JP7444855B2 - リングコイル及び蛇行コイルを有するクローポールモータ - Google Patents

Description

本発明は、概してクローポールモータ、より具体的には改良されたステータ及びコイルアセンブリを有するクローポールモータに関する。

クローポール型モータは、概して、円周方向に離間する複数の軸方向に重なり合うクローポールを有するステータと、その周囲に沿って配置された複数の永久磁石を有するローラとを備え、モータは、ステータとロータとの間に生成された電磁力を使用してロータを回転させる。

例えば、発明の名称が「回転電気機械」である特許文献１は、複数のクローポールを含むステータコア及びステータコア内に巻かれたステータコイルを有するクローポールステータと、クローポールの反対側に面する位置に回転可能に配置されたロータとを有するモータに向けられる。

発明の名称が「多相クローポール型モータ」である特許文献２は、軸方向に延在し、ロータに面する磁極面を有し、小さいギャップによってロータから分離されているクロー部分を伴う複数のクローポールを有する多相クローポール型モータに向けられる。半径方向ヨーク部分は、クロー部分から半径方向外向きに延在し、外周ヨークは、クロー部分の延在方向と同じ方向に半径方向ヨーク部分から延在する。クローポールは、ステータコアを形成するために、各クロー部分の遠位端が隣接する１つのクローポールの半径方向ヨークに面するように交互に設置されてもよい。ステータを形成するために、ステータコアのクローポールの各隣接する対の間に環状コイルが挿入されてもよい。

米国特許出願公開第２００９／０００１８４３号明細書 米国特許第７，７１４，４７５号明細書

単に例示の目的であり、限定としてではなく、開示された実施形態の対応する部品、部分、又は表面を括弧で囲んで参照すると、ステータアセンブリ（１５０、１５０Ａ）と、長手方向軸（１２２）の周りに配向され、ステータアセンブリ（１５０）に対して長手方向軸（１２２）の周りを移動するように取り付けられたロータアセンブリ（１１０、２１０）と、ステータアセンブリ（１５０）とロータアセンブリ（１１０）との間の半径方向のエアギャップ（１５４）とを備えるクローポールモータ（１００、２００）が提供され、ステータアセンブリ（１５０）は、長手方向軸（１２２）の周りに半径方向に配向され、第１の方向に軸方向に延在する複数の第１のステータ歯（１８３）を有する第１のステータ部分（１８２）と、長手方向軸（１２２）の周りに半径方向に配向され、第１の方向とは反対の第２の方向に軸方向に延在する複数の第２のステータ歯（１８５）を有する第２のステータ部分（１８４）とを備え、第１のステータ部分（１８２）及び第２のステータ部分（１８４）は、長手方向軸（１２２）の周りに配向され、第１のステータ部分（１８２）と第２のステータ部分（１８４）との間で軸方向に延在する第１のギャップ（１９２）を画定し、第１のステータ部分（１８２）の複数の第１のステータ歯（１８３）は、第２のステータ部分（１８４）の複数の第２のステータ歯（１８５）の少なくとも一部を超えて第１の方向に軸方向に延在して、長手方向軸（１２２）の周りに配向され、第１のステータ部分（１８２）の複数の第１のステータ歯（１８３）と第２のステータ部分（１８４）の複数の第２のステータ歯（１８５）との間で軸方向及び半径方向に延在する第２のギャップ（１９４）を形成し、クローポールモータ（１００、２００）は、第１のステータ部分（１８２）と第２のステータ部分（１８４）との間の第１のギャップ（１９２）に配置され、ロータアセンブリ（１１０、２１０）にトルクを与えるために選択的に通電されるように構成された第１の電磁巻線（１６０）と、ステータアセンブリ（１５０）の第１のステータ部分（１８２）の複数の第１のステータ歯（１８３）と第２のステータ部分（１８４）の複数の第２のステータ歯（１８５）との間の第２のギャップ（１９４）に配置され、ロータアセンブリ（１１０、２１０）にトルクを与えるために選択的に通電されるように構成された第２の電磁巻線（１７０）とを備える。

ロータアセンブリ（１１０）は、非磁性である回転シャフト（１２０）を備えてもよい。ロータアセンブリ（１１０、２１０）は、長手方向軸（１２２）の周りに離間された複数の磁石（１３０、２３０）を備えてもよい。複数の磁石（１３０）は、回転シャフトに恒久的に取り付けられてもよい。第１のステータ部分（１８２）の複数の第１のステータ歯（１８３）及び第２のステータ部分（１８４）の複数の第２のステータ歯（１８５）の総数は、ロータアセンブリ（１１０）の複数の磁石（１３０、２３０）の総数に等しくてもよい。ステータアセンブリ（１５０）の複数の第１のステータ歯（１８３）及び複数の第２のステータ歯（１８５）の総数は４０であってもよい。ステータアセンブリ（１５０）の第１のステータ部分（１８２）は、第１のステータ本体部分（１８６）及び第１のステータ延在部分（１８７）を備えてもよく、ステータアセンブリ（１５０）の第２のステータ部分（１８４）は、第２のステータ本体部分（１８８）及び第２のステータ延在部分を備えてもよい。ステータアセンブリ（１５０）及びロータアセンブリ（１１０）は、複数の磁石（１３０）のうちの第１の磁石から半径方向のエアギャップを横切って、ステータアセンブリ（１５０）の第１のステータ部分（１８２）の複数の第１のステータ歯（１８３）のうちの第１のステータ歯まで延在する磁束経路（１３２）を含んでもよい。磁束経路（１３２）は、第１のステータ部分（１８２）の複数の第１のステータ歯（１８３）のうちの第１のステータ歯から、第１のステータ部分（１８２）の第１のステータ延在部分（１８７）及び第１のステータ本体部分（１８６）を通って、ステータアセンブリ（１５０）の第２のステータ部分（１８４）まで延在してもよい。磁束経路（１３２）は、第１のステータ部分（１８２）の第１のステータ本体部分（１８６）から、第２のステータ本体部分（１８８）及び第２のステータ延在部分（１８９）を通って、ステータアセンブリ（１５０）の第２のステータ部分（１８４）の複数の第２のステータ歯（１８５）のうちの第２のステータ歯まで延在してもよい。磁束経路（１３２）は、第２のステータ部分（１８４）の複数の第２のステータ歯（１８５）のうちの第２のステータ歯から、半径方向のエアギャップ（１５４）を横切って、複数の磁石（１３０）のうちの第２の磁石まで延在してもよい。

クローポールモータ（２００）は、ロータアセンブリ（１１０、２１０）にトルクを与えるために選択的に通電されるように構成された第３の電磁巻線（１６０Ｂ）と、ロータアセンブリ（１１０、２１０）にトルクを与えるために選択的に通電されるように構成された第４の電磁巻線（１７０Ｂ）とを有する第２のステータアセンブリ（１５０Ｂ）とを備えてもよい。クローポールモータ（２００）は、ロータアセンブリ（１１０、２１０）にトルクを与えるために選択的に通電されるように構成された第５の電磁巻線（１６０Ｃ）と、ロータアセンブリ（１１０、２１０）にトルクを与えるために選択的に通電されるように構成された第６の電磁巻線（１７０Ｂ）とを有する第３のステータアセンブリ（１５０Ｃ）とを備えてもよい。ステータアセンブリ（１５０Ａ）、第２のステータアセンブリ（１５０Ｂ）、及び第３のステータアセンブリ（１５０Ｂ）は、長手方向軸（１２２）に沿って軸方向に離間されてもよく、長手方向軸（１２２）に対して半径方向に整列してもよい。ステータアセンブリ（１５０Ａ）と第２のステータアセンブリ（１５０Ｂ）との間の軸方向距離は、ロータアセンブリ（１１０）とステータアセンブリ（１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃ）との間の半径方向のエアギャップ（１５４）の半径方向距離以上であってもよい。

ロータアセンブリ（１１０）は、磁気角度ピッチを含んでもよく、ステータアセンブリ（１５０）は、ステータ歯角度ピッチを含んでもよく、磁気角度ピッチは、ステータ歯角度ピッチに等しい。第１の電磁巻線（１６０）は、環状コイルを形成してもよい。第２の電磁巻線（１７０）は、長手方向軸（１２２）の周りに軸方向のジグザグパターンで配置されてもよい。

改良されたステータ及びロータアセンブリを有するクローポールモータの第１の実施形態の斜視図である。 図１に示されるクローポールモータの右側側面図である。 ロータアセンブリ及びステータアセンブリを示す、図１に示されるクローポールモータの部分分解斜視図である。 更に分解されたステータアセンブリを示す、図３に示されるクローポールモータの部分分解斜視図である。 更に分解されたロータアセンブリ及びステータアセンブリの両方を示す、図４に示されるクローポールモータの部分分解斜視図である。 図１に示されるクローポールモータの環状ソレノイドコイル、ジグザグソレノイドコイル、及びコイル筐体の一部の斜視図である 図６に示されるコイル筐体の一部、環状ソレノイドコイル、及びジグザグソレノイドコイルの拡大部分斜視図である。 図７に示されるコイル筐体の一部、環状ソレノイドコイル、及びジグザグソレノイドコイルの正面右側部分斜視図である。 図８に示されるコイル筐体の一部、環状ソレノイドコイル、及びジグザグソレノイドコイルの背面斜視図である。 図９に示されるコイ筐体の一部、環状ソレノイドコイル、及びジグザグソレノイドコイルの左側斜視図である 図９に示される環状ソレノイドコイル及びジグザグソレノイドコイルの左上側斜視図である。 図９に示されるコイル筐体の一部の斜視図である。 三重スタック構成の改良されたステータアセンブリを有するクローポールモータの第２の実施形態の断面側面図である。 図１３に示されるクローポールモータのステータアセンブリの斜視図である。 図１４に示されるステータアセンブリの長手方向断面図である。 図１に示されるロータアセンブリの代替の実施形態の部分拡大斜視図である。

最初に、同様の参照番号は、幾つかの図面全体で一貫して同じ構造要素、部分、又は表面を識別することが意図されることを明確に理解されるべきであり、そのような要素、部分、又は表面は、この発明の詳細な説明が不可欠な部分である、本明細書全体によって更に記載又は説明されてもよい。別の指示がない限り、図面は、本明細書と共に解釈されることが意図され（例えば、ハッチング、部品の配置、比率、程度、等）、この発明の詳細な説明全体の一部と見なされるべきである。以下の説明で使用されるように、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」、及び「下」という用語、並びにそれらの形容詞及び副詞の派生語（例えば、「水平に」、「右向きに」）」、「上向きに」、等）は、特定の図面が読者に面している場合の図示された構造の配向を単に指す。同様に、「内向きに」及び「外向きに」という用語は、概して、必要に応じて、その伸長軸又は回転軸に対する表面の配向を指す。

ここで、図面、より具体的にはその図１及び図２を参照して、第１の実施形態が概して１００で示される、クローポールモータが提供される。クローポールモータ１００は、単一スタック構成のロータアセンブリ１１０及びステータアセンブリ１５０を広く含むように示される。ロータアセンブリ１１０は、ステータアセンブリ１５０に対して長手方向軸１２２の周りを回転するように動作可能に構成される。ロータアセンブリ１１０及びステータアセンブリ１５０は、それらの間の半径方向のエアギャップ１５４によって分離される。

ロータアセンブリ１１０は、長手方向軸１２２の周りに配向された内側非磁性回転シャフト１２０と、回転シャフト１２０の外周の周りに位置決めされた複数の外側磁石１３０とを含む。

回転シャフト１２０は非磁性である。非磁性回転シャフト１２０は、隣接するデバイスとの磁気干渉を排除するという点で、磁性回転シャフトを上回る重要な利点を提供する。表面実装磁気モータのような従来のモータにおいては、磁束の戻り経路を完成させるために磁性鋼のロータハブが要求される。磁気ハブの使用は、残りの非磁性シャフトの直径を減少させ、それは、幾つかの用途においては望ましくない。多くの場合に、磁性鋼で一体のロータハブ及びモータシャフトを作ることが慣例である。レゾルバ又はエンコーダのような位置フィードバックデバイスが同じシャフトに取り付けられる場合には、磁気干渉が生じる。クローポールモータ１００は、このような問題を排除し、モータシャフトのための貴重な場所を保護する。

磁石１３０の各々は、回転シャフト１２０の長手方向軸１２２に沿って軸方向に延在し、磁極を形成するために、回転シャフト１２０の外周において軸１２２の周りに半径方向に位置決めされる。磁石１３０は、回転シャフト１２０の外周の周りに恒久的に貼り付けられる。

図１～図５は、４０個の円周方向に離間された磁石１３０及び磁極を有するクローポールモータ１００を示す一方で、磁石の数は、ステータアセンブリ１５０のステータ歯の数及び／又はソレノイドコイル又は巻線１７０のジグザグの数に対応するように変えられてもよい。例えば、磁石の数は、ステータアセンブリ１５０の磁気クローポール／ステータ歯１８３及び１８５の数に等しくてもよい。更に、長い軸方向の長さが要求される場合には、永久磁石１３０は、亀裂又は破損を回避するためにセグメント化して組み立てられてもよい。このような実施形態においては、永久磁石１３０は、回転シャフト１２０に沿って軸方向に離間されたセグメントから形成される。

クローポールモータ１００の隣接する磁石１３０は、反対のＮ－Ｓ極性を有してもよい。このＮ－Ｓアレイは、磁石１３０が取り付けられる磁気ヨークを要求する。或いは、磁気アレイは、筐体アセンブリ１８０の第１の部分１８２及び第２の部分１８４のそれぞれのステータ歯１８３及び１８５と同じ角距離で離間されたＮ及びＳ極性磁石の間隔を伴う、繰り返しＥ－Ｎ－Ｗ－Ｓ分極シーケンスを含んでもよい。このＥ－Ｎ－Ｗ－Ｓ磁石アレイは、磁気ヨークを要求しない。

図１６に示されるロータアセンブリの実施形態においては、ロータアセンブリ２１０は、複数の磁極２３０の間に複数の磁束コンセントレータ２４０を含む。この実施形態においては、磁束コンセントレータ２４０及び磁極２３０の各々は、各磁束コンセントレータ２４０が回転シャフト１２０の周りに各磁極２３０と交互になるように、回転シャフト１２０の長手方向軸１２２に沿って軸方向に延在し、軸１２２の周りに半径方向に位置決めされる。加えて、各磁束コンセントレータ２４０には、各磁束コンセントレータ２４０の内面から半径方向外向きに延在するノッチ２５０が設けられる。ノッチ２５０は、余分な重量を取り除き、空冷ロータアセンブリ２１０のための経路を提供する。

ロータアセンブリ１１０は、積層造形プロセスによって構築されたモノリシック要素であってもよい。例えば、ロータアセンブリ１１０は、磁石及び鉄粉で積層造形プロセスによって作られてもよい。

ステータアセンブリ１５０は、概して、筐体アセンブリ１８０内に環状ソレノイドコイル１６０及びジグザグソレノイドコイル１７０を備える。

ジグザグソレノイドコイル１７０は、正方形、三角形、又は正弦波タイプのジグザグソレノイドコイル又はそれらの任意の組み合わせであってもよい。環状ソレノイドコイル１６０及びジグザグソレノイドコイル１７０はそれぞれ、選択的に通電されてもよい複数の導電性巻線を備える。

筐体アセンブリ１８０は、左側部分１８２及び右側部分１８４を含む。左側部分１８２は、外側本体部分１８６、延在部分１８７、及び複数の円周方向に離間された三角形のステータ歯１８３を有する概して環状の部材である。延在部分１８７は、ステータ歯１８３を支持するために、外側本体部分１８６から内向きに延在する。ステータ歯１８３は、第１の複数の磁気クローポールを形成する。ステータ歯１８３は、回転シャフト１２０の長手方向軸１２２の周りに半径方向に位置決められ、長手方向軸１２２に沿って軸方向に延在する。右側部分１８４は、外側本体部分１８８、延在部分１８９、及び複数の円周方向に離間された三角形のステータ歯１８５を有する概して環状の部材である。延在部分１８９は、ステータ歯１８５を支持するために、外側本体部分１８８から内向きに延在する。ステータ歯１８５は、第２の複数の磁気クローポールを形成する。ステータ歯１８５は、回転シャフト１２０の長手方向軸１２２の周りに半径方向に位置決めされ、長手方向軸１２２に沿って軸方向に延在する。

この結果、筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２及び右側部分１８４は、複数の内側の交差する、交互に重なり合うステータ歯１８３及び１８５を提供する。ステータ歯１８３及び１８５は、長手方向軸１２２に対して互いに反対方向に軸方向に延在する。示されるように、左側部分１８２のステータ歯１８３は、筐体アセンブリ１８０の右側部分１８４のステータ歯１８４と軸１２２の周りに交互になり、軸方向及び半径方向に重い合う。図７及び図１３に示されるように、筐体アセンブリ１８０の第１の部分１８２のステータ歯１８３及び筐体アセンブリ１８０の第２の部分１８４のステータ歯１８５は、軸方向の重なり１９６を画定する。

環状ステータスペース１９２が、筐体１８０の左側部分１８２の延在部分１８７と右側部分１８４の延在部分１８９との間にそれぞれ軸方向に形成され、筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２及び右側部分１８４の外側本体部分１８６及び１８８と左側部分１８２及び右側部分１８４の内側の重なり合う歯１８３及び１８５との間にそれぞれ半径方向に形成される。環状ソレノイドコイル１６０は、このような環状スペース１９２に配置される。この結果、筐体アセンブリの部分１８２及び１８４は、図１２に示されるように、それらの間に、回転シャフト１２０の長手方向軸１２２の周りに延在する、ステータチャネル又はギャップ１９２を画定し、環状ソレノイドコイル１６０は、回転シャフト１２０の長手方向軸１２２の周りの筐体アセンブリ１８０のステータギャップ１９２内に位置決めされる。それによって、ソレノイドコイル１６０は、磁石１３０及び回転シャフト１２０の半径方向外側に、回転シャフト１２０の長手方向軸１２２の周りに延在する。

ジグザグスペース又はギャップ１９４がまた、回転シャフト１２０の長手方向軸１２２の周りの筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２のステータ歯１８３と対向する右側部分１８４のステータ歯１８５との間にそれぞれに形成される。ソレノイドコイル１７０は、このような環状スペース１９４に配置される。この結果、図３及び図７～図１２に示されるように、筐体ジャアセンブリ１８０の第１の部分１８２のステータ歯１８３及び筐体アセンブリ１８０の第２の部分１８４のステータ歯１８５は、回転シャフト１２０の長手方向軸１２２の周りに、半径方向に延在し、軸方向に織り込むステータ歯チャネル又はギャップ１９４をそれらの間に画定し、ジグザグソレノイドコイル１７０は、筐体アセンブリ１８０の第１の部分１８２のステータ歯１８３と筐体アセンブリ１８０の第２の部分１８４のステータ歯１８５との間のギャップ１９４内に軸方向に位置決めされる。それによって、ジグザグソレノイドコイル１７０は、磁石１３０及び回転シャフト１２０の半径方向外側であるがソレノイドコイル１６０の半径方向内側に、回転シャフト１２０の長手方向軸１２２の周りに延在する。

この実施形態においては、筐体アセンブリ１８０は、筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２の第１の延在部分１８７における筐体ギャップ１８１と、筐体アセンブリ１８０の第２の部分１８４の第２の延在部分１８９における筐体ギャップ１９０とを含む。第１の筐体ギャップ１８１及び第２の筐体ギャップ１９０は、環状ソレノイドコイル１６０が筐体アセンブリ１８０内に完全にカプセル化されないことを可能にする。筐体ギャップ１８１及び１９０は、対向するステータ歯１８３及び１８５を、筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２及び右側部分１８４の外側本体部分１８６及び１８８からそれぞれ磁気的に絶縁し、漏れ磁束を低減させ、それは、クローポールモータ１００のピークトルクの増加をもたらす。

通常、左側部分１８２のステータ歯１８３と右側部分１８４のステータ歯１８５との間のスペースはまさに空の空間であった。この実施形態においては、ジグザグソレノイドコイル１７０は、この位置に起因するモータの性能を改善しながら、この空きスペースを利用する。例えば、１ターンのジグザグ巻線１７０を５ターンのメイン巻線１６０に追加すると、ピーク出力がおおよそ４０％改善し、トルクの直線性が大幅に改善した。ジグザグソレノイドコイル１７０がない場合には、クローポールモータ１００は２相で動作することができず、更にはサイズ及び重量を増加させることなく定格出力を提供することができない。ステータ歯１８３及び１８５とジグザグソレノイドコイル１７０との間のエアギャップは、電気絶縁のために使用される。絶縁されたジグザグソレノイドコイル１７０は、概して、その内径がステータアセンブリ１５０並びにステータ歯１８３及び１８５の内径よりわずかに大きいように位置してもよい。

モータ１００の実施形態においては、筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２と右側部分１８４との間のステータ歯１８３及び１８５の総数は、ロータアセンブリ１１０の磁石１３０及び磁極の総数に等しい。筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２及び右側部分１８４の各々は、合計８０個のステータ歯に対して交互に重なり合う順序で位置決めされた４０個の三角形のステータ歯を有する。

一実施形態においては、クローポールモータ１００は、少なくとも１つの相を有する。単相のクローポールモータの場合には、筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２のステータ１８３及び右側部分１８４のステータ歯１８５は、磁気的に決定された開始位置を提供するために半径方向に非対称であってもよい。２相以上のクローポールモータの場合には、筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２の歯１８３及び右側部分１８４のステータ歯１８５は、半径方向に対称であってもよい。

筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２及び右側部分１８４は、粉末磁性材料（例えば、Ｈｏｇａｎａｓ Ｓｏｍａｌｏｙ ７００ＨＲ ５Ｐ）がカスタムダイで圧縮される粉末金属圧縮プロセスを使用して製造されてもよい。用途に依存して、他の種類の粉末が代替手段として使用されてもよい。筐体アセンブリ１８０は軟磁性材料で作られる。例として、低炭素鋼、ケイ素鋼、鉄－コバルト合金、及び成形又は積層造形（ＡＭ）粉末鉄が含まれるが、これらに限定されない。筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２及び右側部分１８４はそれぞれ、積層造形プロセスによって構築されたモノリシック要素であってもよく、又は筐体アセンブリ１８０は、積層造形プロセスによって構築されたモノリシック筐体であってもよい。例えば、ステータアセンブリ１５０は、銅及び鉄粉で積層造形プロセスによって作られてもよい。

環状ソレノイドコイル１６０及びジグザグソレノイドコイル１７０は、少なくとも１つのターンを含む電磁巻線を備える。ソレノイドコイル１６０及び１７０はそれぞれ、銅、アルミニウムワイヤ、リボン、又は意図された目的に適しており、当業者によって理解される任意の他の材料で巻き付かれる。環状ソレノイドコイル１６０及びジグザグソレノイドコイル１７０は、相対的に正方形の断面で示されるが、他の実施形態は、円形又は楕円形の断面を有する環状ソレノイドコイル及びジグザグソレノイドコイルを含んでもよい。

ジグザグソレノイドコイル１７０は、横方向磁束型巻線である。ジグザグソレノイドコイル１７０は、それ自体で、又は環状モータコイル１６０と組み合わせて、モータ１００を駆動させるために通電されてもよい。ジグザグソレノイドコイル１７０は、環状ソレノイドコイル１６０を連結する磁束の全てがまたジグザグソレノイドコイル１７０を連結するように、トロイドとして巻き付かれ、ステータ歯１８３と１８５との間に織り込まれるように成形される。環状ソレノイドコイル１６０に追加し、クローポールモータの実効トルク定数及びモータ定数を増加させる以外に、ジグザグソレノイドコイル１７０の位置は、巻線１６０及び１７０からの磁束漏れが少なく、より多くの総励磁が可能であるように、環状ソレノイドコイル１６０よりはるかに低い漏れ磁束を生成し、それは、より高い極限ピークトルクと共に、同じ総励磁に対するより高いピークトルクをもたらす。

１ターンのコイルは、ソレノイドコイル１７０を形成するために、ジグザグパターンで平坦に形成され、そして丸い形状に巻かれることができる。小さいゲージワイヤを有するリッツ線が、ジグザグソレノイドコイル１７０を形成するために使用されてもよい。ジグザグソレノイドコイル１７０はまた、別個に励磁可能であってもよいが、ジグザグソレノイドコイル１７０は、各相及び直列で環状ソレノイドコイル１６０に広く接続されてもよい。リッツ線が要求されない低速及び低周波数においては、ジグザグソレノイドコイル１７０は、固体導体から形成されてもよい。トロイドコイルから開始して、丸いコイルは、爪型成形工具で両側を押圧することによって形成されてもよく、コイルが最終的な丸いジグザグ形状に押圧されながら、工具は半径方向に自由に摺動する。

ジグザグソレノイドコイル１７０は、トルクの直線性及びモータ定数を改善し、クローポールモータの電力損失を低減させながら、より高い極限負荷が実現されることを可能にする。磁束をステータ歯に向けることに加えて、ジグザグソレノイドコイル１７０は、メインソレノイドコイル１６０より多くのピークトルクを提供する位置において、全体積を増加させることなく追加の巻線スペースを追加する。より多くの巻線スペースを追加することが、概して損失を低下させ、熱的に制限されたモータ出力を増加させる。この実施形態においては、ピークトルクはまた、環状ソレノイドコイル１６０におけるターンに対するジグザグソレノイドコイル１７０における追加のターンを超える比率で増加し、同じ全体積でより連続的なピーク電力をもたらす。ジグザグソレノイドコイル１７０のジグザグターンの数を増加させると、ピークトルクが増加する。ジグザグソレノイドコイル１７０のジグザグ巻数ターンの数が、ジグザグターンの数が環状ソレノイドコイル１６０のメイン巻線ターンのおおよそ４０％に等しくなる点まで増加すると、モータ定数がまた増加する。この比率は変化してもよく、環状ソレノイドコイル１６０の深さ、ステータアセンブリ１５０の軸方向長さ、磁石１３０の形状、ポールピッチに対するクローポール幅の比率、磁石１３０の深さ、磁石１３０の数、及びクローポールモータ１００の直径の関数である。

図１２を参照すると、クローポールモータ１００は、磁束がロータアセンブリ１１０の第１の磁石１３０からエアギャップ１５４を横切って、ステータアセンブリ１５０の筐体アセンブリ１８０の右側部分１８４の第１のステータ歯１８５に流れる磁束経路１３２を有する。そして、磁束は、ステータ歯１８５から、筐体アセンブリ１８０の右側部分１８４の延在部分１８９及び外側本体部分１８８を通って、筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２の外側本体部分１８６に流れる。次に、磁束は、ステータアセンブリ１５０の筐体アセンブリ１８０の左側部分１８２の外側本体部分１８６から延在部分１８７を通って、ステータ歯１８３に流れる。そして、磁束は、ステータ歯１８３からエアギャップ１５４を横切って、ロータアセンブリ１１０の第１の磁石１３０に対して反対の極性を有するロータアセンブリ１１０の第２の磁石に流れる。

一連の環状ソレノイドコイル１６０、ジグザグソレノイドコイル１７０、及び筐体アセンブリ１８０は、モータ相間で角度シフトを伴う繰り返しパターンで積み重ねられてもよい。図１３～図１５の三重スタック構成に示されるように、複数のステータアセンブリ１５０Ａ、１５０Ｂ、及び１５０Ｃが、多相モータを形成するために軸方向に積み重ねられる。図１３～図１５に示される実施形態においては、３相クローポールモータ２００は、ハウジング２０１に取り囲まれた３つのステータアセンブリ１５０Ａ、１５０Ｂ、及び１５０Ｃを含む。ステータアセンブリ１５０Ａ、１５０Ｂ、及び１５０Ｃは、ハウジング２０１において軸方向に位置合わせされ、ハウジング２０１の第１の部分２０２と第２の部分２０４との間に挟まれる。第１の部分２０２及び第２の部分２０４は、ハウジング２０１を形成するために、ファスナ２０６によって軸方向に共に結合される。隣接するステータアセンブリ１５０Ａと１５０Ｂとの間、及び隣接するステータアセンブリ１５０Ｂと１５０Ｃとの間の軸方向距離又はギャップは、ロータアセンブリ１１０とステータアセンブリ１５０Ａ、１５０Ｂ、及び１５０Ｃとの間の半径方向距離又はギャップ１５４以上であってもよい。

ステータアセンブリ１５０Ａ、１５０Ｂ、及び１５０Ｃの各々は、環状ソレノイドコイル１６０Ａ、１６０Ｂ、及び１６０Ｃ、並びにジグザグソレノイドコイル１７０Ａ、１７０Ｂ、及び１７０Ｃをそれぞれ備える。環状ソレノイドコイル１６０Ａ及びジグザグソレノイドコイル１７０Ａは、３相のうちの第１相用であり、環状ソレノイドコイル１６０Ｂ及びジグザグソレノイドコイル１７０Ｂは、３相のうちの第２相用であり、環状ソレノイドコイル１６０Ｃ及びジグザグソレノイドコイル１７０Ｃは、３相のうちの第３相用である。この結果、ソレノイドコイル１６０及び１７０、並びに筐体アセンブリ１８０は、モータ相間で角度シフトを伴う繰り返しパターンで軸方向に積み重ねられてもよい。

モータ２００は多くの利点を提供する。例えば、モータ２００は、高レベルの耐故障性を有し、モータ相間でモータの電気巻線を物理的に完全に絶縁することを要求する、航空宇宙又は極限環境のような高信頼性の用途で使用されてもよい。

本開示は、多くの変化及び変更がなされてもよいことを企図する。従って、改良されたクローポールモータの形態が示され、説明され、幾つかの代替手段が議論されるが、当業者は、添付の特許請求の範囲によって画定及び区別されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な追加の変化及び変更がなされてもよいことを容易に理解するであろう。

Claims (20)

1. ステータアセンブリと、
   長手方向軸の周りに配向され、且つ前記ステータアセンブリに対して前記長手方向軸の周りを移動するように取り付けられたロータアセンブリと、
   前記ステータアセンブリと前記ロータアセンブリとの間の半径方向のエアギャップと
   を備えるクローポールモータであって、
   前記ステータアセンブリは、前記長手方向軸の周りに半径方向に配向され、且つ第１の方向に軸方向に延在する複数の第１のステータ歯を有する第１のステータ部分と、前記長手方向軸の周りに半径方向に配向され、且つ前記第１の方向とは反対の第２の方向に軸方向に延在する複数の第２のステータ歯を有する第２のステータ部分とを備え、
   前記第１のステータ部分及び前記第２のステータ部分は、前記長手方向軸の周りに配向され、且つ前記第１のステータ部分と前記第２のステータ部分との間であって前記長手方向軸の周りに、軸方向及び半径方向に延在する第１のギャップを画定し、
   前記複数の第１のステータ歯の少なくとも一部は、前記第２の方向に軸方向に延在する前記複数の第２のステータ歯の少なくとも一部を超えて前記第１の方向に軸方向に延在して、前記第１のギャップの半径方向内側に前記長手方向軸の周りに配向され、且つ前記第１のステータ部分の前記複数の第１のステータ歯と前記第２のステータ部分の前記複数の第２のステータ歯との間であって前記長手方向軸の周りに、半径方向に延在し、軸方向に曲がりくねっている第２のギャップを形成し、
   前記第１のステータ部分と前記第２のステータ部分との間の前記第１のギャップに配置され、且つ前記ロータアセンブリにトルクを与えるために選択的に通電されるように構成された第１の電磁巻線と、
   前記ステータアセンブリの前記第１のステータ部分の前記複数の第１のステータ歯と前記第２のステータ部分の前記複数の第２のステータ歯との間の前記第２のギャップに、前記第１の電磁巻線の半径方向内側に配置され、且つ前記ロータアセンブリにトルクを与えるために選択的に通電されるように構成された第２の電磁巻線と
   を備えるクローポールモータ。
2. 前記ロータアセンブリは、非磁性である回転シャフトを備える、請求項１に記載のクローポールモータ。
3. 前記ロータアセンブリは、前記長手方向軸の周りに離間された複数の永久磁石を備える、請求項２に記載のクローポールモータ。
4. 前記複数の永久磁石は、前記回転シャフトに取り付けられている、請求項３に記載のクローポールモータ。
5. 前記第１のステータ部分の前記複数の第１のステータ歯及び前記第２のステータ部分の前記複数の第２のステータ歯の総数は、前記ロータアセンブリの前記複数の永久磁石の総数に等しい、請求項３に記載のクローポールモータ。
6. 前記ステータアセンブリの前記複数の第１のステータ歯及び前記複数の第２のステータ歯の総数は４０である、請求項５に記載のクローポールモータ。
7. 前記ステータアセンブリの前記第１のステータ部分は、第１の外側本体部分及び第１の延在部分を備え、前記ステータアセンブリの前記第２のステータ部分は、第２の外側本体部分及び第２の延在部分を備える、請求項３に記載のクローポールモータ。
8. 前記ステータアセンブリ及び前記ロータアセンブリは、前記複数の永久磁石のうちの第１の磁石から前記半径方向のエアギャップを横切って、前記ステータアセンブリの前記第１のステータ部分の前記複数の第１のステータ歯のうちの第１のステータ歯まで延在する磁束経路を含む、請求項７に記載のクローポールモータ。
9. 前記磁束経路は、前記第１のステータ部分の前記複数の第１のステータ歯のうちの前記第１のステータ歯から、前記第１のステータ部分の前記第１の延在部分及び前記第１の外側本体部分を通って、前記ステータアセンブリの前記第２のステータ部分まで延在する、請求項８に記載のクローポールモータ。
10. 前記磁束経路は、前記第１のステータ部分の前記第１の外側本体部分から、前記第２の外側本体部分及び前記第２の延在部分を通って、前記ステータアセンブリの前記第２のステータ部分の前記複数の第２のステータ歯のうちの第２のステータ歯まで延在する、請求項９に記載のクローポールモータ。
11. 前記磁束経路は、前記第２のステータ部分の前記複数の第２のステータ歯のうちの前記第２のステータ歯から、前記半径方向のエアギャップを横切って、前記複数の永久磁石のうちの第２の磁石まで延在する、請求項１０に記載のクローポールモータ。
12. 第２のステータアセンブリであって、前記第２のステータアセンブリのギャップに配置され、前記ロータアセンブリにトルクを与えるために選択的に通電されるように構成された第３の電磁巻線と、前記第２のステータアセンブリの複数のステータ歯の間のギャップに配置され、前記ロータアセンブリにトルクを与えるために選択的に通電されるように構成された第４の電磁巻線とを備える第２のステータアセンブリを備える、請求項１に記載のクローポールモータ。
13. 第３のステータアセンブリであって、前記第３のステータアセンブリのギャップに配置され、前記ロータアセンブリにトルクを与えるために選択的に通電されるように構成された第５の電磁巻線と、前記第３のステータアセンブリの複数のステータ歯の間のギャップに配置され、前記ロータアセンブリにトルクを与えるために選択的に通電されるように構成された第６の電磁巻線とを備える第３のステータアセンブリを備える、請求項１２に記載のクローポールモータ。
14. 前記ステータアセンブリ、前記第２のステータアセンブリ、及び前記第３のステータアセンブリは、前記長手方向軸に沿って軸方向に離間され、前記長手方向軸に対して半径方向に整列している、請求項１３に記載のクローポールモータ。
15. 前記ステータアセンブリと前記第２のステータアセンブリとの間の軸方向距離は、前記ロータアセンブリと前記ステータアセンブリとの間の前記半径方向のエアギャップの半径方向距離以上である、請求項１３に記載のクローポールモータ。
16. 前記ステータアセンブリ、前記第２のステータアセンブリ、及び前記第３のステータアセンブリは、ハウジングに包含されている、請求項１３に記載のクローポールモータ。
17. 前記ロータアセンブリは、磁気角度ピッチを含み、前記ステータアセンブリは、ステータ歯角度ピッチを含み、前記磁気角度ピッチは、前記ステータ歯角度ピッチに等しい、請求項１に記載のクローポールモータ。
18. 前記第１の電磁巻線は、環状コイルを形成している、請求項１に記載のクローポールモータ。
19. 前記第２の電磁巻線は、前記長手方向軸の周りに軸方向のジグザグパターンで構成されている、請求項１に記載のクローポールモータ。
20. 前記第１のステータ部分の前記複数の第１のステータ歯は、前記長手方向軸の周りに前記第２のステータ部分の前記複数の第２のステータ歯と交互になっている、請求項１に記載のクローポールモータ。

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