トーラス形状のモータシステム
トーラスモータシステムは、中空ステータと、中空ステータ内に形成されたロータ通路に沿ってマグネットシステムによって駆動されるロータと、を有する。ロータはロータ通路内でピストンとして動作して、流体を吸入し、吐出する。ロータにかかる力はすべて、ロータをロータ通路の中心に置こうとする。ロータは吸入口から離れる方向にマグネットシステムで加速され、ロータが吐出口に接近するにつれて減速される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータシステムに関し、より詳細には、ロータが中空の楕円形ステータ内で電磁的に駆動される電磁駆動回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
往復コンプレッサ／ポンプは、多くの用途で、特に、液体流速が比較的遅く、液体の圧力上昇を比較的高くする必要がある環境で使用するのに非常に望ましい。圧力上昇が低く、流速が速いことを必要とする用途に関しては、単純であり、保守に費用がかからず、あまり保守を必要としないことから、回転遠心コンプレッサ／ポンプが有利と言える。
【０００３】
通常のエアコンプレッサの負荷は、ピストンが空気を圧縮するために移動するときに、ほとんど線形的に増加する。ポンプ用途では、負荷は移動長さに沿ってほぼ一定である。
【０００４】
ともに有効ではあるが、往復ポンプと回転ポンプはそれぞれ、コンプレッサ／ポンプ用途の効率に影響を与える二律背反性を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、必要とされる負荷に全体として適合して効率的な動作をもたらす、往復機械および回転機械の両方の利点を備えたポンプ／コンプレッサ用途向けの機械を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるトーラスモータシステムは、中空ステータと、マグネットアセンブリによって中空ステータ内で駆動されるロータと、を有する。中空ステータは、吸入口から吐出口に流体連通するロータ通路を画定する。ロータ通路はステータ内で楕円をなす。ロータは、ロータ通路の内部の楕円形状に適合するために、形状が少なくとも部分的にアーチ形をなす。ロータは、ロータ通路内でピストンとして動作して、流体を吸入し、吐出する。本開示による構造は広い用途を有するが、トーラスモータシステムは、主にポンプ／コンプレッサ用途向けに考案されている。
【０００７】
多数のマグネットタイプを本発明で使用できるので、様々なモータタイプ（すなわち、インダクション、永久磁石、切換式リラクタンスなど）がトーラス形状の恩恵を受ける。間隔が最も離れたマグネットを与えるマグネット配置では、ロータを最も速く移動させるが、負荷が最も小さくなる（すなわち、磁気的な引きつけ力は距離とともに減少する）。逆に、間隔が最も接近したマグネットでは、ロータは最も遅く移動するが、負荷ははるかに大きくなる。これは、ロータが吸入部を通るときにロータに加わる負荷が最小になることから好ましい。ガスはロータの前で圧縮され、ロータの後ろで真空が引かれるので、ロータが吐出部に近づくにつれて負荷は増加する。したがって、マグネットは、負荷が最も小さいところで最も離れて離間し、負荷が最も大きいところで最も接近して離間する。これは、直線往復運動するポンプ／コンプレッサに勝る利点である。
【０００８】
トーラスモータおよびコンプレッサ（またはポンプ）は、一般的なコンプレッサまたはポンプのような複数の異なるメカニズムではなく、１つのメカニズムである。配管が少なくオイル分離器がないために、エアエンド損失とパッケージ損失が最小限となるので、トーラスモータ／コンプレッサの効率は、回転式コンプレッサと比較して優れている。部品点数が少なく、駆動力と作動体との間にカップリングやギヤが全くないので効率が高くなる。たとえトーラスモータが回転式コンプレッサと同じ効率であっても、トーラスコンプレッサの方が出力効率が１５〜２０％有利である。
【０００９】
通常のコンプレッサに対するトーラスモータ／コンプレッサの利点には、一般に、可動部分が非常に少ないこと、高信頼性、オイルを使用しない運転、高い効率、複雑でなく比較的費用がかからないこと、可変速駆動を用いた効果的な速度制御、漏れ部分が少ないこと、シールしたステータ、および容易に達成される多様な速度／負荷性能が挙げられる。
【００１０】
したがって、本発明は、必要とされる負荷に全体として適合して効率のよい運転をもたらす、往復機械および回転機械の両方の利点を備えたポンプ／コンプレッサ用途向けの機械を提示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１Ａは、通常、中空ステータ１２およびロータ１４を有するトーラスモータシステム１０を示しており、ロータはマグネットシステム１６によって中空ステータ１２内で駆動される。モータおよびコンプレッサ（またはポンプ）は、一般的なコンプレッサまたはポンプが２つ（または３つ以上）の別のメカニズムであるのとは対照的に１つのメカニズムである。トーラスモータシステム１０のロータは、実際は回転しないで、中空ステータ１２によって画定された楕円通路内を動くが、出願人はモータの移動部材をロータと呼ぶ。
【００１２】
中空ステータ１２は、中空ステータ１２の内部と通じた吸入口１８と吐出口２０とを画定する。モータシステム１０は、ガス用のコンプレッサとして説明されるが、流体ポンプのモータシステムや機械モータ駆動体などの他の用途も同様に、本発明の恩恵を受けるのは当然のことである。ロータ通路Ｒは、中心点Ａの周りに画定されるリングとして形成されるのが好ましい。ただし、楕円などの他の形状も本発明で使用することができる。また、ロータ通路Ｒは、断面が円形（図１Ｂ）であるのが好ましいが、他の形状も本発明で使用することができる。
【００１３】
図１Ｃを参照すると、中空ステータ１２は、結合されてロータ通路Ｒを画定する第１のステータ部分２２ａおよび第２のステータ部分２２ｂで形成されるのが好ましい。ステータ材料は、ステンレス鋼やプラスチックなどの非磁性材料とする。各ステータ部分２２ａ，２２ｂは、互いに鏡像とするのが好ましい。第１のステータ部分２２ａと第２のステータ部分２２ｂとの間の分離部は、中心点Ａを含み、かつロータ通路Ｒを分割する平面とするのが好ましいが、他の分離平面も本発明で使用できる。
【００１４】
図１Ｄを参照すると、シール２４ｉ，２４ｏは、ロータ通路Ｒの内周Ｒｉおよび外周Ｒｏの周りに画定される溝２５ｉおよび溝２５ｏ内に配置されている。シール２４ｉ，２４ｏは、ステータ部分２２ａ，２２ｂがともに組み立てられたときにロータ通路Ｒをシールする。
【００１５】
中空ステータ１２は、ロータ通路Ｒの周りに多数の歯２６を画定する。各歯２６は、ステータ内径１２ｉおよびステータ外径１２ｏを画定する。各歯は、形状を台形とするのが好ましい。すなわち、歯２６の小さい端部はステータの内径１２ｉを画定し、歯２６の大きい端部はステータの外径１２ｏを画定する。
【００１６】
少なくとも１つの位置合わせピン２８が、歯２６に形成した開口部３０内に取り付けられている。各歯２６は、ステータ部分２２ａ，２２ｂによって形成されて、マグネットシステム１６を保持し（図１Ｂ）、留め具ｆおよびピン２８がロータ通路Ｒに侵入しないように（図１Ｂ）、留め具ｆ用の留め具受け入れ開口部３１を提供する。
【００１７】
特定の部品構成を図示した実施形態で開示したが、当然のことながら、他の構成も本発明の恩恵を受ける。これに代えて、例えば、ステータ断面が閉じた形状をもたないとする。ステータの側部周りのスロットがスロットの中に延びるピンを案内して、何か他の装置に運動を伝達する。
【００１８】
図２Ａを参照すると、マグネットシステム１６は、中空ステータ１２の各歯２６の間に取付けられたマグネットアッセンブリ３２を有する（図１Ｂ）。各マグネットアッセンブリ３２は、複数の薄板状マグネット回路ボード３４で作られるのが好ましい（図２Ｂ）。各マグネット回路ボード３４は、中空ステータ１２を囲んで容易に組み立てできるように、ボード部分３４ａ，３４ｂで作られている。一方のボード部分３４ａからなる各薄板が、他方のボード部分３４ｂからなる各薄板と交互配置される。この積層体は、対向するボード部分を正確に配置してボード部分３４ａ，３４ｂを保持するために、層の間にスペーサワッシャ３５を有する。マグネット回路ボード３４は、冷却フィン３６の間に配置され、ねじなどの留め具４０でともに保持されるのが好ましい。ねじ４０は、中空ステータ１２の周りに取付けるために、同様に複数の部分で作られた冷却フィン３６に螺入されるのが好ましい。各ボード部分３４ａ，３４ｂが最初に別々に組み立てられ（図２Ｃ）、次いで接合留め具４０Ａを用いてステータを囲むように互いに結合される。
【００１９】
図２Ｂを参照すると、マグネット回路ボード部分３４ａ，３４ｂは、裏側に金属薄片の回路パターンを有する。互いに挟んで組み立てると、マグネット回路ボード３４は、金属薄片回路からなるコイルを形成する。回路ボード部分３４ａ（その形状から「バー」）は、マグネットアッセンブリ３２に電力を供給する電力供給リードＰに接続するための電力供給リードパッドＬＰを有する。
【００２０】
電流は電力供給リードＰからリードパッドＬＰに伝達され、（図では見ることができない）ボードの他方の面にある金属薄片回路に接続されためっきスルーホールを通る。その金属薄片は、Ｕ字バー回路ボード部分３４ｂ（その形状から「Ｕ字バー」）の上面側にある最下部の金属薄片と接合している。この金属薄片はＵ字バー回路ボード部分３４ｂの上面に延び、隣りのバー回路ボード部分３４ａの裏面側にある金属薄片などと接合されている。Ｕ字バー回路ボードの最内部の金属薄片は、裏面側のパターンにつながっためっきスルーホールを有する。すなわち、ボードを互いにさし挟む（図２Ａ）と、ボードは電磁回路コイルを形成する。
【００２１】
一般的に、同じ寸法のボードに対して、金属薄片コイルが大きいほど巻数は少なくなるが、電流をより多く流すことができ、インピーダンスは小さくなる。極限まで行うと、ボードは完全に覆われ、薄板当たり２ターン（片側当たり１ターン）を形成する。この構成は、中央に穴があいた円形の銅薄片であるビッタディスク（Ｂｉｔｔｅｒ ｄｉｓｋ）として公知のタイプのマグネット構成に従う。このディスクはまた、半径方向に沿って切断部を有する。これらのディスクはその間に薄い絶縁体を挟まれて螺旋コイルを形成することができる。ディスクは絶縁体のない切断部で短い距離だけ重なる。絶縁体はディスクと同じ形状とする。そのような円形のマグネットは、（一般的な回転モータの長くて薄い巻き線のような）他の形状のものより効率がよく、ビッタディスクマグネットは、円形の巻き線マグネットより効率がよい。
【００２２】
当然のことながら、多数のマグネットタイプを本発明で使用することができ、そのため、様々なモータタイプ（すなわち、インダクション、永久磁石、切換式リラクタンスなど）がトーラス形状から恩恵を受けることになる。
【００２３】
図３Ａを参照すると、積層体がマグネットコアを通り抜け、中空ステータ１２を囲んだ状態で、マグネットコイルＣｔ，Ｃｂが、１つはステータ１２の上に、１つは底部に、対となってマグネット積層体Ｌに取付けられていることを別にすれば、切換式リラクタンストーラスモータは、インダクショントーラスモータと同様である。マグネット積層体（図３Ｂ）は、磁束の磁路をマグネットの間に形成する。ロータ内の鉄は、回転リラクタンスモータと同様に、マグネットに通電したときに、２つのマグネットの間の間隙に向かって引きつけられる。
【００２４】
図４を参照すると、ロータ１４は、ロータ通路Ｒの内部形状に適合するように、形状が少なくとも部分的にアーチ形となっている。ロータ１４は、鉄および／または鋼などの磁性材料で作られた薄板４２を有する。薄板４２は、中空ステータ１２の内部形状と合致するようにロータ通路Ｒ内に適合する。例えば、断面が円形のロータ通路Ｒ（図１Ｂ）の場合、ロータ１４は、非金属のアーチ形ロータロッド４４に互いに保持されたワッシャ形状の多数の薄板４２を有する。非金属のアーチ形ロータロッド４４は、真ちゅう、ステンレス鋼、プラスチック、または他の同様の材料とするのが好ましい。薄板４２は、ねじなどによってアーチ形のロータロッド４４に取付けられた先頭保持器４６および後部保持器４８で互いに挟まれている。保持器４６および保持器４８は、ステンレス鋼、テフロン、または他の同様の材料の非金属材料で作られるのが好ましく、中空ステータ１２のロータ通路Ｒ内で少なくとも部分的にシールとして機能する。積層体の好ましい厚さは、マグネットシステム１６内のマグネットアッセンブリ３２の厚さの約半分から１倍である。各ロータ１４は、２組以上の積層体（以降、１組の積層体を１つのロータローブと呼ぶ）を含むのが好ましい。これらのローブの間隔と寸法は、マグネットの間隔と厚さに依存する。
【００２５】
ロータにかかる力はすべて、ロータを中空ステータ１２のロータ通路Ｒの中心に置こうとする。磁力と、ロータ１４のそばを抜けようとする流体の力と、はともに、ロータをロータ通路Ｒの中心に置こうとする。これらの力はロータ薄板４２の表面に作用し、ロータとステータとの間の公差を最小限にしたならば、シールは全く必要なくなる。すなわち、ロータ１４は流体ベアリング（静圧ベアリングと同じ）に支持されて動くか、または圧縮ガスの場合はガスベアリングに支持されて動く。
【００２６】
図５を参照すると、制御部５０はマグネットシステム１６を作動させる。制御部５０は、多相電源５２を制御する可変速度制御部すなわち切換式リラクタンス速度制御部とすることができる。インダクショントーラスモータおよび切換式リラクタンストーラスモータは、特別に考慮した制御を必要とする。インダクションモータは電源に直接接続することができるが、電子駆動装置の恩恵を享受するのが好ましい。特有の制御要求の他の態様をトーラスモータおよびその関連部品とともにさらに理解するには、本発明の出願人に譲渡され、全体として本明細書に組み込むものとする「マトリクス配列トランジスタによる切換式リラクタンスモータ可変速度ドライブ（ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ ＭＡＴＲＩＸ ＳＷＩＴＣＨＥＤ ＲＥＬＵＣＴＡＮＣＥ ＶＡＲＩＡＢＬＥ ＳＰＥＥＤ ＭＯＴＯＲ ＤＲＩＶＥ）」と題した米国特許出願を見るとよい。
【００２７】
図５に示すように、３相モータ構成など、多相電源５２に対応したマグネットシステム１６の構成には、相（１，２，３）が含まれる。マグネットは、一方の端部の各マグネットが他方の端部の各マグネットよりさらに離れているように離間するのが好ましい。この構成には幾つかの利点がある。制御部は１つの周波数を維持するだけでよい。ロータ１４は、マグネットの間隔に応じて加速し、減速する（図６）。磁極の間隔は、通常のかご型インダクションモータの場合のような一定間隔ではなく、実際にはある傾度で変化している。
【００２８】
このマグネット配置によると、ロータを最も速く移動させるが、負荷を最も小さくするために、間隔が最も離れたマグネットが用意される（すなわち、磁気的な引きつけ力は距離とともに減少する）。逆に、間隔が最も接近したマグネットでは、ロータは最も遅く移動するが、負荷ははるかに大きくなる。これは、ロータが吸入部を通るときにロータに加わる負荷が小さいことから好ましい。（ロータは、ロータの前のガスを圧縮しつつ、ロータの後ろで真空をひいているので）ロータが吐出部に近づくにつれて負荷は増加する。したがって、マグネットは、負荷が最も小さいところで最も離れて離間し、負荷が最も大きいところで最も接近して配置するべきである。
【００２９】
この配置は幅広く使用することができるが、主にポンプおよびコンプレッサ用途のために考案された。４つの図６（（１）〜（４））は、１サイクルの中の様々な時点を２つのロータ１４ａ，１４ｂとともに示している。２つのロータ１４ａ，１４ｂは、中空ステータ１２内の円形通路を移動する。ロータは中空ステータ１２を一定の速度で回るわけではない。ロータは、吸入口１８を通過するときに加速し、吐出口２０に近づいたときに減速する。図６（１）は、ロータ１４ａが吐出口２０に接近している（ロータは速度を落としている）状態を示し、それに対して、ロータ１４ｂは吸入口１８を通過している（ロータは速度を上げている）。図６（２）は、大体同じ速度である両方のロータを示している。図６（３）は、速度が異なるために、空気が吸入口１８からステータに引き込まれ、それと同時に、ロータ間（左上）の空気が圧縮されている状態を示している。図６（４）は、ロータ１４ａが吐出口２０を通過しており、空気がロータ１４ｂによって押し出されている状態を示している。１サイクルを１つのロータがステータを完全に１周することと定義すると、４つの図（（１）〜（４））は１サイクルの半分を示している。各ロータ回転につき２つの圧縮サイクル（各ロータにつき１つ）がある。
【００３０】
液体ポンプがより大きい吸入口および吐出口を有しており、後続ロータが吸入口を閉じたときに吐出口が開くことを別にすれば、ポンプ用途も同様である。これは、液体がそれほど収縮しないので、後続ロータが吐出口から液体を押し出すことができるように、吐出口は開いている必要があるためである。
【００３１】
複数のロータ１４を所望の相対配置に維持しておくために、少なくとも１つのマグネットは、制御装置５０に接続したセンサＳに応答して、選択的に開閉を切り換えられる。ロータの位置はセンサによって検出され、特定のマグネットを通過するロータが通常より遅くなるように、特定のマグネットがある時間切断される。これにより、ロータを制御でき、同期を維持できる。マグネットは吸入口と吐出口の真向かいに置くのが好ましい（図５）。マグネット用のスイッチはトランジスタとすることができ、センサは、ロータがマグネットに接近したときにロータを検出できるように、マグネットの吸入口側に配置したホール効果素子とすることができる。
【００３２】
図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、１ローブロータおよび２ローブロータ（図７Ｂ）に対するマグネットの通電順序とロータの移動が示されている。マグネットは３０°だけ離間している。１ローブロータに対する通電シーケンスは、反時計方向の順にマグネットに通電し、ロータは、ロータの前にある次のマグネットが通電されるたびに反時計方向に３０°だけ回転する。
【００３３】
図７Ｂを参照すると、２ローブロータの長さは、マグネット間の距離の１．５倍になっている。２ローブロータには、異なる通電順序がある。図７Ｂ（１）は、第１のマグネットが通電された後のロータの位置を示している。これにより、ロータの先導端は第３のマグネットの作用範囲に運ばれる。次いで第３のマグネットに通電して、後続端を第２のマグネットの作用範囲にもってくる。この通電シーケンスは、マグネットに通電するたびにロータを半時計方向に１５°だけ移動させる。
【００３４】
２ローブロータは１ローブロータ（図７Ａ）の半分の速度で移動するが、負荷は大きい。これは、様々な磁極数を有するロータモータに似ている。ロータに作用する磁力は、ロータローブからマグネットの中心までの距離の２乗の逆数に比例するので、２ローブロータでは、１ローブロータの負荷の２倍をはるかに超える負荷が生じる。ローブが多いほど、モータは、より遅いが出力がより高くなり、一方、ロータは、より多くのローブを追加するために長くしなければならず、これは、ステータの直径を大きくし、より多くのマグネットを使用することを必要とする可能性がある。
【００３５】
図８は、１２個のマグネットからなるステータにある１ローブ、２ローブ、３ローブ、および４ローブの各ロータに対するマグネットの通電順序を示している。各マグネットは、３０°ずつ均等に離間している。図を横切る線は、回転移動を角度で示している。垂直線は、ステータ上のマグネット配置を表している。ロータは通電されたマグネットと整列した位置で示されている。色の濃いロータローブは、通電したマグネットの影響下にあるローブである。
【００３６】
第１の通電順序は１ローブロータに関するものである。シーケンスは、０°，３０°，６０°，９０°，１２０°である。ロータは、マグネットが通電されるたびに３０°移動する。
【００３７】
第２のシーケンスは、２ローブロータに関するものである。シーケンスは、０°，６０°，３０°，９０°，６０°，１２０°，９０°である。ロータは、マグネットが通電されるたびに１５°移動する。
【００３８】
第３のシーケンスは、３ローブロータに関するものである。シーケンスは、０°，９０°，６０°，３０°，１２０°，９０°，６０°である。ロータは、マグネットが通電されるたびに１０°移動する。
【００３９】
３ローブ以上のモータには問題がある。ローブの長さ、数、およびローブ間隔に依存して、マグネットが２つのローブに作用し、１つを前方に、１つを後方に引っ張ってロータが動かなくなる通電シーケンスとなる場合があり得る。４ローブロータに対する最下部のシーケンスは、この問題を示している（矢印でマークしている）。
【００４０】
図９は、２つのマグネットが同時に通電され、２つのロータローブに作用する状態を示している。これは負荷能力を２倍にする。２ローブロータ通電シーケンスは上に示され、４ローブシーケンスは、図８で指摘した欠陥を修正して下に示されている。なお、この図は、マグネットが１５°の間隔で離間した２４マグネットステータを対象としている。
【００４１】
ロータ長さ、ロータローブ数、ローブ間隔、ステータの直径、マグネット数、およびマグネット間隔の中の任意の組み合わせを本発明で使用することができる。これらのオプションは、トーラスモータを様々な速度／負荷用途に適応可能にする。例えば、同じステータを異なるロータと組み合わせて様々な速度／負荷性能を与えることができる。
【００４２】
回転スクリュ式コンプレッサの効率に関する主な要素は、エアエンド、モータ、およびパッケージ損失である。エアエンドおよびモータの効率は、機械の寸法が大きくなるにつれて上がる。以下の表は、１０〜１００馬力の機械のこれら要素の効率範囲を示している。
【００４３】
回転スクリュ式エアコンプレッサ（１０〜１００馬力） 効率
エアエンド効率 ７５〜８５％
モータ効率（高効率） ８５〜９５％
パッケージ損失 ４〜５％
全体効率 ６０〜７５％
トーラスモータ／コンプレッサの効率は、配管が少なくオイル分離器がないためにエアエンド損失がほとんどなく、パッケージ損失が最小限となるので、比較した場合に優れている。コンプレッサの効率は、モータの効率より若干低くなる。マグネット設計に関する制約がほとんどないので、これが、よりすぐれたマグネット設計によってトーラスモータを回転モータよりも効率の高いものとすることができると考える根拠となっている。
【００４４】
実施例のトーラスモータは、高回転モータに通常付随する問題なしに高速とすることができる。ロータは慣性が小さく、速度を制限するベアリングがない。大容量を比較的小さいパッケージで移動させることができる。上記の実施例は、実際上低速ポンプとして動作するが、高速にするには、４つのロータと、２組の吸入口，吐出口と、が必要になる。部品点数が少なく、駆動力と作動体との間にカップリングやギヤが全くないので効率が高くなる。また、モータ巻き線の形状も一般的な回転モータより制約が少ないので、より効率的な電磁石設計を用いてより高いシステム効率を実現することができる。たとえトーラスモータが上記と同じ効率であっても、トーラスコンプレッサは、６０〜７５％に対して８０〜９０％（１５〜２０％の優位性）の出力効率を有することができる。
【００４５】
特定のステップシーケンスが示され、説明され、主張されたが、別途に指示された場合を除き、ステップは任意の順で行い、分離するかまたは組み合わせることができ、それでもなお、本発明の恩恵を受けることを理解されたい。
【００４６】
上述の説明は、限定するものではなく、例示である。上記の教示を考慮して、本発明についての多数の修正と変更が可能である。本発明の好ましい実施形態が開示されたが、当業者ならば、特定の修正が本発明の範囲内であると分かるであろう。したがって、添付の請求項の範囲内において、具体的に説明されたものとは別の方法で本発明を実施することができることを理解されたい。こういう理由から、添付の特許請求の範囲が本発明の真の範囲および内容を究明するために検討されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】トーラスモータシステムの全体的な斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａのトーラスモータシステムを線１Ｂ−１Ｂに沿って切った断面図である。
【図１Ｃ】ステータアッセンブリの分解図である。
【図１Ｄ】ステータアッセンブリの片側の拡大図である。
【図２Ａ】マグネットアッセンブリの平面図である。
【図２Ｂ】図２Ａのマグネットアッセンブリ用マグネット回路ボードのおもて面の図である。
【図２Ｃ】分解した状態のマグネットアッセンブリの平面図である。
【図２Ｄ】図２Ａのマグネットアッセンブリの斜視図である。
【図３Ａ】切換式リラクタンストーラスモータシステムの断面図である。
【図３Ｂ】別のマグネットアッセンブリの分解図である。
【図４】トーラスモータシステムのロータの側面図である。
【図５】トーラスモータシステムの平面図であり、マグネットシステムの配置を示す図である。
【図６】ステータ内の複数ロータの移動を示すトーラスモータシステムの一連の図である。
【図７Ａ】１ローブロータに対するマグネットの通電順序とロータの移動を概略的に示す図である。
【図７Ｂ】２ローブロータに対するマグネットの通電順序とロータの移動を概略的に示す図である。
【図８】１２個のマグネットからなるステータにある１ローブ、２ローブ、３ローブ、および４ローブの各ロータに対するマグネットの通電順序を概略的に示す図である。
【図９】同時に２つのマグネットに通電し、２４個のマグネットからなるステータにある２ローブおよび４ローブのロータに作用させるマグネットの通電順序を概略的に示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータシステムに関し、より詳細には、ロータが中空の楕円形ステータ内で電磁的に駆動される電磁駆動回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
往復コンプレッサ／ポンプは、多くの用途で、特に、液体流速が比較的遅く、液体の圧力上昇を比較的高くする必要がある環境で使用するのに非常に望ましい。圧力上昇が低く、流速が速いことを必要とする用途に関しては、単純であり、保守に費用がかからず、あまり保守を必要としないことから、回転遠心コンプレッサ／ポンプが有利と言える。
【０００３】
通常のエアコンプレッサの負荷は、ピストンが空気を圧縮するために移動するときに、ほとんど線形的に増加する。ポンプ用途では、負荷は移動長さに沿ってほぼ一定である。
【０００４】
ともに有効ではあるが、往復ポンプと回転ポンプはそれぞれ、コンプレッサ／ポンプ用途の効率に影響を与える二律背反性を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、必要とされる負荷に全体として適合して効率的な動作をもたらす、往復機械および回転機械の両方の利点を備えたポンプ／コンプレッサ用途向けの機械を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるトーラスモータシステムは、中空ステータと、マグネットアセンブリによって中空ステータ内で駆動されるロータと、を有する。中空ステータは、吸入口から吐出口に流体連通するロータ通路を画定する。ロータ通路はステータ内で楕円をなす。ロータは、ロータ通路の内部の楕円形状に適合するために、形状が少なくとも部分的にアーチ形をなす。ロータは、ロータ通路内でピストンとして動作して、流体を吸入し、吐出する。本開示による構造は広い用途を有するが、トーラスモータシステムは、主にポンプ／コンプレッサ用途向けに考案されている。
【０００７】
多数のマグネットタイプを本発明で使用できるので、様々なモータタイプ（すなわち、インダクション、永久磁石、切換式リラクタンスなど）がトーラス形状の恩恵を受ける。間隔が最も離れたマグネットを与えるマグネット配置では、ロータを最も速く移動させるが、負荷が最も小さくなる（すなわち、磁気的な引きつけ力は距離とともに減少する）。逆に、間隔が最も接近したマグネットでは、ロータは最も遅く移動するが、負荷ははるかに大きくなる。これは、ロータが吸入部を通るときにロータに加わる負荷が最小になることから好ましい。ガスはロータの前で圧縮され、ロータの後ろで真空が引かれるので、ロータが吐出部に近づくにつれて負荷は増加する。したがって、マグネットは、負荷が最も小さいところで最も離れて離間し、負荷が最も大きいところで最も接近して離間する。これは、直線往復運動するポンプ／コンプレッサに勝る利点である。
【０００８】
トーラスモータおよびコンプレッサ（またはポンプ）は、一般的なコンプレッサまたはポンプのような複数の異なるメカニズムではなく、１つのメカニズムである。配管が少なくオイル分離器がないために、エアエンド損失とパッケージ損失が最小限となるので、トーラスモータ／コンプレッサの効率は、回転式コンプレッサと比較して優れている。部品点数が少なく、駆動力と作動体との間にカップリングやギヤが全くないので効率が高くなる。たとえトーラスモータが回転式コンプレッサと同じ効率であっても、トーラスコンプレッサの方が出力効率が１５〜２０％有利である。
【０００９】
通常のコンプレッサに対するトーラスモータ／コンプレッサの利点には、一般に、可動部分が非常に少ないこと、高信頼性、オイルを使用しない運転、高い効率、複雑でなく比較的費用がかからないこと、可変速駆動を用いた効果的な速度制御、漏れ部分が少ないこと、シールしたステータ、および容易に達成される多様な速度／負荷性能が挙げられる。
【００１０】
したがって、本発明は、必要とされる負荷に全体として適合して効率のよい運転をもたらす、往復機械および回転機械の両方の利点を備えたポンプ／コンプレッサ用途向けの機械を提示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１Ａは、通常、中空ステータ１２およびロータ１４を有するトーラスモータシステム１０を示しており、ロータはマグネットシステム１６によって中空ステータ１２内で駆動される。モータおよびコンプレッサ（またはポンプ）は、一般的なコンプレッサまたはポンプが２つ（または３つ以上）の別のメカニズムであるのとは対照的に１つのメカニズムである。トーラスモータシステム１０のロータは、実際は回転しないで、中空ステータ１２によって画定された楕円通路内を動くが、出願人はモータの移動部材をロータと呼ぶ。
【００１２】
中空ステータ１２は、中空ステータ１２の内部と通じた吸入口１８と吐出口２０とを画定する。モータシステム１０は、ガス用のコンプレッサとして説明されるが、流体ポンプのモータシステムや機械モータ駆動体などの他の用途も同様に、本発明の恩恵を受けるのは当然のことである。ロータ通路Ｒは、中心点Ａの周りに画定されるリングとして形成されるのが好ましい。ただし、楕円などの他の形状も本発明で使用することができる。また、ロータ通路Ｒは、断面が円形（図１Ｂ）であるのが好ましいが、他の形状も本発明で使用することができる。
【００１３】
図１Ｃを参照すると、中空ステータ１２は、結合されてロータ通路Ｒを画定する第１のステータ部分２２ａおよび第２のステータ部分２２ｂで形成されるのが好ましい。ステータ材料は、ステンレス鋼やプラスチックなどの非磁性材料とする。各ステータ部分２２ａ，２２ｂは、互いに鏡像とするのが好ましい。第１のステータ部分２２ａと第２のステータ部分２２ｂとの間の分離部は、中心点Ａを含み、かつロータ通路Ｒを分割する平面とするのが好ましいが、他の分離平面も本発明で使用できる。
【００１４】
図１Ｄを参照すると、シール２４ｉ，２４ｏは、ロータ通路Ｒの内周Ｒｉおよび外周Ｒｏの周りに画定される溝２５ｉおよび溝２５ｏ内に配置されている。シール２４ｉ，２４ｏは、ステータ部分２２ａ，２２ｂがともに組み立てられたときにロータ通路Ｒをシールする。
【００１５】
中空ステータ１２は、ロータ通路Ｒの周りに多数の歯２６を画定する。各歯２６は、ステータ内径１２ｉおよびステータ外径１２ｏを画定する。各歯は、形状を台形とするのが好ましい。すなわち、歯２６の小さい端部はステータの内径１２ｉを画定し、歯２６の大きい端部はステータの外径１２ｏを画定する。
【００１６】
少なくとも１つの位置合わせピン２８が、歯２６に形成した開口部３０内に取り付けられている。各歯２６は、ステータ部分２２ａ，２２ｂによって形成されて、マグネットシステム１６を保持し（図１Ｂ）、留め具ｆおよびピン２８がロータ通路Ｒに侵入しないように（図１Ｂ）、留め具ｆ用の留め具受け入れ開口部３１を提供する。
【００１７】
特定の部品構成を図示した実施形態で開示したが、当然のことながら、他の構成も本発明の恩恵を受ける。これに代えて、例えば、ステータ断面が閉じた形状をもたないとする。ステータの側部周りのスロットがスロットの中に延びるピンを案内して、何か他の装置に運動を伝達する。
【００１８】
図２Ａを参照すると、マグネットシステム１６は、中空ステータ１２の各歯２６の間に取付けられたマグネットアッセンブリ３２を有する（図１Ｂ）。各マグネットアッセンブリ３２は、複数の薄板状マグネット回路ボード３４で作られるのが好ましい（図２Ｂ）。各マグネット回路ボード３４は、中空ステータ１２を囲んで容易に組み立てできるように、ボード部分３４ａ，３４ｂで作られている。一方のボード部分３４ａからなる各薄板が、他方のボード部分３４ｂからなる各薄板と交互配置される。この積層体は、対向するボード部分を正確に配置してボード部分３４ａ，３４ｂを保持するために、層の間にスペーサワッシャ３５を有する。マグネット回路ボード３４は、冷却フィン３６の間に配置され、ねじなどの留め具４０でともに保持されるのが好ましい。ねじ４０は、中空ステータ１２の周りに取付けるために、同様に複数の部分で作られた冷却フィン３６に螺入されるのが好ましい。各ボード部分３４ａ，３４ｂが最初に別々に組み立てられ（図２Ｃ）、次いで接合留め具４０Ａを用いてステータを囲むように互いに結合される。
【００１９】
図２Ｂを参照すると、マグネット回路ボード部分３４ａ，３４ｂは、裏側に金属薄片の回路パターンを有する。互いに挟んで組み立てると、マグネット回路ボード３４は、金属薄片回路からなるコイルを形成する。回路ボード部分３４ａ（その形状から「バー」）は、マグネットアッセンブリ３２に電力を供給する電力供給リードＰに接続するための電力供給リードパッドＬＰを有する。
【００２０】
電流は電力供給リードＰからリードパッドＬＰに伝達され、（図では見ることができない）ボードの他方の面にある金属薄片回路に接続されためっきスルーホールを通る。その金属薄片は、Ｕ字バー回路ボード部分３４ｂ（その形状から「Ｕ字バー」）の上面側にある最下部の金属薄片と接合している。この金属薄片はＵ字バー回路ボード部分３４ｂの上面に延び、隣りのバー回路ボード部分３４ａの裏面側にある金属薄片などと接合されている。Ｕ字バー回路ボードの最内部の金属薄片は、裏面側のパターンにつながっためっきスルーホールを有する。すなわち、ボードを互いにさし挟む（図２Ａ）と、ボードは電磁回路コイルを形成する。
【００２１】
一般的に、同じ寸法のボードに対して、金属薄片コイルが大きいほど巻数は少なくなるが、電流をより多く流すことができ、インピーダンスは小さくなる。極限まで行うと、ボードは完全に覆われ、薄板当たり２ターン（片側当たり１ターン）を形成する。この構成は、中央に穴があいた円形の銅薄片であるビッタディスク（Ｂｉｔｔｅｒ ｄｉｓｋ）として公知のタイプのマグネット構成に従う。このディスクはまた、半径方向に沿って切断部を有する。これらのディスクはその間に薄い絶縁体を挟まれて螺旋コイルを形成することができる。ディスクは絶縁体のない切断部で短い距離だけ重なる。絶縁体はディスクと同じ形状とする。そのような円形のマグネットは、（一般的な回転モータの長くて薄い巻き線のような）他の形状のものより効率がよく、ビッタディスクマグネットは、円形の巻き線マグネットより効率がよい。
【００２２】
当然のことながら、多数のマグネットタイプを本発明で使用することができ、そのため、様々なモータタイプ（すなわち、インダクション、永久磁石、切換式リラクタンスなど）がトーラス形状から恩恵を受けることになる。
【００２３】
図３Ａを参照すると、積層体がマグネットコアを通り抜け、中空ステータ１２を囲んだ状態で、マグネットコイルＣｔ，Ｃｂが、１つはステータ１２の上に、１つは底部に、対となってマグネット積層体Ｌに取付けられていることを別にすれば、切換式リラクタンストーラスモータは、インダクショントーラスモータと同様である。マグネット積層体（図３Ｂ）は、磁束の磁路をマグネットの間に形成する。ロータ内の鉄は、回転リラクタンスモータと同様に、マグネットに通電したときに、２つのマグネットの間の間隙に向かって引きつけられる。
【００２４】
図４を参照すると、ロータ１４は、ロータ通路Ｒの内部形状に適合するように、形状が少なくとも部分的にアーチ形となっている。ロータ１４は、鉄および／または鋼などの磁性材料で作られた薄板４２を有する。薄板４２は、中空ステータ１２の内部形状と合致するようにロータ通路Ｒ内に適合する。例えば、断面が円形のロータ通路Ｒ（図１Ｂ）の場合、ロータ１４は、非金属のアーチ形ロータロッド４４に互いに保持されたワッシャ形状の多数の薄板４２を有する。非金属のアーチ形ロータロッド４４は、真ちゅう、ステンレス鋼、プラスチック、または他の同様の材料とするのが好ましい。薄板４２は、ねじなどによってアーチ形のロータロッド４４に取付けられた先頭保持器４６および後部保持器４８で互いに挟まれている。保持器４６および保持器４８は、ステンレス鋼、テフロン、または他の同様の材料の非金属材料で作られるのが好ましく、中空ステータ１２のロータ通路Ｒ内で少なくとも部分的にシールとして機能する。積層体の好ましい厚さは、マグネットシステム１６内のマグネットアッセンブリ３２の厚さの約半分から１倍である。各ロータ１４は、２組以上の積層体（以降、１組の積層体を１つのロータローブと呼ぶ）を含むのが好ましい。これらのローブの間隔と寸法は、マグネットの間隔と厚さに依存する。
【００２５】
ロータにかかる力はすべて、ロータを中空ステータ１２のロータ通路Ｒの中心に置こうとする。磁力と、ロータ１４のそばを抜けようとする流体の力と、はともに、ロータをロータ通路Ｒの中心に置こうとする。これらの力はロータ薄板４２の表面に作用し、ロータとステータとの間の公差を最小限にしたならば、シールは全く必要なくなる。すなわち、ロータ１４は流体ベアリング（静圧ベアリングと同じ）に支持されて動くか、または圧縮ガスの場合はガスベアリングに支持されて動く。
【００２６】
図５を参照すると、制御部５０はマグネットシステム１６を作動させる。制御部５０は、多相電源５２を制御する可変速度制御部すなわち切換式リラクタンス速度制御部とすることができる。インダクショントーラスモータおよび切換式リラクタンストーラスモータは、特別に考慮した制御を必要とする。インダクションモータは電源に直接接続することができるが、電子駆動装置の恩恵を享受するのが好ましい。特有の制御要求の他の態様をトーラスモータおよびその関連部品とともにさらに理解するには、本発明の出願人に譲渡され、全体として本明細書に組み込むものとする「マトリクス配列トランジスタによる切換式リラクタンスモータ可変速度ドライブ（ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ ＭＡＴＲＩＸ ＳＷＩＴＣＨＥＤ ＲＥＬＵＣＴＡＮＣＥ ＶＡＲＩＡＢＬＥ ＳＰＥＥＤ ＭＯＴＯＲ ＤＲＩＶＥ）」と題した米国特許出願を見るとよい。
【００２７】
図５に示すように、３相モータ構成など、多相電源５２に対応したマグネットシステム１６の構成には、相（１，２，３）が含まれる。マグネットは、一方の端部の各マグネットが他方の端部の各マグネットよりさらに離れているように離間するのが好ましい。この構成には幾つかの利点がある。制御部は１つの周波数を維持するだけでよい。ロータ１４は、マグネットの間隔に応じて加速し、減速する（図６）。磁極の間隔は、通常のかご型インダクションモータの場合のような一定間隔ではなく、実際にはある傾度で変化している。
【００２８】
このマグネット配置によると、ロータを最も速く移動させるが、負荷を最も小さくするために、間隔が最も離れたマグネットが用意される（すなわち、磁気的な引きつけ力は距離とともに減少する）。逆に、間隔が最も接近したマグネットでは、ロータは最も遅く移動するが、負荷ははるかに大きくなる。これは、ロータが吸入部を通るときにロータに加わる負荷が小さいことから好ましい。（ロータは、ロータの前のガスを圧縮しつつ、ロータの後ろで真空をひいているので）ロータが吐出部に近づくにつれて負荷は増加する。したがって、マグネットは、負荷が最も小さいところで最も離れて離間し、負荷が最も大きいところで最も接近して配置するべきである。
【００２９】
この配置は幅広く使用することができるが、主にポンプおよびコンプレッサ用途のために考案された。４つの図６（（１）〜（４））は、１サイクルの中の様々な時点を２つのロータ１４ａ，１４ｂとともに示している。２つのロータ１４ａ，１４ｂは、中空ステータ１２内の円形通路を移動する。ロータは中空ステータ１２を一定の速度で回るわけではない。ロータは、吸入口１８を通過するときに加速し、吐出口２０に近づいたときに減速する。図６（１）は、ロータ１４ａが吐出口２０に接近している（ロータは速度を落としている）状態を示し、それに対して、ロータ１４ｂは吸入口１８を通過している（ロータは速度を上げている）。図６（２）は、大体同じ速度である両方のロータを示している。図６（３）は、速度が異なるために、空気が吸入口１８からステータに引き込まれ、それと同時に、ロータ間（左上）の空気が圧縮されている状態を示している。図６（４）は、ロータ１４ａが吐出口２０を通過しており、空気がロータ１４ｂによって押し出されている状態を示している。１サイクルを１つのロータがステータを完全に１周することと定義すると、４つの図（（１）〜（４））は１サイクルの半分を示している。各ロータ回転につき２つの圧縮サイクル（各ロータにつき１つ）がある。
【００３０】
液体ポンプがより大きい吸入口および吐出口を有しており、後続ロータが吸入口を閉じたときに吐出口が開くことを別にすれば、ポンプ用途も同様である。これは、液体がそれほど収縮しないので、後続ロータが吐出口から液体を押し出すことができるように、吐出口は開いている必要があるためである。
【００３１】
複数のロータ１４を所望の相対配置に維持しておくために、少なくとも１つのマグネットは、制御装置５０に接続したセンサＳに応答して、選択的に開閉を切り換えられる。ロータの位置はセンサによって検出され、特定のマグネットを通過するロータが通常より遅くなるように、特定のマグネットがある時間切断される。これにより、ロータを制御でき、同期を維持できる。マグネットは吸入口と吐出口の真向かいに置くのが好ましい（図５）。マグネット用のスイッチはトランジスタとすることができ、センサは、ロータがマグネットに接近したときにロータを検出できるように、マグネットの吸入口側に配置したホール効果素子とすることができる。
【００３２】
図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、１ローブロータおよび２ローブロータ（図７Ｂ）に対するマグネットの通電順序とロータの移動が示されている。マグネットは３０°だけ離間している。１ローブロータに対する通電シーケンスは、反時計方向の順にマグネットに通電し、ロータは、ロータの前にある次のマグネットが通電されるたびに反時計方向に３０°だけ回転する。
【００３３】
図７Ｂを参照すると、２ローブロータの長さは、マグネット間の距離の１．５倍になっている。２ローブロータには、異なる通電順序がある。図７Ｂ（１）は、第１のマグネットが通電された後のロータの位置を示している。これにより、ロータの先導端は第３のマグネットの作用範囲に運ばれる。次いで第３のマグネットに通電して、後続端を第２のマグネットの作用範囲にもってくる。この通電シーケンスは、マグネットに通電するたびにロータを半時計方向に１５°だけ移動させる。
【００３４】
２ローブロータは１ローブロータ（図７Ａ）の半分の速度で移動するが、負荷は大きい。これは、様々な磁極数を有するロータモータに似ている。ロータに作用する磁力は、ロータローブからマグネットの中心までの距離の２乗の逆数に比例するので、２ローブロータでは、１ローブロータの負荷の２倍をはるかに超える負荷が生じる。ローブが多いほど、モータは、より遅いが出力がより高くなり、一方、ロータは、より多くのローブを追加するために長くしなければならず、これは、ステータの直径を大きくし、より多くのマグネットを使用することを必要とする可能性がある。
【００３５】
図８は、１２個のマグネットからなるステータにある１ローブ、２ローブ、３ローブ、および４ローブの各ロータに対するマグネットの通電順序を示している。各マグネットは、３０°ずつ均等に離間している。図を横切る線は、回転移動を角度で示している。垂直線は、ステータ上のマグネット配置を表している。ロータは通電されたマグネットと整列した位置で示されている。色の濃いロータローブは、通電したマグネットの影響下にあるローブである。
【００３６】
第１の通電順序は１ローブロータに関するものである。シーケンスは、０°，３０°，６０°，９０°，１２０°である。ロータは、マグネットが通電されるたびに３０°移動する。
【００３７】
第２のシーケンスは、２ローブロータに関するものである。シーケンスは、０°，６０°，３０°，９０°，６０°，１２０°，９０°である。ロータは、マグネットが通電されるたびに１５°移動する。
【００３８】
第３のシーケンスは、３ローブロータに関するものである。シーケンスは、０°，９０°，６０°，３０°，１２０°，９０°，６０°である。ロータは、マグネットが通電されるたびに１０°移動する。
【００３９】
３ローブ以上のモータには問題がある。ローブの長さ、数、およびローブ間隔に依存して、マグネットが２つのローブに作用し、１つを前方に、１つを後方に引っ張ってロータが動かなくなる通電シーケンスとなる場合があり得る。４ローブロータに対する最下部のシーケンスは、この問題を示している（矢印でマークしている）。
【００４０】
図９は、２つのマグネットが同時に通電され、２つのロータローブに作用する状態を示している。これは負荷能力を２倍にする。２ローブロータ通電シーケンスは上に示され、４ローブシーケンスは、図８で指摘した欠陥を修正して下に示されている。なお、この図は、マグネットが１５°の間隔で離間した２４マグネットステータを対象としている。
【００４１】
ロータ長さ、ロータローブ数、ローブ間隔、ステータの直径、マグネット数、およびマグネット間隔の中の任意の組み合わせを本発明で使用することができる。これらのオプションは、トーラスモータを様々な速度／負荷用途に適応可能にする。例えば、同じステータを異なるロータと組み合わせて様々な速度／負荷性能を与えることができる。
【００４２】
回転スクリュ式コンプレッサの効率に関する主な要素は、エアエンド、モータ、およびパッケージ損失である。エアエンドおよびモータの効率は、機械の寸法が大きくなるにつれて上がる。以下の表は、１０〜１００馬力の機械のこれら要素の効率範囲を示している。
【００４３】
回転スクリュ式エアコンプレッサ（１０〜１００馬力） 効率
エアエンド効率 ７５〜８５％
モータ効率（高効率） ８５〜９５％
パッケージ損失 ４〜５％
全体効率 ６０〜７５％
トーラスモータ／コンプレッサの効率は、配管が少なくオイル分離器がないためにエアエンド損失がほとんどなく、パッケージ損失が最小限となるので、比較した場合に優れている。コンプレッサの効率は、モータの効率より若干低くなる。マグネット設計に関する制約がほとんどないので、これが、よりすぐれたマグネット設計によってトーラスモータを回転モータよりも効率の高いものとすることができると考える根拠となっている。
【００４４】
実施例のトーラスモータは、高回転モータに通常付随する問題なしに高速とすることができる。ロータは慣性が小さく、速度を制限するベアリングがない。大容量を比較的小さいパッケージで移動させることができる。上記の実施例は、実際上低速ポンプとして動作するが、高速にするには、４つのロータと、２組の吸入口，吐出口と、が必要になる。部品点数が少なく、駆動力と作動体との間にカップリングやギヤが全くないので効率が高くなる。また、モータ巻き線の形状も一般的な回転モータより制約が少ないので、より効率的な電磁石設計を用いてより高いシステム効率を実現することができる。たとえトーラスモータが上記と同じ効率であっても、トーラスコンプレッサは、６０〜７５％に対して８０〜９０％（１５〜２０％の優位性）の出力効率を有することができる。
【００４５】
特定のステップシーケンスが示され、説明され、主張されたが、別途に指示された場合を除き、ステップは任意の順で行い、分離するかまたは組み合わせることができ、それでもなお、本発明の恩恵を受けることを理解されたい。
【００４６】
上述の説明は、限定するものではなく、例示である。上記の教示を考慮して、本発明についての多数の修正と変更が可能である。本発明の好ましい実施形態が開示されたが、当業者ならば、特定の修正が本発明の範囲内であると分かるであろう。したがって、添付の請求項の範囲内において、具体的に説明されたものとは別の方法で本発明を実施することができることを理解されたい。こういう理由から、添付の特許請求の範囲が本発明の真の範囲および内容を究明するために検討されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】トーラスモータシステムの全体的な斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａのトーラスモータシステムを線１Ｂ−１Ｂに沿って切った断面図である。
【図１Ｃ】ステータアッセンブリの分解図である。
【図１Ｄ】ステータアッセンブリの片側の拡大図である。
【図２Ａ】マグネットアッセンブリの平面図である。
【図２Ｂ】図２Ａのマグネットアッセンブリ用マグネット回路ボードのおもて面の図である。
【図２Ｃ】分解した状態のマグネットアッセンブリの平面図である。
【図２Ｄ】図２Ａのマグネットアッセンブリの斜視図である。
【図３Ａ】切換式リラクタンストーラスモータシステムの断面図である。
【図３Ｂ】別のマグネットアッセンブリの分解図である。
【図４】トーラスモータシステムのロータの側面図である。
【図５】トーラスモータシステムの平面図であり、マグネットシステムの配置を示す図である。
【図６】ステータ内の複数ロータの移動を示すトーラスモータシステムの一連の図である。
【図７Ａ】１ローブロータに対するマグネットの通電順序とロータの移動を概略的に示す図である。
【図７Ｂ】２ローブロータに対するマグネットの通電順序とロータの移動を概略的に示す図である。
【図８】１２個のマグネットからなるステータにある１ローブ、２ローブ、３ローブ、および４ローブの各ロータに対するマグネットの通電順序を概略的に示す図である。
【図９】同時に２つのマグネットに通電し、２４個のマグネットからなるステータにある２ローブおよび４ローブのロータに作用させるマグネットの通電順序を概略的に示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
楕円形のロータ通路を画定する中空ステータと、
前記楕円形のロータ通路内に取付けられ、少なくとも部分的にアーチ形をなすロータと、
前記楕円形のロータ通路に沿って前記ロータを駆動するために、前記中空ステータの周りに取付けたマグネットシステムと、
を有する回転機械。
【請求項２】
さらに、上記楕円形のロータ通路と連通する吸入口および吐出口を有することを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項３】
上記楕円形のロータ通路が、円形であることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項４】
上記中空ステータが、多数の歯を有することを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項５】
上記マグネットシステムのマグネットアッセンブリが、上記多数の歯の各々の間に取付けられることを特徴とする請求項４に記載の回転機械。
【請求項６】
上記マグネットシステムの各マグネットアッセンブリが、多数の積層したマグネット回路ボードを有することを特徴とする請求項５に記載の回転機械。
【請求項７】
上記マグネット回路ボードの各々が、分割して作られることを特徴とする請求項６に記載の回転機械。
【請求項８】
上記多数の積層したマグネット回路ボードが、マグネットコイルを形成するために交互に配置されることを特徴とする請求項６に記載の回転機械。
【請求項９】
上記マグネット回路ボードの分割体が、バー回路ボード部分とＵ字バー回路ボード部分を含むことを特徴とする請求項７に記載の回転機械。
【請求項１０】
さらに、上記楕円形のロータ通路内に取付けた複数のロータを有することを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項１１】
上記ロータが、複数のローブを有することを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項１２】
楕円形のロータ通路を画定する中空ステータと、
前記楕円形のロータ通路と連通する吸入口と、
前記楕円形のロータ通路と連通する吐出口と、
前記楕円形のロータ通路内に取付けられ、それぞれが、少なくとも部分的にアーチ形をなす非金属のロッドと、該非金属のロッドに取付けた複数のローブとを有する複数のロータと、
前記複数のロータを前記楕円形のロータ通路に沿って駆動して、前記吸入口から前記吐出口に流体を伝達するために前記中空ステータの周りに取付けたマグネットシステムと、
を有する回転機械。
【請求項１３】
上記中空ステータが、多数の歯を有することを特徴とする請求項１２に記載の回転機械。
【請求項１４】
上記中空ステータが、異なる間隔で離間した多数の歯を有することを特徴とする請求項１３に記載の回転機械。
【請求項１５】
上記マグネットシステムのマグネットアッセンブリが、上記多数の歯の各々の間に取付けられることを特徴とする請求項１３に記載の回転機械。
【請求項１６】
上記マグネットシステムが、上記中空ステータの周りに異なる間隔で離間した多数のマグネットアッセンブリを有することを特徴とする請求項１２に記載の回転機械。
【請求項１７】
ステータの周りに取り付けられ、該ステータの周りで半径上に配列した第１のマグネット、第２のマグネット、および第３のマグネットを有するマグネット群を具備する回転機械内でロータを駆動する方法であって、
（１）前記第１のマグネットに通電するステップと、
（２）前記第３のマグネットに通電するステップと、
（３）前記第２のマグネットに通電するステップと、
を含む方法。
【請求項１８】
マグネットの位置を特定する以下のシーケンス、すなわち、０°，６０°，３０°，９０°，１２０°，および９０°のシーケンスでマグネットに通電するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
吸入口および吐出口を有する回転機械内でロータを駆動する方法であって、
（１）楕円形のロータ通路内の吸入部より後方部分でロータを加速するステップと、
（２）楕円形のロータ通路内の吐出部より前方部分でロータを減速するステップと、
を含む方法。
【請求項１】
楕円形のロータ通路を画定する中空ステータと、
前記楕円形のロータ通路内に取付けられ、少なくとも部分的にアーチ形をなすロータと、
前記楕円形のロータ通路に沿って前記ロータを駆動するために、前記中空ステータの周りに取付けたマグネットシステムと、
を有する回転機械。
【請求項２】
さらに、上記楕円形のロータ通路と連通する吸入口および吐出口を有することを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項３】
上記楕円形のロータ通路が、円形であることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項４】
上記中空ステータが、多数の歯を有することを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項５】
上記マグネットシステムのマグネットアッセンブリが、上記多数の歯の各々の間に取付けられることを特徴とする請求項４に記載の回転機械。
【請求項６】
上記マグネットシステムの各マグネットアッセンブリが、多数の積層したマグネット回路ボードを有することを特徴とする請求項５に記載の回転機械。
【請求項７】
上記マグネット回路ボードの各々が、分割して作られることを特徴とする請求項６に記載の回転機械。
【請求項８】
上記多数の積層したマグネット回路ボードが、マグネットコイルを形成するために交互に配置されることを特徴とする請求項６に記載の回転機械。
【請求項９】
上記マグネット回路ボードの分割体が、バー回路ボード部分とＵ字バー回路ボード部分を含むことを特徴とする請求項７に記載の回転機械。
【請求項１０】
さらに、上記楕円形のロータ通路内に取付けた複数のロータを有することを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項１１】
上記ロータが、複数のローブを有することを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項１２】
楕円形のロータ通路を画定する中空ステータと、
前記楕円形のロータ通路と連通する吸入口と、
前記楕円形のロータ通路と連通する吐出口と、
前記楕円形のロータ通路内に取付けられ、それぞれが、少なくとも部分的にアーチ形をなす非金属のロッドと、該非金属のロッドに取付けた複数のローブとを有する複数のロータと、
前記複数のロータを前記楕円形のロータ通路に沿って駆動して、前記吸入口から前記吐出口に流体を伝達するために前記中空ステータの周りに取付けたマグネットシステムと、
を有する回転機械。
【請求項１３】
上記中空ステータが、多数の歯を有することを特徴とする請求項１２に記載の回転機械。
【請求項１４】
上記中空ステータが、異なる間隔で離間した多数の歯を有することを特徴とする請求項１３に記載の回転機械。
【請求項１５】
上記マグネットシステムのマグネットアッセンブリが、上記多数の歯の各々の間に取付けられることを特徴とする請求項１３に記載の回転機械。
【請求項１６】
上記マグネットシステムが、上記中空ステータの周りに異なる間隔で離間した多数のマグネットアッセンブリを有することを特徴とする請求項１２に記載の回転機械。
【請求項１７】
ステータの周りに取り付けられ、該ステータの周りで半径上に配列した第１のマグネット、第２のマグネット、および第３のマグネットを有するマグネット群を具備する回転機械内でロータを駆動する方法であって、
（１）前記第１のマグネットに通電するステップと、
（２）前記第３のマグネットに通電するステップと、
（３）前記第２のマグネットに通電するステップと、
を含む方法。
【請求項１８】
マグネットの位置を特定する以下のシーケンス、すなわち、０°，６０°，３０°，９０°，１２０°，および９０°のシーケンスでマグネットに通電するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
吸入口および吐出口を有する回転機械内でロータを駆動する方法であって、
（１）楕円形のロータ通路内の吸入部より後方部分でロータを加速するステップと、
（２）楕円形のロータ通路内の吐出部より前方部分でロータを減速するステップと、
を含む方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２００８−５２９４７０（Ｐ２００８−５２９４７０Ａ）
【公表日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５５３１１４（Ｐ２００７−５５３１１４）
【出願日】平成１８年１月９日（２００６．１．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０００５３９
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０８１０５５
【国際公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（５０７１８９７４７）サルエアー コーポレイション (7)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月９日（２００６．１．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０００５３９
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０８１０５５
【国際公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（５０７１８９７４７）サルエアー コーポレイション (7)
【Ｆターム（参考）】
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