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特表2024-537219マルチ材料の分割ステータ

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-10

(54)【発明の名称】マルチ材料の分割ステータ

(51)【国際特許分類】

H02K 1/18 20060101AFI20241003BHJP

【ＦＩ】

H02K1/18 C

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024521073

(86)(22)【出願日】2022-10-04

(85)【翻訳文提出日】2024-05-20

(86)【国際出願番号】 US2022077509

(87)【国際公開番号】W WO2023060063

(87)【国際公開日】2023-04-13

(31)【優先権主張番号】63/253,731

(32)【優先日】2021-10-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】595012659

【氏名又は名称】シーアールエス・ホールディングス・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】ＣＲＳＨＯＬＤＩＮＧＳ，ＬＬＣ

(74)【代理人】

【識別番号】100106518

【弁理士】

【氏名又は名称】松谷道子

(74)【代理人】

【識別番号】100184343

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎茂雄

(72)【発明者】

【氏名】アロンハイム，ナタン

(72)【発明者】

【氏名】ダス，ジャイディプ

(72)【発明者】

【氏名】リウ，ミンダ

(72)【発明者】

【氏名】メヘディ，モハマド

(72)【発明者】

【氏名】トゥループ，ブランドン

【テーマコード（参考）】

5H601

【Ｆターム（参考）】

5H601CC01

5H601CC02

5H601DD01

5H601DD09

5H601DD11

5H601DD18

5H601FF02

5H601FF17

5H601GA02

5H601GB12

5H601GB33

5H601GC12

5H601GD07

5H601GD18

5H601HH02

5H601KK08

(57)【要約】

ティースセグメントと、隣り合うヨークセグメントとを備える回転機械用ステータであって、ティースセグメントは、飽和密度が高い材料を含み得、ヨークセグメントは、飽和密度が低い材料を含み得、ステータには任意に、単一材料及びマルチ材料の薄板層の積層として提供される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

貫通して延びる長手軸と、前記長手軸に対して垂直な平面における円形断面と、を有する円筒形状を有するステータアセンブリであって、前記ステータアセンブリは、
前記円形断面の径方向に沿って延びる複数のティースセグメントであって、前記複数のティースセグメントがそれぞれ、前記径方向に対して垂直に測定された厚さｔを有し、前記径方向に沿って測定されたヨークセグメント深さｄ１を有する、前記複数のティースセグメントと、
前記ヨークセグメントにおける前記ティースセグメントと隣り合い且つ前記ティースセグメントを取り囲む複数のヨークリングセグメントであって、前記複数のヨークリングセグメントが前記径方向に沿って測定された深さｄを有し、距離ｄは、前記ヨークセグメント深さｄ１を含む、前記複数のヨークリングセグメントと
を備えており、
ｄとｔの比は、１：２より大きい、ステータアセンブリ。

【請求項2】

前記ティースセグメントは、飽和密度が高い軟磁性合金で形成されている、
請求項１に記載のステータアセンブリ。

【請求項3】

前記ヨークリングセグメントは、前記ティースセグメントより飽和密度が低い軟磁性合金で形成されている、
請求項１又は２に記載のステータアセンブリ。

【請求項4】

前記ｄとｔの比は、１：２から２：１の間である、
請求項１～３の何れか１つに記載のステータアセンブリ。

【請求項5】

ｄ１とｔの比は、０から１：２の間である、
請求項４に記載のステータアセンブリ。

【請求項6】

ｄ１とｔの比は、１：２から２：１の間である、
請求項４に記載のステータアセンブリ。

【請求項7】

前記ｄとｔの比は、２：１より大きい、
請求項１～３の何れか１つに記載のステータアセンブリ。

【請求項8】

ｄ１とｔの比は、０から１：４の間である、
請求項７に記載のステータアセンブリ。

【請求項9】

ｄ１とｔの比は、１：４から３：１の間である、
請求項７に記載のステータアセンブリ。

【請求項10】

ｄ１とｔの比は、０から１：２の間である、
請求項１～３の何れか１つに記載のステータアセンブリ。

【請求項11】

ｄ１とｔの比は、１：２から２：１の間である、
請求項１～３の何れか１つに記載のステータアセンブリ。

【請求項12】

ｄ１とｔの比は、０から１：４の間である、
請求項１～３の何れか１つに記載のステータアセンブリ。

【請求項13】

ｄ１とｔの比は、１：４から３：１の間である、
請求項１～３の何れか１つに記載のステータアセンブリ。

【請求項14】

前記複数のティースセグメントはそれぞれ、複数のティースセグメントと前記複数のヨークリングセグメントとの間の接触位置において複数の応力点を有する、
請求項１～１３の何れか１つに記載のステータアセンブリ。

【請求項15】

ステータアセンブリであって、前記ステータアセンブリは、前記ステータアセンブリの径方向に沿って延びる複数のティースセグメントと、前記ティースセグメントと隣り合い且つ前記ティースセグメントを取り囲む複数のヨークリングセグメントと、を備えており、前記複数のティースセグメントはそれぞれ、前記ティースセグメントと前記ヨークリングセグメントとの間の接触位置において複数の応力点を有する、ステータアセンブリ。

【請求項16】

回転機械用のステータ積層アセンブリであって、
前記積層を提供するために、前記積層の第１端部から反対の第２端部まで順に、第１端部の単一材料の薄板層と、複数のマルチ材料の薄板層と、第２端部の単一材料の薄板層と、
前記積層を貫通して延びる複数のピンと
を備える、ステータ積層アセンブリ。

【請求項17】

前記複数のマルチ材料の薄板層は、複数のステータティースセグメントと、前記ステータティースセグメントと隣り合う複数のステータヨークセグメントとを含む、
請求項１６に記載のステータ積層アセンブリ。

【請求項18】

前記ステータ積層アセンブリは、ｉ）前記ステータティースセグメントを含む前記複数のマルチ材料の薄板層を共に接着するため、及び／又は、ｉｉ）前記ステータヨークセグメントを含む前記複数のマルチ材料の薄板層を共に接着するため、の接着材料を備える、
請求項１７に記載のステータ積層アセンブリ。

【請求項19】

前記ステータ積層アセンブリは、前記複数のマルチ材料の薄板層のうち選択された第１層におけるタブと、前記複数のマルチ材料の薄板層のうち選択された第２層における相補的なディテントとを備えており、前記ディテントは、前記少なくとも１つのタブと隣り合い且つ前記少なくとも１つのタブのレジストリにある、
請求項１６～１８の何れか１つに記載のステータ積層アセンブリ。

【請求項20】

前記選択された第１層は、前記ステータティースセグメントを含む、
請求項１９に記載のステータ積層アセンブリ。

【請求項21】

前記選択された第１層は、前記ステータヨークセグメントを含む、
請求項１９に記載のステータ積層アセンブリ。

【請求項22】

前記ステータティースセグメントは、飽和密度が低い軟磁性合金で形成されている、
請求項１７～２１の何れか１つに記載のステータ積層アセンブリ。

【請求項23】

前記ステータヨークセグメントは、前記ステータティースセグメントより飽和密度が低い軟磁性合金で形成されている、
請求項１７～２２の何れか１つに記載のステータ積層アセンブリ。

【請求項24】

前記ピンの直径と、前記ステータティースセグメントのティースの、径方向に対して垂直に測定された幅との比は、好ましくは１：３、より好ましくは１：５、最も好ましくは１：８である、
請求項１７～２３の何れか１つに記載のステータ積層アセンブリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は概して、回転機械用ステータに関する。

【背景技術】

【0002】

既知の回転電気機械用ステータは通常、軟磁性材料の薄板の積層から製造される。ステータは、リング形状のヨークと、ヨークから径方向に延びる複数のティースとの２つの領域に大きく分けられ得る。種々のタイプの回転電気機械にとって、電気機械の作動時にティースとヨークとが異なる磁束密度を経験することが認識されている。より具体的には、ティースは通常、ヨーク部分よりもかなり高い磁束密度を受ける。その現象のため、回転電気機械の効率と費用対効果とを改善するために、異なる磁性材料からこのような部品を製造することが提案されている。

【0003】

マルチ材料のコンセプトは認識されているが、当該技術分野では、そのような部品を製造する実行可能な方法は、提供されていない。また、現在使用されている標準的な軟磁性材料と比較して、複数の軟磁性材料を使用することが、性能的及び価値ある費用便益にとって経済的、に効果的であるために、そのような部品の幾何形状における任意の物理的な制限は、当該技術分野では認識されていない。

【発明の概要】

【0004】

本発明の一態様によれば、貫通して延びる長手軸と、長手軸に対して垂直な平面における円形断面と、を有する円筒形状を有するステータアセンブリが提供され得る。ステータアセンブリは、円形断面の径方向に沿って延びる複数のティースセグメントを含み得、複数のティースセグメントはそれぞれ、径方向に対して垂直に測定された厚さｔを有し、径方向に沿って測定されたヨークセグメント深さｄ１を有する。ステータアセンブリはまた、ヨークセグメントにおけるティースセグメントと隣り合い且つ当該ティースセグメントを取り囲む複数のヨークリングセグメントを含み得、複数のヨークリングセグメントは、径方向に沿って測定された深さｄを有し得、距離ｄは、ヨークセグメント深さｄ１を含む。ｄとｔの比は、１：２より大きくあり得る。ティースセグメントは、飽和密度が高い軟磁性合金で形成され得、ヨークリングセグメントは、ティースセグメントより飽和密度が低い軟磁性合金で形成され得る。ステータアセンブリは、ｄとｔの比が１：２から２：１の間、及び／又は、ｄ１とｔの比が０から１：２の間であってもよい。代替的に、ｄ１とｔの比は、１：２から２：１の間であってもよい。加えて、ｄとｔの比は、２：１より大きくてもよく、及び／又は、ｄ１とｔの比は、０から１：４の間、又は１：４から３：１の間であってもよい。さらに、複数のティースセグメントはそれぞれ、複数のティースセグメントと複数のヨークリングセグメントとの間の接触位置において複数の応力点を含んでもよい。

【0005】

その別の態様において、本発明は、ステータアセンブリの径方向に沿って延びる複数のティースセグメントと、ティースセグメントと隣り合い且つ当該ティースセグメントを取り囲む複数のヨークリングセグメントと、を備えるステータアセンブリを提供し得、複数のティースセグメントはそれぞれ、ティースセグメントとヨークリングセグメントとの間の接触位置において複数の応力点を有する。

【0006】

なおさらに、その別の態様において、本発明は、回転機械用のステータ積層アセンブリであって、（積層を提供するために）積層の第１端部から反対の第２端部まで順に、第１端部の単一材料の薄板層と、複数のマルチ材料の薄板層と、第２端部の単一材料の薄板層とを備える、ステータ積層アセンブリを提供し得る。複数のピンは、積層を貫通して延び得る。複数のマルチ材料の薄板層は、複数のステータティースセグメントと、ステータティースセグメントと隣り合う複数のステータヨークセグメントとを含み得る。接着材料は、ｉ）ステータティースセグメントを含む複数のマルチ材料の薄板層を共に接着するため、及び／又は、ｉｉ）ステータヨークセグメントを含む複数のマルチ材料の薄板層を共に接着するため、に提供され得る。ステータ積層アセンブリは、複数のマルチ材料の薄板層のうち選択された第１層におけるタブと、複数のマルチ材料の薄板層のうち選択された第２層における相補的なディテントとを含み得、ディテントは、少なくとも１つのタブと隣り合い且つ少なくとも１つのタブのレジストリにある。選択された第１層は、ステータティースセグメントを含んでもよく、又はステータヨークセグメントを含んでもよい。ステータティースセグメントは、飽和密度が高い軟磁性合金で形成され得、ステータヨークセグメントは、ステータティースセグメントより飽和密度が低い軟磁性合金で形成され得る。

【0007】

さらにその別の態様において、本発明は、回転電気機械用ステータの製造方法を提供し得、当該方法は、
ａ．飽和密度が高いシート／ストリップ材料から、ステータのティースセグメント用に薄板を打ち抜く又は切断すること、
ｂ．飽和密度が低いシート／ストリップ材料から、ヨークセグメント用に薄板を打ち抜く又は切断すること、
ｃ．ティースセグメントの薄板を積層してティースセグメントの積層を形成すること、
ｄ．ティースセグメントの積層を熱処理して磁気特性と機械特性との所望の組み合わせを得ること、
ｅ．ヨークセグメントの薄板を積層してヨークセグメントの積層を形成すること、
ｆ．ティースセグメントの薄板を接着材料で接着して接着材料を硬化させること、
ｇ．ヨークリングセグメントの薄板を接着材料で接着して接着材料を硬化させること、
ｈ．接着材料でティースセグメントの積層をヨークセグメントの積層に組み立て及び接着してステータを形成すること、
ｉ．組み立てられたステータを熱処理して接着材料を硬化させること
のステップを含む。
ステップａ．において、飽和密度が高い材料は、絶縁層で被覆されていてもよく、又は被覆されていなくてもよい。ステップｄ．において、飽和密度が高い材料は、ストリップとして熱処理されてもよく、又は積層状態において熱処理されてもよい。

【0008】

本発明の第２の態様によれば、回転電気機械用ステータを製造する第２の方法が提供されており、当該方法は、
ａ．飽和密度が高いシート／ストリップ材料から、ティース部分とヨーク部分とを含むステータ用の薄板を打ち抜く又は切断すること、
ｂ．飽和密度が低いステータシート／ストリップ材料から、ステータ用の薄板を打ち抜く又は切断すること、
ｃ．高い飽和密度及び低い飽和密度のティース部分とヨーク部分とを所望の積層形状にかみ合わせること、
ｄ．組み立てられた積層を熱処理して磁気特性と機械特性との所望の組み合わせを得ること
のステップを含む。

【0009】

この発明のさらなる態様によれば、リング形状のヨークと、ヨークから径方向に延びる複数のティースとを備える回転電気機械用のステータが提供されており、ティースの幅（ｔ）とリング形状のヨークの環状幅（ｄ）とは、ｔがｄ未満（ｔ＜ｄ）であるような関係にあり、ステータ材料の最大７５体積％、好ましくは２０～７５体積％は、飽和密度が高い材料であり、ステータ材料の残余は、ティース材料の飽和密度より飽和密度が低いケイ素鋼又は他の軟磁性合金等の軟磁性材料である。ティースにおける高密度材料の各薄板の厚さは、０．０５ｍｍから０．５ｍｍの範囲にあり得、ヨーク材料の薄板の厚さは、０．０５ｍｍから０．５ｍｍの範囲にあり得る。

【0010】

本発明のこの態様のさらなる実施形態において、ステータは、リング形状セグメントと、リング形状セグメントから径方向に延びる複数のティースセグメントとを備え得る。ティースセグメントは、ティース全体、ティースの一部、又はティースとヨークの一部とを有してもよい。

【0011】

本明細書及び本願を通して、用語「高い飽和密度」は、鉄－コバルト合金を使用することによって提供され得る約２～２．４テスラ（Ｔ）の飽和磁束密度（Ｂ_ｓａｔ）を意味する。用語「低い飽和密度材料」は、２～４ｗｔ％のケイ素含有鋼又は鉄－コバルト合金材料を使用することによって提供され得る約１．７～２．１テスラ（Ｔ）の飽和磁束密度を有することを特徴とする材料を意味する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

前述の概要と本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明とは、添付の図面と併せて読むことにより、さらに理解され得る。

【0013】

【図1】既知の幾何形状を有するステータ積層用の単一の薄板の平面図を概略的に示す。

【0014】

【図2】第２の既知の幾何形状を有するステータ積層用の分割薄板の平面図を概略的に示す。

【0015】

【図3】本発明の第１実施形態にしたがって製造されたステータ積層用の分割薄板を概略的に示す。

【0016】

【図4】図３に示されたタイプの６分割設計の例示的なモータ応答を、様々な単一材料設計及びマルチ材料設計を用いた場合と共に示す。

【0017】

【図5】ケイ素鋼（Ｍ１９）及びＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のマルチ材料構造のシミュレーションに使用されるモデルを示しており、当該モデルは、例えば図３に示されたタイプのもの等、本発明に係るマルチ材料の積層における有効磁束の流れの表示を提供する。

【0018】

【図6】図５のモデルで使用された様々なシナリオを示す。

【0019】

【図7】バックアイアン：ティースの比が２．５：１のマルチ材料構造の磁気応答を示す。

【図8】バックアイアン：ティースの比が２．５：１のマルチ材料構造の磁気応答を示す。

【図9】バックアイアン：ティースの比が２．５：１のマルチ材料構造の磁気応答を示す。

【0020】

【図10】バックアイアン：ティースの比が１．２５：１のマルチ材料構造の磁気応答を示す。

【図11】バックアイアン：ティースの比が１．２５：１のマルチ材料構造の磁気応答を示す。

【図12】バックアイアン：ティースの比が１．２５：１のマルチ材料構造の磁気応答を示す。

【0021】

【図13】バックアイアン：ティースの比が１：２のマルチ材料構造の磁気応答を示しており、この構造の場合、磁気特性が大きく影響されることを示している。

【図14】バックアイアン：ティースの比が１：２のマルチ材料構造の磁気応答を示しており、この構造の場合、磁気特性が大きく影響されることを示している。

【図15】バックアイアン：ティースの比が１：２のマルチ材料構造の磁気応答を示しており、この構造の場合、磁気特性が大きく影響されることを示している。

【0022】

【図16】本発明に係るバックアイアン及びティースの例示的な構成を概略的に示す。

【図17】本発明に係るバックアイアン及びティースの例示的な構成を概略的に示す。

【0023】

【図18】モミタイプの接続設計を有する本発明に係るマルチ材料ステータの例示的な構成を概略的に示す。

【図19】モミタイプの接続設計を有する本発明に係るマルチ材料ステータの例示的な構成を概略的に示す。

【図20】モミタイプの接続設計を有する本発明に係るマルチ材料ステータの例示的な構成を概略的に示す。

【0024】

【図21】図２６～２８の受動状態（左）と負荷状態（右）の構造におけるステータコアのフォンミーゼス応力分布コンターのシミュレーションを示す。

【0025】

【図22A】本発明に係るマルチ材料の接続用のピンアセンブリの例示的な構成を概略的に示しており、ドローンモータステータの積層を示している。

【図22B】本発明に係るマルチ材料の接続用のピンアセンブリの例示的な構成を概略的に示しており、ＥＶモータステータの積層を示している。

【図22C】本発明に係るマルチ材料の接続用のピンアセンブリの例示的な構成を概略的に示しており、分割ＥＶモータステータの積層を示している。

【0026】

【図23】本発明に係る積層アセンブリの例示的な構成を概略的に示す。

【図24】本発明に係る積層アセンブリの例示的な構成を概略的に示す。

【図25】本発明に係る積層アセンブリの例示的な構成を概略的に示す。

【図26】本発明に係る積層アセンブリの例示的な構成を概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0027】

その一態様において、本発明に係るプロセスは、２つの異なる軟磁性材料を利用して電気機械のステータ部分を製造することによって、電動機又は発電機等の回転電気機械の動作性能を向上させることに向けられ得る。本発明のこの態様に関連して、プロセスを構成するステップは、ステータの幾何形状に基づいて選択され得る。

【0028】

次に図を参照すると、同様の要素には同様の符号が全体にわたって付けられており、特に図３において、ステータ１０は、ティース１２とバックアイアン（ヨーク）部１４とを含んでいる。複数のヨーク部１４は、結合されてステータ１０を形成し得る。代替的に、ステータ１０は、単一のヨーク部（図示せず）から構成されてもよい。ティース１２は、図３に示されるように、ヨーク部１４の中間に配置されてもよく、又は、１つ以上のティース１２は、必要な構成に応じて、ヨーク１４上の任意の位置に配置されてもよい。

【0029】

ティース１２は、好ましくは、約２～２．４テスラ（Ｔ）の高い飽和密度（Ｂ_ｓａｔ）によって特徴づけられ得る軟磁性合金から製造され得る。適切な磁性合金の例は、炭素、ニッケル、マンガン、ケイ素、コバルト、バナジウム、クロム、銅、アルミニウム、及び鉄のいくつかの組み合わせを含み得る。商業的に入手できる磁性合金は、ＣＡＲＴＥＣＨ（登録商標）ＨＩＰＥＲＣＯ（登録商標）５０Ａ合金、ＣＡＲＴＥＣＨ（登録商標）ＨＩＰＥＲＣＯ（登録商標）５０合金、ＣＡＲＴＥＣＨ（登録商標）ＨＩＰＥＲＣＯ（登録商標）２７合金、及びＣＡＲＴＥＣＨ（登録商標）ＨＹＰＯＣＯＲＥ（登録商標）合金（米国のＣａｒｐｅｎｔｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）を含む。ヨーク部１４は、約１．７～２．１テスラ（Ｔ）の飽和磁束密度を有することによって特徴づけられる磁性合金から作られ得る。ヨーク部１４に適した材料は、Ｍ１９等のケイ素鉄を含む。

【0030】

一実施形態において、組み立てられたステータ１０のティース１２は、ステータ１０の体積の少なくとも約２０％を構成し得る。このような実施形態において、飽和密度が高い磁性合金は、ステータ１０のティース１２にのみ使用され、ヨーク部１４は、Ｍ１９等のケイ素鉄を含み得る。他の実施形態において、ティース１２は、ステータの体積の３０％以上、例えば７５％までを構成してもよい。後者の配置において、ティース１２は、ヨーク部１４の一部を含んでもよい。言い換えると、飽和密度が高い磁性合金は、図１６に示されるように、ティース１２に近接するケイ素鉄に置き換えられる。

【0031】

一実施形態において、本発明のステータ１０は、好ましくは以下のプロセスステップにしたがって製造され得る。第１のステップにおいて、ティース１２セグメント用の薄板が、飽和密度が高い軟磁性合金のシート又はストリップの形態から打ち抜かれる又は切断される。薄板は、絶縁コーティングされたもの、又は絶縁コーティングされていないものであり得る。次に、ヨーク部１４用の薄板は、飽和密度が低いシート／ストリップ材料から打ち抜かれる又は切断される。ヨーク部１４の薄板は、完全なリングとして、又はセグメントとして形成され得る。その後、ヨーク部１４の薄板は、積層されてヨーク部分を形成する。積層されたヨーク部１４の薄板を含むヨーク部分は、図３に示されるように、リングセグメントとして形成され得る。

【0032】

ティース１２セグメントの薄板は、積層されてティース部分を形成し、その後、熱処理され、磁気特性と機械特性との所望の組み合わせを得る。さらに、熱処理された薄板は、積層の鉄損応答を改善するために、絶縁コーティングされ得る。ティース１２セグメントの薄板は、エポキシ等の接着材料で共に接着され得、その後、当該接着材料は、接着材料の所定の方法で硬化する。例えば、いくつかの接着剤を硬化させることは、硬化装置をヒータで加熱すること、又は接着剤を特定の波長の光にさらすこと、によって達成され得る。

【0033】

ＲｅｍｉｓｏｌＥＢ－５４８（オーストリアのＲｅｍｂｒａｎｄｔｉｎ，ＶｉｅｎｎａＦｌｏｒｉｄｓｄｏｒｆ）は、ステータに使用される積層薄板の接着のための接着剤の一例である。接着剤及び／又は接着材料の選択は、少なくともその接着強度、熱安定性、耐水性、耐薬品性、電気絶縁特性、磁気特性、振動制御、及び耐衝撃性を含む、多くの要因に基づく。ヨーク部分の薄板は、エポキシ等の適切な接着材料で共に接着され得る。代替的な配置において、ヨーク部分の薄板は、かみ合わせられ得る。ティースセグメントとヨークセグメントとは、組み立てられて、接着、圧入、リベット止め、又は共にかみ合わせられ得る。

【0034】

本発明者らはさらに、ステータの幾何形状が、特定の設計がマルチ材料に適しているかどうかを理解するための重要な要素であることを認識した。特に、本発明者らは、マルチ材料設計から得られる利点を含むためには、バックアイアンを十分に広くすべきであると結論付け、バックアイアンにおける飽和密度が高い材料の体積が、本発明のマルチ材料ベースのステータ設計の最適性能をも制御することを発見した。

【0035】

例えば、上記で導入された設計上の考慮事項に加えて、本発明者らは、図５～図１５のコンピュータシミュレーション研究を通じて、追加の構造構成と特定のパラメータとを作成した。マルチ材料ステータの設計ルールを理解するため、カスタム設計でシミュレーションを行った。図５は、ケイ素鋼（Ｍ１９）とＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０とのマルチ材料構造のシミュレーション設計２１０を示しており、図３に示されるようなロータにおけるマルチ材料の積層の有効磁束流れを表示する。シミュレーション設計２１０において、「ケイ素鋼」バックアイアンヨーク２１４は、バックアイアン又はヨーク１４の一部を表しており、Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０リング２１２とバー２１３とは、磁束の流れに対するティース１２とヨーク１４の一部との寄与を表す。

【0036】

構造体２１０の磁気応答の影響を調べるために、バー２１３の幅を、リング２１２とバックアイアンヨーク２１４の両方の外径（ＯＤ）と内径（ＩＤ）とともに、図６の表に記載されているように、それぞれの材料について変化させた。図７～１５は、例示的なシミュレーション結果を示している。図７～９のシミュレーションでは、幅ｔ＝０．２インチのバー／ティース、幅ｄ＝０．５インチのバックアイアンヨークが使用され、ｄ：ｔの比＝２．５：１であった。直径幅０．１インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンの損失は、全てがＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０の場合より約２５％高いことがわかる。Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０の直径幅は、Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のヨークセグメント深さｄ１の２倍と定義され、バックアイアン部分に延びているＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０の領域を示していることに留意すべきである。また、直径幅０．４インチと０．７５インチのＨ５０のバックアイアンは、全てがＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアン構成に近かった。直径幅０．１インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンはまた、１．５～２Ｔの密度において８～１５％少ない磁束／電流を生じさせ、直径幅０．４インチと０．７５インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンは、全てがＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアン構成に近かった。直径幅０．１インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンは、２Ｔの密度に達するために２０％大きなＭＭＦを必要とした。したがって、バックアイアン２１４が厚く、バックアイアン：ティースの比が２：１より大きい場合（図７～９）、バックアイアンの領域にＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０が存在するかどうかにかかわらず、損失及び磁束密度には、単一材料のＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０と比較して、マルチ材料構造で大きな影響が与えられなかったということが分かる。

【0037】

バックアイアン：ティースの比が小さくなる、例えば１．２５：１（図１０－１２）に向かうにつれて、Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンの領域は、重要になる。図１０～１２では、幅ｔ＝０．４インチのバー／ティース、幅ｄ＝０．５インチのバックアイアンヨークが使用され、ｄ：ｔの比は１．２５：１である。図１０～１２から、次のように結論づけられる。
直径幅０．１インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンの損失は、直径幅０．７５インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンより約２５％高く、直径幅０．４インチと０．７５インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンの特性は、互いに近かった。
直径幅０．１インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンはまた、直径幅０．７５インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０と比較して、１．５～２Ｔの密度において２０～３０％少ない磁束／電流を生じさせた。
直径幅０．４インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンの厚さは、直径幅０．７５インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０の厚さに近かった。
直径幅０．１インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンは、２Ｔの密度に達するために２０％大きいＭＭＦを必要とした。
１：８のＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアン：ティースの比は、約２０～３０％の性能低下をもたらす。
１：２のＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアン：ティースの比は、７～１０％近くの性能低下をもたらし得る。
したがって、Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０の部分を有する厚いバックアイアンは、より優れた応答を提供する。

【0038】

バックアイアン：ティースの比が小さくなる、例えば１：２（図１３～図１５）に向かうにつれて、損失と磁束密度とは、大きく影響され、マルチ材料構造は、任意の性能の有益を提供し得ない。図１３～１５では、幅ｔ＝１インチのバー／ティース、幅ｄ＝０．５インチのバックアイアンヨークが使用され、ｄ：ｔ＝１：２である。図１３～図１５から、直径幅０．１インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンの損失は、全てがＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアン構成より約５倍高く、直径幅０．４インチ（４倍）と０．７５インチ（２倍）のＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンもかなり高く、直径幅０．１インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンはまた、全てがＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンの構成と比較して、１．５～２Ｔの密度において約８～１５倍少ない磁束／電流を生じさせ、直径幅０．４インチと０．７５インチのＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のバックアイアンの設計は、その間に位置することが分かる。結論の要約は、表１に提供される。

【表1】

【0039】

表１及び図１６、図１７は、設計の手引きを提供しており、マルチ材料がどこで有益であり得るかを示している。その設計ルールは、１つ又は複数のティース、又は軟磁性材料を有するステータ構造全体を含む各セグメントが分割されたステータ積層、及び分割されていないステータ積層に適用可能であることに留意すべきである。

【0040】

表１に示されるように、マルチ材料構造から最大限の有益を得るために、ヨーク幅（ｄ）は、ティース幅（ｔ）と同等以上であるべきであり、Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０と同レベルの性能を得るために、ティースのくぼみ雄部（ヨークセグメント深さｄ１）は、ティース幅（ｔ）に対して１：１に近くあるべきである（図１６～１７）。
締まりばめを用いた「モミ」タイプの接続設計（組み立てのアイデア）

【0041】

その別の態様において、本発明は、図１８～２０に示されるように、ティース３１２とバックアイアンヨーク３１４とを有するマルチ材料（例えば、Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０＋ケイ素鋼）のステータコアを提供し得る。モミタイプの接続は、複数の応力点を有しており、ティース３１２とヨーク３１４との間の接触面積が増加するため、機械的接合部においてより優れた機械的強度を提供する。（形状がモミの木を連想させるため、用語「モミ」が使用される）。研究を通して、図２１のシミュレーションに示されているように、０．２サウ（０．０００２インチ）の干渉（図２０）の締まりばめは、ステータ積層の受動状態および負荷状態の両方において、許容可能な応力をもたらすことが示されている。
マルチ材料積層のピン方法（組み立てのアイデア）

【0042】

さらにその別の態様において、本発明は、ステータの薄板をロックし、マルチ材料のステータの積層を所定の位置に共に保持するための１つ以上のピンを提供し得る（図２２Ａ～図２２Ｃ）。機械的接合部にピンを使用することで、Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０の積層とケイ素鋼の積層との間における接着剤レスの界面接合が可能となり得る。これは、マルチ材料のステータの大量生産の改善に役立ち得、同様に、より優れた界面磁気応答のため、モータの応答が向上し得る。

【0043】

ピン４１０、５１０、６１０を有する例示的なコアアセンブリ４００、５００、６００実例は、それぞれドローンモータステータ積層、ＥＶモータステータ積層、及び分割ＥＶモータステータ積層用について、図２２Ａ～図２２Ｃに示される。単一材料の薄板層４０２／４０６、５０２／５０６、６０２／６０６は、それぞれマルチ材料積層４００、５００、６００の両端に使用され得る。この単一材料は、高密度合金又は低密度合金であってもよい。さらに、この単一材料は、Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０及びケイ素鋼材料より高い降伏強度を有する等、より優れた機械的特性を有してもよい。さらに、この単一材料の薄板は、Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０又はケイ素鋼の積層に使用されているものと同様の厚さを有してもよく、又は１．１倍～５倍の厚さであってもよい。ピン４１０、５１０、６１０は、薄板層４０２／４０６、５０２／５０６、６０２／６０６をロックするために使用され得る。様々なコアアセンブリ４００、５００、６００は、ピン方法が、異なるサイズのモータに適用され得ることを示している。より小さい径のピンは、積層の性能への影響を少なくさせる。

【0044】

以下の表２は、異なるサイズの低炭素鋼ピン接続を使用した、マルチ材料を有する小サイズ（外径８０ｍｍ）のコアの研究を示している。第１の列は、各ケースにおけるピン直径とステータティースとの比を示している。研究を通して、直径がステータティース幅の１／５以下の低炭素鋼ピンは、積層性能に大きな影響を与えず、費用対効果がある。ピンの直径とティース幅との比は、コアが大きいほど小さくするこができ、性能にとって有利であることに着目すべきである。

【表2】

【0045】

図２２Ｃは、ピン方法が分割ヨーク６０８を有する大型モータ６００の分割積層設計にも使用され得ることを示している。ピン穴の数と位置とは、積層の幾何形状と設計者の選択とによって決定され得る。
組立方法の組み合わせ

【0046】

その別の態様において、本発明は、積層アセンブリ７００、７１０、７２０、７３０、７４０、７５０のいくつかの組合せと組立方法とを提供し得る（図２３～図２６、表３）。例えば、Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）（ＦｅＣｏ）の積層７０２とケイ素鋼の積層７０４とがかみ合わせられてもよく（図２３）、又は両方の積層７１２、７１４が接着されてもよく（図２５）、又は一部の積層がかみ合わせられ７０４、他の積層が接着７１２されてもよい（図２４、図２６）。積層アセンブリ７００、７１０、７２０、７３０、７４０、７５０は、Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）５０のトッププレート７０１及びボトムプレート７０３と、アセンブリを共に保持するためにそれらを貫通して延びるピン７０８とを含み得る（図２３～図２６）。

【0047】

Ｈｉｐｅｒｃｏ（登録商標）（ＦｅＣｏ）の積層７０２のティースセグメントの薄板は、熱処理され得、積層が組立前に被覆されていない場合、例えば酸化膜の電気絶縁層で被覆され得る。ピンの他に、かみ合わされたＨｉｐｅｒｃｏ（登録商標）（ＦｅＣｏ）の積層７０２及びケイ素鋼の積層７０４、又は接着された７１２及び７１４は、エポキシ接着技術を使って共に組み立てられ得る。接着は、エポキシ等の接着材料７０７によって提供され得、その後、当該接着材料は、接着材料の所定の方法で硬化される。例えば、いくつかの接着剤を硬化させることは、硬化装置をヒータで加熱すること、又は接着剤を特定の波長の光にさらすこと、によって達成され得る。前述したように、ＲｅｍｉｓｏｌＥＢ－５４８は、ステータに使用される積層薄板の接着のための接着剤の一例である。接着剤及び／又は接着材料の選択は、少なくともその接着強度、熱安定性、耐水性、耐薬品性、電気絶縁特性、磁気特性、振動制御、及び耐衝撃性を含む、多くの要因に基づく。

【0048】

かみ合わせは、タブ７０６と、タブ７０６を受けるためのディテント７０５とによって提供され得る（図２３、図２４、図２６）。かみ合わせは、接着剤レスの積層を可能とし得、大量生産における積層の製造コストを大幅に削減し得る。最適化された積層ソリューションを生み出すために、ピン７０８に加えてトップ及びボトムプレート７０１、７０３の組み合わせにおいて、接着積層とかみ合わせ積層との組み合わせを使用することは可能であり得る。さらに、積層構造をより強固にするために、１枚以上のトップ及びボトムプレート７０１、７０３とピン７０８とを使用することは可能であり得る。

【0049】

表３は、そこに記載されている図を参照しながら、組立方法の組み合わせの可能性を示している。

【表3】

【0050】

本発明のこれら及びその他の利点は、前述の明細書から当業者に明らかとなる。したがって、本発明の広範な発明概念から逸脱することなく、上述の実施形態に変更又は修正が加えられ得ることは、当業者によって認識される。したがって、本発明は、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲及び意図の内にある全ての変更及び修正を含むことが意図されていることが理解されるべきである。

【図1】