特開 2025-11296 磁束機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025011296

(43)【公開日】2025-01-23

(54)【発明の名称】磁束機械

(51)【国際特許分類】

   H02K 16/02 20060101AFI20250116BHJP

   H02K 21/12 20060101ALI20250116BHJP

   H02K 1/14 20060101ALI20250116BHJP

   H02K 1/28 20060101ALI20250116BHJP

   H02K 1/22 20060101ALI20250116BHJP

【ＦＩ】

H02K16/02

H02K21/12 M

H02K1/14 Z

H02K1/28 A

H02K1/22 A

H02K21/12 G

【審査請求】有

【請求項の数】25

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024184358

(22)【出願日】2024-10-18

(62)【分割の表示】P 2023024660の分割

【原出願日】2015-07-22

(31)【優先権主張番号】62/028,220

(32)【優先日】2014-07-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/028,235

(32)【優先日】2014-07-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】516218993

【氏名又は名称】クリアウォーター ホールディングス，リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100202751

【弁理士】

【氏名又は名称】岩堀 明代

(72)【発明者】

【氏名】ニューマーク，ノア，ジー．

(72)【発明者】

【氏名】コリンズ，ステファン，エム．

(72)【発明者】

【氏名】ハーウィズ，モーガン，アール．

【テーマコード（参考）】

5H601

5H621

【Ｆターム（参考）】

5H601AA24

5H601CC01

5H601CC02

5H601CC15

5H601DD04

5H601DD09

5H601DD14

5H601EE12

5H601GA02

5H601GB05

5H601GB22

5H601GB36

5H601GB48

5H601JJ05

5H621BB02

5H621BB07

5H621HH01

5H621JK17

(57)【要約】      （修正有）

【課題】より高い電力密度を可能にする電磁回転磁束機械を提供する。
【解決手段】磁束機械１０は、複数のコイルアセンブリと、中心軸５の周りで互いに非常に近接し、かつ円形に配置された複数の磁石セットとを有する。コイルアセンブリおよび磁石セットのいずれか一方は、中心軸と位置合わせされた少なくとも１つのシャフトによって支持されており、コイルアセンブリおよび磁石セットのいずれか一方は、コイルアセンブリ内に電流が存在する場合に中心軸の周りでの回転運動を行う。磁石セットの磁束は軸方向および半径方向に導かれ、機械の回転は磁束方向に直交している。各磁石セット内の複数の磁石は、磁束機械が電気モータ、発電機または同時に両方として動作することができるように、複数の同軸上に位置合わせされたシャフトのうちの１つまたは別の１つによって支持されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ステータ、１つ以上のロータ、複数のコイルアセンブリ、及び複数の磁石のセットを備える磁束機械であって、
前記１つ以上のロータの各々が、軸と、半径方向に前記軸から延在する複数のスポークとを備え、
前記複数のコイルアセンブリが、前記ステータと結合しており、また
前記複数の磁石のセットが、前記１つ以上のロータの前記複数のスポークと結合し、前記複数の磁石のセットの各々が、第１の磁石と第２の磁石を少なくとも備え、
前記第１の磁石は前記複数のスポークと少なくとも結合し、かつ前記複数のコイルアセンブリに向かって直交する磁束を第１の方向へ配向するように構成され、前記第２の磁石は前記複数のスポークと少なくとも結合し、かつ前記複数のコイルアセンブリに向かって直交する磁束を第２の方向へ配向するように構成され、それによって、前記複数のスポークの各々が、（i）前記複数の磁石のセットのうち少なくとも１つの前記第１の磁石と少なくとも結合し、かつ（ｉｉ）前記複数の磁石のセットのうち少なくとも１つの前記第２の磁石と少なくとも結合し、
前記１つ以上のロータのうち各々のロータの前記複数のスポークが前記各々のロータの前記軸の周囲３６０度にわたって配置される
磁束機械。

【請求項2】

前記複数のスポークが、前記軸の周囲３６０度にわたって配置される、請求項１に記載の磁束機械。

【請求項3】

前記複数のスポークが、各々、前記複数の磁石のセットのうちの１つの前記第１の磁石に少なくとも結合される、請求項１に記載の磁束機械。

【請求項4】

前記複数のスポークが、前記複数の磁石のセットのうちの第１の磁石のセットの少なくとも前記第１の磁石と、及び、前記複数の磁石のセットのうちの第２の磁石のセットの少なくとも前記第１の磁石と、に結合されている、請求項１に記載の磁束機械。

【請求項5】

前記複数の磁石のセットの各々の前記第１の磁石が、前記複数のスポークのうち少なくとも２つに結合されている、請求項１に記載の磁束機械。

【請求項6】

前記複数のスポークの各々のスポークが、前記複数のコイルアセンブリのうちの１つのコイルアセンブリに対応する、請求項１に記載の磁束機械。

【請求項7】

少なくとも１つの磁石が、前記複数のスポークのうちそれぞれのスポークに結合し、かつ
前記それぞれのスポークに対応する前記複数のコイルアセンブリのうちの前記１つのコイルアセンブリに隣接して配置されている、請求項６に記載の磁束機械。

【請求項8】

前記複数のコイルアセンブリの各々が、前記複数のスポークのうちの１つのスポークに隣接して配置される、請求項６に記載の磁束機械。

【請求項9】

前記複数のスポークの各々が、前記複数のコイルアセンブリのうちの少なくとも２つのコイルアセンブリに対応している、請求項１に記載の磁束機械。

【請求項10】

少なくとも１つの磁石が、前記複数のスポークの各々に結合しており、また、前記複数のコイルアセンブリのうちの前記少なくとも２つのコイルアセンブリに隣接して配置される、請求項９に記載の磁束機械。

【請求項11】

前記複数のコイルアセンブリの各々が、前記複数のスポークのうちの１つのスポークに隣接して配置される、請求項９に記載の磁束機械。

【請求項12】

前記複数のコイルアセンブリの各々が、前記複数のスポークのうちの少なくとも２つのスポークに対応する、請求項１に記載の磁束機械。

【請求項13】

前記複数のコイルアセンブリの各々が、前記複数のスポークのうちの前記少なくとも２つのスポークに隣接して配置される、請求項１２に記載の磁束機械。

【請求項14】

前記複数のコイルアセンブリの各々が、前記複数の磁石のセットのうち２つ以上の磁石のセットの中の少なくとも１つに隣接して配置される、請求項１２に記載の磁束機械。

【請求項15】

前記複数の磁石のセットの各々が、前記複数のスポークのそれぞれの１つに結合される、請求項１に記載の磁束機械。

【請求項16】

前記１つ以上のロータが、第１のロータ及び第２のロータを備え、前記第１のロータは、第１の軸から前記半径方向へ延在する第１の複数のスポークを備え、前記第２のロータは、第２の軸から前記半径方向へ延在する第２の複数のスポークを備える、請求項１に記載の磁束機械。

【請求項17】

前記複数の磁石のセットのうち各々の前記第１の磁石は、前記第１のロータの前記第１の複数のスポークのうちのそれぞれ１つに結合している、請求項１６に記載の磁束機械。

【請求項18】

前記複数の磁石のセットのうち各々の前記第２の磁石は、前記第２のロータの前記第２の複数のスポークのうちのそれぞれ１つに結合している、請求項１７に記載の磁束機械。

【請求項19】

前記第１のロータ及び前記第２のロータは、互いから独立して回転するように構成される、請求項１６に記載の磁束機械。

【請求項20】

前記第１の複数のスポークは、前記第２の複数のスポークから独立して回転するように構成される、請求項１９に記載の磁束機械。

【請求項21】

前記複数の磁石のセットの各々が、第３の磁石であって、前記複数のコイルアセンブリに向かって直交する磁束を第３の方向へ配向するように構成された第３の磁石を備える、請求項１に記載の磁束機械。

【請求項22】

前記複数の磁石のセットのうちの各々の前記第１の磁石、前記第２の磁石、及び前記第３の磁石が、前記複数のスポークのうちのそれぞれ１つに結合している、請求項２１に記載の磁束機械。

【請求項23】

前記１つ以上のロータが、第１の複数のスポークを有する第１のロータと、第２の複数のスポークを有する第２のロータとを備える、請求項２１に記載の磁束機械。

【請求項24】

前記複数の磁石のセットのうちの各々の前記第１の磁石及び前記第２の磁石が、前記第１の複数のスポークのそれぞれ１つに結合し、かつ前記複数の磁石のセットのうちの各々の前記第３の磁石が、前記第２の複数のスポークのそれぞれ１つに結合する、請求項２３に記載の磁束機械。

【請求項25】

前記複数の磁石のセットの各々が、前記複数のコイルアセンブリに向かって直交する磁束を第４の方向に配向するように構成された第４の磁石を備え、かつ前記複数の磁石のセットの各々の前記第４の磁石が、前記第２の複数のスポークのうちそれぞれ１つに結合している、請求項２４に記載の磁束機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、回転電磁モータおよび発電機に関する。

【背景技術】

【0002】

磁石横方向磁束機械は、コイル内の電流に対して垂直（横方向）に磁束を導き、長手方向の磁束を有する標準的なブラシレス機械よりも高いトルク密度を生成することができる。そのような機械は高い電力密度を有し、モータおよび発電機の両方として使用することができる。トルクは一定のステータ（固定子）電流において極数と共に増加する。横方向磁束機械では極数が大きいため、ステータ巻線における電流の周波数は高いが、シャフト速度は低い。そのような機械は、昔からステータおよびロータ（回転子）部品の製作および組み立てを難しくしている３次元磁気回路を有する。先行技術の磁気回路の製造方法は、個々のＵ字型の磁気回路の形成を必要とする。例えば、Ｕ字型の磁気回路は、互いに積み重ねられた複数の個々のＵ字型の積層体で構成されていてもよい。その上、そのような機械の組み立ては、各Ｕ字型の磁気回路の正しい配置、位置合わせおよび離間を必要とする。先行技術で知られている別の方法は、それぞれが一連のＬ字型突起物として全磁気回路の半分を有する２つの３Ｄ積層体を構築することである。コイルの周りで互いに接合させると、磁気回路はＵ字型に完成する。この方法は複雑な３次元形状を有する積層体の構築を必要とし、磁気回路を適切に形成するために積層体の正確な回転位置合わせを必要とする。本明細書に記載されている本磁束機械は製造および組み立てが単純であり、小型であり、かつ他の新規かつ非常に有利な態様を有する。本開示に関連する先行技術は以下の表に含まれており、参照により本明細書に組み込まれる。

【表1】

【0003】

図面は、先行技術に対して製造および操作上の利点を有する新規な電磁回転磁束機械１０を示す。例えば、磁束密度は比較的高く、１つの極当たりの起磁力を低下させることなく極数を増加させることができ、より高い電力密度を可能にする。さらなる利点としては、高いトルク／重量比、高い電力／重量比および比較的低い銅損により効率向上を可能にする比較的短い電流経路を有する多数の極が挙げられる。

【0004】

４つ以上の方向から導かれた磁束がコイルアセンブリに結合されるコイルおよび磁石の構成が開発されてきた。例えば、磁束をコイルの両側から半径方向に導くために極が向かい合った状態で配向された２つの磁石と、磁束をコイルの両側から軸方向に導くために極が軸方向を向いた状態で配向された２つのさらなる磁石が存在してもよい。さらに、巻線およびそれらの巻線内の電流が磁束機械のロータの運動の確立された円周方向を指すベクトルに垂直な平面を流れるように、コイルを配向させてもよい。

【0005】

このように、磁石はコイルの異なる側面に隣接していてもよいが、全ての磁束回路は付加的に結合している。

【0006】

本明細書に記載されているように独立したロータおよびシャフトに装着された磁石（電磁石または永久磁石あるいはその２つの組み合わせ）を用いれば、それらを独立して異なる周波数で、かつ／または独立してモータおよび発電機として同時に動作させることできる。これらの技術革新は、本機械の回転軸に垂直な平面に位置するコイルの向きを考慮すれば可能である。磁石およびコイルをその間の空隙を最小にして密結合した状態で回転させることにより、磁石とコイルとの間に相対運動が生じる。

【0007】

例えば添付の図面の図の中に、ここに説明されている機械の実施形態が一例として示されている。図面では、同様の参照符号は同様の要素を示す。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】以下の詳細な説明に係る磁束機械の斜視図である。

【図2】その斜視拡大図である。

【図3】その一実施形態の外側ロータ－磁石アセンブリの斜視図である。

【図4】その一実施形態のステータ板の立面図である。

【図5】例示的なコイルアセンブリおよびその磁石の斜視図である。

【図6】前記コイルアセンブリ、磁石、シャフトを有する支持フレームの構成の例示的な概念図である。

【図7】前記コイルアセンブリ、磁石、シャフトを有する支持フレームの構成の例示的な概念図である。

【図8】前記コイルアセンブリ、磁石、シャフトを有する支持フレームの構成の例示的な概念図である。

【図9】図６～図８と同様にさらなる構成の例示的な機械的概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１は、機械１０がほぼ円形状であり、かつ囲い板３０とはずみ車ハウジング１７０との間は軸方向に比較的短くてもよく、それにより空間および重量が節約されていることを示す。機械１０への電気的接続は、標準的な接続ボックス２０を介してなされてもよく、機械的係合は、図６～図９に示す中心軸５に位置合わせされた１つ以上の同軸シャフトを介してなされてもよい。

【0010】

図２は、実施形態に係る機械１０のいくつかの部品およびサブアセンブリを示し、それらの相対的軸方向位置を示す。図２を左から右に移動して見ると、囲い板３０、外側ロータ－磁石アセンブリ４０、ファン６０、内側ロータ－磁石アセンブリ７０、コイルアセンブリ１２０を含むステータアセンブリ１００、ロータハブ１５０、はずみ車１６０およびはずみ車ハウジング１７０が示されている。これらの部品は、機械１０の回転中心でもある一般的な軸５の周りに位置合わせされている。実施形態では、外側ロータ－磁石アセンブリ４０、ファン６０、内側ロータ－磁石アセンブリ７０、ロータハブ１５０およびはずみ車１６０は機械的に互いに接合されていてもよく、従って一緒に回転してもよい。他の実施形態では、これらの要素および他の要素のいくつかは、後で説明および図示するように、同軸シャフトの周りを独立して回転するように構成されていてもよい。実施形態では、囲い板３０、ステータアセンブリ１００およびはずみ車ハウジング１７０は回転しなくてもよく、機械的に互いに接合されていてもよく、ステータとして適所に固定されていてもよい。他の実施形態では、ステータアセンブリ１００は、一般にスリップリングモータにおいて見られるような標準的な回転式電気的インタフェースを介して接続された巻線の各位相と共に中心シャフトの周りを回転するように装着されていてもよい。従って、アセンブリ１００が機械１０のロータとして機能し、外側ロータ－磁石アセンブリ４０および内側ロータ－磁石アセンブリ７０が機械１０のステータとして機能してもよい。当業者であればこの単純な改造方法が分かるであろう。

【0011】

図３に例示されているように、軸方向に位置合わせされた磁石４６および半径方向に位置合わせされた磁石４７のセットは、単一シャフトに取り付けられた外側ロータアセンブリ４０の一部として円形の固定位置に保持されていてもよい。あるいは、磁石４６、４７は、図６～図９に示す別個の機械フレームによって軸方向に位置合わせされた１つ以上のシャフトに固定されていてもよい。

【0012】

図４は、ステータアセンブリ１００の円形板１１０を示し、円形板１１０は、アセンブリ７０の外側フランジ７４（図２）を受け入れるのに十分な大きさの直径の中心円形開口部１１２を有していてもよい。図６～図８に示すように、装着用スタンドオフ１１４または同様の金属製品を使用してコイルアセンブリ１２０を板１１０に固定してもよい。図６～図８では、隠れた線１１５として示されている締め具を使用してコイルアセンブリ１２０をスタンドオフ１１４に固定してもよい。

【0013】

図５は、コイルアセンブリ１２０が矩形、ほぼ矩形、曲線形（ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ）、卵形または他の形状であってもよいことを示す。電気コイル１２１は、電気銅またはアルミニウムストリップなどの、巻かれたフラット形状、円形または他の形状の電気導体で作られていてもよく、コア積層体１２２内に配置されていてもよい。コア積層体１２２は、軟鉄、積層ケイ素鋼、絶縁鉄シート、カルボニル鉄、鉄粉末、フェライト、ガラス状金属または他の材料および構造であってもよい。実施形態では、コイルアセンブリ１２０は、卵形、矩形、円形または他の好適な形状であってもよい。全装備のコイルアセンブリ１２０は、図２においてスタンドオフ１１４に固定された状態で示されている。図５では、磁石４６、４７および７６はコア積層体１２２に密結合されたものとして示されている。磁束線Φ（各磁石の磁束の主要すなわち最大成分）の方向が矢印によって示されている。図５では、コイルアセンブリ１２０の右端に沿って配置された磁石は存在しないことに留意されたい。当然のことながら、磁束鎖交を最小限に抑え、かつ磁気抵抗を確実に小さくするために、磁石４６、４７、７６（および図６に示す７７）はコイルアセンブリ１２０の側面に直接隣接して配置されている。磁石４６、４７、７６または７７のいずれかまたは全ては、電気機械の技術分野では公知であるように、全ての磁石がスリップリングまたは他の回転式電気的インタフェースを利用してシャフトに直接取り付けられた状態の永久磁石または電磁石であってもよい。図５～図９ではコイルアセンブリ１２０の側端は直線状で示されているが、これらの側端は直線状でなくてもよく、磁石４６、４７、７６および７７の隣接する表面は、磁石とコイルアセンブリとの間の空隙が最小化されるように形状が一致してもよい。従って、電気の技術分野の当業者であれば分かるように、コイルアセンブリ１２０は矩形以外の形状であってもよい。参照される米国特許第６２０２８２２０号および米国特許第６２０２８２３５号に示されているように、４つ以上の磁石が機械回転中にコイルアセンブリ１２０に密結合されるように配置されていてもよい。

【0014】

図６は、構造フレーム４４がコイルアセンブリ１２０の４つの側面の周りに延在していてもよく、かつ磁石４６、４７、７６および７７を密結合した位置に固定してもよいことを示す。構造フレーム４４は、連続的な円形アセンブリとして延在していてもよく、あるいは３６０°にわたって配置された一連の半径方向のスポークとして配置されていてもよく、かつ各コイルアセンブリ１２０のために１つ（またはそれ以上またはそれ以下）の前記スポーク４４を備えていてもよい。フレーム４４は中心軸５と位置合わせされたシャフト８０に固定されていてもよい。外部モータによってシャフト８０が回転すると、例えば、磁石４６、４７、７６および７７のセット全てがコイルアセンブリ１２０を通り、ファラデー電流を生成する。図６は単一のシャフトを有する機械１０を示す。

【0015】

図７は、構造フレーム４４が、コイルアセンブリ１２０のいずれか１つの２つの側面の周りに延在していてもよく、かつ磁石４６および４７を、回転中にコイルアセンブリ１２０のそれぞれ１つの２つの側面に順番に密結合される好ましい位置で固定してもよいことを示す。図６に示す構成と同様に、フレーム４４は図示のようにシャフト８０に固定されていてもよい。さらなる構造フレーム７４は、コイルアセンブリ１２０の残りの２つの側面の周りに延在していてもよく、磁石７６および７７をコイルアセンブリ１２０に密結合される適所に固定してもよく、かつ図示のようにシャフト８２に固定されていてもよい。シャフト８０および８２は同軸上に位置合わせされていてもよく、回転の際に互いに独立していてもよい。モータおよび発電機の両動作において、当該シャフトは磁石の極性に応じて、同じまたは反対方向に回転してもよい。モータの動作において、当該シャフトはどちらも同じｒｐｍで回転し、発電機モードでは、電気の位相同期が維持される限り、当該シャフトは異なるｒｐｍで回転してもよい。１つの駆動されるシャフトを、入力ライン１３０において補充電流を入口電流に追加する発電機モードで機能させることができるが、第２のシャフトは入力および補充電流全体によって駆動されるモータモードで機能する。図７は２つのシャフトを有する機械１０を示す。

【0016】

図８は、３つの構造フレーム４４、７２および７４により磁石４６、４７、７２、７７Ａおよび７７Ｂを固定できることを示す。この構成では磁石７７は、図示のように２つの磁石７７Ａおよび７７Ｂによって置き換えられている。フレーム４４、７２および７４は、図示のように同軸シャフト８０、８２および８４に固定されていてもよい。モータおよび発電機の両動作において、磁石の極性に応じて、当該シャフトは同じ方向に回転しても同じ方向に回転しなくてもよい。モータ動作では、当該シャフトは全て同じｒｐｍで回転し、発電機モードでは、当該シャフトは電気の位相同期が維持される限り異なるｒｐｍで回転してもよい。駆動されるシャフトを、入力ライン１３０において補充電流を入口電流に追加する発電機モードで機能させることができ、別のシャフトは入力および補充電流全体によって駆動されるモータモードで機能する。当然ながら、全てのシャフトは、異なる回転駆動装置で駆動してもよく、回転力を異なる負荷に送ってもよい。当然ながら、磁石７７を磁石７７Ａおよび７７Ｂで置き換えるように、各磁石４６、４７および７６を複数の磁石で置き換えることができる。図８は３つのシャフトを有する機械１０を示す。

【0017】

図９は、４つの磁石４６、４７、７６および７７を、フレーム４４、７２、７４および７８によって４つのシャフトのうちの１つに装着することができる、シャフト８２、８４、８６および８８からなる４つのシャフトを有する機械を示す。同様の方法で、磁石４６、４７、７６および７７のそれぞれ１つを図８に示すように２つの磁石で置き換えることができる場合、８つの磁石を全て８つの同軸シャフトによって支持することができ、機械１０を使用して８つの別個の回転負荷を駆動することができる。図９は４つのシャフトを有する機械１０を示す。

【0018】

同軸組み込みおよび同軸動作のために、最も内側のシャフト以外の前記シャフトは全て、図６～図９に示すように管状であってもよく、機械の技術分野で知られているように回転独立性を維持しながらそれらの互いの同軸位置および離間を維持するために、トロイダルころ軸受を備えていてもよい。これも周知であるように、当該シャフトを全て、軸５を中心にしてそれらの位置に固定するために、最も外側の同軸シャフト、例えば図９のシャフト８８は外部の軸受セットによって支持されていてもよい。

【0019】

図６および図７に示すように、磁束すなわち主成分（各磁石の最大成分）の方向は、軸方向または半径方向であってもよい。機械１０の回転方向は磁束回路の向きに直交していてもよい。従って、機械１０は横方向磁束機械とみなされる。機械１０のステータ上に装着されたコイルアセンブリ１２０に対する法線ベクトルがロータの回転方向およびｒｐｍの大きさを定めることに留意されたい。

【0020】

上記説明では、実施形態は複数の個々の部品として記載されており、これは単に例示のためのものである。従って、特許請求されている装置の意味および理解から逸脱することなく、いくつかのさらなる部品を追加することができ、いくつかの部品を変更または省略することができ、かつ部品の順序を再構成することができると考えられる。

【産業上の利用可能性】

【0021】

ここに記載されているいくつかの実施形態は、そのような機械を、陸上および海上の乗り物、電気およびハイブリッド電気自動車、水中機、魚雷のための推進モータ、電気ヘリコプタおよび航空機のための推進モータ、エレベータ推進モータ、潮流発電機、風力発電機、一体化された始動器／発電機、ディーゼルおよび天然ガス発電機セット、および高周波低速機械などの様々な用途にとって望ましいものにする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】