JP6607618B2 - 分離可能な磁石キャリアを有する電気機械 - Google Patents

Description

本主題は、一般に、電気機械に関し、より具体的には、高速電気機械に関する。

電気モータ、発電機などの電気機械は、有用な目的のために、電気エネルギを機械エネルギに、またその逆に変換するように様々な産業で使用されている。たとえば、電気機械は、航空機、ヘリコプタ、自動車、ボート、潜水艦、列車、および／または他の適切な車両を動作させるために、自動車、航空、海事、および他の産業で使用されている。

燃料消費を低減し、推進効率を改善するために、本明細書では電気機械の比出力または重量比出力と呼ばれる、大きな出力密度を有する電気機械を使用することが一般に望ましい。高い比出力を有する電気機械は、より重量のある電気機械と同等またはそれ以上の出力を生成する一方、より小型かつ軽量とすることができる。

電気機械の回転速度を増加させることは、重量比出力を増加させることが知られている。しかし、回転速度が増加すると、電気機械の様々な回転構成要素に対する応力も増加する。その結果、電気機械の回転構成要素を保持するための保持構造は、より大きく、かつより重量があるようにしなければならず、したがってコスト、サイズ、および重量が増加する。たとえば、ある特定の電気機械は、従来の機械よりずっと高い先端速度および出力密度を可能にするディスク保持構造を使用する。しかし、ロータディスクが高速動作中に大きな遠心力を受けるので、ロータ構成要素によってロータディスクに加えられる応力は、電気機械のより高い速度に達する能力を制限し得る。

したがって、比出力および効率を改善するための特徴部を有する電気機械が望ましい。より具体的には、性能および比出力を改善するように電気機械の高速動作を可能にするための特徴部を有する電気機械が特に有益であろう。

米国特許第９，４９４，０７７号明細書

本発明の態様および利点は、その一部を以下の説明に記載しており、あるいはその説明から明らかになり、あるいは本発明の実施により学ぶことができる。

本開示は、長手方向、半径方向、および円周方向、ならびに長手方向に沿って画定された軸方向中心線を画定する電気機械を対象とする。電気機械は、円周方向に沿って配置された複数のキャリアを含むロータアセンブリを含む。各対のキャリアは、円周方向に沿ってそれらの間にキャリアギャップを画定し、各キャリアは、ロータ磁石を含む。ロータアセンブリは、円周方向に沿って複数のキャリアの半径方向外側にかつその周囲を取り囲む外側リングをさらに含み、外側リングは、一体構造を画定する。

様々な実施形態では、ロータアセンブリが、複数のキャリアの半径方向内側に配置されたハブをさらに含み、ハブが、各キャリアに結合される。さらに様々な実施形態では、ハブが、複数の部材を含み、各部材が、各キャリアに結合される。一実施形態では、各部材が、第１の部分および第２の部分を画定し、第２の部分が、キャリアに結合され、第１の部分が、ハブの内側リングに結合される。別の実施形態では、各部材が、第２の部分および第３の部分を画定し、第３の部分が、各キャリアの第１の端部に向かって配置され、第２の部分が、長手方向に沿って第１の端部とは反対の各キャリアの第２の端部に向かって配置され、各キャリアが、長手方向および／または円周方向に沿って各部材内に保持される。さらに別の実施形態では、ハブが、複数の部材が結合される内側リングをさらに含む。

一実施形態では、外側リングが、接線応力運搬部材を画定する。

別の実施形態では、電気機械が、ハブから各キャリアへの荷重経路を外側リングへと画定する。

さらに別の実施形態では、電気機械が、ハブの内側リングから複数の部材の各々へ、各部材から各キャリアへ、および複数のキャリアから外側リングへの荷重経路を画定する。

様々な実施形態では、電気機械が、複数のキャリアに長手方向に沿って隣接するステータアセンブリをさらに含む。一実施形態では、ステータアセンブリが、各キャリアのロータ磁石に隣接する複数のステータ導体を含み、クリアランスギャップが、ステータ導体とロータ磁石との間に画定される。

さらに様々な実施形態では、外側リングが、セラミックマトリックス複合材、金属マトリックス複合材、またはポリマーマトリックス複合材を含む。一実施形態では、外側リングが、複数の繊維を含み、繊維が、パラ−アラミド合成繊維、金属繊維、セラミック繊維、ガラス繊維、炭素繊維、ホウ素繊維、ｐ−フェニレンテレフタルアミド繊維、芳香族ポリアミド繊維、炭化ケイ素繊維、グラファイト繊維、ナイロン繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、またはそれらの混合物を含む。

本開示の別の態様は、長手方向、半径方向、および円周方向、ならびに長手方向に沿って画定された軸方向中心線を画定するガスタービンエンジンを対象とする。エンジンは、電気機械と、ドライブシャフトとを含む。ドライブシャフトは、長手方向に沿って延び、軸方向中心線を中心に回転可能である。電気機械は、円周方向に沿って配置された複数のキャリアを含み、各対のキャリアは、それらの間にキャリアギャップを画定し、各キャリアは、ロータ磁石を含む。電気機械は、円周方向に沿って複数のキャリアの半径方向外側にかつその周囲を取り囲む外側リングをさらに含み、外側リングは、一体構造を画定する。電気機械は、複数のキャリアの半径方向内側に配置されたハブをさらに含み、ハブは、少なくとも長手方向および円周方向に沿って各キャリアを保持する。ハブは、ドライブシャフトに結合された内側リングを画定する。

様々な実施形態では、電気機械がさらに、複数の部材を画定する。一実施形態では、電気機械の各部材が、第１の部分および第２の部分を画定し、第２の部分が、各キャリアに結合され、第１の部分が、ハブの内側リングに結合される。別の実施形態では、各部材が、第２の部分および第３の部分を画定し、第３の部分が、各キャリアの第１の端部に向かって配置され、第２の部分が、長手方向に沿って第１の端部とは反対の各キャリアの第２の端部に向かって配置され、各キャリアが、長手方向および／または円周方向に沿って各部材内に保持される。

一実施形態では、ハブの内側リングが、ドライブシャフトに結合される。

別の実施形態では、ドライブシャフトが、低圧シャフト、中圧シャフト、または高圧シャフトを画定する。

さらに別の実施形態では、エンジンが、複数のキャリアに長手方向に沿って隣接するステータアセンブリをさらに含む。ステータアセンブリが、各キャリアのロータ磁石に隣接する複数のステータ導体を含み、クリアランスギャップが、ステータ導体とロータ磁石との間に画定される。

さらに別の実施形態では、エンジンが、ファンアセンブリ、圧縮機セクション、またはタービンセクション内に配置されたフレームをさらに含み、ステータアセンブリが、フレームに結合される。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することによってよりよく理解されるであろう。添付の図面は、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成するが、本発明の実施形態を示しており、本明細書における説明と併せて本発明の原理の説明に役立つ。

その最良の態様を含み、当業者を対象とする、本発明の完全かつ実施可能な程度の開示が本明細書に記載され、以下の添付の図を参照する。

本開示の電気機械の実施形態を含むガスタービンエンジンの例示的な実施形態の概略断面図である。 本開示の一態様による電気機械の例示的な実施形態の斜視図である。 本開示の一態様による電気機械の別の例示的な実施形態の断面図である。 本開示の一態様による電気機械のさらに別の例示的な実施形態の断面図である。

本明細書および図面における参照文字の反復的な使用は、本発明の同じまたは同様の特徴または要素を表すことを意図している。

ここで本発明の実施形態が詳細に参照され、それらのうちの１つまたは複数の例が図面に示されている。各例は、本発明の限定としてではなく、本発明の例示として提示される。実際、本発明の範囲または主旨から逸脱せずに、本発明に様々な修正および変更を施し得ることが、当業者にとっては明らかであろう。たとえば、一実施形態の一部として図示または記載する特徴は、別の実施形態と共に用いて、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にあるそのような修正および変更を包含することが意図されている。

本明細書で使用する場合、用語「第１の」、「第２の」、および「第３の」は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用されることができ、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図するものではない。

用語「上流」および「下流」は、流体経路における流体の流れに対する相対的な方向を指す。たとえば、「上流」は流体が流れてくる方向を指し、「下流」は流体が流れていく方向を指す。

比出力および効率を改善するための特徴部を有する電気機械の実施形態が一般に提供される。本明細書に示され説明される電気機械の実施形態は、電気機械の高速動作を可能にして、性能および比出力を改善することができる。電気機械は、円周方向に沿って離間した磁性キャリアを含み、円周方向に沿って一方のキャリアから他方のキャリアへのフープ応力の伝達を無効にすることができる。電気機械は、磁性キャリアがその内径で取り付けられる外側リングをさらに含む。外側リングは、一般に、フープ応力および遠心荷重がキャリアから伝達される環状の耐荷重リングを画定する。本明細書に示され説明される電気機械の実施形態は、重量比出力（すなわち、比出力）を改善し、電気機械の高速動作を可能にすることができる。

次に図を参照すると、図１では、１つまたは複数の電気機械１００を含むガスタービンエンジン１０（以下、「エンジン１０」）の例示的な実施形態が概略的に示されている。エンジン１０は、長手方向Ｌ、半径方向Ｒ、および円周方向Ｃ（図２に示す）を画定する。エンジン１０は、長手方向Ｌに沿って延びる基準目的のための軸方向中心線１２をさらに画定する。エンジン１０は、長手方向Ｌに沿って直列流れ配置で、ファンアセンブリ１４と、圧縮機セクション２１と、燃焼器セクション２６と、タービンセクション３１と、排気ノズルアセンブリ３３とを含む。エンジン１０はさらに、第１の端部９９および第２の端部９８を画定する。様々な実施形態では、第１の端部９９は、図１に概略的に示すように、空気８１などの空気がエンジン１０に入る上流端部を画定することができる。さらに様々な実施形態では、第２の端部９８は、図１に概略的に示すように、燃焼ガス８３などの空気または燃焼ガスがエンジン１０を出る下流端部を画定することができる。しかし、他の実施形態では、第１の端部９９および第２の端部９８は、一般に、流体、フラックス、または特徴部が移動または配置される長手方向Ｌに沿った対向する端部を表し得る。

圧縮機セクション２１は、一般に、上流端部を画定する第１の端部９９から下流端部を画定する第２の端部９８にかけて直列流れ配置で低圧（ＬＰ）圧縮機２２および高圧（ＨＰ）圧縮機２４を含む。タービンセクション３１は、一般に、上流端部を画定する第１の端部９９から下流端部を画定する第２の端部９８にかけて直列流れ配置でＨＰタービン２８およびＬＰタービン３０を含む。燃焼セクション２６は、ＨＰ圧縮機２４とＨＰタービン２８との間に配置される。ＨＰ圧縮機２４およびＨＰタービン２８は、各々に回転可能に結合されたＨＰシャフト３４を有し、共にＨＰスプールを画定する。

ファンアセンブリ１４は、ファンロータ１５に回転可能に結合された複数のファンブレード４２を含む。ファンロータ１５は、長手方向Ｌに沿って延びるＬＰシャフト３６の第１の端部９９に回転可能に結合される。ＬＰタービン３０は、ＬＰシャフト３６に結合され、ＬＰシャフト３６の第２の端部９８に配置される。ファンアセンブリ１４、ＬＰ圧縮機２２、ＬＰシャフト３６、およびＬＰタービン３０は、共にＬＰスプールを画定する。

図１に示すエンジン１０の例示的な実施形態は、２つのスプールのターボファンエンジンとして構成されているが、エンジン１０は、３つのスプールのターボファンエンジンとして構成されてもよいことを理解されたい。たとえば、エンジン１０は、ファンアセンブリ１４とＨＰ圧縮機２４との間に配置された中圧（ＩＰ）圧縮機をさらに含むことができる。様々な実施形態では、ＩＰ圧縮機は、ＬＰ圧縮機２２とＨＰ圧縮機２４との間に配置されてもよい。エンジン１０は、ＨＰタービン２８とＬＰタービン３０との間に配置されたＩＰタービンをさらに含むことができる。ＩＰタービンおよびＩＰ圧縮機は、ＩＰシャフトに結合され、ＩＰシャフトと共に回転可能とすることができる。さらに様々な実施形態では、エンジン１０は、圧縮機セクション２１およびタービンセクション３１によって少なくとも部分的に画定されたファンアセンブリ１４とエンジンコアとの間に減速ギアボックスをさらに含むことができる。

さらに様々な実施形態では、エンジン１０は、ターボシャフト、ターボプロップ、またはプロップファンエンジンとして構成されてもよい。電気機械１００および／またはエンジン１０は、航空、航空宇宙、自動車、機関車、もしくは海洋装置の用途に合わせて、および／または補助出力ユニットなどの発電ユニットとして拡大縮小または構成されてもよい。

エンジン１０の動作中、駆動モータは、ＨＰスプールの回転を開始し、矢印８１で概略的に示すように、空気をエンジン１０のコア流路７０に導入する。空気８１は、ＬＰ圧縮機２２およびＨＰ圧縮機２４の連続する段を通過し、圧力を上昇させて燃焼セクション２６に入る圧縮空気８２を画定する。燃料は、燃焼セクション２６に導入され、圧縮空気８２と混合された後、点火されて燃焼ガス８３を生じる。燃焼ガス８３からのエネルギは、ＨＰタービン２８およびＬＰタービン３０、同様にそれぞれのＨＰおよびＬＰスプール、ならびに各々が取り付けられるファンアセンブリ１４および圧縮機セクション２１の回転を駆動する。

空気８１をコア流路７０に導入し、燃料と混合し、点火し、燃焼ガス８３を発生するサイクルは、複数のファンブレード４２をエンジン１０の軸方向中心線１２を中心に回転させるエネルギを提供する。空気８１の一部は、エンジン１０のナセル４５と外側ケーシング１８との間に画定されたバイパスダクト６０を通過する。外側ケーシング１８は、実質的に管状であり、概ね長手方向Ｌに沿って圧縮機セクション２１、燃焼セクション２６、およびタービンセクション３１を取り囲んでいる。本明細書に記載の実施形態では、ナセル４５は、ファンケースをさらに含むことができる。外側ケーシング１８は、バイパスダクト６０の全体的に空気力学的な流路を画定するカウルをさらに含むことができる。

次に図２を参照すると、電気機械１００の例示的な実施形態が概略的に示されている。電気機械１００は、長手方向Ｌ、半径方向Ｒ、および円周方向Ｃ、ならびに長手方向Ｌに沿って画定された軸方向中心線１２を画定する。様々な実施形態では、電気機械１００は、エンジン１０と同じ軸方向中心線１２を共有する。

電気機械１００は、円周方向Ｃに沿って配置された複数のキャリア１１０を含むロータアセンブリ１０１を含む。各対のキャリア１１０は、円周方向Ｃに沿って各対のキャリア１１０の間にキャリアギャップ１１５を画定する。各キャリア１１０は、各キャリア１１０に結合されたロータ磁石１１１、１１２を含む。ロータアセンブリ１０１は、複数のキャリア１１０の半径方向Ｒに沿って内側に配置されたハブ１３０をさらに含む。ハブ１３０は、各キャリア１１０に結合される。

各ロータ磁石キャリア１１０は、隣接する各キャリア１１０から円周方向Ｃに沿って取り外され、それにより円周方向Ｃの中心での、または円周方向Ｃから接線方向における一方のキャリア１１０から他方へのフープ応力の保持または伝達を不可能にする。キャリア１１０を分離することにより、ロータアセンブリ１０１の拡張および収縮を高速で可能にすることができる。

さらに図２を参照すると、ハブ１３０は、複数の部材１３５をさらに含むことができる。各部材１３５は、各キャリア１１０に結合される。各キャリア１１０に結合された各部材１３５はさらに、ロータアセンブリ１０１の拡張および収縮を高速で可能にすることができる。加えて、各部材１３５はさらに、ハブ１３０への荷重の伝達を可能にすることができる。様々な実施形態では、部材１３５は、たとえば各キャリア１１０において、電気機械１００の半径方向Ｒに沿って拡張および収縮を可能にする。さらに様々な実施形態では、部材１３５は、長手方向Ｌに沿った剛性などの支持をさらに提供する。

様々な実施形態では、部材１３５は、チタンもしくはチタン合金、ニッケルもしくはニッケル合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金材料を含むことができ、各合金材料は、クロム、コバルト、タングステン、タンタル、モリブデンおよび／もしくはレニウム、またはそれらの組合せを含む。部材１３５は、軸方向中心線１２周りの回転中にロータアセンブリ１０１の高速に応じて、概して半径方向Ｒに沿って拡張および収縮を可能にするばね特性を画定することができる。

図２をさらに参照すると、ハブ１３０は、複数の部材１３５が結合される内側リング１３３をさらに含むことができる。内側リング１３３は、環状であり、軸方向中心線１２に略同心に配置される。様々な実施形態では、内側リング１３３は、エンジン１０のドライブシャフトの外径に対応する内径を画定する。内側リング１３３は、本明細書で説明する部材１３５の材料のような１つまたは複数の材料を画定することができる。一実施形態では、ドライブシャフトは、図１に示すＬＰシャフト３６である。別の実施形態では、ドライブシャフトは、図１に示すＨＰシャフト３４である。さらに図１には示されていないが、他の実施形態では、ドライブシャフトは、ＩＰ圧縮機とＩＰタービンを結合するＩＰシャフトをさらに含むことができる。

図２に示すようなさらに様々な実施形態では、各部材１３５は、第１の部分１３６および第２の部分１３８を画定する。第２の部分１３８は、キャリア１１０に結合され、第１の部分１３６は、内側リング１３３に結合される。一実施形態では、第１の部分１３６は、内側リング１３３から延びた各部材１３５の略軸方向部分を画定する。別の実施形態では、第２の部分１３８は、各キャリア１１０から延びた各部材１３５の略半径方向部分を画定する。様々な実施形態では、各部材１３５は、内側リング１３３から延びて各キャリア１１０に結合された角度のついたまたは湾曲した部材１３５を画定することができる。各実施形態では、部材１３５は、一般に、半径方向Ｒに沿った拡張および収縮を可能にする。さらに様々な実施形態では、部材１３５は、長手方向Ｌに沿って全体的な支持または剛性をさらに提供する。

一実施形態では、ロータアセンブリ１０１は、複数のキャリア１１０の半径方向Ｒに沿って外側に外側リング１２０をさらに含む。外側リング１２０は、円周方向Ｃに沿って複数のキャリア１１０を取り囲む。複数のキャリア１１０は、外側リング１２０の内径に結合される。外側リング１２０は、半径方向Ｒに沿ってならびに／または円周方向Ｃ、および／もしくは円周方向Ｃへの接線に沿って複数のキャリア１１０から及ぼされるフープ応力のような荷重を運搬するために、ならびに／または遠心力および／もしくは接線応力に対抗するために、中実の環状リングのような一体構造を画定する。

エンジン１０のドライブシャフト（たとえば、ＬＰシャフト３６、ＨＰシャフト３４など）に取り付けられたエンジン１０および電気機械１００の動作中、電気機械のドライブシャフトおよびロータアセンブリ１０１の回転は、フープ応力および遠心力を生成する。これらの力は、半径方向Ｒに沿っておよび／または円周方向Ｃに沿って概して外側に及ぼされる。各対のキャリア１１０が円周方向Ｃに沿ってそれらの間にキャリアギャップ１１５を画定する複数のキャリア１１０は、複数のキャリア１１０を通るフープ応力の伝達を無効にする。複数のキャリア１１０が外側リング１２０の内径で取り付けられる外側リング１２０は、外側リング１２０に円周方向および半径方向荷重を伝達する。円周方向Ｃに沿って一方から他方へと、複数のキャリア１１０を介することなく外側リング１２０に荷重を伝達することによって、電気機械１００は、改善された重量比出力（たとえば、比出力）を提供することができ、および／またはより高い回転速度で動作することができる。

たとえば、一実施形態では、電気機械１００は、ハブ１３０から各キャリア１１０への荷重経路を外側リング１２０へと画定する。より具体的には、別の実施形態では、電気機械１００は、ハブ１３０の内側リング１３３から複数の部材１３５の各々へ、各部材１３５から各キャリア１１０へ、および複数のキャリア１１０から外側リング１２０への荷重経路を画定する。

さらに様々な実施形態では、部材１３５は、部材１３５のばね特性を介して荷重を伝達することができる。たとえば、電気機械１００の動作中、部材１３５は、半径方向Ｒに沿って外側に拡張または偏向することができ、それによりキャリア１１０を外側リング１２０に向かって変位させ、外側リング１２０は、キャリア１１０からの力に対抗する。力が増減するにつれて、部材１３５は、荷重の変化に応じて概ね半径方向Ｒに沿って拡張、収縮、または偏向することができる。

一実施形態では、外側リング１２０は、高強度および／または高弾性率を規定するセラミックマトリックス複合材、金属マトリックス複合材、またはポリマーマトリックス複合材材料を含む。様々な実施形態にでは、外側リング１２０は、複数の繊維から形成された複数の布シートを含むことができる。各シートにおいて、複数の繊維は、ネットワーク（たとえば、織布ネットワーク、不織布ネットワーク（たとえば、ランダムまたは並列に）、または別の配向）を形成することができる。様々な実施形態では、外側リング１２０は、パラ−アラミド合成繊維、金属繊維、セラミック繊維、ガラス繊維、炭素繊維、ホウ素繊維、ｐ−フェニレンテレフタルアミド繊維、芳香族ポリアミド繊維、炭化ケイ素繊維、グラファイト繊維、ナイロン繊維、またはそれらの混合物などの高強度および高弾性繊維から構成することができる。適切な繊維の別の例は、超高分子量ポリエチレンを含む。

様々な他の実施形態では、外側リング１２０は、チタンもしくはチタン合金、ニッケルもしくはニッケル合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金材料を含む。様々な実施形態では、各合金材料は、クロム、コバルト、タングステン、タンタル、モリブデン、および／もしくはレニウム、またはそれらの組合せを含むことができる。さらに他の実施形態では、外側リング１２０は、ステンレス鋼などの鋼を含むことができる。

次に図３を参照すると、電気機械１００の別の例示的な実施形態が概略的に示されている。電気機械１００は、図２に示され説明されるロータアセンブリ１０１を含む。図３では、電気機械１００は、ロータアセンブリ１０１の複数のキャリア１１０に長手方向Ｌに沿って隣接するステータアセンブリ１０２をさらに含む。ステータアセンブリ１０２は、各キャリア１１０のロータ磁石１１１、１１２に隣接する複数のステータ導体１４０を含むことができる。クリアランスギャップ１４５が、ステータ導体１４０とロータ磁石１１１、１１２との間に画定される。

様々な実施形態では、電気機械１００は、永久磁石発電機を画定することができる。ドライブシャフト（たとえば、ＬＰシャフト３６、ＨＰシャフト３４など）の回転を介したロータアセンブリ１０１の回転は、エンジン１０からの機械的出力を電力に変換することができる。電力は、様々なエンジンおよび航空機のサブシステムに利用され得る。ステータアセンブリ１０２は、様々なシステムに電力を供給する電気負荷に結合されてもよい。

ロータ磁石１１１、１１２およびステータ導体１４０は、本明細書では一般に「磁石」と呼ばれるが、これらの磁石は任意の適切な磁性材料であってもよく、永久磁石、電磁石などであってもよいことを理解されたい。たとえば、例示された実施形態によれば、ロータ磁石１１１、１１２は、永久磁石であり、ステータ導体１４０は、導電性巻線を有する強磁性材料であるが、代替の実施形態は、ロータ磁石１１１、１１２とステータ導体１４０の任意の適切な組合せを使用して電気負荷を生成してもよい。他の実施形態では、ロータ磁石１１１、１１２およびステータ導体１４０は、（たとえば、ハイブリッド電気パワートレイン用の）電気機械１００のロータアセンブリ１０１を回転させるトルクを生成するための任意の適切な組合せであってもよい。たとえば、電気機械１００は、境界層吸込み式（ＢＬＩ）ファンを回転させるため、または環境制御システム（ＥＣＳ）を動作させるため、または様々な航空機およびエンジンアビオニクス、ポンプ、サービス、または熱管理サブシステムに電力を供給するための出力を生成する。

さらに、ステータアセンブリ１４０は集中巻線を含んでもよいが、ステータアセンブリ１４０は、代わりに分布巻線または任意の他の適切なステータ巻線構成を有してもよいことを理解されたい。さらに、ロータ磁石１１１、１１２およびステータ導体１４０は、複合保持構造を含む金属または非金属保持構造のような任意の適切なコーティングまたは被覆を含むことができる。

さらに様々な実施形態では、ロータ磁石１１１、１１２は、磁束の第１の方向１１１および磁束の第２の方向１１２を画定するロータ磁石１１１、１１２の交互の組合せを画定することができる。たとえば、図２を参照すると、第１の方向の磁束のロータ磁石１１１は、円周方向Ｃに沿って第２の方向の磁束のロータ磁石１１２と交互に組み合わせて画定されてもよい。別の例として、図２および図３を参照すると、第１の方向の磁束のロータ磁石１１１は、第２の端部９８から第１の端部９９に向かって移動する磁束を表すことができ、第２の方向の磁束のロータ磁石１１２は、第１の端部９９から第２の端部９８に向かって移動する磁束を表すことができる。したがって、円周方向Ｃに沿ったロータ磁石１１１、１１２の交互の配向により、磁束回路を完成させることができる。

次に図２および図３を参照すると、電気機械１００のロータアセンブリ１０１は、各部材１３５から各キャリア１１０への締結位置１５０を画定することができる。部材１３５は、１つまたは複数の機械的締結具または締結方法を介してキャリア１１０に締結されてもよい。様々な実施形態では、締結位置１５０は、これらに限定されないが、ボルト、ナットスクリュ、リベット、ピン、タイロッドなどの機械的締結具を画定することができる。別の実施形態では、締結位置１５０は、これらに限定されないが、溶接、はんだ付け、ろう付け、または接着剤を含むボンディングなどの締結方法を画定することができる。さらに様々な実施形態では、締結位置１５０は、半径方向Ｒに沿って延びたスロット内に機械的締結具のような特徴部を画定することができ、それによりキャリア１１０は、長手方向Ｌおよび／または円周方向Ｃに沿って概ね配置を保持しながら、半径方向Ｒに沿って変位することができる。

次に図４を参照すると、電気機械１００は、図１〜図３に示され説明されたものと実質的に同様に構成され得る。しかし、図４に示す実施形態では、部材１３５は、長手方向Ｌに沿って各キャリア１１０の第２の端部９８に部材１３５の第２の部分１３８を画定し、さらに、部材１３５の第３の部分１３９を各キャリア１１０の第１の端部９９に向かって画定する。第３の部分１３９は、第２の部分１３８と実質的に同様の略半径方向部分を画定することができる。図４に示す実施形態では、各キャリア１１０の第１の端部９９および第２の端部９８に向かって図４に示すように、第２の部分１３８および第３の部分１３９を画定する部材１３５を含むハブ１３０は、各キャリア１１０が長手方向Ｌおよび／または円周方向Ｃに各部材１３５内に収容されて保持され、半径方向Ｒに沿ってさらに変位することを可能にする自立構造である。半径方向Ｒに沿ったキャリア１１０の変位は、各キャリア１１０からハブ１３０ではなく外側リング１２０に遠心荷重を伝達することができる。

次に図１〜図３を参照すると、ロータアセンブリ１０１およびステータアセンブリ１０２を含む電気機械１００は、エンジン１０の１つまたは複数の位置に画定され得る。様々な実施形態では、エンジン１０は、ファンアセンブリ１４、圧縮機セクション２１、および／またはタービンセクション３１内に配置された１つまたは複数のフレーム９０を含む。ロータアセンブリ１０１は、３スプール構成でＬＰシャフト３６、ＨＰシャフト３４、および／またはＩＰシャフトを画定するドライブシャフトに結合されてもよい。ステータアセンブリ１０２は、ロータアセンブリ１０１の半径方向Ｒに沿って概して外側に結合されてもよい。様々な実施形態では、ステータアセンブリ１０２は、ファンアセンブリ１４、または圧縮機セクション２１、またはタービンセクション３１、またはそれらの組合せにおいてフレーム９０に結合される。タービンセクションでは、ステータアセンブリ１０２は、タービンセクション３１の排気フレームまたはＨＰタービン２８とＬＰタービン３０（もしくは３スプール構成でＩＰタービン）との間に配置された１つまたは複数のフレーム９０の内径に結合されてもよい。圧縮機セクションでは、ステータアセンブリ１０２は、ファンアセンブリ１４とＬＰもしくはＩＰ圧縮機２２との間、および／またはＬＰもしくはＩＰ圧縮機２２とＨＰ圧縮機２４との間に配置されたフレーム９０の内径に結合されてもよい。

図１〜図３および本明細書の様々な実施形態で示され説明される電気機械１００は、電気機械１００の重量比出力（すなわち、比出力）を最大にするために、外側リング１２０のフープ応力運搬能力を利用することができる。外側リング１２０の内径に取り付けられた別個の磁性キャリア１１０はさらに、離間した磁性キャリア１１０を介するのではなく、外側リング１２０へ／を通して遠心および接線荷重を伝達することができる。ハブ１３０の部材１３５は、一般に、半径方向に沿った拡張および収縮を可能にし、さらに荷重を外側リング１２０に伝達し、部材１３５に及ぼされる向心力に対応することができる。円周方向に離間した磁性キャリア１１０は、一般に、フープ荷重を共有することができない。したがって、電気機械１００は、約１６０００回転／分のシャフト回転速度以上のような高速動作を可能にすることができる。本明細書に示され説明される電気機械１００は、エンジン１０内でのサイズのスケーリングを可能にして、約１００，０００回転／分までの高速動作を可能にすることができることをさらに理解されたい。

本明細書は、最良の形態を含んだ本発明の開示のために、また、任意のデバイスまたはシステムの製作および使用、ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含んだ本発明の実施がいかなる当業者にも可能になるように、実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的な差異を有さない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。
［実施態様１］
長手方向、半径方向、および円周方向、ならびに前記長手方向に沿って画定された軸方向中心線（１２）を画定する電気機械（１００）であって、
前記円周方向に沿って配置された複数のキャリア（１１０）を含むロータアセンブリ（１０１）を含み、各対のキャリア（１１０）は、前記円周方向に沿ってそれらの間にキャリアギャップ（１１５）を画定し、各キャリア（１１０）は、ロータ磁石（１１１）（１１２）を含み、前記ロータアセンブリ（１０１）は、前記円周方向に沿って前記複数のキャリア（１１０）の半径方向外側にかつその周囲を取り囲む外側リング（１２０）をさらに含み、前記外側リング（１２０）は、一体構造を画定する、電気機械（１００）。
［実施態様２］
前記ロータアセンブリ（１０１）が、前記複数のキャリア（１１０）の半径方向内側に配置されたハブ（１３０）をさらに含み、前記ハブ（１３０）が、各キャリア（１１０）に結合される、実施態様１に記載の電気機械（１００）。
［実施態様３］
前記ハブ（１３０）が、複数の部材（１３５）を含み、各部材（１３５）が、各キャリア（１１０）に結合される、実施態様２に記載の電気機械（１００）。
［実施態様４］
前記ハブ（１３０）が、前記複数の部材（１３５）が結合される内側リング（１３３）をさらに含む、実施態様３に記載の電気機械（１００）。
［実施態様５］
各部材（１３５）が、第１の部分（１３６）および第２の部分（１３８）を画定し、前記第２の部分（１３８）が、前記キャリア（１１０）に結合され、前記第１の部分（１３６）が、前記ハブ（１３０）の前記内側リング（１３３）に結合される、実施態様４に記載の電気機械（１００）。
［実施態様６］
各部材（１３５）が、第２の部分（１３８）および第３の部分（１３９）を画定し、前記第３の部分（１３９）が、各キャリア（１１０）の第１の端部（９９）に向かって配置され、前記第２の部分（１３８）が、前記長手方向に沿って前記第１の端部（９９）とは反対の各キャリア（１１０）の第２の端部（９８）に向かって配置され、各キャリア（１１０）が、前記長手方向および／または円周方向に沿って各部材（１３５）内に保持される、実施態様３に記載の電気機械（１００）。
［実施態様７］
前記外側リング（１２０）が、接線応力運搬部材を画定する、実施態様１に記載の電気機械（１００）。
［実施態様８］
前記電気機械（１００）が、前記ハブ（１３０）から各キャリア（１１０）への荷重経路を前記外側リング（１２０）へと画定する、実施態様２に記載の電気機械（１００）。
［実施態様９］
前記電気機械（１００）が、前記ハブ（１３０）の前記内側リング（１３３）から前記複数の部材（１３５）の各々へ、各部材（１３５）から各キャリア（１１０）へ、および前記複数のキャリア（１１０）から前記外側リング（１２０）への荷重経路を画定する、実施態様３に記載の電気機械（１００）。
［実施態様１０］
前記複数のキャリア（１１０）に前記長手方向に沿って隣接するステータアセンブリ（１０２）
をさらに含む、実施態様１に記載の電気機械（１００）。
［実施態様１１］
前記ステータアセンブリ（１０２）が、各キャリア（１１０）の前記ロータ磁石（１１１）（１１２）に隣接する複数のステータ導体（１４０）を含み、クリアランスギャップ（１４５）が、前記ステータ導体（１４０）と前記ロータ磁石（１１１）（１１２）との間に画定される、実施態様１０に記載の電気機械（１００）。
［実施態様１２］
前記外側リング（１２０）が、セラミックマトリックス複合材、金属マトリックス複合材、またはポリマーマトリックス複合材を含む、実施態様１に記載の電気機械（１００）。
［実施態様１３］
前記外側リング（１２０）が、複数の繊維を含み、前記繊維が、パラ−アラミド合成繊維、金属繊維、セラミック繊維、ガラス繊維、炭素繊維、ホウ素繊維、ｐ−フェニレンテレフタルアミド繊維、芳香族ポリアミド繊維、炭化ケイ素繊維、グラファイト繊維、ナイロン繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、またはそれらの混合物を含む、実施態様１２に記載の電気機械（１００）。
［実施態様１４］
長手方向、半径方向、および円周方向、ならびに前記長手方向に沿って画定された軸方向中心線（１２）を画定するガスタービンエンジン（１０）であって、
前記円周方向に沿って配置された複数のキャリア（１１０）を含む電気機械（１００）であって、各対のキャリア（１１０）は、それらの間にキャリアギャップ（１１５）を画定し、各キャリア（１１０）は、ロータ磁石（１１１）（１１２）を含み、前記電気機械（１００）は、前記円周方向に沿って前記複数のキャリア（１１０）の半径方向外側にかつその周囲を取り囲む外側リング（１２０）を含み、前記外側リング（１２０）は、一体構造を画定し、前記電気機械（１００）は、前記複数のキャリア（１１０）の半径方向内側に配置されたハブ（１３０）をさらに含み、前記ハブ（１３０）は、少なくとも前記長手方向および前記円周方向に沿って各キャリア（１１０）を保持する、電気機械（１００）と、
前記長手方向に沿って延び、前記軸方向中心線（１２）を中心に回転可能であるドライブシャフト（３４）（３６）であって、前記電気機械（１００）の前記ハブ（１３０）が、前記ドライブシャフト（３４）（３６）に結合される、ドライブシャフト（３４）（３６）とを含む、ガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１５］
前記電気機械（１００）がさらに、複数の部材（１３５）を画定し、前記電気機械（１００）の各部材（１３５）が、第１の部分（１３６）および第２の部分（１３８）を画定し、前記第２の部分（１３８）が、各キャリア（１１０）に結合され、前記第１の部分（１３６）が、前記内側リング（１３３）に結合される、実施態様１４に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１６］
前記電気機械（１００）がさらに、複数の部材（１３５）を画定し、各部材（１３５）が、第２の部分（１３８）および第３の部分（１３９）を画定し、前記第３の部分（１３９）が、各キャリア（１１０）の第１の端部（９９）に向かって配置され、前記第２の部分（１３８）が、前記長手方向に沿って前記第１の端部（９９）とは反対の各キャリア（１１０）の第２の端部（９８）に向かって配置され、各キャリア（１１０）が、前記長手方向および／または円周方向に沿って各部材（１３５）内に保持される、実施態様１４に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１７］
前記ハブ（１３０）の前記内側リング（１３３）が、前記ドライブシャフト（３４）（３６）に結合される、実施態様１４に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１８］
前記ドライブシャフト（３４）（３６）が、低圧シャフト、中圧シャフト、または高圧シャフトを画定する、実施態様１４に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１９］
前記複数のキャリア（１１０）に前記長手方向に沿って隣接するステータアセンブリ（１０２）をさらに含み、前記ステータアセンブリ（１０２）が、各キャリア（１１０）の前記ロータ磁石（１１１）（１１２）に隣接する複数のステータ導体（１４０）を含み、クリアランスギャップ（１４５）が、前記ステータ導体（１４０）と前記ロータ磁石（１１１）（１１２）との間に画定される、
実施態様１４に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様２０］
ファンアセンブリ（１４）、圧縮機セクション（２１）、またはタービンセクション（３１）内に配置されたフレーム（９０）をさらに含み、前記ステータアセンブリ（１０２）が、前記フレーム（９０）に結合される、
実施態様１９に記載のガスタービンエンジン（１０）。

１０ エンジン
１２ 軸方向中心線
１４ ファンアセンブリ
１５ ファンロータ
１８ 外側ケーシング
２１ 圧縮機セクション
２２ ＬＰ圧縮機、ＩＰ圧縮機
２４ ＨＰ圧縮機
２６ 燃焼セクション、燃焼器セクション
２８ ＨＰタービン
３０ ＬＰタービン
３１ タービンセクション
３３ 排気ノズルアセンブリ
３４ ＨＰシャフト
３６ ＬＰシャフト
４２ ファンブレード
４５ ナセル
６０ バイパスダクト
７０ コア流路
８１ 空気
８２ 圧縮空気
８３ 燃焼ガス
９０ フレーム
９８ 第２の端部
９９ 第１の端部
１００ 電気機械
１０１ ロータアセンブリ
１０２ ステータアセンブリ
１１０ 磁性キャリア、ロータ磁石キャリア
１１１ ロータ磁石、第１の方向
１１２ ロータ磁石、第２の方向
１１５ キャリアギャップ
１２０ 外側リング
１３０ ハブ
１３３ 内側リング
１３５ 部材
１３６ 第１の部分
１３８ 第２の部分
１３９ 第３の部分
１４０ ステータ導体、ステータアセンブリ
１４５ クリアランスギャップ
１５０ 締結位置

Claims (15)

1. 長手方向、半径方向、および円周方向、ならびに前記長手方向に沿って画定された軸方向中心線（１２）を画定するガスタービンエンジン（１０）であって、前記ガスタービンエンジン（１０）は、
   電気機械（１００）であって、
   前記円周方向に沿って配置された複数のキャリア（１１０）を含むロータアセンブリ（１０１）を含み、各対のキャリア（１１０）は、前記円周方向に沿ってそれらの間にキャリアギャップ（１１５）を画定し、各キャリア（１１０）は、ロータ磁石（１１１）（１１２）を含み、前記ロータアセンブリ（１０１）は、前記円周方向に沿って前記複数のキャリア（１１０）の半径方向外側にかつその周囲を取り囲む外側リング（１２０）をさらに含み、前記外側リング（１２０）は、一体構造を画定する、電気機械（１００）を含む、ガスタービンエンジン（１０）。
2. 前記ロータアセンブリ（１０１）が、前記複数のキャリア（１１０）の半径方向内側に配置されたハブ（１３０）をさらに含み、前記ハブ（１３０）が、各キャリア（１１０）に結合される、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
3. 前記ハブ（１３０）が、複数の部材（１３５）を含み、各部材（１３５）が、各キャリア（１１０）に結合される、請求項２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
4. 前記ハブ（１３０）が、前記複数の部材（１３５）が結合される内側リング（１３３）をさらに含む、請求項３に記載のガスタービンエンジン（１０）。
5. 各部材（１３５）が、第１の部分（１３６）および第２の部分（１３８）を画定し、前記第２の部分（１３８）が、前記キャリア（１１０）に結合され、前記第１の部分（１３６）が、前記ハブ（１３０）の前記内側リング（１３３）に結合される、請求項４に記載のガスタービンエンジン（１０）。
6. 各部材（１３５）が、第２の部分（１３８）および第３の部分（１３９）を画定し、前記第３の部分（１３９）が、各キャリア（１１０）の第１の端部（９９）に向かって配置され、前記第２の部分（１３８）が、前記長手方向に沿って前記第１の端部（９９）とは反対の各キャリア（１１０）の第２の端部（９８）に向かって配置され、各キャリア（１１０）が、前記長手方向および／または円周方向に沿って各部材（１３５）内に保持される、請求項３に記載のガスタービンエンジン（１０）。
7. 前記外側リング（１２０）が、接線応力運搬部材を画定する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン（１０）。
8. 前記電気機械（１００）が、前記ハブ（１３０）から各キャリア（１１０）への荷重経路を前記外側リング（１２０）へと画定する、請求項２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
9. 前記電気機械（１００）が、前記ハブ（１３０）の前記内側リング（１３３）から前記複数の部材（１３５）の各々へ、各部材（１３５）から各キャリア（１１０）へ、および前記複数のキャリア（１１０）から前記外側リング（１２０）への荷重経路を画定する、請求項４に記載のガスタービンエンジン（１０）。
10. 前記複数のキャリア（１１０）に前記長手方向に沿って隣接するステータアセンブリ（１０２）
    をさらに含む、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン（１０）。
11. 前記ステータアセンブリ（１０２）が、各キャリア（１１０）の前記ロータ磁石（１１１）（１１２）に隣接する複数のステータ導体（１４０）を含み、クリアランスギャップ（１４５）が、前記ステータ導体（１４０）と前記ロータ磁石（１１１）（１１２）との間に画定される、請求項１０に記載のガスタービンエンジン（１０）。
12. 前記外側リング（１２０）が、セラミックマトリックス複合材、金属マトリックス複合材、またはポリマーマトリックス複合材を含む、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン（１０）。
13. 前記外側リング（１２０）が、複数の繊維を含み、前記繊維が、パラ−アラミド合成繊維、金属繊維、セラミック繊維、ガラス繊維、炭素繊維、ホウ素繊維、ｐ−フェニレンテレフタルアミド繊維、芳香族ポリアミド繊維、炭化ケイ素繊維、グラファイト繊維、ナイロン繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、またはそれらの混合物を含む、請求項１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
14. 前記長手方向に沿って延び、前記軸方向中心線（１２）を中心に回転可能であるドライブシャフト（３４）（３６）をさらに含み、前記電気機械（１００）の前記ハブ（１３０）が、前記ドライブシャフト（３４）（３６）に結合され、前記ハブ（１３０）が、少なくとも前記長手方向および前記円周方向に沿って各キャリア（１１０）を保持する、請求項２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
15. ファンアセンブリ（１４）、圧縮機セクション（２１）、またはタービンセクション（３１）内に配置されたフレーム（９０）をさらに含み、前記ステータアセンブリ（１０２）が、前記フレーム（９０）に結合される、請求項１１に記載のガスタービンエンジン（１０）。

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