JP4796048B2 - 商業的に低コストで高効率のモーター／発電機 - Google Patents

Description

本発明は、電気的エネルギーと機械的エネルギーとの間でエネルギー変換するための電気装置に係り、より詳しくは、非常に効率的で、容易且つ迅速に巻いて組み立てることができる、特別に低コストな電機子の巻き線構成を有する、低コストで高効率のモーター／発電機に関する。

電動モーターは、ほとんどの国で使用される全電気的エネルギーの半分より多くを消費している。現在のところ、使用されている全てのモーターのうち大多数は、誘導モーターである。誘導モーターは、簡単で信頼性の高い作動を提供し、比較的低いコストを有している。しかし、残念なことに、誘導モーターは最高の効率を提供していない。

モーター及び発電機の用途の中には、連続的に又はほとんど連続的に運転するものがある。そのような用途では、年間の電気消費コストは、モーターの取得コストの数倍にも上り得る。これらの用途のために使用されるモーターの効率を増大させることによって、かなりの経済的利益を提供することができる。

誘導モーターより高い効率を提供し得る別の種類のモーターは、ブラシレス永久磁石モーターである。永久磁石モーター内での磁束は、誘導モーターの場合のような電気的に励起される巻き線の代わりに、磁石によって生成されるので、ブラシレス永久磁石モーターは、より効率的に作動することができる。しかし、残念なことに、従来のブラシレス永久磁石モーターは、誘導モーターよりも遙かに高価である。それらは、ブラシレス永久磁石モーターの機能的利点がそれらの使用を必要とする場合を除いて、必ずしも増大したコストを正当化し、経済的に存立可能な代用物とするのに十分な効率及びエネルギーにおける増大を提供するわけではない。

ブラシレス永久磁石モーターの効率を増大させるための一つの方法は、構成上、電導子用軟鉄板を無くすことによって、電導子用軟鉄板で発生する渦電流及びヒステリシス損失を無くすことである。そのようなモーターでは、電機子は、電導子用軟鉄板のスロット内に巻かれる代わりに、空気コアを備えた巻き線を備えている。この種の構成は、より高い速度の動作に対して、より減少した巻き線インダクタンスの利点を提供している。このようにして、これらの種類のモーターは小型であり、典型的には、カメラ、歯科用ドリル、はずみ車エネルギー貯蔵システム、及び、特定化した用途のサーボモーターで使用される。効率の増大というそれらの可能性にも関わらず、空気コアの永久磁石ブラシレスモーターは、より多くの磁石材料を利用し、構成するのがより困難で、時間を費やし、コストがかかる電機子を必要としている。更に加えて、電位エネルギー効率ゲインを減少させる、電機子損失を増大させ得る構成を持つものもある。これらの理由のため、そのようなモーターは、誘導モーターの代用のための商業的用途においては幅広く使用されてこなかった。

以上のように、幅広い商業用途のために高い効率を備え且つより低いコストで済む新しいモーター／発電機が必要とされている。そのようなモーター／発電機は、誘導モーター並びに他の種類に対して、より高い効率で商業的に魅力のある代用を提供することができ、電気消費動作コストを減少させる。

本発明は、よりコストが低い、高い効率のモーター／発電機を提供する。モーター／発電機は、より容易且つより迅速に巻かれて組み立てられる特別に低いコストの電機子巻き線構成を備えた空気コアトポロジーを利用することにより、高い効率及び低いコストの両方を達成する。

モーター／発電機は、回転軸の回りで回転するローターと、該ローターと磁気的に相互作用する、据え付けステーターとを有する。該ローターは間隔を隔てた２つのローター部分を有し、該ローター部分は、該ローター部分の間に、据え付け空気コア電機子が配置されるところの電機子空気ギャップを形成する。ローター部分上の磁極は、電機子空気ギャップに亘って電機子を通して磁束を励起させる。ローター部分は、空気ギャップに亘って前後に横断する磁束を結合するための低いリラクタンスで高い効率の磁束経路を提供する。ローター部分は、磁束経路の周囲方向のリラクタンスを減少させ、総磁束密度、パワー性能及び効率を増大させる、例えば鋼鉄等の強磁性材料から構成されるのが好ましい。

従来では、独自の用途のためのモーター／発電機が、空気コア電機子の単一側に作用する単一のローター表面を使用する構成であったことが記されるべきである。そのような設計は、組み立てが簡単であるという利点を提供し、幾つかの用途、特に、高い作動速度に起因した高いパワーの生成のために低い磁束密度のみが必要とされる高速度の用途にとって受容可能な性能を提供することができる。しかし、本発明に従って、コスト当たり最大のパワー性能及び効率のために、両側に空気コア電機子を囲い込んだ、分割式ローターが使用される。これは、誘導モーターに典型的である、低い速度で非常にコストに敏感な用途にとって特に適用可能である。

本発明に係るモーター／発電機のステーターは、磁気空気ギャップ内に配置された空気コア電機子を有する。空気コア電機子は、電機子の簡単化された巻きプロセス並びに巻き線を成形部に適用するための簡単で高速度の巻き線プロセスを提供するように設計された、巻き線成形部上に巻かれた巻き線を有している。当該成形部は、実質的に非磁性で低い電気伝導率の材料から作られ、ローター内に延在する自由端部と、モーター／発電機の静止部分に取り付けられる支持端部とを有する。成形部は、薄い裏板部と、磁気空気ギャップを通して磁束の方向に延びるより厚い隆起部分とを有する。ワイヤ巻き線は、ワイヤを隆起部分の間に存在するように挿入することにより成形部上に巻かれ、該成形部は、線巻きプロセスの間にワイヤ巻き線のための位置決め及び支持を提供し、該プロセス後には、成形部の支持端部を通してモーター／発電機の静止部分に対し巻き線上にかかる電磁誘導トルクの反作用を提供し即ち該反作用を伝達すると共に、ローターの回転の間には巻き線がローター部分と接触することを防止する。有効長さ部分における成形部上の隆起部分の使用は、ワイヤを周方向に保持することができる。

成形部の材料の材料特性の選択において一つ考慮されるべき事項は、浪費パワーとモーターの内部の浪費熱の発生を回避するため、磁極の回転から成形部に発生する相当の渦電流損失と、巻き線内の電流を排除することである。高い効率のため使用されるモーターでは、成形部から生じる損失は、１％より低く、より好ましくは、０．１％よりも低い。成形部のための低い電気伝導率材料は、１×１０^−６Ωｍより大きい抵抗、より好ましくは、０．００１Ωｍよりも大きい抵抗を有する。材料の良好なクラスは、巻き線上に作用する磁気誘導力を運搬するのに十分な強度及び温度性能を有するプラスチックである。熱反射又は遮蔽のため成形部表面上に伝導性材料の非常に薄いフィルム、レイヤー又はフォイルを追加することは、空気ギャップ内の成形部材料の大多数の抵抗を変化させず、有意な渦電流損失を生成しない。かくして、この伝導性フィルムは、本発明の別の態様を構成する。

成形部材料の追加の好ましい特性は、該材料が実質的に非磁性であるということである。当該目標は、周方向のかなりの磁束が成形部を通して漏れることから性能の損失を防止することである。好ましくは、成形部の材料は、１００より小さい比透磁率、より好ましくは、３より小さい比透磁率を有する。再び、プラスチックが良好な材料のそのようなクラスの一つである。

電機子コイルを別々に巻き、電機子の周囲部の回りに一緒に当該コイルを組み付け、埋め込みのため巻き線を最小の厚さにまで圧縮することにより作られる多数の従来の空気コアモーターとは異なり、本発明に係る電機子は、成形部を最初に製造し、次に巻き線を巻き線成形部上に直接巻くことにより構成され、構成を簡単にしている。当該成形部は、電機子の容易な取り付け及びモーター／発電機への直接的な線巻きを可能にしている。

本発明に係る巻き線の使用は、電機子構成のため当該技術分野において魅力の無いアプローチであるとみなされる幾つかの有意な欠点を有している。モーター／発電機において与えられた量の高価な磁石材料に対して、空気コアのモーター／発電機のパワー性能及び効率は、電機子の巻き線密度に直接関連している。この理由のため、設計者は、典型的に電機子の巻き線密度を最大にし要求された空気ギャップの厚さを最小にすることを探し求めた。より小さい磁気空気ギャップは、かなりより大きい磁束密度を可能にし、よって、より大きい効率及びパワー性能を可能にしている。電機子のための巻き線成形部は、磁気空気ギャップ内に実質的な空間を占めている。そうで無ければ、該空気ギャップは、従来の技術により製造された場合に追加の巻き線で満たすことができていた。成形部の裏板部により占められる空間は、磁束の方向に電機子の厚さを増合いさせ、隆起部分は、非成形構成と比較して、電機子の周方向の回りの巻き線の数を減少させる。単一の電機子からより低い巻き線密度で複巻きすることは、本発明に係る大きな電機子が磁気空気ギャップ内に一緒に組み付けられるか又は積み重ねられた複数の成形部を利用することができるということである。積み重ねられた電機子成形部構成の使用は、単一レイヤーで各相を巻くことを可能にし、巻き線のより大きい終端巻き部分の長さと、より大きい抵抗損失とをもたらす。

減少した電機子巻き線密度から生じる欠点にも関わらず、本発明に係るモーター／発電機は、驚くべきことに、非常に魅力的な構成及び製造技術であることが判明した。減少した巻き線密度は、他のモーター／発電機と同じパワーレベル及び効率を達成するため増大した量の磁石材料と磁石コストとを必要とするが、この増大した磁石のコストは、簡単化された電機子の製造及び減少した総製造時間とから達成される製造コストの節約よりも遙かに小さいことが見出された。効率の減少は、後述されるように、成形部の線巻きプロセスにより提供される巻き線のための他の特徴によってあがなわれることも見出された。

巻き線が巻かれるところの成形部は、例えば、ナイロン、ノリル、ウルテム、ＡＢＳ又は繊維補強プラスチック等の実質的に非磁性で低い電気伝導率の材料から作られるのが好ましい。該成形部は、例えば、マコール等の熱伝導性ポリマー、セラミックス、又は、例えば機械加工、プレス加工、鋳造若しくは成型工程により容易且つ安価に製造され、モーター／発電機の特定のサイズにおいて、巻き線に作用する力を支持するのに適切な強度を提供する他の適切な材料から作られていてもよい。熱伝導性ポリマーは、１Ｗ／ｍｋより大きい熱伝導度を備えたポリマーであるとみなされる。これらの材料は、成形部を通して巻き線から電機子空気ギャップ内の対流冷却への熱エネルギー輸送を増大させることができる。成形部のための好ましい製造技術は、射出成形である。該技術は、迅速で低コストであり、複雑なチャンネル構成の成形を容易に行うことを可能にしているからである。

一態様では、成形部は、ワイヤの配置用の表面上にチャンネルを有する。チャンネルは、巻き線のための構造的支持を提供し、好ましくは、線巻きの間に成形部の適所に巻き線を保持する。特に大きいサイズ又は高速度若しくは高い極数の電気モーター／発電機に対して、渦電流損失は、回転式ローターの磁束がコンダクターを通過することから実際の巻き線コンダクターにおいてかなり大きくなる。これらの損失を低レベルにまで減少させるため、巻き線は、リッツワイヤ即ち個々に絶縁された多ストランドから構成されたワイヤを使用して巻かれる。このより合わされたワイヤは、減少した曲げスチフネスの故に、大きなワイヤの線巻きを容易にする。しかし、リッツワイヤの巻き線は、固体ワイヤ巻き線と比較して１００倍以上までもスチフネス及び剛性が小さいので、何らかの態様で拘束されない限り所望の配置には留まらない。この理由のため、前述の方法によりリッツワイヤで空気コア電機子を巻くことは困難となる。巻かれたコイル又は巻き線は、所望の巻きパターンから拡がろうとする傾向にあり、その構成を困難にさせている。しかし、本発明に係る成形部上にリッツワイヤ巻き線を巻くことは、容易に達成される。ワイヤがチャンネル内に押し込められた後には、チャンネルは、該ワイヤを適所に保持するからである。本発明の好ましい実施態様では、チャンネルはワイヤを締め付け、それを堅固に保持する。損失を軽減した巻き線の他の構成は、並列接続された正方形又はリボンワイヤから構成することができる。該ワイヤは、有効長さ領域においてそれらの長さに沿って互いから電気的に絶縁されている。再び、これらの巻き線の高い可撓性は、線巻きプロセスの間に締め付ける成形部の実質的な利点を採用する。巻き線からの効率ゲインは、成形部の結果として、より低い巻き線密度から生じる効率損失を克服することができる。

複数のワイヤが単一ウィンドチャンネル内に置かれていてもよく、又は、個々のワイヤが別々のチャンネル内に置かれていてもよい。個々のチャンネルは、より大きい支持を提供する。単一チャンネル内のワイヤの群は、チャンネルの中心で外側に曲がり、緩くなるが、個々のチャンネルは、それらの構成及び配置に応じて、巻き線密度を更に減少させ得る。低い電気伝導率の成形部上で隣接する隆起部の間の空間が、一本のワイヤの幅におおよそ等しい幅を持っているときに、別々のチャンネルが形成される。非常に簡単な線巻き及び製造のために、電機子は、チャンネル毎に一本のワイヤだけで構成されるのが好まし。ワイヤがチャンネル内に挿入されるとき、該ワイヤを適所に保持するため、該ワイヤは、その直径断面に亘って圧迫される。リッツワイヤの巻き線のために、ワイヤは、それが適所に保持されるとき、僅かに圧縮されるようになり得る。

成形部のチャンネル又は表面の特徴は、迅速で信頼性の高い電機子の線巻きを可能にしている。他の製造方法とは異なり、巻きワイヤは、複数の孔又は開口部を通す必要はない。その代わりに、巻き線は成形部の表面上に正確なチャンネル内へと単に押されるか又はスナップ係合される。線巻きプロセスは、自動化されてもよく、或いは、ハンドローラーを用いてチャンネル内の適所に巻き線を押すことによって手で簡単化且つ高い信頼性でなすことができる。成形部は、チャンネル又は表面特徴部を備えて機械加工されてもよく、高容積の製造のために、射出成形される。

本発明の更なる利点は、電機子に高精度でワイヤを巻くことができるということである。他の構成で手巻きすることとは異なり、成形部は、線巻きプロセスの間にワイヤのための積極的な位置配置を提供することで線巻きを容易にする表面特徴を持つことにより、線巻きの誤りや誤差の発生を阻止する。巻き、配列、組み付け、埋め込みが実行される構成では発生し得るような多相モーター／発電機におけるコイルの誤った位置決めは、本発明に係る線巻きプロセスを用いて排除される。相電圧及び角度の不均衡は発生せず、更に性能を改善する。

モーター／発電機は、要求されたときに巻き線の容易な交換を容易にすることもできる。モーター電機子用軟鉄板及びハウジングにエポキシ接着された従来のスロット巻き電機子巻き線とは異なり、本発明に係る電機子には、或いは電機子の一部さえも、ボルト止めがされてらず、必要に応じて、取り外したり、交換することができる。

成形部のチャンネル又は表面ワイヤ保持特徴は、所望の巻きパターンに応じて、いくつかの手段によって構成することができる。巻き線はコイル形態を備えていてもよく、或いは、より好ましくは、周囲部の回りに蛇行形態で構成される。チャンネルは、成形部の全巻き線表面に亘って完全にワイヤを受け入れるフルチャンネルを提供することができる。本方法は、最大の構造的支持を提供し、更に巻き線の隣接する曲線部分の間に絶縁を提供する。より圧縮可能である被覆されていないリッツワイヤは、所望の場合に利用することができる。しかし、完全なチャンネルの使用は、特に軸方向ギャップ式のモーター／発電機に対して、可能となる巻き線密度を減少させ得る。可能な巻き線密度の更なる減少を防止するため、並びに、機械加工成形部のためのコストを減少させるため、チャンネル形成する隆起部は、例えば有効長さ領域、有効長さ領域の一部分又は有効長さの端部の近傍のみ等の選択された部分においてのみ成形部の裏板部から延在してもよい。成形部表面に亘る不完全なチャンネルは、線巻きの困難さを僅かに増大させ得るが、この増大効果は、巻き線密度で得られた利点と比較して、一般に小さい。

多くのモーター／発電機は、三相構成を利用する。本発明によれば、三相の全ては、終端巻き部分のチャンネルが省略されたならば、単一の成形部上に巻くことができる。代替例として、好ましい実施態様では、各相は、蛇行形態に同一態様で巻かれる。多相軸方向ギャップ式モーター／発電機を形成するため、複数の成形部が、各々の角度付け配置にシフトされた状態で一緒に軸方向に積み重ねられる。径方向ギャップ式モーター／発電機に関しては、１つ又は複数の成形部が、径方向に延在するチャンネルを備えた薄い壁のシリンダーの形態にある。ほとんどの場合には、軸方向ギャップ構成は、最も容易で最もコスト高価があり、従って、該構成が可能であるときには最も好ましい構成となる。積み重ね構成において電機子の構造的完全さを増大させるため、エポキシ等の接着剤を巻かれた成形部上に塗布することができる。より大きな構造的完全さが所望される場合には、真空樹脂浸透法を組み立てられた電機子上で実行することもできるが、これは、コスト及び製造時間を増大させかねず、多くの場合には不必要な工程である。

複数の電機子成形部の積み重ね又は組み付けを可能にするため、成形部の裏板部は、単一の成形部上に巻き線ワイヤの重なり合いが発生する領域では省略されるのが好ましい。そのような重なり合いは、典型的には、電機子への入力及び出力接続ワイヤの結果である。複数の成形部では、当該重なり合いが順序正しい積み重ねを防止しないように、同じ領域から裏板部が省略されるのが好ましい。

多くの場合には、電機子構成は、相当たりで複数のワイヤを使用し、よって、該複数のワイヤが電気的には直列に接続され、機械的には直径の回りに並列蛇行形態で存在している。複数のワイヤは、巻き線を形成するため直径の回りに一本のワイヤが通過する状態で一度に走らせることができる。次に、これらのワイヤは、連続的に配置された巻き部分が電気的に直列に接続されるように適切に接続される。好ましい実施態様では、巻き線は、一本のワイヤ、又は、ワイヤの総数よりも少ない数のワイヤを、直径の回りに数回巻き付けることにより巻かれるのが好ましい。本方法は、複数の巻き線間接続即ち半田接続を無くし、製造工程を高速化する。この種の線巻き技術は、直径の回りに各々通過する巻き部分が適切な配置で位置決めされ、適所に保持されるように個々の巻きチャンネルを使用することで可能となる。

モーター及び発電機を使用した多くの用途に対して本モーター／発電機を利用することができるが、それは、連続的か又は準連続的な動作の用途に対して特に適したものとなる。そのような用途の一つが空気流れを提供するため使用されるファン又はブロワーのための用途である。これらの用途及びこれに類似した用途では、本モーター／発電機は、現在のところ利用されている標準的な誘導モーターと比較したとき、実質的な電気コストの節約を提供することができる。他のブラシレス永久磁石モーター／発電機と比較したときの本モーター／発電機の低いコストは、本発明に係るモーター／発電機を商業的に存立可能とし、コスト効果のある代替手段を提供することを可能にする。効率と共に、サイズ、重量及びノイズの減少を実質的に含んだ本モーター／発電機の利点は、他のモーター／発電機の用途のための利点も同様に提供する。

本発明の更なる態様では、電機子を巻く前にリッツワイヤを予め圧縮することにより、巻き線密度を増大させ、組み立てをより容易にすることができる。成形部内のチャンネルが長方形の断面を持つように作られたとき、リッツワイヤを、事実上長方形又は長方形に近い断面へと合致するように予め圧縮することができる。ワイヤの事前圧縮は、設定されたギャップ式ローラーを使用することにより、ワイヤ製造プロセスでなすことができる。ローラーは、通過するワイヤ上に高い瞬間的な圧力を提供し、よって、ワイヤ束を非常にコンパクトにすることができる。次に、長方形ワイヤを、長方形形態のチャンネル内へと巻いて押し込めることができる。電機子全体にかかる更なる圧縮圧力は、ほとんどか又は全く必要とされない。ワイヤをチャンネル内に適切に配置するため、線巻きプロセスの間に注意が払われなければならず、ワイヤスプールが、線巻きプロセスでワイヤのねじれを防止するように回転するため支持されるのが好ましい。

チャンネルを備えた低い電気伝導率の成形部は、プラスチックブランクからの機械加工、成形、又は、ダイの合致を用いた鋳造若しくは射出成形等の成形技術等を始めとして、幾つかの異なる豊富で製作することができる。射出成形の使用は、高容積の製造に対して低い単価コストを提供する。好ましい実施態様では、成形部は、電機子を巻く前に、射出成形により構成される。熱輸送の改善を促進するため、当該成形部は、熱伝導性ポリマーから作ることもできる。成形部の熱伝導度に依らず、成形部の静止モーター／発電機構造への取り付け部には、静止ハウジングに関する電機子の熱膨張に適合させるための手段を提供することができる。そのような適合手段には、過度サイズの取り付け孔、径方向スロット、又は、弾性若しくは可撓性の接続手段が含まれている。そのような取り付けは、動作に起因した有害のおそれがある成形部内の応力の生成、並びに、成形部の相対的熱膨張を排除する。

多相モーター／発電機を、各成形部に一相が存在し、成形部が重なり合い、相の所望の数を提供するため角度位置がオフセットされた状態で巻くことができる。又は、多相モーター／発電機を単一の成形部上に多相を設けた状態で巻くこともできる。各々の方法は、異なる用途及び設計のための望ましい特性をそれぞれ有している。例えば、径方向ギャップ式モーター／発電機では、単一の形態を使用することが、異なる相に対して異なる半径を備えた幾つかの個々のシリンダーの入れ子式形態を回避することにより簡単な構成の利点を持つことができる。１より多い相が単一の成形部へと巻かれるとき、性能を向上させるため、有効長さ領域が終端巻き部分よりも磁気空気ギャップの方向により薄くなることを可能にするため各々の巻き部分の重なり合いを使用することができる。

再び機械の設計、作動パラメータ及びコストに応じて幾つかの異なる巻きパターンを構成することができる。幾つかの場合には、巻き線の間隔調整によりモーター／発電機の効率を増大させることが可能となる。本発明の追加の実施態様では、一つの相の巻き線は、磁極のピッチ幅で周方向に均一に分布する場合よりも有効長さ領域において周方向により接近した間隔で隔てられている。この構成は、より高い電圧誘導を達成し、並びに、磁石間漏れの領域に巻き線をより少なく配置するため、磁極の中心付近により多くの巻き線を配置している。

径方向ギャップ式のモーター／発電機に対しては、成形部は、径方向に隆起したチャンネルと薄い裏板部とを備えた管を備える。ローター及び電機子のより容易な組み付けを促進するため、電機子の両端部の終端巻き部分は、反対方向に径方向に延在するのが好ましい。これは、電機子をローター内に挿入し、磁石を設置することを可能にする。簡単にするため、巻き線の終端巻き部分を、空気コア電機子の自由端部において径方向内側に延在させることを可能にするように管成形部の裏板部を作ることができる。これをなすための一つの方法は、自由端部の終端巻き部分において成形部の裏板部を省略することである。ローター及びステーターは、外側ローター管に磁石を装着し、電機子をローター内へと軸方向に摺動させ、磁石を内側ローター部分へと軸方向に摺動させることによって組み付けることができる。代替例として、磁石をローターに装着する前に内側ローター部分に磁石を取り付け、電機子が外側ローター管内に挿入された後、磁石を搭載した内側ローター部分を電機子内に挿入してローターに取り付けてもよい。

径方向ギャップ式モーター／発電機の別の態様は、電機子巻き小型化方法である。成形部の外側表面上のチャンネルに巻き線を巻くことができる。例えば、フィラメント、テープ等の張力巻き付け手段を、成形部の回りに周方向に巻き付けることができる。巻き付け手段は、正確に寸法が測られた高い密度の空気コア電機子のためチャンネル内への巻き線を小型化する。

本発明のなお更なる実施態様では、軸方向ギャップ式モーター／発電機は、高い誘電強度、高い密度、及び、容易な組み付けを提供するため構成することができる。巻き線は、成形部当たり一相のみで巻かれ、成形部は多相電機子を構成するため軸方向に積み重ねられる。平坦な積み重ねを可能にし、巻き線の重なり合いを防止するため、成形部は、成形部から巻き線リード部を引き出すための軸方向孔を有するのが好ましい。好ましいバージョンでは、巻き線は、蛇行経路として巻かれ、多ワイヤ蛇行経路が、成形部の回りに周方向に複数回巻き付けることにより形成される。この構成では、単一相のコイルは、２本のワイヤのみを有し、重なり合いを防止するため引き出し用の成形部内の軸方向孔を使用するため、一つの端部のみが必要となる。全てのワイヤが一つの軸方向側から電機子を出すことを簡単に可能にするため両方の端部のための孔も使用することができる。この構成の利点は、巻き線が電機子全体を通して完全に支持することができるということである。更に加えて、チャンネルは、全ての巻き線を電気的に絶縁することができる。これは、より可撓性を持ち、より容易にコンパクトにすることを可能にする、これまでに無かったリッツワイヤの使用を可能にすることができる。

本発明の特徴は、小型及び大型の、モーター及び発電機の両方で使用することができる。例えば大型タービン発電機等の非常に大きいモーター／発電機に関しては、電機子の成形部は、製造するのがより容易である複数の周方向区分から構成することができる。これらの区分は、大きな電機子を形成するため一緒に組み付けられ電気的に接続することができる。これ以外の形態では、単一の部品として構成することは実用的でも経済的でもなかったはずである。モーター／発電機のための用途には、工業プロセス用モーター、製造用ハイブリッド電気自動車及び船舶の推進を始めとした、減少したコストで達成される高い効率及び高い性能の利点が望ましい任意の据え付け及び輸送用途が含まれている。

本発明及びその多くの付随的特徴並びに利点は、添付図面と関連付けて好ましい実施例に関する次の詳細な説明を読むとき、より良く理解されるようになるであろう。
図面を参照すると、同様の参照番号が同一か又は対応する部品を指し示しており、比較のため空気コア式のモーター／発電機に関する４つの異なる磁気形態が図１Ａ乃至図１Ｄに示されている。図１Ａは、ローター３１及びステーター３２を備えたモーター／発電機３０の小部分を示している。ステーター３２は、エネルギーの変換のためローター３１に近接した電機子巻き線３３から構成されている。ローター３１は、軽量の非磁性ローター部分３５に交互に取り付けられた極性磁石３４を備えている。ローターは、据え付けステーターに対して回転しており、その結果、動作中には、磁石３４は、ワイヤの長さ方向に垂直でワイヤが存在する平面に平行な方向に、巻き線３３を横方向に横切って通過する。磁石３４は、巻き線３３を通してループ３６に沿って磁束を励起させると共に、ローター部分を介してループ３７に沿って磁束を励起させる。

図１Ｂに示されたモーター／発電機４０は、据え付けステーター４２に対して回転するローター４１を有する。ステーター４２は、エネルギーの変換のためローター４１に近接した電気電機子巻き線４３を備えている。ローター４１は、強磁性ローター部分４５に極性を交互に反転して取り付けられた磁石４４を備えている。ローターが回転し、磁石を電機子巻き線４３を横切って移動させるとき、磁石４４は磁束を励起し、該磁束は巻き線４３を通してループ４６を形成し、該磁束は低いリラクタンスの鋼鉄製ローター部分４５を通ってループ４７を介して再び戻る。

図１Ｃは、ローター５１及びステーター５２を備えたモーター／発電機５０を示している。ステーター５２は、エネルギーの変換のためローター５１に近接した電機子巻き線５３から構成されている。ローター５１は、強磁性ローター部分５５に極性を交互に反転して取り付けられた磁石５４と、間隔を隔てて配置された、背鉄として機能する強磁性ローター部５６と、を備えている。回転する磁石列５４は、磁束を励起し、該磁束は巻き線５３を通してループ５７を形成し、該磁束は低いリラクタンスの鋼鉄製ローター部分５５を通ってループ５８を介して再び戻る。

図１Ｄは、ローター６１及びステーター６２を備えるモーター／発電機６０を示している。ステーター６２は、エネルギーの変換のためローター６１に近接した電機子巻き線６３から構成されている。ローター６１は、一緒に回転する強磁性ローター部６６，６７に極性を交互に反転して取り付けられた磁石６４及び６５を備えている。回転する磁石列６４、６５は、磁束を励起し、該磁束は巻き線６３及び低いリラクタンスの鋼鉄製ローター部分６６、６７を通してループ６８、６９を形成する。

図１Ａ乃至図１Ｄの異なる磁石構成のパワー容量の比較が図２に示されている。各々の設計は、等しい量の磁石材料を使用し、９８％効率を達成することに基づいてパワー定格が計算されている。構成１Ａ及び１Ｂは、電機子の一方の側にのみローターを有することによって簡単なアッセンブリを可能としているが、パワー容量は、７．７５Ｈｐ及び１１．７５Ｈｐと、より低くなっている。このコスト当たりのパワーは、幾つかの用途では受容可能であるが、低コストの誘導モーターとの競合には適していない。図１Ｃの構成は、電機子の両側で効率的な周囲方向の磁束経路のための鋼鉄背鉄を提供する。これは、パワー容量を２倍にするよりも、実質的な改善を提供する。従って、電機子の両側に強磁性ローター部分を使用することが、本発明に係る電気装置での使用のために好ましい。図２は、図１Ｄの構成が、各々の強磁性ローター上に磁石の半分を配置することによって更により多くの改善を提供することができることを示している。この構成は、磁石の空気ギャップを横切って及び電機子を通して、より多くの磁束を周囲に漏らす代わりに飛び越えさせる。その結果、パワー容量は、２３．２５Ｈｐから４０Ｈｐまで増大し、最も高いパワーローター磁石設計構成を提供する。低慣性を要求する用途では、代替手段として非磁性ローター部を備えたハルバック（Halbach）配列モーター磁石列を使用することができることも想定される。しかし、この構成は、典型的には、ほとんどの商業用途には適合しない、かなりの高コストをもたらす。

ここで図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、ブラシレスモーター／発電機８０は、ステーター８２に対して回転するように取り付けられたローター８１を備える。ローター８１は、高いリラクタンスの接続管９４と共に接続された２つの鋼鉄ローター部分８３及び８４を有する。管９４及びローター部分８３、８４は、所望の場合には、冷却用のモーター／発電機８０内に空気流れを提供するためファン式空気移動特徴を備えていてもよい。図３Ｂに示されるように、周囲方向に交互に配置された多重永久磁石８５、８６が、２つのローター部分８３、８４の軸方向に対向する表面の間に形成された磁気空気ギャップ８７を横切って磁束を励起するため各々のローター部分８３、８４に取り付けられている。磁気空気ギャップ８７内に配置されているものは、パワー変換のため多重巻き線を有する特殊な空気コア電機子８８である。電機子８８の幾つかの構成が以下でより詳細に記載される。ローター部８４、８３は、ベアリング９１、９２内にジャーナル軸受けされたシャフト８９、９０を有する。ベアリング９１、９２は、外側管９７により間隔を隔てた位置に保持されたハウジング端部プレート９５、９６により支持される。ボルト９８は、端部プレート９５、９６を一緒に保持し、磁気空気ギャップ８７内に空気コア電機子８８も支持する。図３Ｂに示されるローター８１の半分の軸平面図は、磁気空気ギャップ８７を前後に横切って、且つ、図１Ｄに記載されているようにローター部分８３、８４内で磁束経路を通して周方向に磁束を励起させる多重磁石８５を備えたローター部分８４を示している。

従来技術のコアモーター／発電機の設計は、空気コア電機子の巻き線密度を最大にすることを試みた。同様の設計のモーター／発電機では、磁気空気ギャップの厚さ当たりの巻き線の体積を増大させることは、磁束材料の単位量当たりの効率及びパワーの能力を増大させる。本発明に係る空気コアの電機子は理に適った高い巻き線密度を達成しているが、別の目的は、電機子の製造を数倍速く、容易に且つよりコスト効果を高くすることである。

図３に示された種類のブラシレスモーター／発電機１１０の周方向区分の径方向から見た図が、図４に示されている。モーター／発電機１１０は、図面の平面の背後に延在する垂直軸の回りを回転するように取り付けられたローター１１１と、図３Ａの電機子８８の位置における電機子１１７と、を備えている。ローター１１１は、図３Ａにおけるローター８１と同様に、間隔を隔てた強磁性ローター部分１１２、１１３を持ち、該ローター部分上に、交互に極性を反転させた複数の永久磁石１１４、１１５が取り付けられている。軸方向の空気ギャップ１１６は、磁石１１４、１１５の両面の間に形成されている。磁石は、空気ギャップ１１６を横切って及び空気ギャップ１１６内に固定された電機子１１７を介して磁束１２０を励起させる。磁束は、磁束ループを完成するため強磁性ローター部分１１２、１１３内のループ１２１、１２２を介して周方向に沿って延在する。電機子１１７は、実質的に非磁性で低い電気伝導率の材料、例えばナイロン又はプラスチック若しくはセラミック等から作られた成形部１１８から構成され、該成形部は、モーター／発電機の特定のサイズ及び用途のために必要とされる強度及び温度の能力を提供するため選択されている。該成形部は、電機子１１７からの熱交換を促進するため熱伝導性を持つのが好ましい。成形部１１８は、薄い裏板部１２４と、より厚い隆起部分１２５とを有する。隆起部分１２５の間の空間は、チャンネル１２６を形成する。

電機子は、成形部１１７の空間即ちチャンネル１２６内に直接巻き線１１９を巻き付けることによって作られる。好ましい実施例では、チャンネル１２６の幅は、巻き線プロセスが巻き線１１９をチャンネル１２６内に単に押し込めることによって完了されるように、巻き線１１９にピッタリと適合するように作られている。

図示のように、電機子の構成は、以前の方法の場合のように、巻き線密度を最大化しない。成形部の裏板部１２４及び隆起部分１２５は、一定の空間を占めており、該空間は、成形部１１７が存在しない場合にはより多くの巻き線を保持することができる。しかし、電機子の製造プロセスは、遙かに簡単に、迅速に且つより高い信頼性を持つようになる。ワイヤは、線巻きの間に、複数の開口部を通してより合わせられたり引っ張られたりする必要はなく、特別に製作された保持及び埋め込み設備も必要とされず、埋め込み樹脂を無くすか又は最小にすることができる。しかし、埋め込み樹脂は、線巻きの後に巻き線を適所に保持するため使用してもよい場合もある。コイルが別々に巻かれ、後に組み立てられ、一緒に埋め込まれる電機子の製作とは異なり、本発明に係る電機子は、減少した数のより簡単な工程で製造することができる。同様に、成形部１１７及び本願で開示されたのと類似の成形部の使用は、リッツワイヤの使用を可能にしている。リッツワイヤは、図４Ａで概略示された、複数の個々に絶縁されたストランド１２３から構成されたワイヤである。ストランドの間の絶縁は、巻き線中の有意な渦電流損失の生成を排除する。リッツワイヤの使用は、ワイヤサイズ及び電機子サイズが大きくなる、より高いパワーのモーター／発電機にとってかなり重要となる。リッツワイヤは、大きな誘導モーターを代用するように設計されたモーター／発電機における使用にとって特に有利となる。リッツワイヤで巻くことは、ワイヤプロセスにおいて、より容易なワイヤ曲げという追加の利点を提供する。しかし、固体ワイヤコンダクターとは異なり、リッツワイヤは、それが曲げられるところのその形状を保持しない。従って、前記した別々に巻く方法により、リッツワイヤで空気コアの電機子を巻くことは、困難となる。巻き線即ちコイルは、巻いた後及び組み立ての間には形状を維持しない。本明細書で開示されたプロセスは、チャンネルがワイヤを保持しているため、この欠点を克服しており、当該プロセスは迅速且つ簡単に完了される。

図５に示された別の構成に係るブラシレスモーター／発電機１３０は、電機子１３７を有する据え付けステーターと、磁石１３４、１３５が取り付けられた、間隔を隔てた状態で一緒に回転する２つの鋼鉄ローター部分１３２、１３３と、を備える点で、図４に示された構成と類似している。電機子１３７は、磁石１３４、１３５の対向面の間に形成された軸方向空気ギャップ１３６内に固定されている。磁石１３４、１３５は磁束１４３を励起し、該磁束は、図３Ａ及び図４で示されたように、電機子の空気ギャップ１３６を横切り、空気ギャップ１３６内の電機子１３７を通り、ローター１３１の周囲経路１３２、１３３を通過する。

電機子１３７は、実質的に非磁性で低い電気伝導率の成形部１３８を備え、該成形部は、薄い裏板部１３９と、隆起部分１４０の間のチャンネル１４１と、を有する。この構成では、線巻きは更に容易となり、巻き線１４２は、各ワイヤが別々のチャンネル内に配置されるように巻き線１４２のワイヤの幅におおよそ等しい幅を持つチャンネル１４１により確実に保持される。図４に示されるように複数のワイヤが単一チャンネル内に延在しているとき、ワイヤの群は、上方に曲がり、チャンネルによる成形及び支持から解放され、よって、チャンネルから脱落する傾向を持ち得る。しかし、この傾向は、図９及び図２１に示されるように、張り合わせカバープレート又は別の成形部において、ワイヤで占められたチャンネルを覆うことによっても遭遇し得る。他の場合には、特に複数のワイヤが電機子巻き線のために要求されているとき、多ワイヤチャンネル内の覆われていないワイヤは、線巻きをより困難なものにし得る。図５の構成は、当該問題を無くし、より詳細には後述されるように、複数のワイヤを電気的に直列に巻くことを容易にする等の巻き線パターンに他の利点を提供する。一つのワイヤが単一チャンネルを占めるとき、線巻きはより容易となり、ワイヤは、たとえチャンネルと締まり嵌めするか又は解放するかのいずれであったとしても、適所に留まろうとするより大きい傾向を持つ。ワイヤ１４２は、チャンネル１４２の幅に等しい直径を持つものとして示されているが、該ワイヤは、図１１と連係して後述されるように該ワイヤをチャンネル内に押し込めなければならず、よって図２１に示されるようにチャンネル内を完全に占めるように、チャンネル１４２の幅よりも大きい直径を備えたサイズであってもよい。代替例として、ワイヤは、チャンネル内にピッタリと嵌合するように、正方形若しくは長方形の断面を備えていてもよい。また、製造上の利便性のために、ワイヤは、チャンネル内に容易に挿入され、該チャンネル内に押し込んだとき完全にチャンネル内を占めることができるように、僅かにテーパーが形成されたプロフィールを備えていてもよい。

図６に示されるように、ブラシレスモーター／発電機１５０の一方の側は、垂直軸の回りに回転するように取り付けられたローター５１と、据え付けステーター１５２と、を有する。ローター１５１は、図３Ａ乃至図５に示されるように、磁束１６０を電機子磁気空気ギャップ１５７に亘って励起させる磁石１５５、１５６が取り付けられた、間隔を隔てた状態で一緒に回転する２つの鋼鉄部分１５３、１５４を備えている。ステーター１５２は、図５に示されるように、薄い裏板部１６０と、表面上にチャンネルを形成するより厚い隆起部分１６１とを有する、実質的に非磁性で低い電気伝導率の成形部１５８から構成されている。巻き線１５９は、隆起部分１６１の間のチャンネル内へと成形部１５８上に直接巻かれている。この構成で示されているように、巻き線１５９は、隆起部分１６１の間のチャンネル内に完全に収容され、図２２に更に示されるように、終端巻き部分を含む巻き線１５９の全部分のために支持されている。これは、高い構造的支持と線巻きの容易さを提供するが、成形部１５のコストを僅かに増加させ得る。

本発明に係るモーターの幾つかの用途には、当該成形部は、該成形部上の巻き線の必ずしも全ての部分において巻き線を支持する必要はない。巻き線を適所に保持し、容易な線巻きを確実にするために十分な支持を提供することが好ましいが、選択された箇所においてのみ巻き線を支持することにより成形部のコストを減少させ又は製造を簡単にすることが求められている。成形部上の巻き線の一部分をチャンネルにより支持されていない状態にすることは、巻き線の冷却又は線巻き後の埋め込みも可能にする。高い熱伝導度の材料で埋め込むことは、特定のモーター／発電機用途にとって有利となり得る。チャンネルが有効長さの部分においてのみ巻き線を支持する巻き線成形部１７７を有するブラシレスモーター／発電機１７０が図７に示されている。本願明細書で使用されているときの「有効長さ」という用語は、モーターにおいてトルク又は発電機において電力を生成するため空気ギャップ内の磁束と相互作用する電機子巻き線の長さを意味している。モーター／発電機１７０は、図６乃至図８の図面の右側に示されるように、垂直軸の回りに回転するため支持されたローター１７１と、ステーター１７２と、を有する。ローター１７１は、間隔を隔てた状態で一緒に回転する２つの鋼鉄部分１７３、１７４を備え、該鋼鉄部分には磁石１７５、１７６が取り付けられて、図３Ａ乃至図５に示されるように、電機子磁気空気ギャップ１７８に亘って磁束１８０を励起させる。ステーター１７２は、薄い裏板部１８１と、表面上にチャンネルを形成するより厚い隆起部１８２とを持つ実質的に非磁性で低い電気伝導率の成形部１７７を備えている。巻き線１８３はチャンネル内へと成形部１７７上で直接巻かれている。この構成では、チャンネルの側部の境界を形成する隆起部分１８２は、巻き線の有効長さ部分にのみを保持する。巻き線の終端巻き部分は、自由端部であり、所望の場合には空気冷却手段にさらすこともできる。終端巻き部分のチャンネルが無い場合には、相毎に幾つかのチャンネルにより角度が変えられた多相巻き線を、単一成形部上に巻くこともできる。これは、３区分に分割可能な複数のワイヤを使用し、個々の成形部を使用する場合よりもより複雑な巻き線となるが、多相のために必要とされる空気ギャップの厚さを減少させることができる。

図８に示されるブラシレスモーター／発電機の別の構成は、同様に、垂直軸の回りに回転するように取り付けられたローター１９１と、ステーター１９２と、を備える。ローター１９１は、間隔を隔てた状態で一緒に回転する２つの鋼鉄部分１９５、１９６を備え、該鋼鉄部分には磁石１９３、１９４が取り付けられて、図３Ａ乃至図５に示されるように、電機子磁気空気ギャップ１９８に亘って磁束１９９を励起させる。ステーター１９２は、薄い裏板部２０１と、表面上にチャンネルを形成するより厚い隆起部２０２とを持つ実質的に非磁性で低い電気伝導率の成形部１９７を備えている。電機子の巻き線２０３はチャンネル内へと成形部１９７上で直接巻かれている。この構成で示されるように、チャンネル２０２は、有効長さの端部近傍即ち磁気空気ギャップ１９８の端部近傍でワイヤ２０３を単に保持しているだけである。この構成は、より少ない構造的支持を提供するが、線巻きプロセスの間に巻き線を適所に保持することにより線巻きをなおも容易にしている。このような構成は、所望の場合に、エポキシでワイヤを埋め込んだときに利用することができる。熱伝導性エポキシは、電機子内に生じた熱を最小にするため利用可能とすることができる。

本発明に係る電機子成形部の使用の利点の一つは、空気コアの電機子を簡単且つ迅速に構成する能力である。幾つかの場合において単一成形部上に多相を巻くことが可能であるが、これは、線巻きをより困難にし、巻き線のチャンネル内の保持もより困難にする。これらの欠点を克服するため及びモーター／発電機の製造をより容易にするため、各相が別々の成形部に巻かれ、別々に巻かれた成形部及び相が、図９のブラシレスモーター／発電機２１０に示されるように、多相の電機子を形成するため一緒に積み重ねられるように、多相を複数の成形部を使用して巻くことができる。このようにして、巻き線の唯一の成形部が必要とされる。各成形部は同一であり、三相電機子を積み重ねたとき、１２０度毎に回転位置をオフセットされる。相毎のワイヤの数は、モーター／発電機のための最適なパワー性能及び効率を提供するため独立に選択することができる。この構成は、複数の成形部と、より低い電機子巻き線密度とを必要とする欠点を有する。そのような構成は、典型的には望ましいとはみなされていない。しかし、電機子製造においてコスト節約が考慮されるときには、該構成は有利な構成であるということが見出された。

モーター／発電機２１０は、垂直軸（図９の平面から出る）の回りを回転するように取り付けられたローター２１１と、据え付けステーター２１２と、を備える。ローター２１１は、間隔を隔てた状態で一緒に回転する２つの鋼鉄部分２１５、２１６を備え、該鋼鉄部分には磁石２１３、２１４が取り付けられて、図３Ａ乃至図５に示されるように、電機子磁気空気ギャップ２２７に亘って、並びに、ローター部分２１５、２１６を通過する周囲経路２２５、２２６内に磁束１９９を励起させる。ステーター２１２は、３つの電機子積み重ね成形部２１７、２１８、２１９から構成される。各々の成形部は、薄い裏板部２２０と、チャンネル２２２を形成する隆起部２２１とを備えている。巻き線２２３は、図４乃至図８に対して前述されたように、チャンネル２２２内に巻かれ、成形部２１７、２１８、２１９は、ステーター２１２のための完全な電機子を形成するため正確に相形成するように互いに適切な角度配置で積み重ねられ、一緒に取り付けられている。

図９におけるブラシレスモーター／発電機の電機子の相積み重ねは、図１０Ａ及び図１０Ｂに示されている。電機子巻き線の積み重ね構成２２９は、巻き線２３３、２３６、２３９を備える三相２３０、２３１、２３２から構成される。各々の巻き線２３３、２３６、２３９は、パワー変換のため磁気空気ギャップ内に位置する有効長さ部分２３５、２３８、２４１と、周方向に横断する終端巻き部分２３４、２３７、２４０（並びに、有効長さ部分の他方の端部における終端巻き部分も）と、を有する。巻き線２３３、２３６、２３９は、三相パワーの生成のため周方向に１２０度毎に各々オフセットされている。オフセット角度は、他の相数に対しては、これに従って調整される。

本発明に係るブラシレスモーター／発電機の電機子を製造するためのプロセスは、図１１において簡単化された形態で示されている。電機子成形部の線巻きプロセスは、所望の場合に自動化することができる。しかし、本発明の一つの利点は、電機子は、手で容易に製造することもできるということである。これは、コスト効果を高くするため、比較的低い体積で電機子を製造すること又は労働コストが低い地理学的地域で手により製造することを可能にし、その結果、他の空気コアの電機子とは対照的に、有意な資本設備投資を必要としない。電機子２５１を製造するため図１１に示されたプロセスは、図２０により詳細に示された成形部等の低い電気伝導率の成形部２５２上でチャンネル２５５内へとリッツワイヤ２５３を押し込める工程を備えている。ワイヤ２５３は、そのスプール２５４から直接的に供給され、ローラー２５６を用いて成形部２５２内のチャンネルへと該ワイヤ２５３を押し込めることができる。ワイヤのチャンネル内への圧縮は、ワイヤがチャンネル内に押し込まれた後、該ワイヤはチャンネルの側部により圧迫され又は締め付けられ、これによってワイヤを適所にしっかりと保持するようにしてなすことができる。与えられたモーター／発電機のための要求された巻き線に応じて、単一のワイヤ２５３が成形部２５２の回りに１回、又は１より多くの回数、典型的には多数回に亘って延在することができる。代替例として、多数のスプールがワイヤを多チャンネル内に同時に供給し、物理的に並列にワイヤを走らせることができる。そのような構成は、線巻き時間を最小にするが、多数のワイヤの間の電気的な接続のための追加時間を必要とし得る。

成形部への巻き工程後に、それら成形部はモーターへと組み立てられ、ローター内で適所に取り付けることができる。代替例として、埋め込みが所望された場合には、巻き工程の後、埋め込み作業が実行される埋め込みステーションへと移動することができる。巻き作業と埋め込み作業との分離は、製造作業において有利となり得る。複数の成形部の一度の埋め込みは、複数の巻き成形部に埋め込み化合物を塗布し、複数の電機子スタックを積み重ね、該スタックの間に解放フィルムを配置し、チャンネル内の空気気泡の排気のため真空バッグ内に全スタックを閉じ込めることによってなすことができる。加熱式チャンバー又は高圧釜の使用は、スループット及び製造上の一貫性を増大させることができる。多成形部スタックにおける頂部の成形部は、モーター／発電機の作動中に巻き線が適所に留まることを更に確実にするため、例えばファイバーガラス等の薄いシートで覆われていてもよい。

前記したように、空気コアモーター／発電機の設計者は、典型的には、与えられた量の高価な永久磁石材料に対してパワー性能及び効率を最大にするため電機子巻き線密度を最大にすること、並びに、２次的な関心事項として製造を容易にすることを探し求めた。これは、ローター磁石のための最大コスト効率を可能にした。この従来のアプローチに対して、本発明の利点は、電機子の製造速度、信頼性及び経済性を向上させることである。高い巻き線密度を達成することが望まれたが、総製造コストがもっと低くなるように、改善された製造上の容易さ及び経済性を達成可能であることが見出された。適度の体積に対して製造コストの急激な低下を見たとき、本発明に係るモーターを製造することにより提供されるコストの節約は明らかなものとなる。等価な効率の４０Ｈｐモーターに対する製造コストの急激な低下は図１２に示されている。例えば、遙かに小型のモーター等の他のサイズのモーター及び例えば非常に大きい体積等の他の製造体積のモーターは、異なった比較結果をもたらす。このチャートは、ワイヤチャンネルを用いて成形部を巻いた電機子を利用する本発明に従って作られたモーターと、コイルが別々に巻かれ、後で組み立てられ、埋め込まれている従来の分離巻きモーターとの比較を表している。このチャートから理解できることは、新しいモーターは、成形裏板部と隆起チャンネル部からの空間を備えることによる、より低い巻き線密度に起因して、約２０％高い磁石コストを必要としていることである。この増大した磁石のコストにも関わらず、新しいモーターは、遙かに容易でより迅速な電機子製造方法に起因して総製造コストに対して約４０％のコスト削減を提供している。電機子コストにおける別の因子は、製造のための資本設備コストの削減であり、これは、数馬力より大きい馬力等の新しいより大型の空気コア式モーター／発電機の製造にとって特に有利となる。この新しいモーターは、幅広い産業用途に向けて、低コストの誘導モーターと競合するのに特に良く適している。

図３Ａに示されたようなブラシレスモーター／発電機のための電機子巻き線が図１３に概略的に示されている。電機子２６０は、表面にワイヤチャンネル２６２を備える、実質的に非磁性で低電気伝導率の成形部２６１を有する。ワイヤ２６３は、チャンネル２６２内へと巻かれている。ワイヤ２６３及びチャンネル２６２は、図示の簡単さ及び明瞭さのために、図１３で同じラインを使用して示されている。図示の構成では、ワイヤ２６３は、全てのワイヤが並列の状態で周囲部の回りに蛇行経路で巻かれている。そのような構成は、高いパワーのモーター／発電機で使用するために適用可能である。並列の蛇行経路の構成では、ワイヤ２６３の巻き線の重なり合いは必要とされず、有意な利点を提供する。チャンネル２６２内にワイヤ２６３を巻くことも非常に簡単で迅速に完了することができる。このとき、ワイヤの重なり合いが存在しない。ワイヤ２６２は、（破線２６８及び２６９の間の環状領域として示された）磁気空気ギャップに亘って非周囲方向（図１３に示されるように径方向）に横断する有効長さ２６４を有する。終端巻き部分２６７は、磁石材料の量毎のパワー変換を最大にするため、磁気空気ギャップの外部に配置されるのが好ましい。所望の場合には磁気空気ギャップ内に位置する終端巻き部分を有することも可能であるが、磁気空気ギャップ内の有効長さ部のコンダクターの全長をより短くする結果となる。有効長さ部２６４と、終端巻き部分２６７との間の遷移部分が、コーナー２６６として示されている。コーナー２６６は、かなり鋭く形成されてもよく、又は、より好ましくは、チャンネル内にワイヤ２６３を維持することを容易にするため、図２０及び図２２に示されるように、丸みが付けられていてもよい。終端巻き部分は、一つの有効長さ部から別の有効長さ部まで完全に丸みが付けられていてもよい。

図３Ａに示されたようなブラシレスモーター／発電機のための電機子２７０の別のワイヤ構成が図１４に示されている。電機子２７０は、多表面チャンネル２７２を備えた実質的に非磁性の低い電気伝導率の成形部２７１を備えている。ワイヤ２７３は、成形部２７１上でチャンネル２７２内へと巻かれている。ワイヤ２７３及びチャンネル２７２は、図示の簡単さ及び明瞭さのために図１４で同じラインを使用して示されている。巻き線２７３は、磁気空気ギャップ内で有効長さ部２７４を有し、主要には周方向に対し横断する径方向内側及び外側の端部巻き部２８１を有して有効長さ部を一緒に接続している。図示の巻き線構成では、ワイヤ２７３は、成形部２７１の全周囲の回りに複数の通過部分が存在する状態で単一ワイヤで蛇行経路に巻かれており、又は、該ワイヤ構成は、隣接するワイヤの間を直列電気接続した状態で複数のワイヤを用いて構成されていてもよい。この線巻きは、一つの通過部分が周囲の回りに存在した状態で複数のワイヤ２７３を巻き、次に、隣接するワイヤ２７３の間で電気的接続部２７６を形成することにより、なすことができる。このプロセスにより、線巻きは迅速且つ容易となるが、電気的接続及び半田付けをするためにより多くの時間が必要となる。代替例として、成形部２７１が各ワイヤに対して個々のチャンネル２７２を有している場合には、全巻き線プロセスは、電気的接続を必要とする必要無しに完全になすことができる。巻き線ワイヤ２７３は、チャンネル２７２内に巻かれ、成形部２１の直径の回りに数回持続する。各々の通過により、次の隣接するチャンネル２７２内にワイヤ２７３が配置される。再び、巻き線コーナー２８０は、より容易な線巻きのため、図２０及び図２２に示されるように、比較的鋭いか又はその代わりに丸みを帯びていてもよい。

複数のワイヤ２７３を直列に巻いたとき、ワイヤ２７３の重なり合いが生じ、磁束の方向における電機子２７０の厚さが増大する可能性があり、複数の成形部の積み重ね又は組み立て工程に干渉し得る。この可能性のある問題を克服するため、巻き線２７３の重なり合い２７２が単一の成形部で発生するところの周方向の位置では、成形部２７１の裏板部が設けられないのが好ましい。成形部２７１は、重なり合いを可能にするため省略された区分２７５を有する。ワイヤ２７３の直径は、典型的には、成形部の裏板部よりも大きいので、連続的に積み重ねられた成形部の同じ部分も同様に除去され得る。代替例として、リッツワイヤの被覆を除去することができ、絶縁するため誘電性フィルム又はテープがワイヤのレイヤーの間にある状態で、個々のワイヤが浅いレイヤー内に拡がっていてもよい。電機子は、完成したとき、入力ワイヤ接続部２７９と、出力ワイヤ接続部２７８とを有する。

前記では蛇行パターンの巻き線で示されていたが、電機子はコイルパターンの巻き線を利用することもできる。コイルパターンの巻き線は、接続無しで、電機子の周方向の回りに連続的な直列巻き線を可能にすることができる。しかし、コイルの巻き線は、重なり合いのより多くの位置をもたらすという欠点を持っている。コイル巻き線パターンを使用したブラシレスモーター／発電機のための電機子巻き線構成が図１５に示されている。電機子２９０は、表面上にチャンネル２９８を形成した実質的に非磁性で低い電気伝導率の成形部２９１を備える。ワイヤ２９３は、多コイルのパターンでチャンネル２９８内に巻かれている。巻き線は、磁気空気ギャップ内に位置する有効長さ部２９５と、好ましくは磁気空気ギャップの外部に位置する終端巻き部分２９６とを有する。各々のコイル２９２は、開始端部２９３と、終了端部２９４とを有する。一つのコイルの終了端部は、巻き線製造を速めるため、次の隣接スルコイルの開始端部へと直接的に巻くことができる。コイル２９２が直列又は並列のいずれに接続されたとしても、重なり合い２９７が生じる。複数の成形部の積み重ね又は組み立てを可能にするため、好ましくは、成形部２９１内に切り抜き部２９９が作られる。複数に積み重ねられた成形部は、均一な積み重ねを促進するように組み立てられたとき、同じ位置に切り抜き部を持つことになる。

低コストで高い効率並びに大きなパワーレベルへと容易に構成される能力に部分的に起因して、開示されたモーター／発電機に関して多くの前途のある用途が存在している。例えばサーボモーター等のブラシレスＤＣモーターを通常利用する用途は別にして、後述される適切なモーターコントローラを使用した本発明に係るモーターは、可変速度誘導モーターシステムと競合することができる。より高い効率を持つという利点は、特に連続的に又はほとんど連続的に動作する用途において、かなりの電気コストの節約を提供することを可能にする。そのような用途のうちの一つが、空気循環用のファン及びブロワーに存している。クリーンルームで使用されるファンは、例えば、連続的に動作し、大きな体積の空気を移動させる。それらは、大量の電気パワーを消費し、実質的な年間電気コストを生じさせる。本発明に係るモーター／発電機は、これらの誘導モーター駆動ファンを代用することができ、多大な取得コストの代償無しに、有意なエネルギー節約を提供することができる。その低い初期コストは、本発明に係るモーター／発電機に、競争力をもたらし、商業上魅力のある解答を提供することを可能にしている。そのような用途の一例が、本発明に係るブラシレスモーターを備えた図１６に示されたファン３００である。ファン３００は、本明細書で開示されたような特殊な電機子構成を有する空気コアの永久磁石モーター／発電機３０１を備える。モーター３０１は、シャフト３０３への接続を介してファンローター３０２を駆動する。モーター３０１は、ファンフレームハウジング３０４に取り付けられている。電機子ワイヤ３０５は、モーター３０１をモーター駆動インバータ３０６に接続する。インバータは、ローターにトルクを印加するため電機子巻き線を同期的に付勢するためモーター／発電機３０１に同期した交流電流ＡＣを提供する。インバータ３０６は、センサーフィードバック型式、又は、代替例として図２４と連係して説明されるようなモーター整流のためのセンサーの無い型式のいずれであってもよい。インバータ３０６は、パワー接続ブラシレス３０７を介してパワーを供給するように接続される。

大きな体積の空気を移動させるとき、典型的に、より大型の低速ファンが利用される。この場合には、モーター速度より低い速度でファンを駆動するためモーターとより大きなファンとの間にベルト駆動手段が介在される。ブラシレスモーター／発電機と減速手段とを備えたそのようなファンの構成は、図１７に示されている。ファン３１０は、本明細書で開示されるように特殊な電機子構成を有するブラシレス空気コアモーター３１１を備えている。モーター３１１は、ベアリング３１４によりジャーナルが接続された中間シャフト３１３を駆動する。モーター３１１の電機子巻き線は、可変速度モーター駆動インバータ３２１への電気的接続３２０を有する。インバータ３２１は、モーターを異なる速度で駆動するため可変周波数及び同期ＡＣパワーをモーター３１１に提供する。インバータ３２１は、入力ラインパワー４２２への接続によりパワー供給される。

誘導モーターを本発明に係るモーター／発電機に置換することによる電気コストの節約は、実質的なものとなり得る。標準誘導モーターを超える本発明に係るモーターからの電気コスト節約の一例は、図１８に示されている。当該計算は、本明細書で開示されたような新しい９８％の効率の空気コアモーターと比較するため、連続的に作動する高い効率のＥＰＡＣＴ規格誘導モーターを仮定している。２つの異なるモーターサイズ、即ち５Ｈｐ及び４０Ｈｐが示されている。各年度には、新しいモーターは、５Ｈｐサイズに対して４００ドルを節約し、４０Ｈｐサイズに対しては１４３４ドルを節約する。１０年に亘っては、これは、使用された各モーター毎に、各々、４，０００ドル及び１４，３４０ドルになる。

本発明に係るモーター／発電機は、図３Ａに示されたように、軸方向磁気空気ギャップを備えて構成することができ、又は、図１９Ａ及び図１９Ｂに示された径方向ギャップのブラシレスモーター／発電機３３０により示されるように、推論した円柱構造及び電機子巻き線構造を使用して径方向のギャップ構成を用いることもできる。モーター／発電機３３０は、据え付けステーター３３２と、ローター３３１と、を備え、該ローターは、ステーター３３２に対してローター３３１を回転させるためベアリング３４１、３４２内で回転するようにジャーナル接続されたシャフト３３９、３４０を有する。ベアリング３４１、３４２は、外側ハウジング管３４５により接続されるハウジング端部プレート３４３，３４４により支持される。ローター３３１は、中央の鋼鉄円柱区分３３３と、該中央区分３３３に一端部のところでディスク３４８により接続され、他方の端部で開放された外側同軸中空鋼鉄管３３４と、を有する。一緒に、中央区分３３と外側鋼鉄管とは、径方向に間隔を隔てて一緒に回転する２つの強磁性ローター部分を形成する。周方向に極性を交互に反転させた径方向に磁化された磁石３３５は、図１９Ｂに示されるように外側管３３４に取り付けられている。径方向のギャップ構成の利点は、標準の等価なパワー定格誘導モーターと比較可能なより小さい直径である。けれども、この直径の減少は、より低い磁束先端速度と磁石コストの増大の可能性という代償を払って実現したものである。磁石は、図２４の磁石で示されるように、所望の場合に、内側シリンダー３３３に取り付けることもできる。磁石３３５は、磁石３３６の内側表面と、中央鋼鉄円柱区分３３３の外側表面との間に形成された電機子磁石空気ギャップ３３７に亘って磁束３３６を励起させる。磁石３３５は、磁束経路を通して磁束３３６を励起させる。該磁束経路には、空気ギャップ３３７に亘る径方向部分と、内側鋼鉄円柱区分３３３と外側同軸中空鋼鉄管３３４とを通した周囲部分と、が含まれる。

ステーター３３２は、ローター３３１の開放端部に面した端部プレート３４４に固定され、且つ、磁気空気ギャップ３３７内へと軸方向に延在する空気コア電機子３３８を備える。電機子３３８は、前述され、図２４乃至図２６と連係して更に詳細に説明されるように、チャンネルと該チャンネル内へと巻かれた巻き線とを有する実質的に非磁性で低い電気伝導率の円柱成形部で構成されている。パワー密度性能を最大にするため、液体冷却手段を電機子に追加することもできる。一つの方法が、成形部を通して且つ巻き線に隣接して、液体冷却ラインを走らせることである。同期可変速度モーター駆動インバータは、電機子巻き線を付勢するため同期交流ＡＣパワーを提供する。電機子巻き線内の同期交流ＡＣパワーは、負荷を駆動するためシャフト３４０上の接続を通して伝達されるトルクをローター３３１上で発揮するため磁石の回転列により生成された、空気ギャップ３３７内の交流磁束と相互作用する。空気冷却孔３４６、３４７は、ローター３３１を通して空気流を提供し、電機子３３８を冷却する。

図２０に示されるように、軸方向ギャップ式のブラシレスモーター／発電機のための別の電機子３５０は、電機子成形部３５６内の蛇行スロット内へと周方向に数回巻かれた蛇行巻き線３１を有する。巻き線３５１は、開始部３５２と終了部３５３とを有する。終了部３５３の重なり合い３５５が、図２１に示されるように複数の成形部の平坦な積み重ねと干渉することを防止するため、電機子３５０は、周方向の切り抜き区分３５４を有する。

多相電機子の積み重ね態様が図２１に示されている。積み重ねられた電機子３６０は、軸方向に一緒に組み付けられた三相部分３６１、３６２、３６３から構成される。三相部分３６１、３６２、３６３の各々は、裏板部３６７と上側に開口するチャンネル３６６とを有する実質的に低い電気伝導率の成形部３６４を使用している。リッツワイヤ巻き線３６５は、チャンネル３６６内に配置される。図示のように、チャンネルは長方形であり、ワイヤは、線巻き前に長方形断面へと予め圧縮された。これは、線巻き後の高圧圧縮の必要無しに、より容易に圧縮された高密度構成を促進する。チャンネル３６６は、曲率半径が付けられた内側コーナーを備えて示されているが、該コーナーは、長方形の圧縮ワイヤと、より良好に合致するため正方形に作られていてもよい。積み重ねられた電機子３６０を備えて示されているように、各相の巻き線は、当該有効長さ領域の幅の回りに周囲方向に均一に分布している際の間隔よりも有効長さ領域（図示せず）において周囲方向により接近した間隔で配置されている。この接近した束ね形態は、幾つかの場合においては、抵抗損失を減少させると共に与えられた設計に対して逆起電力（ｅｍｆ）を増大させることにより、モーター／発電機の効率を増大させるために、実施することができる。

図２２及び図２３に示されるように、ブラシレスモーター／発電機３７０のための別の構成に係る巻き線は、成形部３７１のチャンネル内に巻かれたリッツワイヤ巻き線３７２を備える実質的に非磁性で低い電気伝導率の成形部３７１を備えている。巻き線３７２は、開始部３７３と、終了部３７４とを有する。図２３に示される多相電機子３８０は、各々が図２２に示されるように巻かれた異なる相３８１、３８２、３８３を一緒に積み重ねることにより構成される。成形部３７１は、成形部上の単一相の巻き線の重なり合いを防止するため、低い電気伝導率の成形部３７１から巻き線３７２を出すための軸方向孔３７３、３７４を有する。頂部相３８１及び中央相３８２のリード線を積み重ねられた電機子３８０から軸方向に出すため対応する出口孔（図示せず）が中央成形部及び底部成形部に作られる。本方法では、巻き線を、全ての位置で互いから電気的に絶縁し、電機子の周囲の回りに成形部チャンネルにより完全に支持することができる。従って、外側のワイヤ被覆の誘電絶縁破壊強度を追加する必要無しに、これまでに無かったリッツワイヤの使用が可能となる。この未対応のリッツワイヤは、より柔軟且つより容易に巻かれると共に、より高い巻き線密度及びモーター／発電機効率のためにより圧縮可能となる。相が互いに対して正確に配置されるように成形部の適切な整列を確実にすると共に積み重ねられたアッセンブリ内に成形部を一緒に確実に取り付けるため、成形部３７１の内側周辺部及び外側周辺部の回りに、孔３７５が作られる。これらの孔は、電機子の空気ギャップ内の所望の位置に電機子を保持するための留め金具を受け入れる。

図２４に示される別の径方向ギャップ式のブラシレスモーター／発電機３９０は、ベアリング３９３、３９４により支持されるシャフト３９２を備えるローター３９１と、径方向電機子空気ギャップ４０６を形成するため径方向に分離された内側及び外側の協働回転する鋼鉄管３９５及び３９６と、を有する。図１９Ｂに示されるように、周方向に極性を交互に反転させた列に並べられるが本実施例では空気ギャップの両側に配置される、径方向に磁化された磁石３９７、３９８は、電機子空気ギャップ４０６に亘って径方向に前後に磁束を励起させる。磁束は、磁束ループを閉じるように、周方向に隣接する磁石の間で内側及び外側の鋼鉄管内で周方向に流れる。円柱空気コア電機子４０７は、電気的エネルギーと回転エネルギーとの間でエネルギー変換するため、電機子空気ギャップ４０６内に配置されている。電機子４０７は、有効長さ領域４０２と、軸方向終端巻き部分４００及び４０１と、を有する。終端巻き部分４００、４０１は、有効長さ領域４０２よりも磁気空気ギャップの方向により厚くなっている。終端巻き部分４００、４０１は、モーター３９０の容易な組立を可能とするため径方向の両方向に突出している。巻き線リード線４０３は、電機子４０７から出て、ハウジング４０５の外側に配置された電気ボックス４０４へと至る。

ボックス４０４は、電機子巻き線を付勢し、モーター３９０に電力を供給するため、同期交流ＡＣパワーを提供する例えば同期可変速度モーター駆動インバータ等のモーターコントローラを保持することができる。アクチュエータモーターの正確なモーター位相整流のための要求事項、並びに、長い場合には、適切な作動を妨害する電気ノイズを拾い上げる可能性のあるモーターからドライブまでセンサーワイヤが走っている状態を無くすため、モータードライブは、センサーの無い制御を利用するのが好ましい。より好ましくは、正確でローターバストなモーター制御を可能にするため、モータードライブインバータは、センサーが無い状態で磁束ベクトル制御を用いる。この種の制御は、良好なパワー因子が電源に反映された状態で高い効率を提供すると共に、二重回転空気コアモーターの構成を用いて最適なトルク及び速度制御の能力を提供する。センサーの無い磁束ベクトル制御の高い性能は、空気コア電機子モーターの増大した性能能力と相乗的に協働する。このモーターコントローラは、図３Ａ及び図１９Ａに示されたモーターで使用することもできる。

径方向のギャップモーター／発電機３９０のための電機子の成形部が、図示の明瞭さのため「展開図」即ち平坦図の図２５に示されている。成形部４１０は、裏板部４１１と、径方向に突出するリッジ４１２とを有するプラスチック管であり、該リッジは、それらの間に径方向外側に開放するチャンネル４１３を画定し、該チャンネル内には巻き線が巻かれている。ステーターの自由端部で終端巻き部分が径方向内側に変位することを可能にするため、裏板部４１１は、自由端部で省略されている。モーター／発電機の組み立てられた空気コア電機子が図２６に示されている。電機子４０７は、有効長さ領域４０２において、裏板部４２１と、径方向に開口するチャンネル４１３とを有する低い電気伝導率の成形部４１０から構成される。終端巻き部分４０１及び４００が軸方向端部に位置している状態で、リッツワイヤ巻き線４２６が成形部へと巻かれている。張力をかけた巻き付け４２４は、巻き線４２６をチャンネル４１３内へと径方向に圧縮するため成形部４１１の回りに周方向に巻かれていてもよい。巻き付け４２４は、繊維バンド、テープ、又は、径方向に薄く、要求された圧縮を提供するため十分な強度を有する他の手段のいずれであってもよい。

複数の周囲方向の区分の成形部から組み付けられた大きな電機子成形部が図２７に示されている。より大きなモーター又は発電機に関して、多数の部品から電機子を組み立てることは、より容易でより実用的若しくはよりコスト効果がある。単一の大きな成形部を機会加工するか又は成形することは、経済的に実行可能ではあり得ない。非常に大きな発電機の一つの用途は、４ｍ５７ｃｍ（１５フィート）以上の直径を有する直接駆動の風タービンにある。電機子４３０は、複数の周方向の成形区分４３１から構成され、該区分４３１は、ボルト４３３又は他の留め金具の使用を通して、支持構造４３２に取り付けられている。図示されていない巻き線を、一緒に組み立てる前に成形区分４１に巻くことができる。代替例として、要求された数の電気接続を減少するため成形部の組み立て後に線巻きを実行することがより容易となり得る。

本発明に係るブラシレスモーター／発電機で使用するための空気コア電機子を構成するプロセスが図２８に示されている。電機子成形部は、工程４４１で示されるように、好ましくは成形材料を所望の形態へと鋳造するか又は成形することにより、作られる。これは、巻き線が最初に巻かれ次に最終的な工程として鋳造されるか又は被覆される他の空気コア電機子の構成とは対照的である。工程４４１で成形部を作った後、工程４４２で巻き線が成形部上に巻かれる。多巻き線及び/又は成形部が、工程４４３で組み立てられ及び/又は圧縮される。リッツワイヤの端部が工程４４４で半田付けされ、ワイヤの全ての個々の絶縁ストランドへの良好な電気的電導を確実にする。電機子は、工程４４５でモーター／発電機内に設置される。

本発明に従って作られたモーターは、コストが低く、効率が高く、それらは、発電用途のための発電機としても同様に等しく機能することができ、はずみ車貯蔵システムのためのモーター／発電機としても等しく機能することができる。例えば、本発明に係るモーター／発電機は、２００１年１０月１５日に出願された、「インダクター交流器はずみ車システム」と題された、出願番号０９／９７７、６７８号で示されたシステム等の、はずみ車エネルギー貯蔵システムで使用することができる。

明らかに、前記した好ましい実施例の多数の変更及び変形が可能となり、これらの変更及び変形例は、本発明のこの開示内容に鑑みて、当業者には明らかであったと思料する。例えば、本明細書で示された全ての開示実施例は、空気ギャップ内で電機子と相互作用する磁束を生成するため永久磁石を使用しているが、磁束は、静止場コイル、従来コイル又は超伝導コイルによって生成することができると思料される。場コイル式モーター／発電機は、２００２年１２月１３日に出願された「軽量高出力パワー電気装置」と題された出願番号１０／３１９、１９０、並びに、２００４年６月１５日に発行された、「高性能の軸方向ギャップ式交流モーター」と題された米国特許番号６，７５０，５８８号に示されている。従って、上記変形及び変更並びにそれらの均等物は、添付した請求の範囲で画定された本発明の精神及び範囲内に包含されることが意図されている。

図１Ａは、単一側部形成ローターを備えたブラシレス永久磁石モーター／発電機の概略部分図である。 図１Ｂは、単一側部形成ローターと強磁性背鉄とを備えたブラシレス永久磁石モーター／発電機の概略部分図である。 図１Ｃは、二重側部形成ローターと強磁性背鉄とを備えたブラシレス永久磁石モーター／発電機の概略部分図である。 図１Ｄは、両側に設けられた二重側部形成ローターと強磁性背鉄とを備えたブラシレス永久磁石モーター／発電機の概略部分図である。 図２は、図１Ａ乃至１Ｄの構成の馬力能力を比較したグラフである。 図３Ａは、本発明に係る軸ギャップ式のブラシレス永久磁石モーター／発電機の概略立面図である。 図３Ｂは、本発明に係る図３Ａのブラシレス永久磁石モーター／発電機のローター半分の概略平面図である。 図４は、本発明に係るブラシレス永久磁石モーター／発電機の周方向区分を径方向から見たときの概略部分図である。 図５は、本発明に係る別の構成のブラシレス永久磁石モーター／発電機の周方向区分に沿って径方向から見たときの概略部分図である。 図６は、本発明に係るブラシレス永久磁石モーター／発電機の径方向区分を周方向で見たときの概略部分図である。 図７は、本発明に係る代替構成のブラシレス永久磁石モーターの径方向区分を周囲方向から見たときの概略部分図である。 図８は、本発明に係る第２の代替構成のブラシレス永久磁石モーターの径方向区分を周囲方向から見たときの概略部分図である。 図９は、本発明に係る第２の代替構成のブラシレス永久磁石モーターの周方向区分を径方向から見たときの概略部分図である。 図１０Ａは、図９におけるブラシレスモーター／発電機の電機子の相積み重ね態様の概略図である。 図１０Ｂは、図９におけるブラシレスモーター／発電機の電機子の相積み重ね態様の概略図である。 図１１は、本発明に係るブラシレスモーター／発電機の電機子を製造するためのプロセスを示す概略平面図である。 図１２は、本発明に係る、別々に巻かれたモーター及びブラシレスモーター／発電機のための製造コストを比較するグラフである。 図１３は、本発明に係る、ブラシレスモーター／発電機のための電機子巻き線の概略平面図である。 図１４は、本発明に係る、ブラシレスモーター／発電機のための代替構成の電機子巻き線の概略平面図である。 図１５は、本発明に係る、ブラシレスモーター／発電機のための第２代替構成の電機子巻き線の概略平面図である。 図１６は、本発明に係るブラシレスモーター／発電機を備えたファンの概略図である。 図１７は、本発明に係るブラシレスモーター／発電機を備えた代替構成ファンの概略図である。 図１８は、標準型誘導モーターと比較したときの本発明のモーターを使用することによる電気コスト節約を示すグラフである。 図１９Ａは、本発明に係る、径方向ギャップ式のブラシレス永久磁石モーター／発電機の概略側面図である。 図１９Ｂは、図１９Ａにおけるブラシレスモーター／発電機の概略端面図である。 図２０は、本発明に係る軸方向ギャップ式のブラシレスモーター／発電機のための第３代替構成の電機子巻き線の概略平面図である。 図２１は、本発明に係る三相モーター／発電機のための電機子を生成するため図２０の電機子巻き線の相積み重ねの概略展開図である。 図２２は、本発明に係るブラシレスモーター／発電機のための第４代替構成の電機子の概略平面図である。 図２３は、本発明に係る三相モーター／発電機のための電機子を製造するため図２１の電機子巻き線の相積み重ね態様の概略図である。 図２４は、本発明に係る第２の代替構成のブラシレス永久磁石モーター／発電機の概略の側断面図である。 図２５は、図２４のブラシレスモーター／発電機の電機子成形部の概略展開平面図である。 図２６は、図２４のブラシレスモーター／発電機の組み立てられた電機子の一部分の概略図である。 図２７は、本発明に係る多周方向区分成形部から組み立てられた大型電機子成形部の概略図である。 図２８は、本発明に係るブラシレスモーター／発電機で使用するための空気コア式電機子を構成するためのプロセスの各工程を示すブロック流れ図である。

Claims (64)

1. 電気的エネルギー及び回転機械的エネルギーとの間でエネルギー変換するためのモーター／発電機であって、
   回転軸の回りで回転するローターであって、該ローターは間隔を隔てた状態で一緒に回転する２つのローター部分を有し、該ローター部分は磁極を有し、該磁極は、該ローター部分の間に形成された電機子空気ギャップに亘って磁束を励起させる、前記ローターと、
   前記ローターと磁気的に相互作用する電機子であって、該電機子は、前記電機子空気ギャップ内に配置されると共に、実質的に非磁性で低い電気伝導率の成形部と、該成形部上に巻かれたワイヤ巻き線とを有する、前記電機子と、
   を備え、
   前記成形部は、前記ローター内に延在する自由端部と、前記モーター／発電機の静止部分に取り付けられた支持端部とを有し、
   前記成形部は、薄い裏板部と、前記磁束の方向に該裏板部から延在する、より厚い複数の隆起部分とを備えて構成され、
   前記ワイヤ巻き線は、前記隆起部分の間の空間内に存在するように挿入された個々に絶縁された複数のコンダクターワイヤから構成され、単一ワイヤの該コンダクターは電気的に並列接続され、前記電機子空気ギャップ内で該ワイヤの長さに沿って互いから電気的に絶縁されており、
   前記成形部は、線巻きプロセスの間に前記ワイヤ巻き線のための位置決め及び支持を提供し、該プロセス後には、前記成形部の前記支持端部を通して前記モーター／発電機の前記静止部分に対し前記巻き線上にかかる電磁誘導トルクの反作用を提供すると共に、前記ローターの回転の間には前記巻き線が前記ローター部分と接触することを防止する、モーター／発電機。
2. 前記磁束は、前記電機子空気ギャップに亘って軸方向に励起され、前記電機子はディスクから構成されている、請求項１に記載のモーター／発電機。
3. 前記巻き線は、レイヤー毎に単一相で巻かれ、多相電機子は、積み重ねられたアッセンブリに複数の成形部を一緒に組み付けることにより構成されている、請求項２に記載のモーター／発電機。
4. 多相が適切な角度変位で互いから適切にオフセットされるように前記成形部を前記積み重ねられたアッセンブリ内で整列するため、並びに、前記成形部を該積み重ねられたアッセンブリ内で確実に取り付ける留め具を受け入れるため、前記成形部内に設けられた孔を更に備える、請求項３に記載のモーター／発電機。
5. 一本のワイヤの複数の巻き部分を前記電機子の周囲の回りで複数回巻き付けることにより、多ワイヤの蛇行形態が形成される、請求項１に記載のブラシレスモーター／発電機。
6. 前記成形部には、巻き線の重なり合いが生じる周方向位置で裏板部が設けられていない、請求項１に記載のブラシレスモーター／発電機。
7. 前記成形部の前記隆起部分の間の前記空間は、前記ワイヤ巻き線の一本のワイヤの幅におおよそ等しい、請求項１に記載のブラシレスモーター／発電機。
8. 前記巻き線は、実質的に非周方向に横断する有効長さ部と、実質的に周方向に横断する終端巻き部分とを備え、該終端巻き部分は前記電機子空気ギャップの外側に配置されている、請求項１に記載のブラシレスモーター／発電機。
9. 前記ワイヤは、前記成形部上に前記巻き線を巻き付ける前に長方形の断面へと予め圧縮されている、請求項１に記載のブラシレスモーター／発電機。
10. 前記空気コアの電機子は、多相の巻き線を備え、該多相の巻き線は単一の成形部上に巻かれている、請求項１に記載のブラシレスモーター／発電機。
11. 前記巻き線は、終端巻き部分が前記電機子の前記有効長さ部よりも前記電機子空気ギャップの方向により厚くなるように前記終端巻き部分が重なり合った状態で巻かれている、請求項１０に記載のブラシレスモーター／発電機。
12. 一つの相の前記巻き線は、前記磁極のピッチ幅で周方向に均一に分布する場合よりも前記有効長さ領域において周方向により接近した間隔で隔てられている、請求項１に記載のブラシレスモーター／発電機。
13. 前記成形部は前記電機子を巻く前に射出成形される、請求項１に記載のブラシレスモーター／発電機。
14. 前記成形部は、熱伝導性のポリマーから構成される、請求項１３に記載のブラシレスモーター／発電機。
15. 前記電機子空気ギャップは放射状に配置され、前記成形部は管を備える、請求項１に記載のブラシレスモーター／発電機。
16. 大径の成形部は、複数の周方向弧状成形区分を一緒に組み付けることにより構成される、請求項１に記載のブラシレスモーター／発電機。
17. 前記電機子は、前記巻き線に同期交流ＡＣパワーを提供する同期可変速度モータードライブインバータにより付勢される、請求項１に記載のブラシレスモーター／発電機。
18. 前記同期可変速度モータードライブインバータは、センサーの無い磁束ベクトル制御を利用している、請求項１７に記載のブラシレスモーター／発電機。
19. 前記成形部は、前記モーター／発電機の前記静止部分に対して前記成形部の熱膨張を可能にするための手段を用いて前記モーター／発電機の前記静止部分に取り付けられている、請求項１に記載のブラシレスモーター／発電機。
20. 電気的エネルギー及び回転機械的エネルギーとの間でエネルギー変換するためのモーター／発電機であって、
    回転軸の回りで回転するローターであって、該ローターは間隔を隔てた状態で一緒に回転する２つの強磁性ローター部分を有し、該ローター部分の両方の表面には永久磁石が装着され、該永久磁石は、該ローター部分の間に形成された電機子空気ギャップに亘って磁束を励起させる、前記ローターと、
    前記電機子空気ギャップ内に配置された電機子であって、該電機子は、実質的に非磁性で低い電気伝導率の成形部と、該成形部上に巻かれたワイヤ巻き線とを有する、前記電機子と、
    を備え、
    前記成形部は、前記ローター内に延在する自由端部と、前記モーター／発電機の静止部分に取り付けられた支持端部とを有し、
    前記ワイヤ巻き線は、個々に絶縁され電気的に並列に接続された複数のコンダクターワイヤから構成され、
    前記ワイヤ巻き線は、ワイヤを前記成形部の表面上の複数のチャンネル内に挿入することにより、前記成形部に直接的に巻かれ、該チャンネルは、線巻きの間の位置決め及び作動中の前記巻き線のための構造的支持の両方を提供する、モーター／発電機。
21. 前記磁束は、前記電機子空気ギャップに亘って軸方向に励起され、前記電機子は、ディスクから構成されている、請求項２０に記載のモーター／発電機。
22. 前記巻き線は、レイヤー毎に単一相で巻かれ、多相電機子は、積み重ねられたアッセンブリに複数の成形部を一緒に組み付けることにより構成されている、請求項２１に記載のモーター／発電機。
23. 多相が適切な角度変位で互いから適切にオフセットされるように前記成形部を前記積み重ねられたアッセンブリ内で整列するため、並びに、前記成形部を該積み重ねられたアッセンブリ内で確実に取り付ける留め具を受け入れるため、前記成形部内に設けられた孔を更に備える、請求項２２に記載のモーター／発電機。
24. 一本のワイヤの複数の巻き部分を前記電機子の周囲の回りで複数回巻き付けることにより、多ワイヤの蛇行形態が形成される、請求項２０に記載のブラシレスモーター／発電機。
25. 前記成形部には、巻き線の重なり合いが生じる周方向位置で裏板部が設けられていない、請求項２０に記載のブラシレスモーター／発電機。
26. 前記成形部の前記チャンネルの幅は、前記ワイヤ巻き線の一本のワイヤの幅におおよそ等しい、請求項２０に記載のブラシレスモーター／発電機。
27. 前記巻き線は、実質的に非周方向に横断する有効長さ部と、実質的に周方向に横断する終端巻き部分とを備え、該終端巻き部分は前記電機子空気ギャップの外側に配置されている、請求項２０に記載のブラシレスモーター／発電機。
28. 前記ワイヤは、前記成形部上に前記巻き線を巻き付ける前に長方形の断面へと予め圧縮されている、請求項２０に記載のブラシレスモーター／発電機。
29. 前記空気コアの電機子は、多相の巻き線を備え、該多相の巻き線は単一の成形部上に巻かれている、請求項２０に記載のブラシレスモーター／発電機。
30. 前記巻き線は、終端巻き部分が前記電機子の前記有効長さ部よりも前記電機子空気ギャップの方向により厚くなるように前記終端巻き部分が重なり合った状態で巻かれている、請求項２９に記載のブラシレスモーター／発電機。
31. 一つの相の前記巻き線は、前記磁極のピッチ幅で周方向に均一に分布する場合よりも前記有効長さ領域において周方向により接近した間隔で隔てられている、請求項２０に記載のブラシレスモーター／発電機。
32. 前記成形部は前記電機子を巻く前に射出成形される、請求項２０に記載のブラシレスモーター／発電機。
33. 前記成形部は、熱伝導性のポリマーから構成される、請求項３２に記載のブラシレスモーター／発電機。
34. 前記電機子空気ギャップは放射状に配置され、前記成形部は管を備える、請求項２０に記載のブラシレスモーター／発電機。
35. 大型の単一成形部は、複数の周方向弧状成形区分を一緒に組み付けることにより構成される、請求項２０に記載のブラシレスモーター／発電機。
36. 前記電機子は、前記巻き線に同期交流ＡＣパワーを提供する同期可変速度モータードライブインバータにより付勢される、請求項２０に記載のブラシレスモーター／発電機。
37. 前記同期可変速度モータードライブインバータは、センサーの無い磁束ベクトル制御を利用している、請求項３６に記載のブラシレスモーター／発電機。
38. 前記成形部は、前記モーター／発電機の前記静止部分に対して前記成形部の熱膨張を可能にするための手段を用いて前記モーター／発電機の前記静止部分に取り付けられている、請求項２０に記載のブラシレスモーター／発電機。
39. 電気的エネルギー及び回転機械的エネルギーとの間でエネルギー変換するためのモーター／発電機であって、
    回転軸の回りで回転するローターであって、該ローターは間隔を隔てた２つのローター部分を有し、該ローター部分は磁極を有し、該磁極は、該ローター部分の間に形成された電機子空気ギャップに亘って磁束を励起させる、前記ローターと、
    前記電機子空気ギャップ内に配置された電機子であって、該電機子は、実質的に非磁性で低い電気伝導率の成形部と、該成形部上に巻かれたワイヤ巻き線とを有する、前記電機子と、
    を備え、
    前記成形部は、前記ローター内に延在する自由端部と、前記モーター／発電機の静止部分に取り付けられた支持端部とを有し、
    前記成形部は、前記自由端部と前記支持端部との間に薄い裏板部を備えて構成され、該裏板部は、前記ワイヤ巻き線を機械的に締め付け、線巻きプロセスの間に保持力を提供する複数の隆起表面特徴部を有し、
    前記成形部は、前記巻き線のための位置決め及び支持を提供し、引き続いて前記成形部の前記支持端部を通して前記モーター／発電機の前記静止部分に対し前記巻き線上にかかる電磁誘導トルクの反作用を伝達すると共に、前記ローターの回転の間には前記巻き線が前記ローター部分と接触することを防止する、モーター／発電機。
40. 前記磁束は、前記電機子空気ギャップに亘って軸方向に励起され、前記電機子は、ディスクから構成されている、請求項３９に記載のモーター／発電機。
41. 前記巻き線は、レイヤー毎に単一相で巻かれ、多相電機子は、積み重ねられたアッセンブリに複数の成形部を一緒に組み付けることにより構成されている、請求項４０に記載のモーター／発電機。
42. 多相が適切な角度変位で互いから適切にオフセットされるように前記成形部を前記積み重ねられたアッセンブリ内で整列するため、並びに、前記成形部を該積み重ねられたアッセンブリ内で確実に取り付ける留め具を受け入れるため、前記成形部内に設けられた孔を更に備える、請求項４１に記載のモーター／発電機。
43. 一本のワイヤの複数の巻き部分を前記電機子の周囲の回りで複数回巻き付けることにより、多ワイヤの蛇行形態が形成される、請求項３９に記載のブラシレスモーター／発電機。
44. 前記成形部には、巻き線の重なり合いが生じる周方向位置で裏板部が設けられていない、請求項３９に記載のブラシレスモーター／発電機。
45. 前記成形部の前記隆起表面特徴部の間の空間は、前記ワイヤ巻き線の一本のワイヤの幅におおよそ等しい、請求項３９に記載のブラシレスモーター／発電機。
46. 前記巻き線は、実質的に非周方向に横断する有効長さ部と、実質的に周方向に横断する終端巻き部分とを備え、該終端巻き部分は前記電機子空気ギャップの外側に配置されている、請求項３９に記載のブラシレスモーター／発電機。
47. 前記ワイヤは、前記成形部上に前記巻き線を巻き付ける前に長方形の断面へと予め圧縮されている、請求項３９に記載のブラシレスモーター／発電機。
48. 前記空気コアの電機子は、多相の巻き線を備え、該多相の巻き線は単一の成形部上に巻かれている、請求項３９に記載のブラシレスモーター／発電機。
49. 前記巻き線は、終端巻き部分が前記電機子の前記有効長さ部よりも前記電機子空気ギャップの方向により厚くなるように前記終端巻き部分が重なり合った状態で巻かれている、請求項４８に記載のブラシレスモーター／発電機。
50. 一つの相の前記巻き線は、前記磁極のピッチ幅で周方向に均一に分布する場合よりも前記有効長さ領域において周方向により接近した間隔で隔てられている、請求項３９に記載のブラシレスモーター／発電機。
51. 前記成形部は前記電機子を巻く前に射出成形される、請求項３９に記載のブラシレスモーター／発電機。
52. 前記成形部は、熱伝導性のポリマーから構成される、請求項５１に記載のブラシレスモーター／発電機。
53. 前記電機子空気ギャップは放射状に配置され、前記成形部は管を備える、請求項３９に記載のブラシレスモーター／発電機。
54. 大型の単一成形部は、複数の周方向弧状成形区分を一緒に組み付けることにより構成される、請求項３９に記載のブラシレスモーター／発電機。
55. 前記電機子は、前記巻き線に同期交流ＡＣパワーを提供する同期可変速度モータードライブインバータにより付勢される、請求項３９に記載のブラシレスモーター／発電機。
56. 前記同期可変速度モータードライブインバータは、センサーの無い磁束ベクトル制御を利用している、請求項５５に記載のブラシレスモーター／発電機。
57. 前記成形部は、前記モーター／発電機の前記静止部分に対して前記成形部の熱膨張を可能にするための手段を用いて前記モーター／発電機の前記静止部分に取り付けられている、請求項３９に記載のブラシレスモーター／発電機。
58. 電気的エネルギー及び回転機械的エネルギーとの間でエネルギー変換するためのモーター／発電機であって、
    磁極と共に回転軸の回りで回転するローターであって、該磁極は、電機子空気ギャップに亘って磁束を励起させる磁極を備える、前記ローターと、
    前記電機子空気ギャップ内に配置された電機子であって、該電機子は、実質的に非磁性で低い電気伝導率の成形部と、該成形部上に巻かれたワイヤ巻き線とを有する、前記電機子と、
    を備え、
    前記成形部は、薄い裏板部と、前記磁束の方向に該裏板部から延在する、より厚い複数の隆起部分とを備えて構成され、
    前記ワイヤ巻き線は、前記成形部に巻かれ、該成形部は、前記ワイヤの直径断面に亘って該ワイヤを圧迫することにより機械的に前記巻き線を保持し、
    前記成形部は、前記モーター／発電機の前記静止部分に対し前記巻き線上にかかる電磁誘導トルクを更に伝達する、モーター／発電機。
59. 前記ワイヤ巻き線は、個々に絶縁された複数のコンダクターワイヤから構成され、単一ワイヤの該コンダクターは電気的に並列接続され、前記電機子空気ギャップ内で該ワイヤの長さに沿って互いから電気的に絶縁されている、請求項５８に記載のモーター／発電機。
60. 前記成形部は、鋳造されたプラスチックで構成されている、請求項５８に記載のモーター／発電機。
61. 前記成形部は、前記巻き線を、前記電機子空気ギャップ内に配置されたところで機械的に圧迫する、請求項５８に記載のモーター／発電機。
62. 電機子空気ギャップに亘って磁束を励起させる磁極と共に回転軸の回りで回転するローターを有するモーター／発電機を作るプロセスであって、
    ワイヤ巻き線を受け入れるための複数のチャンネルを備えた電機子巻き線成形部を選択し、該チャンネルは、電機子が前記モーター／発電機に取り付けられたとき前記空気ギャップ内の前記磁束の方向に垂直に且つ前記ローターの前記回転方向に垂直に延在するワイヤ巻き線の有効長さ部を受け入れるための区分を有し、
    前記モーター／発電機のための電機子を形成するため、前記チャンネル内にワイヤを巻き付け、該ワイヤをコイル又は蛇行形態で接続し、
    ２つの一緒に回転するローター区分の対向する面の間に、該ローター区分の前記対向する面のうち少なくとも１つに磁石が取り付けられた状態で、線巻き終了後の前記成形部を挿入し、
    前記電機子の一方のエッジにおいて前記電機子を前記モーター／発電機の静止取り付け部に取り付ける、各工程を備える、プロセス。
63. 巻き線が巻かれた複数の成形部を、隣接する成形部がＸ度だけ回転した状態で積み重ねる工程を更に備え、該Ｘ度は、３６０度を前記モーター／発電機の相の数で除算した角度に等しい、請求項６２に記載のプロセス。
64. 線巻きの間に前記ワイヤを前記チャンネル内へと圧縮することにより前記ワイヤを前記チャンネル内に押し込める工程を更に備える、請求項６２に記載のプロセス。

Images