の電磁集成体を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記ステータ磁極が、前記装置の前記回転軸に向けて内方へ向いていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記ステータ磁極が、前記装置の前記回転軸から離隔する外方へ向いていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記薄膜軟質磁性材料が、非晶質金属材料であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記電磁集成体のそれぞれが、個々に、取り外し可能及び取り替え可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記スイッチング部が、前記装置が、通常動作回転速度範囲の少なくとも一部内で作動される間、少なくとも、毎秒５００サイクルの周波数において、前記電磁集成体の前記ステータ磁極を前記ロータ構造体の前記ロータ磁極と磁気的に相互作用させることができることを特徴とする請求項１に記載の装置。