JP2017532948A - 積層シート巻線を有する電気モータ - Google Patents

Abstract

電気機械は、積層シート巻線（ＬＳＷ）と、ＬＳＷの周りを回転する永久磁石とを使用する。「半径方向」実施形態は、半径方向に磁化された磁石と、回転軸と平行に置かれたＬＳＷとを使用する。「軸方向」実施形態は、軸方向に磁化された磁石と、モータの平面に半径方向に置かれたＬＳＷとを使用する。磁石は、ハルバッハ配列として配置されてもよい。磁石及びＬＳＷは、間にエアギャップを伴い、同心状に配置され、モータは、「ラージ・エアギャップ・エレクトリック・リング」（ＬＡＧＥＲ）技術を用いてもよい。積層シートは、直列接続された同心金属層で構成された連続積層体を形成し、誘電絶縁体層は、各金属層をその隣り合う層から絶縁する。各ＬＳＷを一周するように周期的に配置された切込みが、回転軸と平行に延び、金属層の全てを貫通し、隣り合う切込みは、電流が巻線を一周するように流れる際に、電流が流れる蛇行経路を形成するよう、ＬＳＷの相対する側から開始する。

Description

発明の詳細な説明

［関連出願］
本出願は、２０１４年９月１６日に提出された、Ｇｅｒｙらの仮特許出願第６２／０５１，２３５号の利益を主張するものである。
［発明の背景］
［発明の分野］
本発明は、一般的には電気機械に関し、より具体的には積層シート巻線（ＬＳＷ）を用いた高効率モータ及び発電機に関する。
［関連技術の説明］
国家及び地球規模の電力コストは、世の中のエネルギーへの包括的要求が増すにつれて、大きく増加すると予想される。米国エネルギー省によれば、エネルギー消費にとって最悪の元凶は、米国で生産される全ての電力のほぼ５０％を消費する電気モータである。電気モータは、米国で年間６０００億ドルの価格の電力を消費し、その数字は、２０３０年までに１兆ドルに増加すると予測される。

電気モータの基本設計は、Ｎｉｋｏｌａ Ｔｅｓｌａによる１８８８年の発明以来少しずつ変化してきた。現在のモータ製造者は、改良された材料及び製造工程を用いることで、効率をわずかに増加させてきたが、電気が機械的運動に変換される際に、依然として多量のエネルギーが熱として失われている。熱関連問題に取り組むために、追加のエネルギーコストを負う可能性がある。例えば、交流誘導電動機の中には、モータが作り出す多量の熱を放散させるだけのために、電力を消費するファンを使用するものがある。別の例としては、モータが高速だと熱の量の増加を引き起こし、効率に悪影響を及ぼす（熱損失のために、より少ない入力電力が、使用できる機械的動力に変換されるため）。

電力消費及び関連コストを、ただちに、かつ有意に低減させるために、より高効率、高費用効果の電気モータが必要とされる。

よりコンパクトで軽い設計で高い効率を提供し、従来の機械より放熱が少ない電気機械、好ましくはモータ又は発電機を提示する。以下の説明では、電気モータに言及するが、モータ及び発電機の両方を含んだ電気機械が考えられると理解される。

本願の電気機械は、積層シートからなる固定巻線と、囲むように配列され、巻線により生じる磁場に応じて巻線の周りを回転する永久磁石とを使用する。
多数の実施形態が説明されている。「半径方向」実施形態は、半径方向に磁化された少なくとも１つの配列の磁石と、モータの回転軸と平行に置かれ、磁石がモータの回転軸と垂直な平面に磁場を作るように配置された少なくとも１つの組の積層シート巻線（ＬＳＷ）とを使用する。あるいは、モータは、「軸方向」実施形態に配置されてもよく、その場合、少なくとも１つの配列の磁石が軸方向に磁化され、磁石が回転軸と一直線に並ぶ垂直軸に磁場を作るように、少なくとも１つの組のＬＳＷが、モータの平面に半径方向に置かれる。半径方向及び軸方向実施形態の両方とも、磁石配列は、ハルバッハ（Ｈａｌｂａｃｈ）配列として配置されてよい、いくつかの考えられ得るハルバッハ配列の配置が、説明される。

半径方向及び軸方向実施形態の両方とも、磁石及び巻線は、間にエアギャップを伴い、同心状に配置される。モータは、「ラージ・エアギャップ・エレクトリック・リング（Large Air Gap Electric Ring）」（ＬＡＧＥＲ）技術を用いてもよく、その場合、エアギャップを従来のモータで使用されるものより大きくし、ＬＳＷをエアギャップ内に配置してもよい。

半径方向実施形態では、好ましくは３相（またはそれ以上の）モータを提供するための３組（またはそれ以上）の巻線が、モータの回転軸の周りに半径方向に配置されて、直列接続された同心金属層で構成された連続積層体を形成する積層金属シートを備え、誘電絶縁体層が、各金属層をその隣り合う金属層から電気的に絶縁するために使用される。好ましくは、切込みが、各ＬＳＷに一周するように周期的に配置され、各切込みが、回転軸と平行に延びて同心金属層の全てを貫通し、各切込みの奥行が、ＬＳＷの奥行未満であり、隣り合う切込みが、電流がＬＳＷを一周するように流れる際に、電流が流れる蛇行経路を切込みが形成するよう、ＬＳＷの相対する側から開始する。

軸方向実施形態では、好ましくは上述の通り３相以上の巻線が、モータの平面に半径方向に置かれて、好ましくは蛇行経路をとった、直列接続された同心金属層で構成された連続積層体を形成する積層金属シートを備え、誘電絶縁体層が、各金属層をその隣り合う金属層から電気的に絶縁する。

積層シートは、銅又はアルミニウムなどの導電性材料から作られることが好ましい。各巻線の導体の金属密度は、従来の巻線の提供する金属密度よりはるかに高いため、力密度が高くなる。

本発明のこれらの及びその他の特徴、側面、及び利点は、以下の図面、説明、及び請求項を参照して、よりよく理解されるであろう。

半径方向構成の本願モータの側面図である。 バックアイアン（ｂａｃｋ−ｉｒｏｎ）を使用した半径方向構成の本願モータの側面図である。 ２つのハルバッハ磁石配列を使用した半径方向構成の本願モータの側面図である。 図３ａに表すハルバッハ磁石配列の拡大図である。 角柱形の磁石を使用したハルバッハ磁石配列構成の拡大図である。 長方形の磁石を使用した磁石配列構成の拡大図であり、各磁極が互いに９０°に磁化された２つのブロックで形成される。 軸方向構成の本願モータの斜視図である。 軸方向構成の断面図であり、モータの積層シート巻線（ＬＳＷ）の蛇行経路を表す。 ２つのハルバッハ磁石配列を使用した軸方向構成の本願モータの拡大図である。 １組のＬＳＷを表す、半径方向構成の本願モータの拡大図である。 図９ａに表す１組のＬＳＷの拡大図である。 半径方向構成の本願モータとともに使用可能なＬＳＷの斜視図である。 ３組のＬＳＷを表す、半径方向構成の本願モータの拡大図である。 ここに記載の巻線切込みを表す、３組のＬＳＷの一部の図である。 交互配置された３組のＬＳＷを表す、半径方向構成の本願モータの拡大図である。 方位角的に積み重なった３組のＬＳＷを表す、半径方向構成の本願モータの拡大図である。 方位角的に積み重なった３組のＬＳＷを表す、半径方向構成の本願モータの考えられ得る別の実施形態の拡大図である。 磁石配列の奥行を超える奥行を有する１組のＬＳＷを表す、半径方向構成の本願モータの拡大図である。 トルク対導体奥行のグラフである。 細長い垂直スリットを有するＬＳＷの拡大図である。 湾曲したｃ形状スリットを有するＬＳＷの拡大図である。 細長い垂直スリット及び湾曲したｃ形状スリットの両方を有するＬＳＷの拡大図である。 モータの平面に半径方向に置かれた３組のＬＳＷを表す、軸方向構成の本願モータの拡大図である。 ３組のＬＳＷの蛇行経路を表す、軸方向構成の本願モータの断面図である。 本願モータとともに使用可能な、通気口を有するモータハウジングの斜視図である。 ファンブレードの特徴を有する本願モータの斜視図である。

［発明の詳細な説明］
本願モータは、「半径方向」及び「軸方向」構成の両方で提供することができ、各構成に、考えられ得るいくつかの異なる磁石及び巻線の変形例が存在する。半径方向構成を図１に表す。モータ１０は、図１でモータのあるｘ−ｙ平面と垂直な対応回転軸を有する。モータは、半径方向に磁化された少なくとも第１配列の永久磁石１２と、回転軸と平行に置かれ、磁石１２が回転軸と垂直な平面に磁場を作るように配置された少なくとも第１組１４のＬＳＷとを有する。磁石１２及びＬＳＷ１４は、間にエアギャップ（図１では見えない）を伴い同心状に配置される。ここにおいて、「奥行」とは、回転軸と平行な軸（「巻線軸」ともいう）に沿って測った距離のことであり、「幅」とは、半径方向に測った距離のことであると留意してほしい。モータには、ＬＡＧＥＲ技術を用いることが好ましく、その場合、巻線をエアギャップ内に配置し、エアギャップを従来のモータで使用されるものより大きくしてもよい。

本願モータは、第１組のＬＳＷ１４の外側又は巻線の内側に、単一配列の磁石１２を有してもよい。モータは、半径方向に磁化された第２配列の永久磁石１６も有してよく、図１にあるように、第１及び第２磁石配列が、ＬＳＷ１４の両側にあってもよい。作動の際、ＬＳＷ１４は動かず、磁石配列が、巻線の周りを、回転軸を中心に回転する。

別の考えられ得る実施形態では、第１配列の磁石１２を、ＬＳＷ１４の外側又は内側に有し、かつ、「バックアイアン」、一般的には第１強磁性リング１８を、巻線の、第１配列の磁石と反対の側に使用する、これは図２に表される。第２の強磁性リング２０を、第１磁石配列１２の外周まわりに用いて、磁石間の磁場の経路のための追加の材料を堤供してもよい。強磁性リングを使用することで、磁石が作る磁束が強まるため、電流の使用が低減され、モータ損失が減少する。しかし、強磁性リングも、リング構造内の渦電流のために、いくらかの損失を生む恐れのあることに留意してほしい。どんな種類の永久磁石が使用されてもよい。磁石は、例えば、希土類磁石であってもよい。

別の考えられ得るモータの実施形態を、図３ａ及び３ｂに表す。ここでは、磁場は、ＬＳＷ１４の外側及び内側にそれぞれ設けられた第１及び第２磁石配列２２、２４により生み出され、両配列とも、ハルバッハ永久磁石配列として配置される。図３ｂは、図３ａに表すハルバッハ配列の拡大図であり、磁石の磁化方向を矢印で表す。このように配置された場合、ハルバッハ配列は、モータの作動に必要な全磁場の経路を提供し、それにより、強磁性リング（図２のリング２０のような）が不要になり得る。磁場の経路内に鉄がなければ、鉄損失がなくなり、磁石アセンブリをより小さく軽くすることができる一方で、巻線の方向に高い磁束密度を生む。これは、単位トルク及び電力あたりの回転質量を、大きく低減させる。

配列内の個々の磁石は、多くの異なった形状を有することが可能である。例えば、磁石は、湾曲した又は真っすぐなくさび形にすることができる。図３ａ及び３ｂに表す実施形態では、横型磁石（２６、２８）は、台形のくさび形状をしている。他の実施形態では、長方形又は湾曲したれんが形状の磁石を使用してもよい。さらなる他の実施形態では、台形、円筒形、及び、長方形などの異なる形状の磁石を組み合わせが、使用され得る。磁石を、その界面３０において非導電性接着剤を用いて接合することが好ましく、これは、磁石の接合部を横切る渦から渦電流を除去するのに役立つ。特定用途のための望ましい磁石形状を、いくつかの方法で選択してもよい。１つの方法では、例えば電気的要件、寸法、コストなどの現実世界の制約が、配列を作る際に使用される磁石の形状を規定する。いったん磁石の形状がわかれば、システムの他のパラメータを決めてもよい。

ＬＳＷ３６の両側に、第１及び第２ハルバッハ永久磁石配列３２、３４を用いた別の実施形態を、図４に表す。「くさび形ハルバッハ配列」（ＷＨＢ）と呼ばれるこの配置は、磁石の全てが角柱形状のくさび形であり、各磁石は、矢印で示された磁化方向を有する。図示された角度が付けられた方向は、エアギャップ内に、従来のハルバッハ配列より高い磁束密度をもたらす可能性がある。配列は、回転機を収容するために環状に配置される。この実施形態では、以下でより詳細に述べるＬＳＷ３６の丸みのある端部も用いられる。

別の考えられ得る半径方向実施形態を、図５に表す。第１及び第２配列の磁石４０、４２は、長方形の又は湾曲したれんが形状である。各磁極は、互いに対して９０°に磁化された２つブロックを有し、２つのブロックのうちの１つ、例えばブロック磁石４４は、方位角方向に対して＋４５°の角度で磁化され、２つのブロックのうちのもう１つ、例えばブロック磁石４６は,
方位角方向に対して−４５°の角度で磁化される。磁石が長方形であるために、この実施形態は、図４に表す角柱形状のくさび形の実施形態より、製造がずっと容易である。それぞれが磁極弧の半分をカバーするブロック磁石と、方位角方向から±４５°の磁化パターンとを使用して、図４に表す磁場密度と同様の磁場密度を得てもよい。同様の磁場効果を生むために、他の磁石形状及び磁化方向を用いることができると理解される。

「軸方向」構成を図６に表す。モータ５０は、上記のような対応回転軸を有する。モータは、軸方向に磁化された少なくとも第１配列の磁石５２と、磁石が回転軸と一直線に並ぶ垂直軸に磁場を作るように、モータの平面に半径方向に置かれた、少なくとも第１組のＬＳＷ５４とを備える。磁石及びＬＳＷは、間にエアギャップを伴い、同心状に配置される。

軸方向構成のモータは、いくつかの構成のうちのいずれを有してもよい。例えば、モータは、ＬＳＷ５４の一方の側の単一配列の磁石と、巻線のもう一方の側の強磁性ディスクなどのバックアイアンとを有してもよい。別の考えられ得る配置では、ＬＳＷの一方の側の第１配列の磁石と、巻線のもう一方の側の第２配列の磁石とを有する。さらなる別の可能性としては、図６に表すとおり、ＬＳＷ５４の一方の側の第１配列の磁石５２と、巻線のもう一方の側の第２配列の磁石５６と、各磁石配列を支持する強磁性ディスク５８、６０などのバックアイアンとを有する。

巻線５４は、蛇行形状に形成することができる、これを図７に表す、そこでは、巻線は、磁石配列５２（巻線を見せるために、一部が取り除かれている）の下に表されている。こうすることで、電流はＬＳＷが形成する蛇行経路を強制的に流され、磁石の構造に適切にかみあってトルクを生む。

別の考えられ得る軸方向実施形態を、図８に表す。ここでは、第１配列の磁石６２及び第２配列の磁石６４が、それぞれ、ハルバッハ配列として配置される。磁石は、角柱形状のくさび形であることが好ましい。図７に示す磁化方向は、１つの可能な配置にすぎないことに留意してほしい。例えば、磁化方向が±４５°の配列も考えられる。半径方向構成と同じく、作動時にＬＳＷ５４は動かず、磁石配列が、巻線の周りを、回転軸を中心に回転する。

ここに記載される全ての実施形態で用いられるＬＳＷの詳細を、以下に説明する。半径方向実施形態では、第１組のＬＳＷは、回転軸の周りに半径方向に配置されて、直列接続された同心金属層で構成された連続積層体を形成する積層金属シートと、各金属層をその隣り合う金属層から電気的に絶縁するために使用される誘電絶縁体層とを備えるであろう。これを、図９ａ及び９ｂに表す。図９ａに、１組のＬＳＷ７０を、磁石配列７２及び７４の間に表す（エアギャップ７５により磁石から分離されている）、巻線７０の拡大図を、図９ｂに表す。図９ｂで最もよく見て取れるように、ＬＳＷ７０は、直列接続された同心金属層７６で構成された連続積層体と、各金属層をその隣り合う金属層から電気的に絶縁するために使用される誘電絶縁体層７８とを備える。好ましくは、巻線の両端に近いＬＳＷ７０の部分８０は、その他の層のへりを超えて延在し、巻線のための電気接続点を提供する。

本願モータに使用するＬＳＷは、１相あたり同心円状に１５回巻かれたらせん体を備えるのが好ましい。１つの例示的な実施形態では、各層は０．０１１７インチ厚であり、０．００１４インチの厚さの誘電絶縁体層で覆われる。意図する用途によって、より多くの又はより少ない層が使用できること、及び、これらの層の厚さが異なってもよいことが理解される。

ＬＳＷ７０の斜視図を図１０に表す。そこに示される通り、好ましくは、巻線７０は、巻線を一周するように周期的に配置された切込み８２をさらに備え、切込みのそれぞれが、モータの回転軸と平行に延びて同心金属層の全てを貫通する。各切込みの奥行は、巻線７０の奥行未満であり、隣り合う切込みは、電流が巻線を一周するように流れる際に、電流が流れる蛇行経路を切込みが形成するよう、巻線の相対する側から開始する。他の多相巻線構成も可能であることが理解される。

３組の巻線に与えられる３相交流電源を使用して、多くのモータが作動される。半径方向構成のモータのための３組のＬＳＷを用いた１つの考えられ得る実施形態を、図１１に表す。第１、第２、及び、第３組のＬＳＷ９０、９２、９４が、エアギャップ内で磁石配列９６と９８との間に半径方向に積み重なっている。好ましくは、各組のＬＳＷは、上述のＬＳＷ７０、すなわち、直列接続された同心金属層で構成された連続積層体と同様に構成され、各金属層をその隣り合う金属層から電気的に絶縁するために使用される誘電絶縁体層を有する。第１、第２、及び、第３組のＬＳＷ９０、９２、９４は、モータのための各巻線相を提供する。好ましくは、巻線の各組は、上述のように巻線の同心金属層の全てを貫通する切込みを有し、そのため、電流が巻線を一周するように流れる際に電流が流れる蛇行経路を、各巻線が定義する。

第１の巻線の切込みが、第２の巻線の切込みに対して磁石の幅の３分の２相当の機械的な位相オフセットを提供する角度だけ回転され、第２の巻線の切込みが、第３の巻線の切込みに対して磁石の幅の３分の２相当の機械的な位相オフセットを提供する角度だけ回転されるように、ＬＳＷ９０、９２、９４が、互いに対して回転されることが好ましい。

磁石ピッチ角は、極性が逆の２つの隣り合う磁石によりカバーされる角度である。磁石の幅ｄ１及びｄ２は、同じである必要はない。実際、いくつかの実施形態では、モータの中心からの各磁石の異なる距離に適合させるために、幅を意図的に変えてもよい。例えば、内側及び外側配列の磁束を釣り合わせるために、ｄ２はｄ１より大きくてもよい。

図１１に表すような巻線配置の１つの潜在的な利点は、相間絶縁層（×２）だけが、高い相間電圧を維持する必要があることである。
各相が異なる半径に位置するため、各相は、異なるトルクを有することになる。加えて、エアギャップ内の磁場が均一でなければ、別の変動源を導入してもよい。本願モータの実施形態は、トルクのバランスを取ることでトルクの脈動を最小化するために、例えば導体サイズ（奥行及び円弧の長さ）及び／又は位相の層数を変えることで、各相が生む不均等なトルクを相殺するように配置されてもよい。

各相の巻線に設けられた切込みの奥行を変えることで、相間のトルクのバランスを取ってもよい。これを、３組の巻線１０２、１０４、１０６それぞれの切込み奥行（切込み奥行１００など）を表す図１２に示す。各相の巻線の蛇行を定義する切込みの奥行は、逆起電力（電圧）波形を形成するために調整可能であり、これにより、効率を改善することができる。特定の望ましい特性を実現するために、永久磁石配列の奥行の、巻線切込みの奥行に対する比も変えてよい。

半径方向構成のモータのための別の考えられ得るＬＳＷの実施形態では、図１３に表すように、位相層１１０、１１２、１１４は、磁石配列１１６、１１８の間で交互配置されている。これにより、準同一位相が作られ、こうして、製造上の困難な挑戦であり得る上述のような巻線の切込みを設ける必要性を、回避してもよい。

別のＬＳＷの実施形態を図１４に示し、モータの片側図を表す。ここでは、３つの相（１２０、１２２、１２４）が、エアギャップ内で磁石配列１２６と１２８との間に方位角的に積み重なっている（本例示的実施形態では、強磁性リング１３０が含まれる）。これは「かご」巻線と呼ばれ、電流はかごの一方の側からもう一方の側へ流れる。

図１５に、３つの相１４０、１４２、１４４が方位角的に積み重なった別の実施形態を表す（磁石配列は図示しない）。巻線３組は、積層金属シートが、誘電体層に連続的に巻かれた各巻線を構成し、らせん状に配置されてもよい。

図１６ａに表すように、ＬＳＷ１５０は、磁石１５２の奥行を超える奥行が設けられていてもよい、ＬＳＷ導体の奥行対トルクのグラフを、図１６ｂに表す。磁石１５２を超えて延びるＬＳＷ１５０の部分には、丸みがあることが好ましい。磁石の奥行に対して導体の奥行を小さくすると、機械的出力を犠牲にすることなく導体の交流抵抗を低減させることで、効率が改善される。いくつかの実施形態では、巻線の端部は、単なる直線的なへりである。図１６ａに表す実施形態の巻線端部は、巻線の製造に必要な材料の総量を削減するために丸みを帯びている。丸みのある端部は、いずれにせよ電流が流れないであろう真っ直ぐな端部の巻線から材料を取り除いたものである。加えて、露出した丸みのある巻線端部は、モータを取り巻く外気へと熱エネルギーを放散させるヒートシンクの役割を果たすことも可能である。１つの実施形態では、スロット（ｓｌｏｔ）の特徴を備えるハウジングは、機械の回転運動を用いて巻線端部全体に気流を生んで放熱を促進する、これを、より詳細に以下に説明する。

巻線全体にスリットを導入すると、ＬＳＷ内で生じる渦電流を低減させることで、効率が改善される。いくつかの異なるスリットの向きと寸法が、考えられる。例えば、図１７に表すように、細長い直線スリット１６０を、巻線軸に沿ってＬＳＷ１６２を通る形成し、巻線内で生じる渦電流を低減させることができる。図１７は、上述の切込み１６４の使用も表す。スリットの数と長さとは、特定用途の要件に応じて調整され得る。

図１８に表す別の実施形態では、湾曲したｃ形状スリット１７０を、ＬＳＷ１７２の端部近くに配置し、第１の切込み１７４の周りの電流の流れを促進し、それにより渦電流を低減させることができる。湾曲スリットの数及びスリットの直線部分の長さは、特定用途のために、必要に応じ調整され得る。

さらなる別の実施形態では、図１９に表すように、細長い直線スリット１８０と切込み１８４の周りの湾曲ｃ形状スリット１８２との組み合わせを、ＬＳＷ１８６に設けることができる。ここでは、スリットのうちの少なくともいくつかは、切込みにより作られた蛇行経路を流れ、切込みの周りの電流の流れを促進する。

本願モータの軸方向構成に適したＬＳＷを、図２０に表す。モータ２００は、軸方向に磁化された少なくとも第１配列の磁石と、磁石が回転軸と一直線に並ぶ垂直軸に磁場を作るように、モータの平面に半径方向に置かれた少なくとも第１組のＬＳＷとを備える。磁石及びＬＳＷは、間にエアギャップを伴い同心状に配置される。

図２０に表す例示的実施形態は、ＬＳＷの両側に、磁石２０２、２０４の配列を有し、ここでは、第１、第２、第３組のＬＳＷ２０６、２０８、２１０を備える。巻線の各組は、モータ２００の平面に半径方向に置かれて、直列接続された同心金属層で構成された連続積層体を形成する積層金属シートと、各金属層をその隣り合う金属層から電気的に絶縁する誘電絶縁体層とを備える。

巻線２０６、２０８、２１０は、図２０に表すように、互いにオフセットされることが好ましい。必須ではないが、磁石配列２０２及び２０４は、方位角方向から±４５°の磁化パターンを有することが好ましい。

モータの軸方向構成のための巻線は、蛇行経路をとるように、モータの平面に半径方向に置かれることが好ましい。これを図２１に示し、２つの磁石配列の間に挟まれた３つの蛇行巻線２０６、２０８、２１０を見せるために、上側磁石配列２０２の一部が取り除かれている。

巻線は、種々の導電性材料を使用して製造されてもよい。適切な材料には、例えば銅、アルミニウム、金、銀が含まれるが、その他の導電性材料が使用され得る。各ＬＳＷの導体の金属密度は、従来の巻線が提供する金属密度よりはるかに高いため、力密度が高くなる。電流入力及びトルク出力に対して、体積及び重量が低減される。

例えば、のこぎりやレーザーを使用して、巻線基材にスリットを切り込むサブトラクティブ法を用いて、ＬＳＷは製造され得る。（例えば）３Ｄ印刷などのアディティブ法を用いても、ＬＳＷは製造され得る。

本願モータのための種々の冷却の特徴が考えられる。図２２に表す実施形態では、空気をハウジング内部に取り込んで内部要素（ＬＳＷ、磁石配列など）中に行き渡らせ、モータからの放熱を助けるように設計されてもよい通気口２２２を有するハウジング２２０内に、モータがある。通気口は、空気をハウジングから放出するようにも設計されてよい。

図２３に表す実施形態では、内部のモータを見せるために、ハウジング２２０の大部分が取り除かれているが、回転子２３０が、固定子２３２内において、回転子と共に回転して、巻線近くで生まれた熱い空気を強制的にハウジングから出すように配置されたファンブレード２３４と共に回転する。

本願モータの実施形態は、電気モータの知識を有する者によく知られた技術を用いて、電気信号で駆動されるであろう。モータは、ブラシレス交流、及び、ブラシレス直流配置を含む多数のモータのタイプのいずれかとして構成されてもよい。ここに記載されるように、３組の巻線が３相モータに使用され、３相交流信号で駆動される場合に、最高の性能が実現される。その他の多相巻線も可能である。

ＬＳＷにおける高い金属密度と、少なくとも１つのハルバッハ磁石配列とを組み合わせる実施形態により、単位重量及びサイズあたりのモータのトルク及び出力の、非常に有意な増加が得られる。このためさらに、従来のモータ設計に比べ、冷却要件が減ってモータ設計がより単純化され、単位出力あたりの使用材料が減り、効率が増加する。回転質量がより小さくなり、モータの平衡を保つのが、より単純になる。軸受及び構造体のサイズ及び質量が減るため、設計全体をさらに最適化できる。質量が小さく、サイズが小さいために、設置要件が最小化される。磁石配列とＬＳＷとの両方で、磁束密度が極めて高いため、従来の設計に比べて、単位体積及び質量あたりのトルクが非常に大きくなる。加速がはるかに大きくなり、特に乗り物などの多速度用途で使用されるモータにとって、加速による効率損失が大きく低減される。

ここに記載されたＬＳＷ技術は、積層造形及び先進材料に適しており、従来の製造技術で得られない設計の自由を与える。ＬＳＷは、最先端の堆積法で製造され得、さらに製造可能性を最適化して、複雑な巻線機及び手作業の巻線工程の必要性をなくすことができる。

ここに記載の本発明の実施形態は、例示的な多数の変形例であり、実質的に同等の結果を達成するために、変形及び再構成を、容易に想像することができ、それらはすべて、添付のクレームに定義される本発明の主旨及び範囲内に含まれることを意図するものである。

Claims (66)

1. 対応回転軸を有する電気機械であって、該電気機械は、
   半径方向に磁化された第１配列の磁石と、
   前記回転軸と平行に置かれ、前記磁石が前記回転軸と垂直な平面に磁場を作るように配置された第１組の積層シート巻線（ＬＳＷ）であって、前記磁石及びＬＳＷが、間にエアギャップを伴い、同心状に配置された第１組の積層シート巻線（ＬＳＷ）と、を備える、
   電気機械。
2. 前記第１配列の磁石が、前記第１組の巻線の外側にある、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記第１配列の磁石が、前記第１組の巻線の内側にある、請求項１に記載の電気機械。
4. 前記第１配列の磁石が、前記第１組の巻線の外側又は内側にあり、
   前記巻線の、前記第１配列の磁石と反対の側に第１強磁性リングをさらに備える、請求項１に記載の電気機械。
5. 前記第１配列の磁石の外周まわりに第２強磁性リングをさらに備える、請求項４に記載の電気機械。
6. 前記第１配列の磁石が希土類磁石である、請求項１に記載の電気機械。
7. 半径方向に磁化された第２配列の磁石をさらに備え、
   前記第１及び第２配列の磁石が、それぞれ、前記第１組の巻線の内側及び外側にある、請求項１に記載の電気機械。
8. 前記第１配列の磁石及び前記第２配列の磁石が、それぞれ、ハルバッハ配列として配置された、請求項７に記載の電気機械。
9. 前記磁石のうちの少なくともいくつかが、台形のくさび形状である、請求項８に記載の電気機械。
10. 前記磁石が角柱形状のくさび形である、請求項８に記載の電気機械。
11. 前記磁石が湾曲した又は真っすぐなくさび形である、請求項８に記載の電気機械。
12. 前記第１配列の磁石及び前記第２配列の磁石が、長方形又は湾曲したれんが形状であり、各磁極が２つのブロックを有し、前記２つのブロックのうちの１つが、方位角方向に対して＋４５°の角度で磁化され、前記２つのブロックのうちのもう１つが、方位角方向に対して−４５°の角度で磁化された、請求項８に記載の電気機械。
13. 前記巻線は動かず、前記磁石は、前記巻線の周りを、前記回転軸を中心に回転する、請求項１に記載の電気機械。
14. 前記磁石のうちの隣り合う磁石が、その界面において、非導電性接着剤を用いて互いに接合された、請求項１に記載の電気機械。
15. 前記機械が、「ラージ・エアギャップ・エレクトリック・リング（Large Air Gap Electric Ring）」（ＬＡＧＥＲ）技術を用いる、請求項１に記載の電気機械。
16. 追加の組のＬＳＷをさらに備え、そのそれぞれが、前記回転軸と平行に置かれ、前記第１及び前記追加の組のＬＳＷが、前記機械のための各巻線相を提供する多相ＬＳＷである、請求項１に記載の電気機械。
17. 前記第１及び前記追加の組のＬＳＷが、第１、第２、第３組のＬＳＷを含む、請求項１６に記載の電気機械。
18. 前記多相ＬＳＷは動かず、前記磁石は、前記ＬＳＷの周りを、前記回転軸を中心に回転する、請求項１６に記載の電気機械。
19. 前記電気機械が電気モータ又は発電機である、請求項１に記載の電気機械。
20. 対応回転軸を有する電気機械であって、該電気機械は、
    軸方向に磁化された第１配列の磁石と、
    前記磁石が前記回転軸と一直線に並ぶ垂直軸に磁場を作るように、前記機械の平面に半径方向に置かれた第１組の積層シート巻線（ＬＳＷ）であって、前記磁石及びＬＳＷが、間にエアギャップを伴い、同心状に配置された第１組の積層シート巻線（ＬＳＷ）と、を備える、
    電気機械。
21. 前記第１配列の磁石が、前記第１組の巻線の一方の側にあり、
    前記巻線のもう一方の側に、強磁性ディスクをさらに備える、請求項２０に記載の電気機械。
22. 前記第１配列の磁石が、前記第１組の巻線の一方の側にあり、
    前記第１組の巻線のもう一方の側に、第２配列の磁石をさらに備える、請求項２０に記載の電気機械。
23. 前記第１及び第２配列の磁石のそれぞれを支持する強磁性ディスクをさらに備える、請求項２２に記載の電気機械。
24. 前記第１配列の磁石及び前記第２配列の磁石が、それぞれ、ハルバッハ配列として配置された、請求項２２に記載の電気機械。
25. 前記磁石が角柱形状のくさび形である、請求項２４に記載の電気機械。
26. 前記第１組の巻線が蛇行形状に形成された、請求項２０に記載の電気機械。
27. 前記巻線は動かず、前記磁石は、前記巻線の周りを、前記回転軸を中心に回転する、請求項２０に記載の電気機械。
28. 前記磁石のうちの隣り合う磁石が、その界面において、非導電性接着剤を用いて互いに接合された、請求項２０に記載の電気機械。
29. 前記機械が「ラージ・エアギャップ・エレクトリック・リング」（ＬＡＧＥＲ）技術を用いる、請求項２０に記載の電気機械。
30. 追加の組のＬＳＷをさらに備え、そのそれぞれが、前記機械の平面に半径方向に置かれ、前記第１及び前記追加の組のＬＳＷは、前記機械のための各巻線相を提供する多相ＬＳＷである、請求項２０に記載の電気機械。
31. 前記第１及び前記追加の組のＬＳＷが、第１、第２、第３組のＬＳＷである、請求項３０に記載の電気機械。
32. 前記多相ＬＳＷは動かず、前記磁石は、前記巻線の周りを、前記回転軸を中心に回転する、請求項３０に記載の電気機械。
33. 前記電気機械は電気モータ又は発電機である、請求項２０に記載の電気機械。
34. 対応回転軸を有する電気機械であって、該電気機械は、
    半径方向に磁化された第１配列の磁石と、
    前記回転軸と平行に置かれ、前記磁石が前記回転軸と垂直な平面に磁場を作るように配置された第１組の積層シート巻線（ＬＳＷ）であって、前記磁石及びＬＳＷが、間にエアギャップを伴い、同心状に配置された第１組の積層シート巻線（ＬＳＷ）と、を備え、
    前記第１組のＬＳＷが、
    前記回転軸の周りに半径方向に配置されて、直列接続された同心金属層で構成された連続積層体を形成する積層金属シートと、
    各金属層を、その隣り合う金属層から電気的に絶縁する誘電絶縁体層と、を備える、
    電気機械。
35. 前記第１組のＬＳＷは、前記巻線を一周するように周期的に配置された切込みをさらに有し、前記切込みのそれぞれが、前記回転軸と平行に延びて前記同心金属層の全てを貫通し、各切込みの奥行は、前記巻線の奥行未満であり、隣り合う切込みは、電流が前記巻線を一周するように流れる際に、電流が流れる蛇行経路を前記切込みが形成するよう、前記巻線の相対する側から開始する、請求項３４に記載の電気機械。
36. 追加の組のＬＳＷをさらに備え、各組が、
    前記回転軸の周りに半径方向に配置されて、同心の直列接続された金属層で構成された連続積層体を形成する積層金属シートと、
    各金属層をその隣り合う金属層から電気的に絶縁する誘電絶縁体層と、を備え、
    前記第１及び前記追加の組のＬＳＷが、前記電気機械のための各巻線相を提供する、
    請求項３４に記載の電気機械。
37. 前記第１及び前記追加の組のＬＳＷは、第１、第２、第３組のＬＳＷである、請求項３６に記載の電気機械。
38. 前記第１及び前記追加の組の巻線のそれぞれは、前記巻線を一周するように周期的に配置された切込みをさらに有し、前記切込みのそれぞれは、前記回転軸と平行に延びて前記同心金属層の全てを貫通し、各切込みの奥行は、前記巻線の奥行未満であり、隣り合う切込みは、電流が前記巻線を一周するように流れる際に、電流が流れる蛇行経路を前記切込みが形成するよう、前記巻線の相対する側から開始する、請求項３６に記載の電気機械。
39. 前記ＬＳＷは、第１、第２、第３組のＬＳＷであり、前記ＬＳＷが、前記第１の巻線の切込みが、前記第２の巻線の切込みに対して、磁石の幅の３分の２相当の機械的な位相オフセットを提供する角度だけ回転され、前記第２の巻線の切込みが、前記第３の巻線の切込みに対して、磁石の幅の３分の２相当の機械的な位相オフセットを提供する角度だけ回転されるように、互いに対して回転される、請求項３８に記載の電気機械。
40. 各組の巻線の前記切込みの奥行が、必要に応じ、位相間のトルクのバランスを取るように調整される、請求項３８に記載の電気機械。
41. 各組の巻線の前記切込みの奥行が、必要に応じ、逆起電力（電圧）波形を形作るように調整される、請求項３８に記載の電気機械。
42. 前記永久磁石配列の奥行の、前記切込みの奥行に対する比が、特定の望ましい特性を提供するように選択される、請求項３８に記載の電気機械。
43. 前記第１及び前記追加の組のＬＳＷが、前記エアギャップ内で半径方向に積み重なり、前記電気機械のための同心状入れ子相を提供する、請求項３６に記載の電気機械。
44. 前記第１及び前記追加の組の巻線が交互配置された、請求項３６に記載の電気機械。
45. 前記第１及び前記追加の組の巻線が方位角的に積み重なった、請求項３６に記載の電気機械。
46. 前記第１及び前記追加の組のＬＳＷは、それぞれ、らせん状に配置され、前記積層金属シートは、誘電体層に連続的に巻かれた各巻線を構成する、請求項３６に記載の電気機械。
47. 前記積層金属シートは、銅、アルミニウム、金、及び、銀を含む群から選択される導電性材料を備える、請求項３４に記載の電気機械。
48. 前記第１組のＬＳＷの奥行が、前記第１配列の磁石の奥行を周期的に超え、前記巻線の一部が、前記第１配列の磁石を超えて延在して丸みがある、請求項３４に記載の電気機械。
49. 前記第１組のＬＳＷ内で生じる渦電流を低減させるために、前記第１の巻線の軸に沿って前記積層金属シートを貫通する細長い直線スリットをさらに有する、請求項３４に記載の電気機械。
50. 前記第１組のＬＳＷは、前記巻線を一周するように周期的に配置された切込みをさらに有し、前記切込みのそれぞれは、前記回転軸と平行に延びて前記同心金属層の全てを貫通し、各切込みの奥行は、前記巻線の奥行未満であり、隣り合う切込みは、電流が前記巻線を一周するように流れる際に、電流が流れる蛇行経路を前記切込みが形成するよう、前記巻線の相対する側から開始し、
    前記切込みの周りの電流の流れを促進するための、前記積層金属シートを貫通する、前記切込みの周りのｃ形状スリットをさらに備える、請求項３４に記載の電気機械。
51. 前記第１組のＬＳＷは、前記巻線を一周するように周期的に配置された切込みをさらに有し、前記切込みのそれぞれは、前記回転軸と平行に延びて前記同心金属層の全てを貫通し、各切込みの奥行は、前記巻線の奥行未満であり、隣り合う切込みは、電流が前記巻線を一周するように流れる際に、電流が流れる蛇行経路を前記切込みが形成するよう、前記巻線の相対する側から開始し、
    前記切込みの周りの電流の流れを促進するための、前記積層金属シートを貫通する、細長いスリットとｃ形状スリットとをさらに備える、請求項３４に記載の電気機械。
52. 前記ＬＳＷは動かず、前記磁石が、前記巻線の周りを、前記回転軸を中心に回転する、請求項３４に記載の電気機械。
53. 前記電気機械は、電気モータ又は発電機である、請求項３４に記載の電気機械。
54. 対応回転軸を有する電気モータであって、該電気モータは、
    軸方向に磁化された第１配列の磁石と、
    前記磁石が前記回転軸と一直線に並ぶ垂直軸に磁場を作るように、前記モータの平面に半径方向に置かれた第１組の積層シート巻線（ＬＳＷ）であって、前記磁石及びＬＳＷが、間にエアギャップを伴い、同心状に配置された第１組の積層シート巻線（ＬＳＷ）と、を備え、
    前記第１組のＬＳＷが、
    前記モータの平面に半径方向に置かれて、直列接続された同心金属層で構成された連続積層体を形成する積層金属シートと、
    各金属層を、その隣り合う金属層から電気的に絶縁する誘電絶縁体層と、を備える、
    電気モータ。
55. 前記第１組のＬＳＷが、蛇行経路をとるように前記モータの平面に半径方向に置かれた、請求項５４に記載のモータ。
56. 追加の組のＬＳＷをさらに備え、各組は、
    前記モータの平面に半径方向に置かれて、同心の直列接続された金属層で構成された連続積層体を形成する積層金属シートと、
    各金属層を、その隣り合う金属層から電気的に絶縁する誘電絶縁体層と、を備え、
    前記第１及び前記追加の組のＬＳＷが、前記モータのための各巻線相を提供する、
    請求項５４に記載のモータ。
57. 前記第１及び前記追加の組のＬＳＷが、第１、第２、第３組のＬＳＷである、請求項５６に記載の電気機械モータ。
58. 前記第１及び前記追加の組のＬＳＷが、互いにオフセットされた、請求項５６に記載のモータ。
59. 前記第１配列の磁石が、前記第１及び前記追加の組のＬＳＷの一方の側にあり、
    前記第１及び前記追加の組のＬＳＷのもう一方の側に、第２配列の磁石をさらに備える、請求項５６に記載のモータ。
60. 前記第１及び前記追加の組のＬＳＷが、それぞれが蛇行経路をとるように、前記モータの平面に半径方向に置かれた、請求項５９に記載のモータ。
61. 前記ＬＳＷは動かず、前記磁石が、前記巻線の周りを、前記回転軸を中心に回転する、請求項５４に記載のモータ。
62. 前記電気機械は、電気モータ又は発電機である、請求項５４に記載の電気機械。
63. 対応回転軸を有する電気機械であって、該電気機械は、
    半径方向に磁化された第１配列の磁石と、
    前記回転軸と平行に置かれ、前記磁石が前記回転軸と垂直な平面に磁場を作るように配置された第１組の積層シート巻線（ＬＳＷ）であって、前記磁石及びＬＳＷが、間にエアギャップを伴い、同心状に配置された第１組の積層シート巻線（ＬＳＷ）と、
    ハウジングであって、該ハウジング内に前記磁石及び巻線が収容されるハウジングと、
    前記ハウジング内の通気口であって、該通気口を通って、空気が前記磁石及び巻線に供給され、熱い空気が前記磁石及び巻線から排出されることが可能な通気口と、を備える、
    電気機械。
64. 前記磁石は、前記モータの回転子であり、
    熱い空気を強制的に前記ハウジングから出すために前記回転子と共に回転するように接続されたファンブレードの特徴をさらに備える、請求項６３に記載の電気機械。
65. 対応回転軸を有する電気機械であって、該電気機械は、
    軸方向に磁化された第１配列の磁石と、
    前記磁石が前記回転軸と一直線に並ぶ垂直軸に磁場を作るように、前記モータの平面に半径方向に置かれた第１組の積層シート巻線であって、前記磁石及び巻線が、間にエアギャップを伴い、同心状に配置された第１組の積層シート巻線と、
    ハウジングであって、該ハウジング内に前記磁石及び巻線が収容されるハウジングと、
    前記ハウジング内の通気口であって、該通気口を通って、外気が前記磁石及び巻線に供給され、前記磁石及び巻線から排出されることが可能な通気口と、を備える、
    電気機械。
66. 前記磁石は前記モータの回転子であり、
    熱い空気を強制的に前記ハウジングから出すよう前記回転子に接続されたファンブレードの特徴をさらに備える、請求項６５に記載の電気機械。