JP5705746B2 - 電気機械−モジュラー - Google Patents

Description

本発明は、固定子と、固定子の中で回転するようにジャーナル軸受により支持された回転子を備える永久磁石電気機械に関する。固定子の周囲にはコイルが巻かれ、回転子には、回転子と固定子の間のエアギャップを挟んでコイルと協働する永久磁石が設けられる。この機械はモータまたは発電機のいずれであってもよく、多くの実施形態において、アキシャルフラックス型機械である。特に、本発明はヨークを持たないセグメント型電機子機械（これを以下、「Ｙ機械」と呼ぶ）に関する。

非特許文献１では、Ｙ機械の構成が説明され、固定子に使用される鉄の量を削減することによるトルク密度の改善というその利点について述べられている。これは、固定子の周囲に周方向に離間され、理想的には軸方向に配置された（すなわち、回転子の回転軸に平行な）鉄心に巻かれた一連のコイルを備える。回転子は２つのステージを有し、これらは永久磁石の設けられたディスクからなり、永久磁石は固定子の各コイルのいずれかの端に面している。ある動作段階における磁路は、第一のコイルから、回転子の第一のステージの第一の磁石へ入り、回転子のバックアイアン（ｂａｃｋ ｉｒｏｎ）を通じて第一のステージの第一の磁石に隣接する第二の磁石へ入り、固定子の第一のコイルに隣接する第二のコイルを通って、回転子の第二のステージの、第一のステージの第二の磁石と整列する第一の磁石に入り、第二のステージのバックアイアンを通じて第二のステージの、第一のステージの第一の磁石と整列する第二の磁石へ入り、第一のコイルを通じた回路が完結する、というものである。

電気機械に伴う１つの問題は一般に、十分な冷却を行うことである。これは、トルク密度が高く、高トルクのコイルにおいて多くの熱を発生し、少なくとも長期間にわたって使用できるトルクの制限要因となるようなＹ機械では特に問題である。

電気機械の別の問題は一般に、コギングによるトルクリップルである。これもまたＹ機械では特に問題となり、それは、個別のコイルが重複せず、実際には、固定子上の隣接するコイル同士の間だけでなく、回転子上の隣接する磁石同士の間にも、磁気分離が存在することによる。明らかにこの問題は、固定子のコイルに対して異なる数の永久磁石を回転子に設置することによってある程度軽減されるが、隣接する磁石間の「歯状部（ｃｏｇ）」が、隣接するコイル間の、これに対応する「歯状部」とひっかかると磁石は相互に整列するため、トルクリップルの発生は避けられない。

コイルと永久磁石の間の磁気結合は、発電機の場合は磁石、またモータの場合はコイルそのものにより、コイルの中に発生される強力な磁界によって実現し、コイル内の磁束密度がなるべく大きくなるように、磁気回路の透磁性をできるだけ低くするべきである。この目的のために、高透磁性のコアまたは鉄心を使用し、その周囲にコイルを巻き付ける。しかしながら、好ましくは鉄心を積層体とするか、その他の方法によって、鉄心内の渦電流の発生を低減させるように構成する。また、鉄心には、好ましくはシュー（ｓｈｏｅ）を設けて、エアギャップ内の磁束を分散させ、その中の磁束密度を小さくする。エアギャップは磁気抵抗が高く、その面積を大きくすると磁気抵抗は小さくなり、これは、永久磁石の材料の使用量を削減できることを意味する。このような材料の量は、なるべく少ないことが望ましい。

特許文献１は、内部に固定子コイルを取り付けた円筒形スリーブを有するハウジングを備えるＹ機械を開示しており、このスリーブは中空で、冷媒を循環させる。しかしながら、コイルは、熱を固定子のハウジングに伝えるために熱伝導性材料の中に埋め込まれる。回転子はハウジング内でジャーナル軸受によって回転可能に支持されている。固定子鉄心は、特許文献３と同じく、やはりＹ機械を開示している特許文献２と同様に、積層体のように思われる。

特許文献４が開示するＹ機械では、回転子が羽根型ポンプとして機能して固定子ハウジングによって画定されるチャンバ内で流体を循環させ、この固定子ハウジングの中には、ハウジング内の軸受に支持されて回転子を担持する回転子軸が延びる。流体は、固定子のコイルを冷却する。特許文献５は、自動車の車輪のギヤレス型駆動用に特に適応させた、別のＹ機械を開示している。

特許文献６が開示するＹ機械の場合、回転子には、永久磁石と強磁性磁極片のセグメントが交互に配置されたものが周方向に２列ある。

国際公開２００６／０６６７４０号公報 英国特許出願公開第２３７９０９３号明細書 国際公開０３／０９４３２７号公報 米国特許第６７２０６８８号明細書 米国特許出願公開第２００５／００３５６７６号明細書 米国特許出願公開第２００７／００４６１２４号明細書

TJ Woolmer and MD McCulloch,"Analysis of the Yokelss and Segmented Armature Machine",International Electric Machines and Drives Conference(IEMDC),3-5 May 2007

本発明では、固定子と、該固定子に対して回転子軸のまわりに回転するよう取り付けられた回転子とを具えた、シャフトを有さない電気機械であって、前記回転子に担持される永久磁石と前記回転子の出力部とを含み、前記固定子が前記回転子の磁石と相互作用するために固定子鉄心に巻かれたコイルを含み、前記回転子は、前記固定子鉄心の各端部に１つ配置された２つのステージを有し、前記鉄心の端部と前記回転子のステージとの間に２つのエアギャップが設けられ、前記固定子を保持して取り付ける環状ハウジングと、前記回転子と前記固定子との間に設けられた軸受と、を具え、前記回転子は前記回転子軸のまわりが中空であり、前記出力部には前記回転子に対し伝動するためのフランジが接続可能である電気機械が提供される。よって前記回転子は、他の方法では前記ハウジング上またはハウジング内に支持されない。コンポーネントが機械によって回転可能となる（または機械の回転駆動を提供する）ようなシャフトなしの手段をフランジに接続することができる。このコンポーネントは、シャフトを含んでいてもよいが、スペースを節約できるようコンポーネントを回転子の領域内に配置できるようにすることが好ましい。あるいは、シャフトに対する角度方向可変駆動を提供するために、ユニバーサルジョイントハウジングあるいはスパイダーハウジングを含むこともできる。得られる出力を分け合うための他の機械のフランジが含まれていてもよい。

例示的な一実施形態では、少なくとも２つの十分なモータの磁束経路があり、第１経路は第１固定子鉄心を通り、第１の前記エアギャップを横切り、第１の前記ステージ上の磁石を通ってバックアイアンに入り、隣接する第２磁石に入り、前記第１のエアギャップを通ってそれに隣接する第２固定子鉄心に入り、第２の前記エアギャップを横切り、前記回転子の第２の前記ステージ上の第３の磁石を通って前記第２のステージのバックアイアンに入り、隣接する第４の磁石に入り、前記第２のエアギャップを横切って前記第１の固定子鉄心に戻り、第２経路は第１固定子鉄心を通り、前記第１のエアギャップを横切り、前記第１のステージ上の磁石を通って前記第１のステージの前記バックアイアンに入り、前記第１のステージを通って前記軸受のまわりの前記回転子の前記第２のステージに入り、前記第２のステージの前記バックアイアンに入り、前記第４の磁石に入り、前記第２のエアギャップを横切って前記第１の固定子鉄心に戻る。

この磁気経路は、回転子が前記軸受を介して直接的に固定子の内側に取り付けられ、第２の経路が十分に短くなるような十分に大きい径であって、コイルおよび磁石用の全体的な磁気回路の磁気抵抗を低減できる場合に可能である。このようにして回転子を取り付けることはまた、回転子と磁石との間の、回転子とその固定子コイルとの相互作用を通じて回転子を駆動する（または、発電機の場合は、固定子のコイルにより反応される）磁石を位置決めするためのカンチレバーを短縮する。

しかしながら、他の実施形態においては、
前記固定子のコイルは前記回転子軸のまわりに周方向に間隔をおいて配置されているとともに、前記固定子の第１の、固定子半径（Ｒ₁）よりも遠い位置で前記回転子軸に近接しており、
前記軸受は、前記回転子の第２の、回転子半径（ｒ）よりも遠い位置で前記回転子の表面上で転動する転動要素を含み、前記回転子半径が前記固定子半径の６０％から９０％の間である。

そのように大径の回転子軸受および中空回転子を用いることで、比較的堅固であるべきであるという回転子の能力を始めとしたいくつかの利点が生じ、接触の危険なくエアギャップを小さくすることができる。あるいは、回転子の質量を低減し、効率化およびコスト削減を実現できる。

好ましくは、前記転動要素が転動する前記回転子の表面が前記回転子フランジと一体の表面である。前記回転子フランジの前記一体の表面が硬化されていることが好ましく、前記表面が切頭円錐形であり、前記転動要素が針状であるものとすることができる。このイベントにおいて、前記回転子半径は前記回転子軸からの前記針の最小分離分である。

前記固定子コイルは半径方向延在量（Ｃ₁）を有し、前記固定子コイルを取り囲む最小円がコイル半径（Ｒ₂）を有し、前記固定子半径（Ｒ₁）が前記コイル半径（Ｒ₂）の５０％から８０％の間であるようにすることができる。前記コイルは、前記半径方向延在量（Ｃ₁＝Ｒ₂−Ｒ₁）の５０％から１５０％の間である円周方向延在量（Ｃ₂）を有することができる。

好ましくは、前記出力部および前記環状ハウジング間の負荷全体が前記固定子および前記ロータ間の軸受を通して伝達され、前記固定子ハウジングに対して前記回転子またはその出力部の取り付け部が設けられていない。これは、回転子、固定子および出力部の基本構成を乱すことなく、システムに応じて出力部の形態が変更可能であるという利点を有する。本願で用いる「出力部」という用語は出力部が負荷を駆動するのに適用されるモータに対しては適切であるが、発電機に対しては適切ではないため、その場合には「入力部」として解されるべきである。

好ましくは、前記鉄心は前記回転子の回転軸に関して整列しており、前記軸受が前記エアギャップに交差する２つの半径方向平面の間にある。好ましくは、前記エアギャップが放射状である。

好ましくは、前記軸受が前記固定子の前記鉄心または前記コイルに交差する２つの半径方向平面の間にある。

好ましくは、前記鉄心およびその上のコイルは、前記エアギャップ間に延在して前記コイルを冷却する冷媒を収容するチャンバを画成する固定子ハウジングに囲まれている。

前記固定子ハウジングは２つの環状プレートおよび２つの円筒状壁を含んでいてもよく、前記環状プレートが前記鉄心を前記チャンバ内に位置づけるための凹部を含んでいてもよい。好ましくは、前記固定子ハウジングの材料は、非磁性および非導電性材料である。しかしながら、分離した環状プレートおよび円筒状壁である場合、円筒状壁がアルミニウムであり、前記環状プレートがプラスチック材料であることが好ましい。好ましくは、前記固定子ハウジングは前記鉄心の端部で薄くされており、前記回転子上の前記磁石および前記鉄心間のギャップを最小限にしている。好ましくは、前記円筒状壁が内壁および外壁を有し、前記外壁が前記環状ハウジングを含むとともに、前記内壁は前記軸受を取り付ける手段を有している。

好ましくは、前記回転子ステージの各々は環状の皿を含み、その外縁に前記永久磁石が取り付けられ、内縁が互いに接続されて前記軸受を囲んでいる。回転子ステージの各々は皿形で、半径方向の平面（すなわち、回転子の回転軸に垂直または、好ましくは固定子鉄心に垂直な平面）におけるその剛性が増大する。

好ましくは、前記鉄心およびその上のコイルは、前記エアギャップ間に延在して前記コイルを冷却する冷媒を収容するチャンバを画成する固定子ハウジングに囲まれている。固定子ハウジングは前記冷媒の供給および排出を行うためのポートを含むことができる。

好ましくは、前記固定子ハウジングは２つの環状プレートおよび２つの円筒状壁を含み、前記環状プレートが前記鉄心を前記チャンバ内に位置づけるための凹部を含んでいる。

前記固定子ハウジングの材料は、好ましくは非磁性および非導電性材料である。実際には、回転子が発生する熱から磁石を環状ハウジングが絶縁することが好ましい場合には、断熱性材料とすることができる。

しかしながら、前記固定子ハウジングは前記鉄心の端部で薄くされ、前記回転子上の前記磁石および前記鉄心間のギャップを最小限にしていることが好ましい。

円筒状壁をアルミニウム、前記環状プレートをプラスチック材料とすることができる。それらは内壁および外壁であってよく、前記外壁が前記環状ハウジングを含むとともに、前記軸受を取り付ける前記内壁および前記機械を取り付ける手段を有している。

好ましくは、前記固定子ハウジングは、前記冷媒を供給、排出するためのポートを有する。冷却流体は、機械の底部付近の入口から機械内に送出され、上部付近の出口から排出される。しかしながら、入口と出口はまた、相互に近接していてもよい。流体は、コイルの外半径と内半径の周囲に流れてもよく。一部の流体はまた、コイルの間に流れる。好ましくは、冷却流体は、コイルと固定子ハウジングの間に配置されたブロックにより、何カ所かにおいて外半径と内半径の間で行き来し、それによって流体がコイルの間に送られる。コイル間の流体の流れは、２から８回方向転換するかもしれない。あるいは、冷却流体の流れは分離してもよく、一部は吸入口からコイルの内径周辺に流れ、残りは反対方向の外径に流れ、一部の流体はコイルの間にも流れる。当然、上記とは異なる流路が構成されてもよい。

好ましくは、前記回転子ステージの各々は環状の皿を含み、その外縁に前記永久磁石が取り付けられ、内縁が互いに接続されて前記軸受を囲んでいる。各々の前記内縁が、相互に係合する界面をもつ円筒状フランジを含んでいてもよい。前記円筒状フランジ間に、前記軸受に予め加えられる負荷を調節するためのスペーサが設けられていても良い。

前記円筒状フランジは前記回転子軸に平行に配列されたボスを含み、これによって前記回転子ステージを互いにクランプするためのファスナを受容することができる。

前記フランジが前記出力部としてのハブが取り付けられる環状ディスクを含むことができる。ハブは、定速ハブなどの簡便な駆動形態、あるいは単なるスプラインシャフトを含むことができる。いくつかの応用例に対しては、三脚カップを設けることができる。前記皿は、前記ファスナによって前記回転子のボスに接続可能であることが都合がよい。好ましくは、前記軸受は２つ備えられ、前記固定子上のフランジの各側に１つ配置されることで、前記固定子に対する前記回転子ステージの軸方向位置が決定される。

前記環状ハウジングは、少なくとも２つの前記機械を接続して回転子軸を共用することが可能となるようにする軸方向界面を有するものとすることができる。前記接続された機械は、隣接する回転子のボスを通るファスナによって相互接続され、間にはスペーサが配置されているものとすることができる。これは、より大きなトルク容量の機械の提供を可能にする。

前記機械の露出端は好ましくは前記環状ハウジングに嵌合するカバーによって閉塞され、前記カバーの少なくとも１つは、前記出力部が通るのに適した中央開口を有するものとすることができる。

機械がモータである場合、好ましくは少なくとも２つの前記モータが並置され、その少なくとも２つが、自身の出力部が設けられた独立した回転子を有する。この場合、前記カバーの各々に、それを通って２つの出力部が延在する中央開口が設けられる。実際には、本発明の一形態は、上記定義されたモータを具えた自動車であって、各々の出力部から前記自動車の異なる側の車輪までのドライブシャフトを具えた自動車を提供する。この場合、回転子が独立しているので、差動装置は不要である。

ある実施形態において、永久磁石を有する回転子と、固定子鉄心の上に巻き付けられたコイルを有する固定子を備え、コイルが回転子と固定子の間に画定されるエアギャップを挟んだ磁石と相互作用する電気機械が提供され、回転子は鉄心の各端に１つずつ配置された２つのステージを有し、鉄心は各鉄心の各端に、鉄心を通じて磁束を各ステージの前記磁石に連結するシューを有し、回転子の同じステージに面する、隣接するシューは、それらの間に高磁気抵抗のシューギャップを有し、回転子の各ステージの、隣接する磁石は、それらの間に高磁気抵抗の磁石ギャップを有し、シューギャップと磁石ギャップには、相互に関して、これらが回転子の回転とともに漸進的に係合するような角度が付けられる。

好ましくは、前記２つのステージのうちの第一のステージに面する各コイルの片側のシューには、前記２つのステージのうちの第二のステージに面するそのコイルの反対側のシューに関して、スキューが施されており、それらを担持する鉄心の各端にある隣接するシューの間の前記シューギャップは、固定子に関して、回転子の異なる回転位置にある磁石ギャップを横切るかもしれない。

それゆえ、ある鉄心上のコイルと回転子のステージの上の磁石のペアは整列しているものの、コイルは一端でそのペアの第一の磁石と、もう一方の磁石より先に係合し始める。好ましくは、各鉄心の各端における高磁気抵抗のギャップの磁束の方向が整列しないようなスキューとする。

好ましくは、回転子の回転軸に関して軸方向に見たときに、前記シューは４辺からなり、内側と外側の辺は前記回転軸を中心とした円の弧または接線であり、前記他の辺はシューの前縁と後縁であり、前記前縁と後縁は前記円のうちの１つの円の弦であり、各弦と交差するその円の各半径とその円は、それぞれの弦と同じ角度をなす。

他の実施形態において、回転子であって、前記回転子の第一と第二のステージの上に周方向に離間された永久磁石を有する回転子と、前記ステージの間に配置された固定子であって、前記固定子の上の固定子鉄心に巻き付けられたコイルを有する固定子を備え、コイルは回転子と固定子の間に画定されるエアギャップを越えて磁石と相互作用し、鉄心は、各鉄心の各端に、鉄心を通って各ステージの前記磁石に磁束を連結させるシューを有し、固定子は少なくとも２つの環状構成部品の鋳造物であり、それぞれ、接続されたシューのリングからなり、一方は鉄心またはその部分のいくつかまたは全部を含み、もう一方は残りの鉄心またはその部分を含み、前記コイルは、環状構成部品が１つに接続されて前記固定子を完成させる前に鉄心の上に設置される。

好ましくは、環状構成部品は同一である。好ましくは、それぞれ各鉄心の半分を含み、接続しやすいようになされた界面が設けられている。

好ましくは、前記界面には、スタッドとソケットがあってもよく、１つの構成部品の各鉄心のスタッドは、他の構成部品の、それに対向する鉄心のソケットと係合する。

好ましくは、高磁気抵抗ギャップが各構成部品の各シューの間に提供され、前記ギャップは、前記鉄心の間の、前記環状構成部品の厚さが薄くなった部分である。

さらに別の実施形態において、永久磁石を有する回転子と、固定子鉄心の周囲に巻き付けられたコイルを有する固定子であって、コイルが回転子と固定子の間に画定されたエアギャップを越えて磁石と相互作用する固定子とを備える電気機械が提供され、鉄心は、鉄心を通じて磁束を前記磁石に連結するシューを有し、鉄心とシューは相互に別々に形成され、各々の少なくとも一部は軟鉄粒子の成形により形成されて、粒子の短い寸法が磁気抵抗面を横切るように配置され、鉄心とシューは、鉄心の前記磁気抵抗面が鉄心の縦軸に平行で、シューの前記磁気抵抗面が前記縦軸を横切るように配置される。

粒子の短い寸法が前記磁気抵抗面を横切るように配置されることによって、各磁気抵抗面の磁気抵抗が最小となる。好ましくは、少なくとも鉄心の前記粒子は、長手方向の寸法が１つで、前記粒子はまた、その長手方向の寸法が前記磁気抵抗面の磁気抵抗の方向に平行になるように配向され、鉄心の前記磁気抵抗の方向は鉄心の前記縦軸に平行である。シューの粒子の長手方向の寸法が１つである場合、好ましくは、前記磁気抵抗の方向は、鉄心とシューが構成されたときに、前記縦軸に関して半径方向である。

前記軟鉄粒子の前記成形は、丸い軟鉄粒子を、前記磁気抵抗面を横切る方向にプレスすることによって行われてもよく、それによって、粒子は部分的に扁平化して前記短い寸法が得られる。あるいは、前記成形は、すでに扁平化された粒子で行っても、長い粒子で行ってもよい。長い粒子は、磁界を利用して成形前に配向されてもよい。成形（ｍｏｌｄｉｎｇ）にはシェービング（ｓｈａｐｉｎｇ）が含まれる。

好ましくは、回転子は鉄心の両側に１つずつ配置された２つのステージを有し、各鉄心の各端にシューが設けられる。好ましくは、電気機械はアキシャルフラックス型会であり、鉄心は回転子の回転軸に平行に配置される。

鉄心は、圧延軸が前記縦軸に平行に配置された、強磁性材料の圧延薄板であってもよい。薄板そのものは、好ましくは製造中に、鉄心に巻かれる方向に平行な方向に圧延され、それによって材料の粒子そのものが、最終的な磁束方向、すなわち前記縦軸に平行となる。前記圧延薄板は、賦形された軟鉄圧縮粒子コアの周囲に配置されてもよく、それによって、鉄心の前記縦軸に垂直な断面は略台形となる。あるいは、前記圧延薄板は、圧縮された軟鉄粒子の賦形された円環のコアであってもよく、それによって、鉄心の前記縦軸に垂直な断面は略台形となる。

本発明の他の態様により、上記の態様のいくつかまたは全部を取り入れた電気機械が提供され（これらは、相互に排除的ではない）、このような組み合わせは当業者にとって明らかである。具体的な実施形態の以下の説明に、上記の各種の態様が含まれていたり、含まれていなかったりするかもしれないが、そのことは重大でないと理解するものとする。

本発明が基本的に（ただしこれに限定されることなく）関係する、ヨークなしのセグメント型電機子の概略側面図である。 図１の装置の斜視図である。 機械の固定子ハウジングと固定子の分解斜視図である。 電気機械のある実施形態の固定子の分解斜視図である。 電気機械の固定子の端面図である。 電気機械の固定子の図５ａの線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。 電気機械の固定子の斜視図である。 電気機械のある実施形態の固定子の鉄心とシューの分解斜視図である。 鉄心の別の実施形態（本発明のある実施形態）の端面図である。 鉄芯のさらに別の実施形態（本発明のある実施形態）の端面図である。 複合的固定子鉄心および結果として得られる磁束路の斜視図である。 本発明のある態様による電気機械の切断斜視図である。 本発明のある態様による電気機械のスライス（図７の切断面のもの）である。 本発明のある態様による電気機械の断面図（図７の切断面のもの）である。 図９の線１０−１０の断面図である。 図９の線１１−１１のスライスである。 図１１ａに対応するが、冷媒の流れ方が異なる概略図である。 図９の矢印ＸＩＩの方向から見た側面図である。 図９の矢印ＸＩＩＩの方向から見た端面図である。

本発明の実施形態を、添付の図面を参照しながらさらに説明する。

ヨークなしのセグメント型電機子機械１０が図１に概略的に示されている。機械１０は、固定子１２と２つの回転子１４ａ，１４ｂを有する。固定子１２は、回転子１４ａ，１４ｂの回転軸２０の周囲で円周方向に離間された個別の固定子鉄心１６の集合である。各鉄心１６はそれぞれの軸１６ａを有し、軸１６ａは回転軸２０に平行に配置される。しかしながら、これは絶対不可欠ではない。アキシャルフラックス型機械において、軸１６ａは実際に回転軸２０に平行である。しかしながら、これは、それに対してどの角度でも配置でき、回転軸２０に関して半径方向であってもよい。以下の説明は、アキシャルフラックス型機械に関するものであるが、これはいかなる意味においても限定的と理解されるべきでなく、内容的に可能なかぎり、本発明は固定子鉄心１６が異なる角度で傾斜していても同様に適用される。

各固定子鉄心の各端にシュー１８ａ，１８ｂが設けられ、このシューはコイルスタック２２を制限するという物理的目的を果たし、スタック２２は好ましくは、断面が四角形の絶縁ワイヤ（または、おそらくは断面が三角形）であり、高い占積率を実現できる。コイル２２は、電気回路（図示せず）に接続され、回路は（モータの場合）、コイル内を流れる電流によって発生する磁場の極が隣接する固定子コイル２２の間で反対となるようにコイルを励起する。

２つの回転子１４ａ，１４ｂは、その間で固定子コイル２２を挟んで相互に対向する永久磁石２４ａ，２４ｂを担持する。実際に、アキシャルフラックス型機械では、回転子とその磁石は放射状に配置されるが、固定子鉄心が傾斜しているとき、それも同様となる。２つのエアギャップ２６ａ，２６ｂがそれぞれのシューと磁石のペア１８ａ／２４ａ，１８ｂ／２４ｂの間に配置される。回転軸２０の周囲には偶数のコイルと磁石が離間され、好ましくは、コイルと磁石を異なる数として、各コイルがすべて同じ時、固定子に関する同じ回転位置で、対応する磁石ペアと整列しないようにする。これは、コギングの低減に役立つ。

（本発明が基本的に関係する）モータでは、上記の電気回路は、コイル２２を励起して、その極性が交互に変わって、異なる時点でコイルが別の磁石ペアと整列し、回転子と固定子の間にトルクを発生させるように配置される。回転子１４ａ，１４ｂは一般に相互に連結されて（たとえば、図示されていない軸による）、固定子１２に関して軸２０の周囲で一緒に回転し、固定子１２は一般に（たとえば、図示されていないハウジングの中に）固定されている。このような配置による１つの利点として、図１では、２つの隣接する固定子鉄心１６と２つの磁石ペア２４ａ，２４ｂによって磁気回路３０ができるように示されている。それゆえ、固定子１２にヨークは不要となるが、各回転子には、それぞれのコイル２２から反対に面する各磁石２４ａ，２４ｂの裏面の間で磁束を連結させるために、バックアイアン３２ａ，３２ｂが必要である。

そのため、モータの場合、コイル２２の適正な励起によって、回転子１４は軸２０の周囲で回転することができる。当然のことながら、発電機の場合は、回転子１４ａ，１４ｂは、回転子１４ａ，１４ｂが回転すると固定子鉄心１６の中に誘導される磁束の変化に応じて、固定子コイル１２の中に電流を誘導する。

しかしながら、いずれの場合もコイル２２の中で発熱し、この熱が取り除かれないと機械の効率が低下し、その能力が限定される。したがって、本発明は、エアギャップ２６ａ，２６ｂの中に延びるハウジングで固定子コイル１６を取り囲み、そのハウジングに冷媒を供給することを提案する。

図３を参照すると、本発明の第一の態様による固定子１２ａが示されており、固定子コイルがプラスチック材料のクラムシェル４２ａ，４２ｂの間に配置されている。これらのクラムシェルは、外側円筒壁４４、内側円筒壁４６および半径方向に配置された環状壁４８を有する。環状壁４８は、内側ポケット５０を有し、これは固定子鉄心１６のシュー１８ａ，１８ｂを受け、固定子１２ａの２つのクラムシェルハウジング４２ａ，４２ｂが相互に組み立てられると、固定子コイルアセンブリ１６，２２，１８ａ，１８ｂを位置決めする役割を果たす。固定子ハウジング４２ａ，４２ｂは、コイル２２の内側で空間５２を、また外側ではコイル２２の外の５４の周辺で空間を画定する。さらに、コイルの間にも空間５６がある。図３には示されていないが、組み立てられた際、固定子ハウジング４２ａ，４２ｂには、冷媒（好ましくは、非導電性液体）が空間５２，５４，５６の中に送出されて、コイルの周囲で循環し、これらを冷却できるようにするポートが設けられる。実際に、好ましくは、ポリカーボネートまたはその他の熱伝導性の低い材料から作られ、コイルによって発生され、シュー１８ａ，１８ｂの中に伝えられる熱は、ハウジングの内部に保持され、特に熱による影響を受けやすい磁石２４ａ，２４ｂには伝えられない。クラムシェル４２ａ，４２ｂに使用される材料の選択は、設計上の動作温度にある程度依存し、この温度が低い場合、適当な材料は多いが、この温度が高ければ、グラスファイバ強化プラスチック材料等の耐熱材料が望ましい。さらに、本発明の冷却方式に関して、図７から図１３を参照しながら後に説明する。

好ましい方式では前述のような機械の構成を採用し、完成後に空間５２，５４，５６に硬化性液体樹脂またはラッカーを充填して、コイル２２を含めたこれらの空間の内面すべてを浸潤させる。樹脂が各空間に行き渡ったら、空間５２，５４，５６により画定されるチャンバの内部の樹脂コーティングの表面部分のみを残して排出される。排出の前に、チャンバは液体ラッカーが特に、コイル２２のワイヤの間等の小さな空間にも確実に浸透するように、真空化してもよい。真空を解除する際、気圧の回復によってラッカーが残りの、行き渡らなかった空間へと送られる。実際に、ラッカーは、好ましくは、小さな空間まで浸透しやすいように低粘度である。排出後、樹脂を硬化させ（または硬化し）、空間５２，５４，５６をコイル２２から分離する電気的絶縁層を形成する。この方法によって、水を冷媒として使用することができる。適当なラッカーは、当業者の知るところである。

再び図１と図２を参照すると、たとえ磁石２４，２４ｂとコイル２２の数を同じにしなくても、装置固有の問題として、隣接する磁石の間の高磁気抵抗ギャップ２６が固定子コイルシュー１８ａ，１８ｂの間の、これに対応するギャップを通過するときにコギング効果が発生する。

よく知られている点として、電気機械のコイルコアはしばしば、鋼鉄の積層体から製作される。鋼鉄は磁界の導体として優れている。そのため、磁気抵抗の低い経路が提供され、磁気抵抗損も小さくなる。しかしながら、ほとんどの強磁性材料の問題は、これらが一般に、導電性も有することである。したがって、導電体の中の磁束の変化によって渦電流が発生する。これは、絶縁体によって分離される積層体を使用することによって軽減されるが、絶縁体が所望の磁束方向に平行であるため、横方向の電流が小さくなるからである。しかしながら、新たな方式では、絶縁体で被覆して所望の形状に成形した軟鉄粒子（軟磁性複合材料−ＳＭＣ）を使って成功を収めており、これは樹脂絶縁体によって相互に結合される。高圧圧縮プロセスを使用し、構成部品を複雑な形状に成形して、優れたフォームファクタを有する三次元磁束パターンを生成することができ、その結果、高い占積率の巻き線を使用して、ＳＭＣの歯に直接巻くことが可能となる。

図４を参照すると、電気機械のある実施形態の固定子１２ｂが示されている。これは、低コスト装置における固定子の特に好適な構成である。これは、２つの、好ましくは同一の構成部品７５ａ，７５ｂから形成される一体の固定子鉄心１６’を有する。各構成部品は、直立する鉄心部品７６を有する円環７６である。鉄心部品は、対向する界面８１の上にスタッド８０とポケット８２を交互に有していてもよく、その結果、相互に対向するような向きとなったときに、スタッド８０がもう一方の構成部品のポケット８２に入り込むことによって、２つの同一の構成部品７５ａ，７５ｂは嵌合する。２つの構成部品は、糊付けにより合わせることができる。しかしながら、組み立てる前に、事前に巻かれたコイル２２（図４では一体のリングとして概略的に描かれている）が、１つの構成部品７５ａ，７５ｂの鉄心部品７８の上に設置されるため、一緒に連結されると、構成部品７５ａ，７５ｂとコイル２２による固定子１２ｂの磁気部品の組立が完了する。

図４に示される構成の利点は、固定子の各側の円環７６と面する磁石が、隣接する固定子コイル２２の間にエアギャップを生じさせないことである。したがって、前述のようなコギングという固有の問題が排除され、または少なくとも軽減され、磁石の磁気抵抗は連続的となり、固定子の位置に関してほとんど一定とすることができる。しかしながら、隣接するコイルの間の磁気接続は、磁路が短絡され、モータの効率を下げるため、抑制される。したがって、円環７６は、各鉄心部品７８の中間８４において最も薄く、磁気短絡が発生する機会が減る。しかしながら、各固定子コイルの間に高磁気抵抗のギャップ８４を提供することにより、金属面７６全体のコギング防止効果が減少する。したがって、モータの円滑な動作とその効率の間でバランスをとらなければならない。それでもなお、モータの効率を大きく損なわずに、コギングを実質的レベルまで小さくする最適な位置がある。本発明の利点は、その製造コスト削減の可能性である。

構成部品７５ａ，７５ｂは、有利な態様として、ＳＭＣ材料から構成され、それぞれ別の型の中でプレスされる。しかしながら、その形状の単純さにより、巻き付けられた積層体の１つの円環（回転軸２０の上に巻き軸を有する）から製造することが可能となり、隣接する鉄心部品７８の間のスロット８３はワイヤカッタで切断される。最後に、本発明の利点は、図２と図３に関して前述したように、シュー１８と鉄心１６を単独の円環ではなく、それぞれ個別に製造される構成を採用することによって、実現される。この場合、シューは、モータに構成されたときに相互に接触して、それによってコギングを減少させるような大きさとする。

図５ａと図５ｂに固定子１２ｃの別の構成が示されており、これもコギングを軽減し、機械の性能に影響を与えない。ここで、各固定子鉄心１６には個別のシュー１８が提供され、それによって、それらの間にエアギャップ２７ａができる。通常は、それによって前述のようなコギング効果が発生する。しかしながら、ここでは、エアギャップ２７ａに半径方向に関して角度α₁だけスキューが施され、シューの少なくとも１つの辺１８ｊにこの角度のスキューが生じ、当該の半径はシューの下側の辺１８ｇを通過する。シューの他の辺１８ｈには、角度α₁とは異なる角度α₂のスキューが施され、その数はエアギャップ２７ａの幅によって異なる。ともかく、α₁とα₂の平均値は１°から４５°の間であり、好都合な態様として、図の磁極片の数では約１０°である。固定子鉄心１６は、前述の実施形態と同様に台形であり、角が丸く、コイル２２も同様に鉄心１６によって形成される角の丸い台形である。これらは、回転軸２０に関して対称的に配置される。これは、反対の角１８ｄ，１８ｆにおいて、コイル２２はシュー１８の境界を越えて延びる。しかしながら、少なくとも外縁１８ｅにおいて、シューは隣接するシューのコイル２２とわずかな量だけ重複する。後方角１８ｇは少なくともその固定子鉄心１８のコイル２２と重複する。

図５の右側に、固定子１２ｃの反対側にあるエアギャップ２７’ａが点線で示され、そのシューの下側の角１８’ｇが完全に見えている。したがって、２つのエアギャップ２７ａ，２７’ａは、小さな菱型の領域２７ｂの中でのみ軸方向に重なる。回転子の磁石間の高磁気抵抗ギャップ２５が半径方向であると仮定すると、シューにスキューを施す効果は、ギャップがどちらも半径方向である場合より、固定子に関して、固定子の回転の弧がより広くなる。

当然のことながら、磁気ギャップ２５にスキューを施すことも同等に実現可能であり、同じ効果が得られる。すなわち、シューギャップ２７を、図１から図３に関して前述した実施形態と同様に、半径方向とすることができ、それによって磁気ギャップは各回転子１４ａ，１４ｂに関して反対側に傾斜する。あるいは、固定子シューと回転子磁石の両方のスキューを組み合わせることも可能である。しかしながら、磁石の賦形はコストが高く、これに対し、固定子シューは好ましくは、賦形が容易なプレス成形部品である。いずれの場合も、角度β（２つのシューギャップ２７ａ，２７’ａの周辺限界の間で内在する角度）として示される遷移の弧が、略α₁とα₂の和に等しいことが好ましい。当然のことながら、バランスをとる必要があり、これは、１つの磁石から別の磁石までの遷移がトルクを減少できる領域を表しており、したがって、これを広げると、遷移間のトルクを集中させるという必然的な影響があるからである。

また、シュー１８がシューの周辺全体で１８ｋのように外側に面取りされている点にも注意すべきである。これは、シュー１８の平坦部分からの磁束を磁石２４ａ，２４ｂに向かわせるのに役立つ。

実際、電気機械のある実施形態において、固定子鉄心とシューの材料の磁束の方向への磁気抵抗を最小限にするという問題には、図６ａから図６ｄの構成で対処する。それゆえ、図４に関して前述したように、ＳＭＣ材料が非常に好適であるが、被覆された軟鉄粒子は渦電流を軽減させ、一般には全方向への磁気抵抗を低くする能力がある一方で、これらは最善の、すなわちできるだけ小さい磁気抵抗を有するわけではなく、これは依然として、少なくとも積層体の平面または方向においては、積層体を用いる方法によるべきである点に注意が必要である。

この点に関して、本発明は、固定子鉄心１６とシュー１８の構成に上記のような粒子を使用するものの、好ましくは、これらの粒子によって通常提供されるものより低い、低磁気抵抗の優先方向、または少なくとも平面を有するように配置することを提案する。鉄心１６の場合、この優先方向は、軸１６ａに平行な平面内にある。シュー１８の場合は、好ましくは縦軸１６ａに対して垂直な平面に配置される。これはいくつかの方法で実現できるが、基本的には、図６ａに示されるように、鉄心１６とシュー１８を別々の構成として、その後、組み立てる。

したがって、図６ａの鉄心１６は、丸い、絶縁材で被覆された軟鉄粒子から製造される。これらの粒子は、まず扁平化させてディスク状の構成部品にし、その後、型に入れて最終的に一緒にプレスする。型は、粒子のプレス方向と、プレス前のその初期分布が、粒子の主要寸法が軸１６ａに平行な面にあるように構成する。これを最も都合よく行うには、部分的だけではあるが、最初に基本的に丸い粒子を型に入れ、これを軸１６ａに垂直な方向に一緒にプレスする。たとえば、矢印Ａの方向に上方にプレスすることにより、粒子の、方向Ａに垂直な平面が扁平化されるだけでなく、矢印Ｂの方向に広がる傾向がある。

しかしながら、理想的には、長い粒子を型の中に、その長軸が軸１６ａと平行になるように配置する。これは、粒子を配向するのに磁界を利用することによって可能となる。その場合、構成部品のための最小磁束線は、軸１６ａに平行な平面だけでなく、実際にはその特定の方向にある。

これに対して、シュー１８は、好ましくは、丸い粒子を軸１６ａに平行な方向にプレスして、プレス中にこれらが軸１６ａに垂直な平面の中で横方向に広がるようにすることによって製造される。したがって、シュー１８と鉄心１６が相互に組み合わされると、磁束は最小限の磁気抵抗で鉄心１６から縦軸１６ａの方向に延び、鉄心１６から出て、鉄心の端部１６ｄを通って軸１６の方向に向かってエアギャップ２６ａ，２６ｂに直接入るだけでなく、垂直に、シューの周辺１８ｃにも入り、これは図６ｄに示される磁束の矢印から見ることができる。

好ましい構成において、固定子鉄心１６はまた、積層ロールからなり、これは最小磁気抵抗の方向的な偏りを改善できる。それゆえ、図６ｂにおいて、絶縁コーティングを有する鋼鉄の圧延薄板９０を型（図示せず）の中に置き、その軸を形成しようとする鉄心１６ｂの（最終的な）軸１６ａに平行にする。すると、プレスによって型が粒子で満たされ、積層体圧延薄板の周囲が圧縮され、粒子の最小磁気抵抗の平面が軸１６ａに平行となる。これが圧延薄板９０を取り囲み、鉄心の断面は所望の台形となる。

別の方法は、少なくとも軸１６ａに平行な最少磁気抵抗面を有する圧縮軟鉄粒子の台形のコア９２を形成することである。積層体圧延薄板９４をコア９２の周囲に巻くと、その結果、固定子鉄心１６ｃの外部断面は所望の形状となる。

図６ｂと図６ｃの鉄心１６ｂ，１６ｃはどちらも、軸１６ａに平行な最低磁気抵抗の優先的方向を有する。プレスにより軟鉄粒子から形成されたカラー１８ｃの最少磁気抵抗面は、軸１６ａに垂直である。組み立てられた状態の鉄心とカラーの磁気抵抗は非常に低く、方向的に最適化された固定子コアが得られる。

本発明を、モータ１００の具体的な構造を示す図７から図１３を参照しながらさらに説明する。前述のように、説明はモータに関するものであるが、この原理は発電機にも直接適用されると理解するべきである。モータ１００は、実際には、ボルトで結合された２つのスライス１００ａ，１００ｂである。モータスライス１００ａ，１００ｂの各々は、半径方向の平坦な端面１０４ａ，１０４ｂを有する管状ハウジング１０２ａ，１０２ｂを有し、これによって、いくつかのハウジング１０２が、ハウジング１０２ａ，１０２ｂの周囲に配置されたボス１０８を通過するボルトナット１０６で端と端を結合される。実際に、モータ１００は、たとえば取付フランジとしてボス１０８を使用して、自動車の中に取り付けることができる。ボルトで結合された複合的モータ１００であるものの、モータスライス１００ａ，１００ｂの各々は、後述のように相互に独立しており、モータ管理システムによって必要に応じて、独自の速度とトルクで駆動でき、ここではこれについて詳しく説明しない。しかしながら、後述のように、モータスライス１００ａ，１００ｂは、単独の出力ドライブに接続することができ、それによって利用可能な出力トルクが二倍となる。実際、積み重ねて１つにできるモータスライスの数は無制限である。

それゆえ、各モータスライス１００ａ，１００ｂには、シュー１１８ａ，１１８ｂを有する固定子鉄心１１６上に取り付けられた複数の固定子コイル１２２を有する固定子１１２がある。コイル１２２は、図１０に示されるように、回転子軸１２０の周囲で周方向に離間され、図１０のモータにはこれが１８個ある。各固定子コイルシュー１１８ａ，１１８ｂは、環状の非導電性非磁性クラムシェル１４２ａ，１４２ｂのポケット１５０の中に受けられる。クラムシェルは、その外周１４３ａ，１４３ｂでモータハウジング１０２ａ，１０２ｂの内側フランジ１４４ａ，１４４ｂに固定される。

環状ハウジング（または、エアギャップ内に位置する固定子ハウジングの部分である環状プレート）をなす環状クラムシェル１４２ａ，１４２ｂの内縁１４５ａ，１４５ｂは、基本的に管状の内側固定子ハウジング１４６のフランジ１４７ａ，１４７ｂに取り付けられる。内側固定子ハウジング構成部品１４６は、クラムシェル１４２ａ，１４２ｂとモータハウジング１０２とともに環状チャンバ１５２を構成し、その中に固定子コイルが配置される点に注意すべきである。

図１１ａを参照すると、回転子ハウジング１０２には、ポートボス１５４が設けられ、冷媒のための入口１５６が設けられる。チャンバ１５２の中で、バリアまたはブロック１５８が第一のコイルとハウジング１０２，１４６の間に配置され、チャンバ１５２を２つの平行な環状経路１５２ａ，１５２ｂに分割する。それぞれに、入口ポート１５６の分岐１５６ａ，１５６ｂが設けられる。平行な経路１５２ａ，１５２ｂは、コイル１２２によって分離され、それらの間にギャップ１５５がある。それゆえ、経路１５２ａ，１５２ｂの中で循環する冷媒は、コイル１２２の全周を通過して、循環できる。モータの周囲の循環が完了すると（逆流方向に、ギャップ１５５を通じた乱流が促進されることに注意すべきである）、冷媒はポートボス１５４から出口１６０ａ，１６０ｂによって排出される。これらは、ポート１６０で合流し（図９）、冷媒を、来たところからポンプと熱交換器（いずれも図示せず）に戻す。別の方法もきわめて現実的である。
１）冷却流体は機械に直接、機械の底部付近の入口と上部付近の出口を使って送出される。流体は、コイルの外半径と内半径の周囲を流れてもよく、一部の流体はまた、コイルの間にも流れる。これは、実現するのに最も単純な冷却路であるが、おそらく、最も効果が低い。
２）冷却流体はモータの周囲でジグザグに、２−８カ所で外半径と内半径の間で移動し（コイルと固定子ハウジング１０２，１４６の間に配置されたブロックによる）、その結果、一般に機械の最も高温の部分であるコイルの間に流体が送られる。
３）冷却流は分割され（前述のとおり）、一部はコイルの内半径の周囲に流れ、残りは、反対方向の外径へと流れる。一部の流体はまた、コイルの間にも流れる。
４）特に好ましい実施形態において、冷却流は図１１ｂに示されるとおりであり、図中、１つの入口１５６’と１つの出口１６０’が設けられ、入口と出口の間のコイル１２２ａの両側にブロック１５８ａが設けられている。ブロック１５８ｂは、機械の周辺で、コイル１２２ｂ，１２２ｃの外側の最初（１５８ｂ１）と最後（１５８ｂ２）および、コイル１２２ｄの内側に少なくとも１つのブロック１５８ｃの間に周期的に配置される。この構成により、流れは入口１５６に入り、機械の外側から始まるが、第一のブロック１５８ｂ１によってチャンバ１５２の内側と中間コイル１２２ｄのそれぞれ違うもの同士の間に流れるように方向づけられる。そこから、流れは機械の周辺で循環し続けるが、ブロック１５８ｃによって、強制的にチャンバの外に戻される。さらに、機械の周囲ではブロック１５８ｂ２によって内側に戻され、最後に、ブロック１５８ａによって外側に戻されて、出口１６０を通って機械から出る。図１１ｂでは、４カ所の方向転換箇所がある。しかしながら、いくつの方向転換箇所があってもよく、入口と出口が一方は機械の外側にあり（図の通り）、もう一方は内側にある（図示せず）の場合は、奇数でもよい。

図８と図９を参照すると、内側固定子ハウジング１４６は、中央内側フランジ１６２を有し、その両側に軸受１６４ａ，１６４ｂが配置される。軸受１６４ａ，１６４ｂには、モータ１１４ａ，１１４ｂが取り付けられる。回転子は、内側フランジ１６６ａ，１６６ｂを通じて接続される。これらは管状であり、離間されたボス１６８が設けられ、そこに受けられるナットとボルト１７０が２つの回転子１１４ａ，１１４ｂを連結する。それゆえ、回転子１１４ａ，１１４ｂは、あらゆる意図と目的において、単独で一体の構造である。ボルト１７０が挿通された円筒形のフランジ１６６ａ，１６６ｂを含む管状本体１６６からは皿形のウィング１７２ａ，１７２ｂが環状部１７４ａ，１７４ｂまで延びることでフランジ接続手段が構成され、環状部１７４ａ，１７４ｂに磁石１２４ａ，１２４ｂが取り付けられる。実際に、環状部１７４ａ，１７４ｂは、好ましくは、磁石を受け、これらをしっかりと保持するためのポケット１７６を有する。

磁石１２４ａ，１２４ｂとクラムシェル１４２ａ，１４２ｂの間には、エアギャップ１２６ａ，１２６がある。モータ技術において周知のように、エアギャップはできるだけ小さくして、磁気回路の磁気抵抗を小さくするべきである。しかしながら、図７から図１３に関して説明したモータの構成では、モータ１００ａ，１００ｂの組み立てに要求される厳しい製造誤差に対応して、非常に狭いエアギャップを設計することが可能となる。軸受１６４ａ，１６４ｂは、動作の損失の重大な要因となるため、回転子はこの軸受に対してプレストレスを加えるようになされており、このプレストレスは、それらの間に配置されたスペーサ１８０によって制限される。当然、スペーサの軸方向の寸法は、しっかりと嵌合するように研磨されていてもよい。しかしながら、軸受以外には、誤差が累積し、大きなエアギャップを生じさせる構成部品は比較的少ない。当然、このような構成部品の１つは固定子１１２そのものであり、これに関して、内側固定子ハウジング１４６のフランジ１４７ａ，１４７ｂと従属フランジ１４４ａ，１４４ｂの寸法および、クラムシェル１４２ａ，１４２ｂの寸法は、クラムシェルによって形成された壁がその中に含められたとしても、エアギャップ１２６ａ，１２６ｂをできるだけ小さくするためには非常に重要である。さらに、回転子内のどのストレスも、固定子１１２により対応されなければならない捻じれ（すなわち、回転軸１２０に垂直な軸の周囲、またはその方向への直線的応力）が発生する。しかしながら、チャンバ１５２全体に広がる一連の固定子鉄心とシューにより、チャンパ１５２内は対角線方向に強力に補強されるため、内側ハウジング１４６は軸方向に非常に安定する。

さらに、回転子１１４を固定子１１２に直接取り付けるという考え方には、２つのまた別の有利な効果がある。第一は、磁石１２４とコイル１２２を回転軸１２０からできるだけ遠くに配置して、コイルと磁石の間に作用する磁気抵抗力が回転軸周辺の最大のトルクに変換されるようにすることを要求する、モータ設計の一般的な原理に関する。しかしながら、これは、回転子を固定子に関して磁石／コイルの半径よりずっと小さいところに固定しないと、回転子をその距離全体にわたって非常に剛性を保てるようにしなければならないことを意味する。回転子を固定子に直接取り付けることによって、その距離を縮めることができ、したがって、回転子はそれほど剛性であるは必要がない。あるいは、エアギャップをより小さくすることができる。第二に、管状本体１６６に変形する皿形の円環１７２を使って回転子を接続することによって、磁束の別の帰還路３０’（図８参照）が作られる。少なくとも、固定子が強磁性材料から製作されているとそうなる。このように別の磁路ができると、それによって磁束が磁石間のフランジ１７４の円周方向に制限される必要性が減り、また、各磁石−コイル−磁石という回路のための別の帰還路が得られるため、有利である。その結果、磁気回路の全体的磁気抵抗は低くなる。

磁石によって各回転子にかかる軸方向の力が十分であることを理解するべきであり、これはエアギャップが小さくなると増大し、回転子１個あたり７５００Ｎのオーダであるかもしれない。その結果、回転子を軸方向に支持することが非常に重要であり、したがって、固定子と回転子の間の軸受は、この力に対して強力で安定した対抗力を提供する必要がある。回転子が固定子の両側に完璧に配置されると、軸方向の正味の力はゼロとなるが、これを実現するには、厳しい構築誤差と強固な軸受アセンブリが必要となる。しかしながら、本願で説明したように、回転子を固定子の内部に直接取り付けることにより、そのような精度を合理的なコストの範囲内で実現できる。この点で、軸受が設置され、位置付けられる軸方向のフランジ１６２は重要である。

実際に、図８と図１１を参照すると、本発明のある態様による機械の１つの実施形態の、特定の形状面の特徴がある。前述のように、コイル１１２は外半径Ｒ₂を有する。これは、コイル全部を取り囲む最小の円の半径を意味する。同様に、これらは内半径Ｒ₁を有し、これは、上記に対応して、コイル全部の内側に適合する最大の円の半径である。コイルは、回転子軸１２０の周囲の円に適正に配置されるが、これは絶対必要ではない。しかしながら、軸受１６４ａ，１６４ｂの半径は、ここでは、軸受の回転要素の最も内側の部品に接触する円の半径であり、できるだけ大きく配置され、好ましくは、固定子の半径Ｒ₁と、下式で示される関係を有する。
ｒ＝ｋ₁ ^*Ｒ₁
式中、ｋ₁は０．５から０．９の数値である。

実際に、コイルは半径（Ｃ₁）と円周（Ｃ₂）の範囲を有する。ただし、
Ｃ₁＝Ｒ₂−Ｒ₁
である。
周方向長さはいずれでもよいが、隣接するコイルの回転軸１２０を中心とする中心から中心の弧と定義される。しかしながら、１つの好ましいモータは以下の関係を有する。
Ｒ₁＝ｋ₂ ^*Ｒ₂、かつ
Ｃ₁＝ｋ₃ ^*Ｃ₂
式中、ｋ₂は０．５から０．８、ｋ₃は０．７５から２．０である。

事実、次の関係をとってもよい。
ｒ＝ｋ^*Ｒ₂
ただし、ｋ＝ｋ₂ ^*ｋ₂。
ｋは好ましくは、０．３から０．６の数値であり、１つの適当な構成では、約０．４５であってもよい。

軸受１６４ａ，１６４ｂは独自の案内溝を有する玉軸受として示されているが、設計では、軸受表面を内側固定子ハウジング１４６と円形フランジ１６６のそれぞれの切頭円錐形または円柱形表面の上に形成することができ、保持器に限定されるテーパ付ローラ軸受をそれらの間に配置することができる。その結果、はるかに厳しい誤差が実現される。前述のように、回転子の構成部品は、鋼鉄等の強磁性材料から構成され、必要に応じて、鋳造または鍛造し、機械加工することによって構成してもよい。しかしながら、内側固定子ハウジング１４６と、実際に、モータハウジング１０２は、好都合な態様として、アルミニウム（合金）等の非磁性材料から鋳造される。しかしながら、アルミニウムであっても硬化された軸受表面を持たせることができる。この場合、フランジ１６２は使用されない。いずれにしても、現在の設計により、最小限の製造コストで１．０ｍｍ（±０．１ｍｍ）のオーダのエアギャップを維持できる。

前述のように、２つのモータ１００ａ，１００ｂは独立している。回転子１１４は、相互に接続されていない。しかしながら、これらは明らかに、間に適切なスペーサを設け、ボルト１７０を長くすることによって、両方の回転子を通過するようにできる。実際に、さらに多くのモータを直列に追加することを阻害するものはなく、３つまたはそれ以上のモータを直列に縦一列にして利用できる。図に示すように、複合的モータの側面はカバー１７８で閉じられ、このカバーは、モータハウジング１０２の内部が円筒形の延長部分１０２ｃ，１０２ｄの中に圧入される。カバーは、ディッシングプレスにより加工され、延長部１０２ｃ，１０２ｄの内部に圧入されるが、他の固定方法も可能である。これらは、中央開口部を有し、そこからモータの出力１９０が延びる。

出力１９０は、どのような適当な構成部品からなっていてもよく、シャフトであってもよい。ここで、図には３つの翼状片を有するヨークを有するシャフト（図示せず）を受けるための三脚カップ１９２を備える標準的な駆動ハブとして示されている。通常、密閉部品（図示せず）がカバー１７８とハブ１９０の間に配置され、モータ１００の内部環境を絶縁する。ハブ１９０は、環状ディスク１９４によって回転子１１４に連結される。ディスク１９４は、ボルトとナット１７０によって回転子に固定され、ハブ１９０の開口部１９５でボルト（図示せず）によってハブ１９０に固定される。実際、モータの設計を変えずにさまざまな出力構成が可能になるのは、固定子の上に回転子を直接取り付けるからである。したがって、シャフトを用いない構成により、各種の出力構成を実現でき、これらには以下が含まれる。
・自動車用の「等速」（ＣＶ）ジョイントハウジング
・スプラインシャフト（雄または雌）
・穴パターンを設けない平坦なドライブプレート

ある用途分野において、図７から図１３に示されるモータ１００が特に想定される。ある用途分野において、モータは、２つの車輪を駆動するように構成される。別のモータを多軸自動車の別の一対の車輪を駆動するために構成することができる。モータは、２つの駆動ハブ１９０ａ，１９０ｂの各々から延びる、駆動軸を有する車輪の間の略中央に配置される。変更は一切不要であり、これは、各モータスライスを個別に、一定のトルクで駆動できるからである。この構成の機械は、モータとしても発電機としても動作し、特に、ハイブリッド車において、ただし、少なくとも再生ブレーキを使用する場合に確実に使用できる。

上記の説明から明らかなように、カバー１７８は、単なる防塵器であって、機械１００の内部構成要素を保護する。これらは、構造上の役割はほとんど果たさない。装置（たとえば、機械が配置される自動車等）と出力の間の構造的連結は、以下のとおりである。装置がモータハウジングに連結される。モータハウジングには構造的に固定子が取り付けられる。固定子には構造的に、また回転的にも、回転子が取り付けられる。回転子には構造的に出力が取り付けられ、出力は、それ以外にはモータハウジングによって支持されない。ここで、「構造的に」という用語は、当該の構成部品が、主要または唯一の取付手段であるという意味で使用される。たとえば、多くの周知の状況において、ハウジングには固定子が取り付けられ、また（回転的に）回転子が取り付けられる。したがって、固定子で回転子を取り付けることが提案される。しかしながら、このような取付は付随的であり、本明細書において、当該の構成部品を、実質的に媒介を用いて構造的に取り付けることを意味していない。しかしながら、その点に関して、カバー１７８とハブ１９０の間に設置された密閉部品が、カバー上にハブを「取り付ける」ことはなく、構造的に独立しており、回転子と固定子の媒介によって、ハウジング内のハブの基本的な構造的取付は妨害されない。

当然、回転子を固定子の上に、回転軸からある距離だけ離して直接取り付けることによって、構造的中空空間が回転子の中にできる。用途に応じて、これは、歯車箱、特に遊星歯車箱をモータの中に配置することが可能となる。ある範囲で、本発明による機械を使った多くの状況において、コイルの管理に必要な電子機器が機械をさまざまな速度に関して実質的に一定の最大トルク（実質的に冷却限度が前提となる）で動作させ、たとえば、１つのモータスライスにつき５００Ｎｍのトルクで、３０００ｒｐｍを超える回転速度まで動作させることができるため、歯車箱は不要である。しかしながら、歯車箱の使用も明らかに可能である。

この構成はまた、機械を一列に相互接続することを容易にするという利点を有し、これは、回転子がハウジングの中に固定された軸受で支持される場合には通常そうであるように、モータをハウジングにおいてジャーナル軸受で支持する構成を妨害しないからである。明確に、固定子がどこから始まり、それが固定されるハウジングがどこで終わるかについては、幾分議論の余地がある。実際に、本発明は、モータの条件において、以下のような選択肢を提供し、これらに限定されない。
（ａ）スプライン出力を有する５００Ｎｍの１つのスライス。
（ｂ）個別制御可能な２つの５００Ｎｍのスライスで、各々、自動車用のＣＶ型出力を有する。
（ｃ）２つのペア（１ペア１０００Ｎｍ）として結合された４つのスライス。各ペアは上記と同様に（高性能）自動車用ＣＶ型出力を有する。
（ｄ）相互に剛体的に固定された４つのスライスで、２０００Ｎｍとなる。

図８を参照すると、図の下半分と上半分は、回転子１１４ａ，１１４ｂが並んだボスの中に延びるボルト１７０ａによって相互接続されているが、スペーサスリーブ１６９によって離間されている点で異なっている。事実、前述のように、差が必要でないかぎり、２つの出力があるべき理由はないが、図８の下半部では、左側カバー１７８’が完全に閉じ、左側回転子１１４ａにはディスク１９４とハブ１９０が接続されていない。その代わりに、駆動は右側の回転子１１４ｂに接続された単独のハブ１９０とディスク１９４に対して（またはそれから）行われる。実際、４つのスライスモータ（図示せず）は、図８の左側に回転子１１４を追加していくことによって単純に作製できる。あるいは、デュアルドライブ４スライスモータも、単純に図８の下半分の配置をそのまま繰り返すことによって実現でき、連続するカバー１７８’をなくし、各ペアの環状ハウジング１０２を接続すればよい。

別の注目すべき点は、スライスが必ずしも、別のモータスライス１００ａ，１００ｂでなければならないわけではないという点であり、これは、別のトルクスピードバランスを提供する別の歯車箱のスライスであってもよい。したがって、上記の例（ａ）において、スライスは、たとえば４：１の係数で回転速度をステップダウンする遊星歯車箱に追加することができる。これは、最大出力速度を減速させるが、逆に、非常に軽量のアセンブリから２０００Ｎｍのトルク（５００Ｎｍ×４）を提供できる。もちろん、これらの図は、図７から図１３に示す構成に適用され、１８個の固定子磁極と１個の回転子につき２０個の磁石を使用する。しかしながら、当然、別の選択肢も下は３００Ｎｍ、上は１０００Ｎｍまで、いずれの方向にも利用可能である。

図７から図１３のモータ１００は、図４から図６に関して上述した実施形態の特徴を持たないように示されているが、有利な点として、これらの特徴は希望に応じて組み込むことができる。当然、図４から図５に関して説明した実施形態は、相互に排他的である。

本明細書の説明と特許請求の範囲を通じて、「〜からなる、〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」と「〜を含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」という用語ならびにそれらの変化形は、「〜を含み、これらに限定されない」という意味であり、これらは、他の構成成分、追加、構成部品、整数またはステップを排除しようとするものではない（排除しない）。本明細書の説明と特許請求の範囲を通じて、内容的に別の解釈が必要な場合を除き、単数形は複数形を含む。特に、不定冠詞が使用される場合、本明細書において、文脈上、他の解釈が必要な場合を除き、複数形および単数形も想定されると理解すべきである。

本発明の特定の態様、実施形態または例に関連して説明された特徴、整数、特徴、組成物、化学的成分または集合は、それらと矛盾しないかぎり、本願で説明した他の態様、実施形態または例にも適用されると理解するべきである。本明細書（付属の特許請求の範囲、要約書および図面のすべてを含む）において開示されたすべての特徴および／または開示されたすべての方法またはプロセスのすべてのステップは、これらの特徴および／またはステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組み合わせを除き、どのように組み合わせでもよい。本発明は、本明細書（付属の特許請求の範囲、要約書および図面を含む）において開示された特徴のすべての新規なもの、または新規の組み合わせ、開示された方法またはプロセスのステップの新規なもの、または新規な組み合わせにも及ぶ。

読者は、本願に関連して本明細書とともに、またはそれ以前に出願され、本明細書とともに閲覧用に公開されたすべての論文と文書にも留意されるべきであり、これらの論文と文書のすべての内容を引用によって本願に援用されるものとする

Claims (34)

1. 固定子と、該固定子に対して回転子軸のまわりに回転するよう取り付けられた回転子とを具えた、シャフトを有さない電気機械であって、前記回転子に担持される永久磁石と前記回転子の出力部とを含み、前記固定子が前記回転子の磁石と相互作用するために固定子鉄心に巻かれたコイルを含み、前記回転子は、前記固定子鉄心の各端部に１つ配置された２つのステージを有し、前記鉄心の端部と前記回転子のステージとの間にエアギャップが設けられ、前記固定子を保持して取り付ける環状ハウジングと、前記回転子と前記固定子との間に設けられた軸受と、を具え、前記回転子は前記回転子軸のまわりが中空であり、前記回転子はフランジ接続手段を含み、該フランジ接続手段によって、前記回転子へ、または前記回転子から回転力を伝達するためのフランジが前記回転子に接続可能であり、前記出力部および前記環状ハウジング間の負荷全体が前記固定子および前記回転子間の軸受を通して伝達され、前記環状ハウジングに対して前記回転子ないしは前記出力部の取り付け部が設けられておらず、前記回転子のステージの各々は環状の皿を含み、その外縁に前記永久磁石が取り付けられ、内縁が互いに接続されて前記軸受を囲んでいることを特徴とする電気機械。
2. 少なくとも２つの十分なモータの磁束経路があり、第１経路は第１固定子鉄心を通り、第１の前記エアギャップを横切り、第１の前記ステージ上の磁石を通ってバックアイアンに入り、隣接する第２磁石に入り、前記第１のエアギャップを通ってそれに隣接する第２固定子鉄心に入り、第２の前記エアギャップを横切り、前記回転子の第２の前記ステージ上の第３の磁石を通って前記第２のステージのバックアイアンに入り、隣接する第４の磁石に入り、前記第２のエアギャップを横切って前記第１の固定子鉄心に戻り、第２経路は第１固定子鉄心を通り、前記第１のエアギャップを横切り、前記第１のステージ上の磁石を通って前記第１のステージの前記バックアイアンに入り、前記第１のステージを通って前記軸受のまわりの前記回転子の前記第２のステージに入り、前記第２のステージの前記バックアイアンに入り、前記第４の磁石に入り、前記第２のエアギャップを横切って前記第１の固定子鉄心に戻ることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
3. 前記固定子のコイルは前記回転子軸のまわりに周方向に間隔をおいて配置されているとともに、前記固定子の第１の、固定子半径（Ｒ₁）よりも遠い位置で前記回転子軸に近接しており、
   前記軸受は、前記回転子の第２の、回転子半径（ｒ）よりも遠い位置で前記回転子の表面上で転動する転動要素を含み、前記回転子半径が前記固定子半径の６０％から９０％の間であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気機械。
4. 前記転動要素が転動する前記回転子の表面が前記回転子の前記フランジと一体の表面であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電気機械。
5. 前記表面が硬化されていることを特徴とする請求項４に記載の電気機械。
6. 前記表面が切頭円錐形であり、前記転動要素が針状であることを特徴とする請求項４または５に記載の電気機械。
7. 前記回転子半径は前記回転子軸からの前記針の最小分離分であることを特徴とする、請求項２に従属する場合の請求項６に記載の電気機械。
8. 前記固定子コイルは半径方向延在量（Ｃ₁）を有し、前記固定子コイルを取り囲む最小円がコイル半径（Ｒ₂）を有し、前記固定子半径（Ｒ₁）が前記コイル半径（Ｒ₂）の５０％から８０％の間であることを特徴とする、請求項３記載の、または請求項３に従属する場合の請求項４ないし７のいずれかに記載の電気機械。
9. 前記コイルは、前記半径方向延在量（Ｃ₁＝Ｒ₂−Ｒ₁）の５０％から１５０％の間である円周方向延在量（Ｃ₂）を有することを特徴とする請求項８に記載の電気機械。
10. 前記鉄心は前記回転子の回転軸に関して整列しており、前記軸受が前記エアギャップに交差する２つの半径方向平面の間にあることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の電気機械。
11. 前記エアギャップが放射方向に広がっていることを特徴とする請求項１０に記載の電気機械。
12. 前記軸受が前記固定子の前記鉄心または前記コイルに交差する２つの半径方向平面の間にあることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の電気機械。
13. 前記軸受が前記固定子の前記コイルに交差する２つの半径方向平面の間にあることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の電気機械。
14. 前記鉄心およびその上のコイルは、前記エアギャップ間に延在して前記コイルを冷却する冷媒を収容するチャンバを画成する固定子ハウジングに囲まれていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の電気機械。
15. 前記固定子ハウジングは２つの環状プレートおよび２つの円筒状壁を含み、前記環状プレートは前記鉄心を前記チャンバ内に位置づけるための凹部を含んでいることを特徴とする請求項１４に記載の電気機械。
16. 前記固定子ハウジングの材料は、非磁性および非導電性材料であることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の電気機械。
17. 前記エアギャップ内に位置する前記固定子ハウジングの部分の材料は断熱性材料であることを特徴とする請求項１４ないし１６のいずれかに記載の電気機械。
18. 前記固定子ハウジングは前記鉄心の端部で薄くされており、前記回転子上の前記磁石および前記鉄心間のギャップを最小限にしていることを特徴とする請求項１４ないし１７のいずれかに記載の電気機械。
19. 前記円筒状壁がアルミニウムであり、前記環状プレートがプラスチック材料であることを特徴とする、請求項１５記載の、または請求項１５に従属する場合の請求項１６ないし１８のいずれかに記載の電気機械。
20. 前記円筒状壁が内壁および外壁を有し、前記外壁が前記環状ハウジングをなす前記環状プレートと前記電気機械に取り付けるための手段とを含むとともに、前記内壁が前記軸受に取り付けられることを特徴とする、請求項１５記載の、または請求項１５に従属する場合の請求項１６ないし１９のいずれかに記載の電気機械。
21. 各々の前記内縁が、相互に係合する界面をもつ円筒状フランジを含んでいることを特徴とする請求項２０に記載の電気機械。
22. 前記円筒状フランジ間に、前記軸受に予め加えられる負荷を調節するためのスペーサをさらに具えていることを特徴とする請求項２１に記載の電気機械。
23. 前記円筒状フランジは前記回転子軸に平行に配列されたボスを含み、前記回転子のステージを互いにクランプするためのファスナを受容することを特徴とする請求項２１または２２に記載の電気機械。
24. 前記フランジ接続手段は、前記回転子のステージの接続を行うためのファスナを含んだ、前記回転子の環状の放射状面を備えていることを特徴とする請求項１ないし２３のいずれかに記載の電気機械。
25. 前記フランジが前記出力部としてのハブが取り付けられる環状ディスクを含むことを特徴とする請求項２４に記載の電気機械。
26. 前記皿は、前記ファスナによって前記回転子のボスに接続可能であることを特徴とする請求項２３または２４に記載の電気機械。
27. 前記軸受は２つ備えられ、前記固定子上のフランジの各側に１つ配置されることで、前記固定子に対する前記回転子ステージの軸方向位置が決定されることを特徴とする請求項１ないし２６のいずれかに記載の電気機械。
28. 前記環状ハウジングは、少なくとも２つの前記機械を接続して回転子軸を共用することが可能となるようにする軸方向界面を有することを特徴とする請求項１ないし２７のいずれかに記載の電気機械。
29. 前記接続された機械は、隣接する回転子のボスを通るファスナによって相互接続され、間にはスペーサが配置されていることを特徴とする請求項２３に従属する場合の請求項２７に記載の電気機械。
30. 前記機械の露出端は前記環状ハウジングに嵌合するカバーによって閉塞され、前記カバーの少なくとも１つは、前記出力部が通るのに適した中央開口を有することを特徴とする請求項１ないし２９のいずれかに記載の電気機械。
31. モータであることを特徴とする請求項１ないし３０のいずれかに記載の電気機械。
32. 少なくとも２つの前記モータが並置され、その少なくとも２つが、自身の出力部が設けられた独立した回転子を有することを特徴とする請求項２７または２８に従属する場合の請求項３１に記載されたモータ。
33. 前記カバーの各々に、それを通って２つの出力部が延在する中央開口が設けられていることを特徴とする請求項２９に従属する場合の請求項３１に記載されたモータ。
34. 請求項３２に記載のモータを具えた自動車であって、各々の出力部から前記自動車の異なる側の車輪までのドライブシャフトを具えたことを特徴とする自動車。

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