JP6959735B2 - 構造化磁性材料を利用する構造物と方法 - Google Patents

Description

ここに開示する例示的で非限定的な実施形態は、一般には磁性材料およびそのような材料を包含する構造物に関し、より詳細にはエネルギー効率のよい装置での使用に好適な特性を有する軟磁性材料に関する。

先行技術の簡単な説明

一般に自動機械装置は、電動モータを使用して装置の種々の可動素子を直線運動または回転運動させる。使用される電動モータは、典型的には、固定素子と組み立てた回転素子を含む。回転素子と固定素子の間には磁石が配置される。固定素子の軟鉄芯の周囲にはコイルが巻回され、該コイルは磁石の近傍に配置される。

電動モータの作動に際し、コイルに電流が流れると磁場が発生し、それが磁石に作用する。磁場が磁石に作用すると、回転素子の一方の側が押され、回転素子の反対側が引っ張られ、それによって固定素子に対して回転素子が回転するようになる。回転効率は、少なくとも一部には、電動モータの製造で使用する材料の特性に基づく。

摘要

以下の摘要は、単に例を示しただけであり、請求項の範囲を限定するものではない。

１つの態様によれば、組成物は、鉄を含有する複数の粒子と該鉄を含有する粒子上の絶縁層とを含む。前記鉄を含有する粒子は、絶縁境界により分離された透磁性微小領域の凝集体を規定する。

別の態様によれば、方法は、鉄−アルミニウム合金粒子を加熱し、前記鉄−アルミニウム粒子を熱溶射し、前記鉄−アルミニウム粒子を酸化させ、前記酸化させた鉄−アルミニウム粒子を基板に堆積させる、ことを含む。

別の態様によれば、装置は、少なくとも１つのコアを有する固定子と、前記少なくとも１つのコア上のコイルと、前記固定子の中に回転可能に装着された回転子と、前記固定子と前記回転子の間に装着された少なくとも１つの磁石とを含む。前記少なくとも１つのコアは、酸化物層が配置された鉄を含有する粒子により規定された組成物を含む。

上記態様およびその他の特徴を、付属図面を参照しつつ以下に説明する。

絶縁境界で区切られた透磁性微小領域の凝集体微細構造を有する軟磁性材料の、１つの例示的な実施形態の略図である。

図２Ａと２Ｂは、図１の軟磁性材料を形成するための、鉄−アルミニウム合金の成膜工程を示す略図である。

図３Ａ−Ｃは、種々の成膜法を使用して生成した軟磁性材料の微細構造の写真である。

図４Ａ−Ｃは、軟磁性材料を使用して作成した構造物の写真である。

図５Ａ−Ｄは、軟磁性材料の種々の形態の略図である。

軟磁性材料を使用して作成したリング構造物の略図である。

図６Ｂ−Ｄは、軟磁性材料の微細構造の写真であり、ＸＺ面、ＹＺ面、およびＸＹ面の等方性を示す。

軟磁性材料を包含するモータの、１つの例示的な実施形態の斜視断面図である。

軟磁性材料を包含するモータの、別の例示的な実施形態の斜視断面図である。

軟磁性材料を包含するモータの、別の例示的な実施形態の斜視断面図である。

軟磁性材料を包含するモータの、別の例示的な実施形態の斜視断面図である。

図１０Ａのモータの固定子極の、１つの例示的な実施形態の斜視図である。

軟磁性材料を包含するモータの、別の例示的な実施形態の斜視断面図である。 軟磁性材料を包含するモータの、別の例示的な実施形態の斜視断面図である。 軟磁性材料を包含するモータの、別の例示的な実施形態の斜視断面図である。 軟磁性材料を包含するモータの、別の例示的な実施形態の斜視断面図である。

図１４Ａのモータの斜視断面分解組立図である。

軟磁性材料を包含するモータの、別の例示的な実施形態の斜視断面図である。

図１５Ａのモータの斜視断面分解組立図である。

軟磁性材料を包含するモータの、別の例示的な実施形態の斜視断面図である。

図１６Ａのモータの斜視断面分解組立図である。

モータの１つの例示的な実施形態における固定子断面の略図である。

図１７Ｂ−Ｃは、軟磁性材料を包含するモータの例示的な実施形態における固定子断面の略図である。

軟磁性材料を包含するモータの、別の例示的な実施形態の斜視断面図である。

図１８Ａのモータにおける先細り構造の固定子極の上面の略図である。

図１８Ａのモータの斜視断面分解組立図である。

軟磁性材料を包含するモータの断面の略図である。

軟磁性材料を包含するモータにおける固定子の例示的な実施形態の斜視断面図である。

図２０の固定子とともに使用する回転子の例示的な実施形態の斜視断面図である。

軟磁性材料を包含するモータの例示的な実施形態の斜視断面図である。 軟磁性材料を包含するモータの例示的な実施形態の斜視断面図である。

軟磁性材料を包含するモータにおける回転子の例示的な実施形態の斜視断面図である。

図２４の回転子とともに使用する固定子の例示的な実施形態の斜視断面図である。

図２４の回転子と図２５の固定子の組立体の斜視断面図である。

軟磁性材料を包含する固定子の例示的な実施形態の断面の略図である。

軟磁性材料を包含するモータの例示的な実施形態の斜視断面図である。 軟磁性材料を包含するモータの例示的な実施形態の斜視断面図である。

軟磁性材料を包含するスロットレス固定子の１つの例示的な実施形態の斜視断面図である。

図３０のスロットレス固定子とともに使用する回転子の１つの例示的な実施形態の斜視断面分解組立図である。

図３０のスロットレス固定子と図３１の回転子を包含するモータの１つの例示的な実施形態の斜視断面図である。

スロットレス固定子と軟磁性材料を包含するモータの別の例示的な実施形態の斜視断面図である。

ハイブリッド・スロットレス・モータの１つの例示的な実施形態の斜視断面図である。

図３４のモータの固定子の斜視図である。 図３４のモータの固定子の斜視図である。 図３４のモータの固定子の斜視図である。

図３４のモータのコイル巻線の斜視図である。

図３４のモータの固定子コアの斜視図である。

図３６Ａ−Ｃは、図３４のモータの回転子の斜視図と斜視断面図である。 図３６Ｄ−Ｅは、図３４のモータの回転子の斜視図と斜視断面図である。

図３４のモータの略図である。 図３４のモータのコイル巻線の斜視図である。

図３４のモータの回転子極の側断面図である。

図３４のモータの略図であり、固定子にポッティングされたコイル巻線を示す。

軟磁性材料の断面の電子顕微鏡画像である。

軟磁性材料のＸ線回折スペクトルを示すグラフである。

溶射されたニッケル−アルミニウム合金粒子の微細構造の画像である。

Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金とＦｅ−Ａｌ合金それぞれの状態図である。 Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金とＦｅ−Ａｌ合金それぞれの状態図である。

軟磁性材料を包含する固定子を形成するのに使用するマスク／ステンシルシステムの略図である。

図４６Ａ−Ｃは、スロット付き固定子を有するモータの例示的な実施形態の略図である。

実施形態の詳細説明

図１〜６Ｄを参照しながら、電気機器用および電気機器の部品用の軟磁性材料、ならびにそのような材料と電気機器そのものの製造方法について、例示的な実施形態を記載する。軟磁性材料は一般に参照番号１０で表す。このような軟磁性材料１０とともに使用することができる電気機器としては電動モータがあるが、それに限定されない。このような電動モータは、たとえばロボット応用製品、産業オートメーション、ＨＶＡＣシステム、電気製品、医療装置、軍事や宇宙探査応用製品、などで使用することができる。このような材料とともに使用することができる部品としては、電動モータの巻芯やその他の好適な軟磁芯などがあるが、それらに限定されない。図面に示された実施形態を参照して本発明を記載するが、本発明は様々な形での別の実施形態として実施してもよいことを理解すべきである。また、任意の好適なサイズ、形状または種類の材料や素子を使用することができる。

特に図１を参照すると、軟磁性材料１０は、好適な軟性と機械強度の微細構造を有し、反応性雰囲気内で合金用元素を堆積させてバルク材として形成され、高透磁率と低保磁力を有するとともに、導電率を制限する絶縁境界１４により分離された、小さい微小領域１２の凝集体を生成する。電気機器内でこのようなバルク材を使用すると、性能と効率の向上が期待できる。たとえばモータ巻芯内で軟磁性材料１０を使用すると、このモータ巻芯が実装されたモータが回転したときに、磁場の急速な変動に伴い巻芯内に誘起される渦電流に関連した損失を最小限に抑えながら、効率的な磁路を実現することができる。これにより、一般に従来のモータの異方性積層芯と関連した設計上の制約が実質的に解消される。

図２Ａおよび２Ｂを参照すると、軟磁性材料１０を得るための成膜工程の１つの例示的な実施形態の略図は、一般に参照番号２０で表し、以後「成膜工程２０」と称する。成膜工程２０の図２Ａに示されるように、合金用元素の粒子２２は、金属溶射法に基づく単一工程のネットシェイプ製造工程より、基板２４の上に堆積される。所望の微細構造を有する軟磁性材料１０を得るため、使用する合金の状態に関する種々のパラメータが規定される。第１の例示的なパラメータについて言えば、粒子２２の温度は、粒子２２の材料の融点を下回りながら、その材料を軟化させるのに十分に高い温度である。このように、粒子２２は実質的に固体状態のままであり、基板２４の表面に衝突したときにその全体の針状比が維持される。より具体的には、粒子２２は飛行中に半溶融状態にある。第２の例示的なパラメータについて言えば、成膜工程２０の期間中は、粒子２２の酸化が制限され、その結果、粒子２２は実質的に金属状態のままであり、その機械強度と磁気特性が維持される。第３のパラメータに関して言えば、成膜工程２０期間中の粒子２２の速度は、すでに堆積した粒子に粒子２２が確実に付着する略最小飛行速度以上であってよく、それによって、図２Ｂに示されるように、一塊の合金が堆積して、十分な機械強度を有する軟磁性材料１０が形成される。前記パラメータは（ならびに他のパラメータも）、粒子サイズの範囲、化学組成、および成膜工程２０の種々の工程パラメータを選択することにより達成することができる。成膜工程２０の実施に使用するシステムは、高速空気燃料（ＨＶＡＦ）システム、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）システム、あるいはプラズマ溶射システムであってよい。

粒子２２としては、市販の合金用元素を使用してよい。合金用元素としては、たとえばインディアナ州、インディアナポリスのプラクスエア工学株式会社から入手可能なものなど、任意の好適なアルミニウム系粉体（たとえばＦＥ−１２５−２７など）であってよい。１つの例示的な実施形態において、合金は、８９％Ｆｅ−１０％Ａｌ−０．２５％Ｃ（すべての割合は重量百分率）の組成を有してよい。このような合金の融点は約１４５０℃であるため、合金を気霧化するのに使用するキャリアガスの温度が約９００℃〜約１２００℃であるＨＶＡＦシステで使用するのに好適である。このような合金はまた、約１４００℃より低い温度で動作するＨＶＯＦシステムでも好適である。ここに記載する例示的な実施形態は８９％Ｆｅ−１０％Ａｌ−０．２５％Ｃの組成を有する合金を対象としているが、別の例示的な実施形態においては、他の組成の合金を採用してもよい。

合金粒子は一般に球形であり、気霧化することが可能であるため、成膜工程２０期間中に凝集することなく自由に流れることができるので、ＨＶＡＦあるいはＨＶＯＦシステムにおいて粒子２２として使用するのに好適である。合金粒子のサイズの選択は、成膜工程２０期間中の合金粒子の温度だけでなく粒子速度にも影響する。ＨＶＯＦによる成膜を使用する１つの例示的な実施形態においては、約２５マイクロン〜約４５マイクロンの範囲の合金粒子により、所望の粒子温度と粒子速度を達成することができる。

ＨＶＡＦシステムを使用する成膜工程２０では、生成された軟磁性材料１０の所望の微細構造は、連続して薄い被膜を堆積させることにより、バルク材として得ることができる。ＨＶＡＦシステムは、集束粒子線を使用することが可能であり、約８０％以上の付着率を持つことができる。図３Ａに見られるように、軟磁性材料１０の微細構造の断面に微小領域１２が明瞭に表され、軟磁性材料１０のより大きな粒子は、その全体の針状比を維持したまま、境界１４により明瞭に示されている。

ＨＶＯＦシステムを使用する成膜工程２０は、図３Ｂに示されるような軟磁性材料１０の所望の微細構造を生成するために、約１４００℃〜約１６００℃の温度範囲で動作させてよい。ＨＶＯＦシステムにおいては、堆積された材料を薄い被膜とするために、低い燃焼温度設定値で軟磁性材料１０を生成してよい。しかしながら、燃焼温度設定値を低くすると、粒子２２がより低い速度で基板２４に衝突することになり、その結果、付着率が５０％を下回る可能性がある。

図３Ｃを参照すると、軟磁性材料１０の所望の微細構造は、低エネルギーのプラズマ溶射システムを使用して生成してよい。見てわかるとおり、微小領域１２とより大きな粒子の区別は、ＨＶＡＦやＨＶＯＦシステムを使用して生成した軟磁性材料１０ほど一目瞭然ではないかもしれない。

上記の例示的なシステムのどのシステムを使用した成膜工程２０でも、粒子２２としての合金を基板２４に熱溶射することで軟磁性材料１０が形成される。溶射された粒子２２は、電気絶縁を為す絶縁境界１４で区切られた緻密な微小領域１２から構成される材料の、高密度かつ緻密な固体層を形成する。さらに、材料の固体層を形成する溶射粒子２２を、約１９２５度Ｆの温度で約４時間熱処理し、その後約９００度Ｆまでゆっくりと冷却し（毎時約１００度Ｆの速度で約１０時間かけて）、最後に略室内温度になるまで空冷してもよい。

合金用元素は、いくつかの異なる形態のうち任意の形態の粒子２２により規定してよい。どの形態であっても、合金用元素（衝突粒子）は鉄とアルミニウムを含有し、そのうちアルミニウムは酸化してアルミナ保護層（つまりアルミニウム酸化物）を鉄の上に形成する。粒子のコアはアルミナ保護層により完全に覆われてもよいし、あるいは保護層に欠陥や閉塞が存在して、それにより粒子のコアが完全に覆われなくてもよい。アルミナはどの鉄酸化物より安定しているので、合金のアルミニウム濃度を好適にすることで、酸化鉄のない（あるいは実質的にない）十分な量のアルミナが作成される。実施形態の一例では、合金は、８９％Ｆｅ−１０％Ａｌ−０．２５％Ｃを含むＦｅ−Ａｌ合金である。この点に関し合金に制限はなく、その他の任意の好適な材料を使用してよい。

図４Ａ〜４Ｃを参照すると、成膜工程２０を使用することで、軟磁性材料１０を使って、鋳塊３０（図４Ａ）、円筒３２（図４Ｂ）、あるいはリング状部品３４（図４Ｃ）を作成するために機械加工が可能な任意の好適な構造物を作成することができる。成膜工程２０で生成された構造物（たとえば円筒３２、リング状部品など）は、モータやモータ部品を製造する際の素子として使用することができる。

図５Ａに示されるように、軟磁性材料１０を形成するのに使用した粒子２２の１つの例示的な形態では、粒子２２は均一な組成のＦｅ−Ａｌ合金４０を有する。粒子２２の表面のアルミニウムは、周囲環境（空気または酸素富化空気でよい）内の酸素と反応してアルミナを形成して、外表面に薄いアルミナ層４２を有するＦｅ−Ａｌ合金粒子を生成する。Ｆｅ−Ａｌ合金４０のアルミニウム濃度は、酸化鉄の形成を防止または少なくとも最小限に抑えながら、連続したアルミナ層４２の形成が容易になるように、選択する。酸化速度は温度とともに上昇するので、粒子の温度を上げて酸化反応速度を上昇させてもよい。また、粒子を軟化させ、高密度の構造物を形成するのに必要な変形を得るのに十分に高い温度まで粒子温度を上昇させる。高密度の固体を形成するには、粒子が表面に衝突する前に十分な速度になるまで粒子を加速させる。実施形態によっては、合金用元素としてシリコンを添加してよい。組成によっては、シリコンを添加すると磁気特性が改善されると同時に、アルミナの形成を妨げることがない。

図５Ｂに示されるように、粒子２２の別の例示的な形態においては、Ｆｅ−Ａｌ合金４０から表面までの濃度勾配により粒子２２を規定してもよい。表面のアルミニウムは、Ｆｅ−Ａｌ合金の好適なアルミニウム濃度により形成される。しかしながらアルミニウムは、鉄の飽和磁束密度を低下させる。飽和磁束密度を最大化するために、得られた粒子は純鉄芯４４を有し、鉄芯４４から粒子表面４８に向かってアルミニウム濃度４６が増加する。この形態は、アルミニウムが粒子内に拡散してアルミニウム濃度４６が変化する合金が形成されるように、アルミニウム層を粒子に堆積させて熱処理することで達成される。酸化鉄を（少なくとも実質的には）形成することなく、表面４８に沿って連続したアルミナ層４２が形成されやすくなるようにアルミニウム濃度を選択し、粒子を不活性環境内で熱処理してアルミニウムの酸化を防止する。周囲環境は空気または酸素富化空気でよく、酸化速度は温度とともに上昇するるので、合金粒子の温度を上げて酸化反応速度を上昇させてもよい。前記の実施形態と同様、高密度の固体を形成するには、粒子が表面に衝突する前に十分な速度に達するまで粒子を加速させる。また、合金材料を軟化させ、高密度の構造物を形成するのに必要な変形を得るのに十分に高い温度まで粒子温度を上昇させる。さらに、合金用元素としてシリコンを添加して、たとえば、アルミナの形成を妨げることなく磁気特性を改善してもよい。

図５Ｃに示されるように、粒子２２の別の例示的な形態では、鉄または鉄合金の母粒子５０をアルミナ層４２に封止してもよい。これらアルミナ被覆の鉄（あるいは鉄合金）粒子は、原子層堆積（ＡＬＤ）工程により、つまり薄いアルミニウム層を堆積させてその層を酸素にさらして酸化させ、以降の層も次々と堆積・酸化させる、という方法により得てもよい。しかし、堆積工程はＡＬＤに限定されるわけでなく、任意の好適な工程により、鉄粒子あるいは鉄合金粒子上にアルミナ層を形成してよい。このような層を何層か堆積させて、所要の厚さのアルミナ層４２が達成される。母粒子５０は、純鉄、あるいは磁気特性を強化する、鉄−コバルト、鉄−ニッケル、鉄−シリコンなどの鉄合金、とすることができる。高密度の固体を形成するためには、表面に衝突するする前に十分な速度に達するまで、粒子を加速させる。成膜工程２０の期間中は、粒子を軟化させ、高密度の構造物を形成するのに必要な粒子の変形を得るのに十分に高い温度まで粒子温度を上昇させる。他の実施形態と同様、合金用元素としてシリコンを添加して、アルミナの形成を防止または最小限に抑えながら磁気特性を改善してもよい。約１０ｗｔ．％アルミニウムを有するＦｅ−Ａｌ合金に、合金用元素として１％シリコンを添加すると、最小の炭素含有量（さらにはもしかしたらより大きなサイズの粒子）の原材料が生成されるようになる。

図５Ｄに示されるように、粒子２２の別の例示的な形態では、母粒子５０はアルミニウムに封止してもよい鉄芯あるいは鉄合金芯を含み、そのアルミニウムは、堆積工程の間に酸化してアルミナ層４２を形成する。母粒子５０は、たとえば純鉄、あるいは磁気特性を強化する鉄合金（たとえば、鉄−コバルト、鉄−ニッケル、鉄−シリコンなど）とすることができる。周囲環境は、空気または酸素富化空気、あるいは厳格に制御された酸素環境を有する環境であってよい。前記の実施形態と同様、高密度の固体を形成するために、表面に衝突するする前に十分な速度に達するまで粒子を加速させる。成膜工程２０の期間中は、粒子を軟化させ、高密度の構造物を形成するのに必要な粒子の変形を得るのに十分に高い温度まで粒子温度を上昇させる。上記の実施形態と同様、合金用元素としてシリコンを添加して、アルミナの形成を防止または最小限に抑えながら磁気特性を改善してもよい。

上記の粒子２２の形態のうちの任意の形態から形成された軟磁性材料１０の電磁気特性としては、飽和磁束密度、透磁率、ヒステリシスによるエネルギー損失、および渦電流によるネルギー損失、を含むが、それらに限定されない。好適な磁気特性を有し、それぞれが薄い絶縁境界に包囲された、高密度の微小領域を含む微細構造により、このような所望の電磁気特性が実現される。そして、微小領域の磁気特性および境界の絶縁特性は、合金の組成、格子構造、酸化熱力学、および反応速度など、１つ以上の物理的性質および科学的特性の関数である。

格子構造に関して言えば、８９％Ｆｅ−１０％Ａｌを含む合金は、鉄と同じ体心立方（ＢＣＣ）構造を有している。この格子構造は、高い透磁率および好適な磁気特性と関連している。さらに、０．２５％炭素が存在する場合、温度１０００℃まで合金はそのＢＣＣ構造を維持する。熱処理により、固体に存在する任意の面心立方構造およびマルテンサイト構造を、ＢＣＣ構造に変換することができる。合金におけるアルミニウムの原子分率は約２０％であり、したがって、合金は純鉄より約２０％低い飽和磁束密度を有している。また、合金は純鉄より大きい電気抵抗率を有することが知られているため、結果として渦電流損失が低下する。

約０．２５％の範囲内の炭素により、粉体生成時の気霧化処理を容易にすることができる。約１０００℃より低い温度では、炭素は、初期透磁率を低下させたりヒステリシス損を増加させるなど、磁気特性に影響を与える可能性のある折出炭化物として存在する。

合金粒子が約１０００℃〜約１５００℃の温度範囲の酸化作用環境にある場合に形成される好適な安定した酸化物は、アルミナである。この酸化物層の形成速度と推定厚さは、成膜環境における合金粒子の酸化反応速度により決定される。アルミニウム元素は厚さ１〜２ナノメートル（ｎｍ）の酸化物層を形成して、さらなる酸化を効果的に防止する。また、ソフトウェア・シミュレーション・パッケージを使用した酸化反応速度シミュレーションにより、サイズが２５〜４０マイクロンおよび温度が約１５００℃の純鉄粒子は、飛行期間中に厚さ５００ｎｍの酸化物層を形成すると判断された（ここに記載したＨＶＡＦ、ＨＶＯＦ、あるいはプラズマ溶射システムのうち任意のシステムによる成膜工程２０を使用した場合、約０．００１秒であると予想される）。したがって、各粒子の周囲に形成される酸化物層の推定厚さは、約１ｎｍ以上〜約５００ｎｍ以下である。

次に図６Ａ〜６Ｄを参照すると、どの実施形態でも、溶射された試料の磁気特性は、等方性を有することが望ましい。等方性があれば、当該材料を使用するモータで磁束の３次元フローが期待できる。記載した実施形態で測定可能な磁気特性は、ＡＳＴＭ Ａ７７３標準にしたがい、（図６Ａに示されるような）リング状試料の円周方向に沿って測定可能である。他の２つの直交方向（軸方向と径方向）に沿った測定が可能でない場合であっても、図６Ｂ、６Ｃ、および６Ｄにそれぞれ示された、ＸＺ面、ＹＺ面、およびＸＹ面に対応する３つの直交面における試料断面の微細構造により、材料の等方性の度合いがわかる。微小領域が円周方向に沿ってある程度延びても、この円周方向は溶射方向に直角な方向なので、その形状は高度な等方性を示す。

図７〜４０および４６を参照すると、軟磁性材料１０が包含されたモータの種々の例示的な実施形態が示されている。記載したモータは、高解像度ロータリーエンコーダから位置フィードバックを使用する、正弦波整流での３相ブラシレスモータとして駆動されることを意図している。

特に図７を参照すると、磁束フローがモータの回転軸に直角な面に沿っている永久磁石モータを、一般に１００で示す。モータ１００は、磁性鋼（あるいは他の好適な磁性材料）から成り固定子１０６の中に回転可能に装着された、回転子１０２を有している。磁石１０４は、回転子１０２の径方向外側の面に配置されている。固定子１０６は、固定子１０６の内縁に沿って固定子極１０８が規定されている積層鋼芯と、各固定子極１０８に配置された巻線あるいはコイル１１０とを有している。モータ１００は、軟磁性材料１０を包含してよい。

図８を参照すると、（たとえば、固定子あるいは少なくとも固定子の一部として）ここに記載した軟磁性材料１０を電動モータに組み込んでもよい。軟磁性材料１０を包含する磁束モータの一つの例示的な実施形態は、一般に参照番号２００で表し、以後「モータ２００」と称する。モータ２００は、固定子２０６の中に回転可能に装着された回転子２０２を有する、３次元磁束モータである。回転子２０２はシャフトとして構成してもよい。回転子２０２の径方向の外側の円筒形状面は回転子極２１２を規定し、固定子２０６の内縁は固定子極２０８を規定する。固定子２０６には、個々の巻線としてのコイル２１０が巻回されているコアを規定する複数のスロットが、固定子極２０８に沿って含まれる。しかし別の構成では、分布巻線として形成されたコイルを固定子極２０８に設けてよい。

モータ２００では、回転子極２１２に磁石２０４が配置されている。回転子極２１２と固定子極２０８は、磁石２０４の形状と相まって、３次元空間中の一つの平面の外側の方向に、回転子と固定子の間の磁束を向ける。磁石２０４は、２つの円錐形状面と当接しかつより短い直径の２つの円筒形状面で終端する、径方向外側の円筒形状面を有してよい。磁石２０４は形状的に単体として示されている。しかしながら、別の実施形態では、磁石は、その形状を形成する個別の分割片を含んでよい。同様に、固定子極２０８は、磁石２０４の対向面に対応する面を規定するＹ字形状の断面に近似するように、構成されている。さらに、Ｙ字形状の断面により、固定子内において、モータの径方向、軸方向、および／または円周方向の１つ以上の方向に沿って、磁束が流れるようになる。

磁石２０４と固定子極２０８の間の円錐形状の空隙２１４により、モータ２００の径方向、軸方向、および円周方向に沿って磁束が流れるようになる。回転子極２１２が固定子極２０８の方向に延伸し、固定子極２０８も回転子極２１２の方向に延伸しているので、回転子極２１２と固定子極２０８の間の円錐形状の空隙２１４に円錐形状のトルク生成領域が規定され、その結果、図７に示されている永久磁石モータ１００と比較して、より高いトルク容量となる。円錐形状の空隙２１４により規定されたより大きな円錐形状のトルク生成領域は、トルク生成半径やコイル空間が多少小さくても、補って余りある。

回転子２０２および／または固定子２０６（あるいは少なくとも固定子２０６のコア）は、高い飽和磁束密度、透磁率、およびヒステリシスによる低いエネルギー損失と渦電流によるネルギー損失を有する軟磁性材料１０から作成してよい。好適な磁気特性を有し、それぞれが薄い絶縁境界に包囲された高密度の微小領域を含む微細構造により、所望の電磁気特性が実現され、たとえば一つの面内の経路など１次元の磁束経路を利用した従来のモータとは対照的に、３次元の磁束経路を利用しやすくすることができる。さらに記載する実施形態でも同様に、このような材料を利用してよい。

次に図９を参照すると、円筒形状の空隙を有する３次元磁束モータの変異形態を一般に３００で示す。モータ３００において、回転子３１２は、回転子極３１２が固定子極３０８に対向するように、固定子３０６の中に回転可能に装着されている。固定子３０６（あるいは少なくともそのコア）は、軟磁性材料１０を含んでよい。磁石３０４は回転子極３１２に配置されている。回転子極３１２の磁石３０４と固定子極３０８の間の円錐形状の空隙３１４により規定されたトルク生成領域は、円筒形状であり、軸方向にだけ延伸している。また、固定子３０６の外壁３０７も同様に軸方向に延伸している。外壁３０７がこのように延びていることにより、磁束フローに利用される固定子壁の断面積を犠牲にすることなく、より薄い壁の固定子を使用することが可能となる。外壁３０７がこのように延びていると、コイル３１０用の空間も増える。円錐形状の空隙３１４は円筒形状であるが、回転子極３１２に配置されて固定子極３０８の近傍にある磁石３０４が延伸しているため、磁束は２つ以上の面方向に向けられ、それによって３次元磁束パターンが形成される。

次に図１０Ａと１０Ｂを参照すると、磁束モータの別の例示的な実施形態は、一般に４００で示される。すでに記載した実施形態と同様に、モータ４００は、固定子４０６の中に回転可能に配置された回転子４０２を含む。固定子４０６は固定子極４０８とコイル４１０を含み、コイル４１０と固定子極４０８の両方が径方向に沿って先細りすることにより、コイル４１０の断面積は各固定子極４０８の断面積で最大限確保される。より具体的には、コイル４１０それぞれの円周方向の寸法は半径とともに増加するように界面４１６に沿って徐々に低下し、一方、固定子極４０８の軸方向の寸法は、半径とともに低下するように界面４１６に沿って徐々に低下する。ここに記載した実施例は、永久磁石モータについて表現しているが、別の態様においては、記載した実施形態の任意の実施形態を、可変リラクタンス型モータ（たとえば、非永久磁極）やその他の任意の好適なモータに適用可能である。先細り構造の固定子極４０８と表面が延伸された固定子極とを組み合わせることで、固定子４０６と回転子４０２の間の２つ以上の面で磁束が形成しやすくなる。

図１０Ｂを参照すると、２次元の先細り構造を表す固定子極４０８の１つの例示的な実施形態が示されている。見てわかるとおり、固定子極４０８の軸方向寸法は、半径が増加するにつれて高さＨ_１から高さＨ_２に低下する。また、固定子極４０８の円周方向の幅は、固定子極４０８の断面の「歯面積」を維持するため、幅Ｗ_１から幅Ｗ_２に径方向に沿って増加する。１つの例示的な態様では、固定子極４０８内の線束密度が断面全体にわたって維持されるように、固定子極４０８の先細り部の断面積を一定に維持してよい。

次に図１１を参照すると、モータの別の例示的な変異形態を一般に５００で示す。モータ５００では、回転子５０２と固定子５０６を軸方向に組み立てることができる。この実施形態は、回転子５０２と固定子５０６の一端のみが（表面５２０に沿って）傾斜し、他端が直線状あるいは（表面５２２に沿って）円筒形状である点を除いて、図１０Ａと図１０Ｂの実施形態と同様である。図１１に示した実施形態では、軸方向に沿って回転子５０２を固定子５０６に組み立てることが可能となる。別の実施形態では、すでに記載した実施形態の任意の態様を、任意の好適な組み合わせで組み合わせてよい。

次に図１２を参照すると、モータ６００は、回転子６０２と分割固定子６０６有し、固定子６０６は、巻回する前でも後でも、回転子６０２周りに簡単に組み立てられる。示されるように、モータ６００は、上に例示した特徴と類似した特徴を有してよい。しかし、分割固定子６０６とすることで、回転子６０２を一つの単体として構築することが可能となり、その場合、第１の固定子部６０７と第２の固定子部６０９を回転子６０２周りに円周状に組み立て、該固定子部６０７と６０９を、磁束が向けられる面方向となる面に存在する分割線６１１で接合する。分割線６１１の反対側の分割固定子６０６の部分では、回転子６０２と分割固定子６０６の間の磁束は、２つ以上の面を含む方向に向けられ、それにより３次元磁束パターンとなる。

次に図１３を参照すると、モータ７００の別の例示的な実施形態は回転子７０２と分割固定子７０６を含み、分割固定子７０６は、コイル７１０が巻回される３つの層（内側部７０７、中央部７０９、および外側部７１３）に分割される。中央部７０９は、内側部７０７および外側部７１３とは異なる材料（たとえば積層鋼など）で作成してよい。中央部７０９では、磁束フローは実質的に平坦であってよい。内側部７０７と外側部７１３は、３次元磁束フローを実現しやすい材料で作成してよい。

図１４Ａと１４Ｂ示されるように、モータ８００の別の例示的な実施形態は、第１および第２の回転子部８０３と８０５を有する分割凹形の回転子８０２を含み、それぞれの回転子部が対応する磁石８０７、８０９を有し、第１および第２の回転子部８０３と８０５のそれぞれが軸方向に沿って固定子８０６に組み立てられる。回転子８０２を分割構成とすることで、たとえばコイル８１０を巻回した後で、固定子８０６周りに回転子８０２の第１・第２の回転子部８０３、８０５を組み立てるような方法で、固定子８０６を一つの単体として構築とすることが可能となる。分割線８１７は、磁束が向けられる面方向となる面に存在する。分割線８１７の反対側の回転子８０２の部分では、回転子８０２と固定子８０６の磁束が２つ以上の面を含む方向に向けられ、それによって３次元磁束パターンが形成される。別の態様では、固定子８０６も２つ以上の層に分割することができる。たとえば、３つの部分に分割された固定子８０６では、すでに記載したように、中央部は、たとえば、積層鋼により作成してよい。モータ８００は、径方向、軸方向、および円周方向に沿った磁束フローを可能にする。モータ８００は、径方向に延びた固定子極８０８と回転子極８１２を有しているので、円錐形状のトルク生成空隙領域が増加し、従来のモータと比較したとき、より高いトルク容量が実現される。ここで、より大きなトルク生成領域は、トルク生成半径やコイル空間が多少小さくても、補って余りある。すでに記載したそれぞれの実施形態と同様、回転子８０２および／または固定子８０６は、高い飽和磁束密度、透磁率、およびヒステリシスによる低いエネルギー損失と渦電流によるネルギー損失を有する軟磁性材料１０から作成してよい。好適な磁気特性を有し、それぞれが薄い絶縁境界に包囲された高密度の微小領域を含む、軟磁性材料１０の微細構造により、所望の電磁気特性が実現され、たとえば一つの面内の経路など１次元の磁束経路を利用した従来のモータとは対照的に、３次元の磁束経路を利用しやすくすることができる。さらに記載する実施形態でも同様に、このような材料を利用してよい。別の実施形態では、すでに記載した実施形態の任意の態様を、任意の好適な組み合わせで組み合わせてよい。

やはり図１４Ａと１４Ｂを参照して、磁石８０７、８０９は回転子極８１２にあって、その径方向外側の２つの円筒形状面は、回転子部８０３、８０５それぞれの２つの円錐形状面と当接し、直径がより短い２つの円筒形状面で終端している。磁石８０７、８０９はこの形状で単体として示されているが、その形状を形成する個別の分割片から構成してよい。固定子極８０８は、磁石８０３、８０５の対向面に対応する、同様に整形された面を有している。磁石の形状と組み合わせた極の形状により、３次元空間中の一つの平面の外側の方向に、回転子８０２と固定子８０６の間の磁束を向ける。示されたコイル８１０は、個別の固定子極８０８周りに包まれた個別の巻線として示されている。別の態様では、コイル８１０は分布巻線を含んでよい。

次に図１５Ａと１５Ｂを参照すると、モータ９００は、分割凹形の回転子９０２と分割固定子９０６を有するように示されている。分割凹形の回転子９０２は、第１の回転子部９０３と第２の回転子部９０５を有し、分割固定子９０６は、第１の固定子部９０７と第２の固定子部９０９を有している。図１３に示された分割固定子７０６とは対照的に、第１の固定子部９０７と第２の固定子部９０９のそれぞれは自分自身のコイル９１０、９１１を有し、回転子９０２と固定子９０６を組み立てる前に第１の固定子部９０７と第２の固定子部９０９のそれぞれに巻回できるようになっている。ここで、分割凹形の回転子９０２とすることで、たとえばすでに巻回した固定子９０６周りに第１の回転子部９０３と第２の回転子部９０５を組み立てるなど、分割固定子９０６を事前に組み立て巻回することが可能となる。固定子９０６は、モータ９００により径方向、軸方向、および円周方向に沿って磁束を流すことができるように、分割される。モータ９００では、回転子極９１２と固定子極９０８が延伸しているので、円錐形状のトルク生成空隙領域が増加し、従来のモータと比較してトルク容量がより高くなる。より大きなトルク生成領域は、トルク生成半径やコイル空間が多少小さくても、補って余りある。記載したそれぞれの実施形態と同様、回転子９０２および／または固定子９０６は、高い飽和磁束密度、透磁率、およびヒステリシスによる低いエネルギー損失と渦電流によるネルギー損失を有する軟磁性材料１０から作成してよい。好適な磁気特性を有し、それぞれが薄い絶縁境界に包囲された高密度の微小領域を含む軟磁性材料１０の微細構造により、所望の電磁気特性が実現され、たとえば一つの面内の経路など１次元の磁束経路を利用した従来のモータとは対照的に、３次元の磁束経路を利用しやすくすることができる。さらに記載する実施形態でも同様に、このような材料を利用してよい。別の実施形態では、すでに記載した実施形態の任意の態様を、任意の好適な組み合わせで組み合わせてよい。

また、図１５Ａと１５Ｂに示されるように、磁石９３０、９３２は回転子極９１２にあって、その径方向外側の２つの円筒形状面は、回転子部９０３、９０５それぞれの２つの円錐形状面と当接し、直径がより短い２つの円筒形状面で終端している。磁石９３０、９３２はこの形状で単体として示されているが、その形状を形成する個別の分割片から構成してよい。同様に、固定子極９０８は、磁石９３０、９３２の対向面に対応する面を有する、整形された極である。磁石の形状と組み合わせた極の形状により、３次元空間中の一つの平面の外側の方向に、回転子９０２と固定子９０６の間の磁束を向ける。示されたコイル９１０は、個別の固定子極９０８周りに包まれた個別の巻線として示されている。別の態様では、コイル９１０は分布巻線を含んでよい。

次に図１６Ａと１６Ｂを参照すると、モータ１０００は、分割固定子１００６と軸方向に組み立てられた分割凸形回転子１００２を有するように示されている。分割凸形回転子１００２は、第１の回転子部１００３と第２の回転子部１００５を含む。別の態様では、回転子１００２を分割せずに、代わりに単体を含んでもよい。分割固定子１００６は、第１の固定子部１００７と第２の固定子部１００９を含み、固定子のそれぞれの部分が自身のコイルセット１０１０、１０１１を有する。それぞれの固定子部１００７、１００９は、組み立てる前に巻回することができる。固定子１００６は、モータ１０００が径方向、軸方向、および円周方向に磁束を流せるように、分割される。モータ１０００では、回転子極１０１２と固定子極１００８が延伸しているので、円錐形状のトルク生成空隙領域が増加し、従来のモータと比較してトルク容量がより高くなる。より大きなトルク生成領域は、トルク生成半径やコイル空間が多少小さくても、補って余りある。記載したそれぞれの実施形態と同様、回転子１００２および／または固定子１００６は、高い飽和磁束密度、透磁率、およびヒステリシスによる低いエネルギー損失と渦電流によるネルギー損失を有する軟磁性材料１０から作成してよい。好適な磁気特性を有し、それぞれが薄い絶縁境界に包囲された高密度の微小領域を含む軟磁性材料１０の微細構造により、所望の電磁気特性が実現され、たとえば一つの面内の経路など１次元の磁束経路を利用した従来のモータとは対照的に、３次元の磁束経路を利用しやすくすることができる。さらに記載する実施形態でも同様に、このような材料を利用してよい。別の実施形態では、すでに記載した実施形態の任意の態様を、任意の好適な組み合わせで組み合わせてよい。

やはり図１６Ａと１６Ｂを参照して、磁石１０３０、１０３２は回転子極１０１２にあって、その径方向外側の２つの円筒形状面は、回転子部１００３、１００５それぞれの２つの円錐形状面と当接し、直径がより短い２つの円筒形状面で終端している。磁石１０３０、１０３２はこの形状で単体として示されているが、その形状を形成する個別の分割片から構成してよい。同様に、固定子極１００８は、磁石１０３０、１０３２の対向面に対応する面を有する、整形された極である。磁石の形状と組み合わせた極の形状により、３次元空間中の一つの平面の外側の方向に、回転子１００２と固定子１００６の間の磁束を向ける。示されたコイル１０１０、１０１１は、個別の固定子極１００８周りに包まれた個別の巻線として示されている。別の態様では、コイル１０１０、１０１１は分布巻線を含んでよい。

次に図１７Ａ〜１７Ｃを参照すると、固定子断面の概略図が示されている。図１７Ａは、モータコイル１１０、固定子極１０８、および固定子壁１４０の断面図を示している。固定子の断面積は、高さ１４２と幅１４４で示され、コイル１１０の幅は１５０、極の軸方向高さは１５２としてよい。固定子極１０８は、モータ固定子に好適な積層鋼で作成してよい。幅１４４で高さ１４２で定義された面積について後で記載するように、固定子内で３次元の磁束フローを可能とする、ここに記載した（図１７Ｂと１７Ｃに示したような）軟磁性材料を使用すると、断面をより効率的に利用することができる。たとえば、図１７Ｂにおいて、コイル１１１０、固定子極１１０８、および固定子壁１１４０が示されているが、幅１１７６を短かくし、固定子壁１１４０の軸方向の高さ１１７８を長くして、コイル１１０８の断面積と長さ１１８０を大きくしてもよい。極の軸方向の高さは１１９０で示されている。さらに例を示せば、コイル１２１０、固定子極１２０８、および固定子壁１２４０が示されている図１７Ｃにおいて、図１７Ｂと同様に、固定子壁１２４０を薄くして軸方向の高さを長くすることで、固定子極の断面積を増加させてもよいが、またはコイル１２１０をより長くより薄くして図１７Ａのコイルの断面積と同じ面積を維持してもよい。ここで、極の軸方向の高さ１２９０は、図１７Ｂに示す極の軸方向の高さ１１９０より長くてよい。

次に１８Ａ〜１８Ｃを参照すると、モータ１３００の別の例示的な実施形態の断面は、凸形の回転子１３０２と分割固定子１３０６を有している。固定子１３０６のそれぞれの半体は、自身の巻線セットを有している。単一の回転子１３０２と固定子１３０６が示されているが、別の態様では、複数の回転子および／または固定子を積層してもよい。示された実施形態は三角形の断面を含み、単一の三角形状断面あるいは凹形や凸形など複数の断面で構成してよい。さらに別の態様では、モータ１３００は、凹形の回転子あるいは任意の好適な形状の回転子を備えてよい。固定子部１３０７、１３０９はそれぞれ、組み立てる前に巻回することができる。固定子部１３０７、１３０９は、先細り構造の極１３０８周りに巻回された傾斜巻線１３１０を有する。磁束は、固定子１３０６の上側隅部と下側隅部に三角形状の断面を有している固定子壁１３４０により、極から極へ向けられる。図１８Ａの側断面図は、軸方向回転子１３０２に向かって断面が増加する、先細り構造の固定子極１３０８を示す。図１８Ｂの上断面図は、軸方向回転子に向かって断面が減少する、先細り構造の固定子極１３０６を示す。ここで、先細り構造を組み合わせて、固定子極１３０６の断面積を維持してもよい。固定子１３０６を分割構成とすることで、たとえば巻回の後に回転子１３０２周りに２つの固定子部１３０７、１３０９を組み立てるなど、固定子１３０６を事前に組み立てて巻回することが可能になる。固定子１３０６が分割された状態で示されているモータ１３００では、径方向、軸方向、および円周方向に沿って磁束が流れる。他の例示的な実施形態ですでに記載したように、モータ１３００では、回転子極と固定子極が延伸しているので、円錐形状のトルク生成空隙領域が増加し、従来のモータと比較してトルク容量がより高くなる。より大きなトルク生成領域は、トルク生成半径やコイル空間が多少小さくても、補って余りある。記載したそれぞれの実施形態と同様、回転子１３０２および／または固定子１３０６は、高い飽和磁束密度、透磁率、およびヒステリシスによる低いエネルギー損失と渦電流によるネルギー損失を有する軟磁性材料１０から作成してよい。好適な磁気特性を有し、それぞれが薄い絶縁境界に包囲された高密度の微小領域を含む軟磁性材料１０の微細構造により、所望の電磁気特性が実現され、たとえば一つの面内の経路など１次元の磁束経路を利用した従来のモータとは対照的に、３次元の磁束経路を利用しやすくすることができる。さらに記載する実施形態でも同様に、このような材料を利用してよい。別の実施形態では、すでに記載した実施形態の任意の態様を、任意の好適な組み合わせで組み合わせてよい。

次に図１８Ａと１８Ｃを参照すると、磁石１３４０、１３４２は回転子極１３１２にあって、その径方向外側の２つの円筒形状面は、回転子部１３０７、１３０９それぞれの２つの円錐形状面と当接し、直径がより短い２つの円筒形状面で終端している。磁石１３４０、１３４２はこの形状で単体として示されているが、その形状を形成する個別の分割片から構成してよい。同様に、固定子極１３０８は、磁石１３４０、１３４２の対向面に対応する面を有する、整形された極である。磁石の形状と組み合わせた極の形状により、３次元空間中の一つの平面の外側の方向に、回転子１３０２と固定子１３０６の間の磁束を向ける。示されたコイル１３１０は、個別の固定子極１３０８周りに包まれた個別の巻線として示されている。別の態様では、コイル１３１０は分布巻線を含んでよい。

次に図１９を参照すると、凸形回転子１４０２と固定子１４０６を有するモータ１４００の断面が示されている。単一の回転子１４０２と単一の固定子１４０６が示されているが、別の態様では、複数の回転子および／または固定子を積層してもよい。固定子１４０６は、先細り構造の極１４０８周りに巻回された傾斜巻線１４１０を有する。磁束は、固定子１４０６の上側隅部に三角形状の断面を有している固定子壁１４４０により、極から極へ向けられる。示された実施形態では、巻線１４１０の巻回領域をさらに確保するため、三角形状断面の幅は極１４０８の端部でより広くなっている。同様に、回転子１４０２の磁石に対向する極１４０８の面は、示されたようにあるいは巻線１４１０用の巻回領域をさらに増やすために、延伸させてよい。別の実施形態では、すでに記載した実施形態の任意の態様を、任意の好適な組み合わせで組み合わせてよい。

次に図２０と２１を参照すると、固定子１５０６と回転子１５０２それぞれの等角断面図が示されている。示された例示的な実施形態では、内側に傾斜した固定子歯１５５０は、外側に傾斜した磁石１５４０の向きと垂直になる角度で配置される。このような配置により、利用可能な空間を使用して、磁束フローのための断面積を大きくしている。歯１５５０は、固定子歯１５５０各々の断面全体を磁束が流れるように、コイル１５１０と重なる上部１５５２と下部１５５４を有する。部分は同様に、固定子１５０６の歯から歯へ固定子リング１５５６の断面全体を磁束が流れるように、固定子リング１５５６のコイル１５１０と重なっている。極ごとに個別の巻線が示されているが、代わりに分布巻線を設けてよい。

次に図２２と２３を参照すると、組み立てられた回転子１６０２と固定子１６０６の配置が示されている。１つの例示的な態様では、単一の固定子１６０６と回転子１６０２を設けてよい。図２２に見られるように、固定子１６０６は、第１の固定子部１６０７と第２の固定子部１６０９を含んでよく、回転子１６０２は第１の回転子部１６０３と第２の回転子部１６０５を含んでよい。固定子１６０６と回転子１６０２は、第１および第２の固定子部が２つの三角形状断面を形成し、その三角形状断面どうしが狭い部分で径方向に沿って接合するように、組み立てられてよい。図２３に見られるように、第１の固定子部１６０７と第２の固定子部１６０９は、第１の回転子部１６０３と第２の回転子部１６０５とともに、固定子部が２つの三角形状断面を形成し、その三角形状断面どうしが広い部分で径方向に沿って接合するように、交互に組み立ててよい。別の態様では、任意の好適な組み合わせを設けてよい。固定子歯は凸形であり、回転子歯は凹形である。

図２０〜２３の例示的な実施形態では、歯の断面積とコイルの断面積を独立して決定できないことがある。結果として、コイル断面を小さくして大きな歯断面を確保したり、逆に歯断面を小さくして大きなコイル断面を確保する。後述するように、図２４〜２９の実施形態では、最適な設計を達成するために、歯断面を独立して変更するかどうかを選択することができる。しかし、この柔軟性と引き替えに磁石の面積が小さくなる。しかし、図２０に示す実施形態は、図２７でたとえばａ＝０とした場合など、図２７に示す実施形態の特別な場合である。たとえば、ａ＝０、ｂ＝ｃと設定すると、図２０〜２３の実施形態になる。

次に図２４と２５を参照すると、回転子１７０２と固定子１７０６それぞれの等角断面図が示されている。さらに図２６を参照すると、回転子１７０２と固定子１７０６が組み立てられて示されている。図２６に示されるように、単一の固定子１７０６と単一の回転子１７０２を設けてもよい。図２８に示されるように、固定子１７０６は、第１の固定子部１７０７と第２の固定子部１７０９を含んでよく、そのどちらも、断面の広い部分で径方向に沿って接合する２つの断面を形成するように、第１の回転子部１７０３と第２の回転子部１７０５とを含む回転子１７０２と組み立てることができる。

図２９に示されるように、固定子１８０６は、第１の固定子部１８０７と第２の固定子部１８０９を含んでよく、そのどちらも、断面の広い部分で径方向に沿って接合する２つの断面を形成するように、第１の回転子部１８０３と第２の回転子部１８０５とを含む回転子１８０２と組み立てることができる。

戻って図２７を参照すると、可変パラメータが示された固定子極の断面図が示されている。示された実施形態では、固定子歯１５５０は、磁石の向きと垂直となるように種々の角度で配置させた面１５６２、１５６４、および１５６６を有している。このような配置により、利用可能な空間を使用して、磁束フロー用の断面積を大きくしている。歯１５５０は、固定子歯１５５０の断面全体を磁束が流れるようにコイル１５１０と重なる上部１５５２と下部１５５４を有している。極ごとに個別の巻線が示されているが、代わりに分布巻線を設けてよい。固定子歯１５５０は、測定パラメータａ、ｂ、ｃ、およびｄで示されるコイル１５１０が最適化されるように断面が変化する部分１５７０、を有している。別の態様では、任意の好適な組み合わせを設けてよい。

次に図３０と３１を参照すると、固定子１９０６と回転子１９０２の等角断面図がそれぞれ示されている。示された例示的な実施形態は、固定子１９０６が軟磁芯１９１２およびポッティングされた巻線１９１４を有する、スロットレス固定子設計を含んでいる。軟磁芯１９１２は、固定子１９０６の表面に直接規定され（このようにしてスロットの使用を回避する）、上述したように軟磁性材料１０を含んでよい。示されるように、回転子１９０２は、図３１と３２で示された２つの片からなる回転子であってよい（第１の回転子部１９０３と第２の回転子部１９０５を含む）。あるいは、回転子１９０２と固定子１９０６のちょうど半分により、モータを作成してもよい。

次に図３３を参照すると、スロットレスモータの別の例示的な実施形態は、一般に２０００で示す。スロットレスモータ２０００は、スロットレス固定子２００６の中に回転可能に装着された、回転子２００２を含む。回転子２００２は、共に対称な、第１の回転子部２００３と第２の回転子部２００５を含む。スロットレス固定子２００６は、一定の断面を持つ連続部分を形成する壁２００７と基部２００９を含む。磁石２０１４は、回転子２００２とスロットレス固定子２００６の間に装着される。コイル２０１０としての巻線は、自己支持され、スロットレス固定子２００６周りの内向面に均等に分布されて、水平視Ｖ字形状の断面を有している。モータ２０００については、以下の実施例３でさらに記載する。

次に図３４〜４０を参照すると、ここに記載した軟磁性材料を組み込んでよいスロットレスブラシレス永久磁石モータは、一般に２１００で示す。モータ２１００はハイブリッドモータである。図３４と３７を見てわかるとおり、空隙断面２１１０はＶ字形状であり、スペーサ２１１２を含んでよい。

図３５Ａ〜３５Ｅに示されるように、モータ２１００の固定子組立体は、一般に２１２０で示す。図３５Ｃを見てわかるとおり、固定子組立体２１２０は、冷却ラインなどを確保するため、その後部壁２１３５に切欠２１３０を有している（後部壁２１３５はコイルの輪郭に追従している）。切欠２１３０は、任意の好適な形状を有してよく、材料を節約するために設けてよい。切欠２１３０は、たとえば巻線や極の間など、固定子の１つ以上の部分で均一な磁束分布を形成するように整形してよい。図３５Ｅに示されるように、固定子組立体２１２０のコア２１４０は、等方性の磁気特性を有する材料で作成されている。図３５Ａ、３５Ｂ、および３５Ｃは、固定子コア２１４０に巻線コイル２１５０を重ねた固定子の断面図を示す。図４０に示されるように、巻線コイル２１５０は、ポッティング材２１６５を使用してコア２１４０に結合してよい。ポッティング材２１６５の外表面２１６６は、巻線のリードおよび熱電対のリード用に供してよい。全体として、モータ２１００は、固定子の直径Ｄ１（外表面２１６６までの直径はＤ２）で規定される直径と高さＨを有している。

図３５Ｄは、個別の巻線コイル２１５０を示す。位相ごとに１つずつ用意された、３つの巻線コイルは、内部に熱電対を埋め込んでもよい。１つの例示的な実施形態では、固定子組立体２１２０は、４つのフライングリード（３つのラインリードと１つの中央タップ）でＷｙｅ巻きされている。固定子組立体２１２０は軸方向にクランプしてもよいので、フライイングリードは、外径のところで外表面２１６６から固定子リングを抜ける。ポッティング材２１６５を使って固定子コア２１４０と巻線コイル２１５０をポッティングすることで、１つの一体化された「固定子リング」を供してもよい。

個別の巻線コイル２１５０を図３５Ｄと図３８に示す。巻線コイル２１５０はそれぞれ、コイルの長さ方向に異なる矩形断面を持つ。コイルの断面積がその長さに沿ってほぼ一定を保つように、コイル断面の幅は半径ともに増加し、その厚さは低下する。図３８はこの概念を例示している。線材は、絶縁層が１２０℃まで安定しているあるいはクラスＨの、２５ＡＷＧでよい。コイルは、外部で開始して終了するａｌｐｈａ巻きである。コイル断面の変化に従い、空間を最適に使用するため、ワイヤグリッドはコイルの長さに沿って８×６グリッドから１０×５グリッドに変化する。巻線厚さは、半径が増加するにつれて低下する。したがって、空隙の隙間はそれに応じて減少する。ただし、これは一つの示唆されたグリッドパターンに過ぎない。巻線の空間制約を満足する、代わりのもっと効率的なグリッドパターンを採用してよい。

次に図３４と３６を参照すると、モータ２１００の回転子組立体は、一般に２１１５で示す。簡単に組み立てられるように、回転子組立体２１１５は略等しい２つの半体から構成され、そのうちの１つを図３６Ｃに示す。半体のそれぞれが異なる方向に磁化される（あるいは個々の極において磁化方向が連続的に変化している）。

回転子組立体２１１５はまた、単一のリングで作成してもよく、その場合、磁化は２つの直交する方向（円周方向および極長方向）に連続変化する。回転子の半体は、１０１８鋼などの低炭素鋼で作成してよい。腐食を防止するため、回転子半体に粉体による被覆を施してもよい。回転子組立体２１１５は、複数の回転子極を有し、それぞれが２つの磁石片２１６０を含む。図３６Ｅは、回転子半体の１つ、およびそれに取り付けた磁石２１６０の１つを示す。それぞれの回転子半体には、それぞれ径方向に磁化される、約３０個の磁石２１６０を設けてよい。隣接する磁石どうしは、正反対の方向に磁化される。回転子磁石２１６０は、残留磁束密度が約１．３のネオジムで作成してよい。特性がＮ４２ＵＨやＮ４２ＳＨあるいは同等物と類似している磁石を使用してよい。磁石形状は、すでに磁化されたブロックから切り出して、研削仕上げにより整形してよい。図３６Ｄと３９は、１つの回転子半体における極を含む２つの磁石片を示す。示されるように、それぞれの片は、磁化方向が放射状でなく平行となるように、磁化してよい。腐食を防止するため、研削時に磁石２１６０を被覆してよい。

ハイブリッドモータ２１００の代わりに、径方向磁束モータを採用してよい。このようなモータは、スロットレス巻線を有する３相ブラシレス直流モータを利用してよい。このようなモータでは、積層けい素鋼で固定子を作成してよい。

一つの実施形態では、軟磁性材料は、鉄を含有する複数の粒子、および該鉄を含有する粒子上の絶縁層を含む。絶縁層は酸化物を含む。軟磁性材料は、絶縁境界により分離された透磁性微小領域の凝集体である。絶縁層の酸化物は、アルミナを含んでよい。鉄を含有する粒子は、体心立方構造を有してよい。鉄を含有する粒子は、シリコンを含んでよい。鉄を含有する粒子は、アルミニウム、コバルト、ニッケル、およびシリコンのうちの少なくとも１つを含んでよい。

他の実施形態では、軟磁性材料は鉄を含有する複数の粒子を含み、該鉄を含有する粒子のそれぞれの上にアルミナ層が配置されている。アルミナ層を鉄含有粒子に配置することにより、高透磁率と低保磁力を有し絶縁境界で分離された微小領域の凝集体を規定する、体心立方格子の微細構造が形成される。鉄を含有する粒子は、約８９ｗｔ．％鉄、約１０ｗｔ．％アルミニウム、および約０．２５ｗｔ．％炭素を含んでよい。鉄を含有する粒子は、シリコンを含んでてよい。鉄を含有する粒子は、アルミニウム、コバルト、ニッケル、およびシリコンのうちの少なくとも１つを含んでよい。鉄を含有する粒子を、均一組成の鉄を含有するコアにより規定し、アルミナ層は、実質的に純粋なアルミニウム酸化物を含んでよい。軟磁性材料は、均一組成の鉄−アルミニウム合金のコアを有する粒子により規定してよく、アルミナ層は、該コアの表面において実質的にゼロアルミニウム酸化物〜アルミナ層の外表面において実質的に純粋なアルミニウム酸化物までの濃度勾配により規定してよい。体心立方格子の微細構造は、ＸＺ面、ＹＺ面、およびＸＹ面において実質的に等方であってよい。

軟磁性材料を作成する一つの実施形態において、方法は、鉄−アルミニウム合金粒子を供給することと、鉄−アルミニウム合金粒子の融点より低いが鉄−アルミニウム合金粒子を軟化させるのに十分に高い温度まで鉄−アルミニウム合金粒子を加熱することと、鉄−アルミニウム合金粒子を熱溶射することと、鉄−アルミニウム合金粒子を酸化させることと、鉄−アルミニウム合金粒子を基板上に堆積させること、そして大量の鉄−アルミニウム合金粒子を基板上に堆積させ、さらに基板上に堆積された鉄−アルミニウム合金粒子の連続した層に堆積させることと、該大量の鉄−アルミニウム合金粒子を熱処理することを含む。鉄−アルミニウム合金粒子は、約８９ｗｔ．％鉄、約１０ｗｔ．％アルミニウム、および約０．２５ｗｔ．％炭素の組成を有する合金を含んでよい。鉄−アルミニウム合金粒子の加熱は、約１４５０℃より低く加熱することを含んでよい。鉄−アルミニウム合金粒子の溶射は、キャリアガスで鉄−アルミニウム合金粒子を気霧化することを含んでよい。鉄−アルミニウム合金粒子の溶射は、キャリアガスが約９００℃〜約１２００℃で作動して鉄−アルミニウム合金粒子を気霧化する、高速空気燃料システムを使用することを含んでよい。鉄−アルミニウム合金粒子の溶射は、約１４００℃〜約１６００℃で作動して鉄−アルミニウム合金粒子を薄い被膜として堆積させる、高速酸素燃料システムを使用することを含んでよい。鉄−アルミニウム合金粒子の溶射は、低エネルギープラズマ溶射を使用することを含んでよい。鉄−アルミニウム合金粒子の酸化は、鉄−アルミニウム合金粒子の外表面にアルミナを形成することを含んでよい。

一つの実施形態では、モータは、少なくとも１つのコアを含む固定子と、前記固定子の前記少なくとも１つのコアに巻回されたコイルと、回転子極を有し前記固定子に対して回転可能に装着された回転子と、前記回転子と前記固定子の間に配置された少なくとも１つの磁石とを含む。少なくとも１つのコアは、アルミナ層が配置された鉄含有粒子により規定された複合材を含む。回転子極と固定子は、少なくとも１つの磁石と相まって、３次元空間中の一つの平面の外側の方向に、前記回転子と前記固定子の間の磁束を向けてよい。固定子は、少なくとも１つの磁石の断面形状に対応する表面を規定する断面形状に近似するように構成してよい。固定子と少なくとも１つの磁石の間に円錐形状の空隙を配置し、該円錐形状の空隙によって、モータの径方向、軸方向、および円周方向に沿って磁束が流れるようにしてもよい。回転子極を固定子の方向に延ばして、固定子と少なくとも１つの磁石の間に円錐形状の空隙を生成してよい。コイルは、径方向に先細りする構造であってよい。少なくとも１つのコアを固定子の表面に形成して、スロットレス固定子を形成してよい。回転子は、第１の回転子部と第２の回転子部を含んでよい。固定子は、少なくとも第１の固定子部と第２の固定子部を含んでよい。

他の実施形態では、モータは、軟磁性複合材で形成された少なくとも１つのコアおよび該少なくとも１つのコアに配置されたコイルを含むスロットレス固定子と、スロットレス固定子に対して回転可能に装着された回転子と、回転子とスロットレス固定子の間で回転子に装着された少なくとも１つの磁石とを含む。軟磁性複合材は、少なくとも鉄を含有し、アルミナを含む絶縁性外面を有する粒子を含んでよい。少なくとも鉄を含有する粒子は、鉄−アルミニウム合金を含んでよい。モータは、スロットレス固定子と少なくとも１つの磁石の間に、断面形状が円錐形状の空隙を含んでよい。スロットレス固定子は連続表面を形成する壁を含み、その壁に少なくとも１つのコアが形成さてよい。軟磁性材料は、約８９ｗｔ．％鉄、約１０ｗｔ．％アルミニウム、および約０．２５ｗｔ．％炭素を含んでよい。軟磁性材料はさらにシリコンを含んでよい。

他の実施形態では、スロットレス磁束モータは、少なくとも１つのコアが配置された連続表面および該少なくとも１つのコアに配置された巻線により規定された固定子と、回転子極を有し固定子の中に回転可能に装着された回転子と、固定子と回転子極の間に装着された少なくとも１つの磁石とを含む。固定子と少なくとも１つの磁石の間で円錐形状の空隙が規定され、円錐形状の空隙により、モータの径方向、軸方向、および円周方向に磁束が流れるようになる。少なくとも１つのコアは、アルミナに封止された鉄含有粒子により規定された軟磁性複合材を含む。鉄を含有する粒子は、約８９ｗｔ．％鉄、約１０ｗｔ．％アルミニウム、および約０．２５ｗｔ．％炭素を含んでよい鉄−アルミニウム合金を含んでよい。鉄を含有する粒子はさらにシリコンを含んでよい。軟磁性複合材の鉄含有粒子は、鉄−コバルト合金、鉄−ニッケル合金、および鉄−シリコン合金のうちの１つ以上を含んでよい。少なくとも１つのコアは、固定子の内向面で自己支持され、水平視Ｖ字形状の断面を有してよい。

組成物の一つの実施形態は、鉄を含有する複数の粒子、および該鉄を含有する粒子上の絶縁層を含む。鉄を含有する粒子は、絶縁境界により分離された透磁性微小領域の凝集体を規定する。絶縁層は、酸化物を含んでよい。酸化物は、アルミニウム酸化物であってよい。鉄を含有する粒子は、体心立方構造を有してよい。体心立方構造は、３次元において実質的に等方であってよい。鉄を含有する粒子は、アルミニウム、コバルト、ニッケル、およびシリコンのうちの少なくとも１つを含んでよい。透磁性微小領域の凝集体は、高透磁率と低保磁力を有してよい。鉄を含有する粒子は、約８９ｗｔ．％鉄、約１０ｗｔ．％アルミニウム、および約０．２５ｗｔ．％炭素を含んでよい。絶縁層は、濃度勾配を有する酸化物層により規定してよい。鉄を含有する粒子と絶縁層は、軟磁性材料を規定してよい。

方法の一つの実施形態は、鉄−アルミニウム合金粒子を加熱することと、前記鉄−アルミニウム粒子を熱溶射することと、前記鉄−アルミニウム粒子を酸化させることと、前記酸化させた鉄−アルミニウム粒子を基板上に堆積させることとをを含む。鉄−アルミニウム合金粒子は、約８９ｗｔ．％鉄、約１０ｗｔ．％アルミニウム、および約０．２５ｗｔ．％炭素を含んでよい。鉄−アルミニウム合金粒子の加熱は、約１４５０℃より低く加熱することを含んでよい。鉄−アルミニウム合金粒子の溶射は、高速空気燃料システム、高速酸素燃料システム、あるいは低エネルギープラズマ溶射を使用して溶射することを含んでよい。鉄−アルミニウム粒子の酸化は、鉄−アルミニウム合金粒子の外表面にアルミナを形成することを含んでよい。酸化させた鉄−アルミニウム粒子の基板上への堆積は、軟磁性材料を形成することを含んでよい。

装置の一つの実施形態は、少なくとも１つのコアを有する固定子と、少なくとも１つのコア上のコイルと、固定子の中に回転可能に装着された回転子と、固定子と回転子の間に装着された少なくとも１つの磁石とを含む。少なくとも１つのコアは、酸化物層が配置された鉄を含有する粒子により規定された組成物を含んでよい。固定子はスロットレスであってよい。磁束は、回転子と固定子の間で３次元方向に向けてよい。装置は、回転子の外向面により規定された回転子極と固定子の内向面により規定された固定子極をさらに含み、少なくとも１つの磁石が、回転子の外向面に装着されていてもよい。少なくとも１つの磁石の断面形状は、固定子の内向面の断面形状に対応する面を規定してよい。少なくとも１つの磁石と回転子の内向面は、回転子と固定子の間の円錐形状の空隙を規定してよい。円錐形状の空隙により、装置の径方向、軸方向、および円周方向に磁束が流れるようにしてよい。鉄を含有する粒子により規定される組成物は、軟磁性材料を含む酸化物層を有してよい。鉄を含有する粒子は、約８９ｗｔ．％鉄、約１０ｗｔ．％アルミニウム、および約０．２５ｗｔ．％炭素を有する合金を含んでよい。酸化物層は、アルミニウム酸化物であってよい。組成物はさらにシリコンを含んでよい。組成物は、酸化物層において濃度勾配を含んでよい。

図４１〜４５を参照し、軟磁性材料１０を製造する際の種々の例示的な態様を、以下の実施例で記載する。
〔実施例１〕

ここに記載する成膜工程２０では、付着率が高いという理由によりＨＶＡＦシステムを選択し、絶縁境界特性および電磁気特性を持つ材料の試料を生成した。材料特性を評価するために２つの異なるＨＶＡＦ設定値を選択した。第１の設定値は、理論空燃比の燃料−空気混合物に対応させた。第２の設定値は、キャリアガス温度がより低温となるより希薄な混合物に対応させた。第２の設定値は、完全溶融粒子の割合が低い微細構造を生成した。さらに、両方の設定値により生成された試料の一部に対して熱処理工程を実施し、試料を温度１０５０℃（共融温度より５０℃高い温度）まで加熱し、還元性環境にて４時間その温度を維持し、その後室内温度までゆっくりと冷却して表１（下記）に示されるような試料１Ａと２Ａをそれぞれ生成した。試料は、薄い矩形試料、ならびに直径約２インチ、厚さ約０．２５インチのリング状試料として生成した。薄い矩形は、電子顕微鏡ならびににＸ線回折システムより、微細構造を検討するのに使用した。リングは、ＡＳＴＭ Ａ７７３標準による磁気特性を与えるために使用した。

薄い矩形試料の断面を研磨し、エッチングを施し、電子顕微鏡ならびにエネルギー分散分光法（ＥＤＳ）システムにより観察して、断面全体の元素マップを作成した。図４１は、試料２Ａの断面（電子像１）、ならびに鉄、アルミニウム、および酸素元素に対応する元素マップを示す。酸素原子は主に粒子境界に濃縮し、鉄原子は粒子境界には存在しない。アルミニウム原子は粒子内部よりも境界において濃度が高く、これは粒子境界が優れた電気絶縁体であるアルミナから構成され、粒子内部が所望の軟磁性材料であるＦｅ−Ａｌ合金から構成されているということを示している。この観察結果の裏付けとして、材料のＸ線回折スペクトルを示す図４２により、Ｆｅ−Ａｌ合金とともにアルミナが存在することが確認できる。

このように、アルミナから構成される絶縁層は、高い温度でも（酸化鉄から作成された絶縁層と違って）安定することができる。電子顕微鏡画像から、絶縁境界の厚さは１００ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲内にあると予想された。

ＡＳＴＭ Ａ７７３標準にしたがい、図４１に示したリング状試料に対しても磁気特性の測定を実施した。試料１、１Ａ、２および２Ａに対して以下の特性を測定した：着磁用磁場４０ｋＡ／ｍａまでの磁化曲線（Ｂ−Ｈ曲線）、４０ｋＡ／ｍでの線束密度、Ｂ_{ｓａｔ＠４０ｋＡ／ｍ}、保磁力、Ｈ_ｃ、線束密度１Ｔでの着磁用磁場、Ｈ_１Ｔ、ゼロ線束密度での比透磁率、ｍ_ｒ、ＤＣエネルギー損失（ヒステリシスによる）、および磁束密度振動数６０Ｈz、４００ＨzでのＡＣパワー損失。試料の結果を表１に示す。
［表１：フェーズ−１試料（Ｐ１で示す）と比較した、リング試料１、２、１Ａ、および２Ａの測定磁気特性］

ここに記載したような軟磁性材料を電動モータで使用するには、飽和磁束密度と比透磁率を最大化し、必要な着磁用磁場、保磁力、ＤＣエネルギー損失、およびＡＣパワー損失を最小化する必要がある。表１の結果は、試料１Ａが最大の飽和磁束密度、初期透磁率、および最小のＤＣエネルギー損失を有し、一方試料２Ａが最小のＡＣパワー損失を有していることを示している。焼鈍された試料は、焼鈍されていない対応部材と比較して、より高い透磁率と飽和磁束密度、およびより低い保磁力を有している。焼鈍することにより内部応力と転位密度が減少して粒径が増加した結果、磁性領域境界の移動に対する抵抗が減少する。試料１と１Ａは試料２と２Ａより高い燃焼温度に対応するので、より低い多孔性と関連した完全溶融粒子の割合が高くなる。結果として試料１Ａは、試料２Ａよりも透磁率が高くなり、保磁力が低くなる。これに対し資料２Ａは、その完全溶融粒子の割合が低いため、渦電流が小さくなり、それに対応してＡＣパワー損失も小さくなる。

絶縁層は高温で安定したアルミナから構成されているので、飽和磁束密度と透磁率を改善し、また絶縁層と渦電流損失を犠牲にせずに保磁力を減少させるうえで、熱処理は非常に有効である。試料１Ａと２Ａに関して言えば、これらの試料は、表１のＰ１で表す試料よりも望ましい磁気特性を有している。

さらなる磁気特性の改善は、粒子の化学的性質とサイズだけでなく工程パラメータを変化させることで達成できる。たとえば、燃焼温度が試料１と２の燃焼温度の間に落ち着くような最適な工程パラメータのセットが存在し、その結果、完全溶融粒子の割合が低くなると同時に、多孔性を無視できるレベルに抑えることができるかもしれない。また、より大きなサイズの粒子の粉体を使用すると、磁性領域の境界がより自由に移動できるようになるので、その結果ヒステリシス損が低下するかもしれない。また、合金の炭素含有量を０．０５％より低くすると、炭化不純物が著しく低下し、ヒステリシス損が小さくなる。また、Ｆｅ−Ａｌ合金には、より低い最適なレベルのアルミニウムの割合が存在し、粒子間絶縁の完全性を損なうことなく、飽和磁束密度を増加させる可能性がある。
〔実施例２〕

上記検討した粒子サイズと形状は、サイズが１５〜４５マイクロンの範囲内、形状は球形だった。磁性材料は、印加された磁場の方向に成長する磁性微小領域の凝集体から構成される。材料が粒子の凝集体から構成される場合、絶縁層の存在が、領域境界の移動を粒子境界に制限し、それによって、有効な透磁率と飽和磁束密度が制限され可能性がある。また、材料特性のシミュレーションにより、境界の寸法に対する粒子寸法の理想的な「比」が１０００：１であることが示されるかもしれない。上記得られた絶縁層の厚さは０．１〜０．５マイクロンだったので、粒子サイズが１００〜２００マイクロンの範囲にあることが一般に望ましい。

ＨＶＡＦとＨＶＯＦを使用する熱溶射工程において、典型的な粒子サイズは１５〜４５マイクロンの範囲にある。この範囲の粒子サイズにより、高密の固体堆積物を形成するのに十分な速度と温度を得ることができるからである。より大きなサイズの粒子を溶射するためには、粒子へのエネルギー入力とエンタルピー入力を上昇させるために一定の工程変更が必要になる。

より大きなサイズの粒子を溶射できるかどうかを判断するため、熱溶射粉体（スイスのＯｅｒｌｉｋｏｎ Ｍｅｔｃｏより入手可能なＭｅｔｃｏ−４５０ＮＳ）を使って実験を行った。これは、サイズがより大きい４５〜９０マイクロンの範囲にある、９５％ニッケルと５％アルミニウムの合金である。粒子に入力される熱エネルギーは、燃焼室を選択することにより制御し、機械的エネルギー入力は、収束発散ノズルの適正な射出直径を選択することにより制御した。いくつかの実験の後、堆積された粒子による高密度の層が得られた。図４３は、得られた材料の微細構造を示す。底部の材料層は、より小さい燃焼室を使って溶射し、上部の層は、より大きな燃焼室を使って溶射した。射出粒子の速度は、収束−発散ノズルの適切なサイズを選択することで制御した。

霧化処理を支援するため炭素を添加するが、炭素は鉄と固溶体を形成せずに、代わりに折出炭化物を形成してしまい、それが磁性領域境界の移動を妨害して、結果として透磁率と飽和磁束密度を低下させてしまう。したがって、炭素の代わりにシリコン（透磁率を改善する）を使って、霧化処理を実現した。濃度が７．５％より低いと、シリコンはＢＣＣ格子構造を有する固溶体を形成し、折出物を形成しなかった。またシリコン濃度が低い場合、図４４Ａと４４Ｂの状態図に示すように、１５００℃より低い温度では、シリコンはアルミナの形成を妨げることはなかった。図４４Ａと４４Ｂはそれぞれ、ＢＣＣ構造を示すＦｅ−９％Ａｌ−Ｓｉ合金の、１４００℃までの等値線（図４４Ａ（ａ））、アルミナの形成に好適なＦｅ−９％Ａｌ−１％Ｓｉ−Ｏの等値線（図４４Ａ（ｂ））、ＢＣＣ構造を示すＦｅ−１０％Ａｌ−Ｃの、１０００℃までの等値線（図４４Ｂ（ａ））、およびアルミナの形成に好適なＦｅ−１０％Ａｌ−Ｏの等値線（図４４Ｂ（ｂ））、を表している。このような検討の後、溶射形成試験には、Ｆｅ−９％Ａｌ−１％Ｓｉの合金組成を選択した。気霧化処理により、上記濃度を有する粉体がうまく生成され、炭素濃度は０．０４％に減少した。シリコンの添加により、合金の融点が若干低下した。これは、より大きなサイズの粒子を溶射するうえで有利になると予想された。

合金用元素としてアルミニウムが存在することで、絶縁層の形成が容易になった。しかし同時に、材料の飽和磁束密度も低下することとなった。重量比１０％において、合金の飽和磁束密度は、純鉄の飽和磁束密度と比較して２０％低下した。このようにして、以下の条件を満足する化学組成の粒子を持つことが望ましいと判断された。

（ａ）表面においてアルミニウム酸化物の連続した層を形成するため、表面では十分な濃度のアルミニウム、それと同時に、高い飽和磁束密度を確保するため、表面下にはアルミニウムが少量しかあるいは全く存在しない。

（ｂ）表面上のアルミニウムは、アルミニウム元素としてではなく、鉄とアルミニウムの固溶体として存在する必要がある。これは、アルミニウム元素が、熱溶射の作動温度より低い融点を有しているからである。また、酸化していないアルミニウム元素は、望ましくない導電境界を粒子領域の周囲に形成してしまう。
実施例３

スロットレスモータ２０００の近似性能特性得るため、コンピュータモデリングプログラムを使用して、分析モデルを開発し実装した。モデルは、固定子と回転子の極数、巻線の巻数、および磁石と固定子の歯の近似寸法など、所望のモータパラメータセットを得るのに使用した。モデルによると、２０個の回転子極を有し、表２の寸法に一致するハイブリッド界磁モータにより、同じ制約条件で設計した従来のモータと比較して、２４％高いモータ定数が実現される。
［表２：モータ寸法仕様］

しかし、分析モデルには、軟磁性材料のＢ−Ｈ曲線における非線形性と磁束飽和を考慮しないという点で制限がある。同じ理由で、分析モデルは、他の構成のモータ定数値を推定するのに十分ではない。より精密な解決を得るため、有限要素分析法を使って他の構成のモータを解析した。まず、モータの精巧な幾何モデルを開発し、モータの有限要素分析を実施した。

モータ設計工程の最適化基準として、（ａ）静的な定速条件下でモータ効率を最大化すること、および（ｂ）定速動作条件下でトルク容量を最大化すること、を含めた。

モータ２０００の部品を形成するのに、ニア・ネット・シェイプ製造を使用した。ＡＳＴＭ Ａ７７３標準にしたがって磁気特性を測定するために使用したリング状部品は、熱工程を使用して溶射した。リング状試料を得る際に使用した戦略を変更して、図３３に示すスロットレス、コアレスモータを作成するのに必要な固定子幾何形状を得た。他のモータの固定子幾何形状を得るため、マスクやステンシルを使用したり、材料堆積の深度測定値に応じて（図４５に示されるように）ステンシルの動作を制御する、という戦略を利用した。このためには、堆積された材料の厚さを測定する測定システム、および溶射システムを制御するロボットと連携させたステンシル作動機構が必要だった。測定システム、ステンシル作動機構、および溶射システムの間の連携作業を実施する主制御装置として、コンピュータを動作させた。

３−Ｄ印刷により得られた型を製造するのに、複雑な形状のステンシルとマスクを採用した。３−Ｄ印刷された型を使用して、固定子のプロトタイプを作成した。このプロトタイプ作製能力により、特に熱溶射法を利用した工程に関して、固定子設計の精査がはかどった。

次に図４６Ａ〜４６Ｃを参照すると、図３２に示したモータの別の態様が示されている。示された実施形態では、モータは、図３２に示したスロットレスモータと対照的に、スロット付きモータである。固定子１９０６'は、固定子１９０６と類似した適用可能な特徴を有してよく、モータの軸方向から見た場合の、歯２２０２と巻線２２０４の断面図が図４６Ｃのような、極や歯が設けられている。図４６Ａは、固定子の接線方向から、歯２２０２の中心を通るように見た場合の、歯２２０２と巻線２２０４の断面図である。図４６Ｂは、固定子の接線方向から、歯２２０２の中心から外れて、歯２２０２と巻線２２０４を通るように見た場合の、歯２２０２と巻線２２０４の断面図である。歯２２０２では、その面２２０６とリング部２２０８が、コア部２２１０を介して接続されている。ここで、固定子１９０６'は、巻線２２０４の断面が実質的に変化しないように、かつ歯２２０２の断面が磁束経路に沿って実質的に変化しないように、構築される。面部２２０６は、回転子１９０２の磁石部分と界接する円錐形状面と、巻線２２０４と界接する対向面を有するように示されている。コア部２２１０は面部２２０６からリング部２２０８へ延伸し、巻線２２０４のワイヤが巻回される構造を形成する。ここで、コア部２２１０は、たとえば図４６Ａと４６Ｃに示されるように、巻線２２０４の断面が実質的に変化しないように、かつ歯２２０２の断面が磁束経路に沿って実質的に変化しないように、非均一な断面を有してよい。リング部２２０８は、示されるような三角形状断面を有し、隣接歯のための隣接構造と磁束経路を提供してよい。固定子１９０６'は、示された幾何形状により記載したが、任意の好適な幾何形状を設けてよい。固定子１９０６'あるいは記載されたような任意の他の固定子は、示されるような突出巻線あるいは分布巻線を備えてよい。同様に、記載されたどの固定子も、斜極あるいは任意の好適の幾何形状の極を有してよい。同様に、記載されたどの固定子も、記載されたような任意の好適な軟磁性材料、あるいは焼結された材料、機械加工された材料、積層された材料などの任意の好適材料、で作成してよい。

ただし、上の記載は例に過ぎないことを理解すべきである。当業者は、様々な代替例と変形例を考案することができる。たとえば、種々の従属請求項に記載した特徴は、任意の好適な組み合わせで互いに組み合わせでよい。また、上記異なる実施形態から抜粋した特徴を選択的に組み合わせて、新たな実施形態としてももよい。したがって、上の記載は、添付の請求項の範囲を逸脱しないい限り、このような代替例、変形例、および変異例をすべて包含することを意図している。

Claims (13)

1. 基板上に堆積された軟磁性材料であって、
   アルミニウム、コバルト、ニッケル、シリコンの少なくともいずれかを含むと共に鉄を含有する複数の粒子であって、複数の異なる微小領域からなる微細構造を有する連続した複数の薄い被膜を形成する粒子と、
   前記鉄を含有する粒子上の絶縁層であって、アルミナを含む絶縁層と、
   を含み、
   前記絶縁層が濃度勾配を有するアルミナ層により形成され、前記濃度勾配は、鉄を含有する粒子であって、表面に近づくに従ってアルミニウム濃度が上昇する粒子によって生じ、
   前記鉄を含有する粒子が、絶縁境界により分離された透磁性微小領域の凝集体を形成し、
   前記基板上に溶射された、前記透磁性微小領域の凝集体は、溶射された鉄含有粒子の連続層を形成する、連続した複数の微小領域を含み、
   前記鉄を含有する粒子及び前記絶縁層は高密度の固体層を形成するようにされ、前記固体層においてある層の粒子は、該粒子がその底部で直前の層の粒子と接触する接触部において、前記直前の層の粒子に合わせた形状となり、前記直前の層の粒子に密着する、
   軟磁性材料。
2. 前記鉄を含有する粒子が体心立方構造を有し、前記体心立方構造が３次元において等方的な磁気特性を提供する、請求項１に記載の軟磁性材料。
3. 透磁性微小領域の前記凝集体が高透磁率と低保磁力を有している、請求項１に記載の軟磁性材料。
4. アルミニウム、コバルト、ニッケル、シリコンの少なくともいずれかを含む鉄含有粒子を加熱し、
   前記鉄含有粒子を熱溶射し、
   前記鉄含有粒子を酸化して、前記鉄含有粒子上にアルミナを有する絶縁層を形成し、
   前記酸化した鉄含有粒子を基板に堆積する、
   ことを含む方法であって、
   複数の前記鉄含有粒子が、複数の異なる微小領域からなる微細構造を有する連続した複数の薄い被膜を形成し、
   前記複数の鉄含有粒子が、絶縁境界により隔てられる透磁性微小領域の凝集体を形成し、
   前記基板上に溶射された、前記透磁性微小領域の凝集体は、溶射された鉄含有粒子の連続層を形成する、連続した複数の微小領域を含み、
   前記鉄含有粒子及び該鉄含有粒子上の前記絶縁層は、高密度の固体層を形成するようにされ、前記固体層において、ある層の粒子は、該粒子がその底部で直前の層の粒子と接触する接触部において、前記直前の層の粒子に合わせた形状となり、前記直前の層の粒子に密着し、
   前記絶縁層が濃度勾配を有するアルミナ層により形成され、前記濃度勾配は、前記鉄含有粒子の各々が、表面に近づくに従って上昇するアルミニウム濃度を有することによって生じ、前記アルミニウム濃度の上昇は、前記鉄含有粒子にアルミニウム層を堆積させて熱処理し、前記鉄含有粒子内にアルミニウムを拡散させて、アルミニウム濃度が変化する合金を形成することによって達成される、方法。
5. 前記鉄含有粒子は体心立方構造を有し、該体心立方構造が３次元において等方的な磁気特性を提供する、請求項４に記載の方法。
6. 透磁性微小領域の前記凝集体が高透磁率と低保磁力を有している、請求項４に記載の方法。
7. 前記鉄含有粒子を熱溶射することが高速空気燃料システム、高速酸素燃料システム、あるいは低エネルギープラズマ溶射を使用して溶射することを含む、請求項４に記載の方法。
8. 少なくとも１つのコアを有する固定子と、
   前記少なくとも１つのコア上のコイルと、
   前記固定子の中に回転可能に装着された回転子と、
   前記固定子と前記回転子の間に装着された少なくとも１つの磁石と、
   を備え、前記少なくとも１つのコアが、請求項１から３のいずれかに記載の軟磁性材料を含む、装置。
9. 磁束が前記回転子と前記固定子の間で３次元方向に向けられる、請求項８に記載の装置。
10. 前記回転子の外向面により規定される回転子極と、前記固定子の内向面により規定される固定子極とをさらに含み、前記少なくとも１つの磁石が前記回転子の前記外向面に装着された、請求項８に記載の装置。
11. 前記少なくとも１つの磁石の断面形状が前記固定子の前記内向面の断面形状に対応する面を規定する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記少なくとも１つの磁石および前記回転子の前記内向面が、前記回転子と前記固定子の間で円錐形状の空隙を規定し、前記円錐形状の空隙が、前記装置の径方向、軸方向、および円周方向に磁束を流すことができる、請求項１０に記載の装置。
13. 前記鉄を含有する粒子が、８９ｗｔ．％鉄、１０ｗｔ．％アルミニウム、および０．２５ｗｔ．％炭素を有する合金を含む、請求項８に記載の装置。

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