KR0178535B1 - 경량의 고출력 전동장치 - Google Patents

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KR0178535B1
KR0178535B1 KR1019910701319A KR910701319A KR0178535B1 KR 0178535 B1 KR0178535 B1 KR 0178535B1 KR 1019910701319 A KR1019910701319 A KR 1019910701319A KR 910701319 A KR910701319 A KR 910701319A KR 0178535 B1 KR0178535 B1 KR 0178535B1
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에이. 피서 제느
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낸시 제이. 프레이즈
피서 테크놀로지 인코오포레이티드
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Abstract

효율적인 모터, 교류발전기 또는 제너레이터로써 사용될 수 있는 중량보다 훨씬 높은 출력을 하는 경량의 기전장치는 복수의 서로 떨어져 있는 자기요소(32,33)로 구성되는 자기플럭스 생성어셈블리, 그리고 플럭스운송코어(86) 또는 스테이터 바아요소위에 구리선과 같은 전도성이 있는 비자성선을 감아서 형성되는 전기자 어셈블리(82)를 포함한다. 요소(86)은 와인딩(84)에 대해 맴돌이 전류 차폐물이 전류 차폐물을 형성하고 두개의 방열표면을 갖도록 형성된다.
이는 기전장치가 최소의 맴돌이전류 손실과 최대방열 및 대류냉각을 하면서 조작될 수 있도록 한다.
전기자 와인딩(84)와 플럭스 운송요소(86)가 분산되어 있어 방해유도 전류의 발생을 피할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]
경량의 고출력 전동장치
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 모터, 교류기 또는 발전기로서 사용될 수 있는 높은 출력대 중량비를 갖는 전동장치에 관한 것이다.
전동장치는 전기 에너지를 기계적 출력으로 변환하고 기계적 출력을 전기 에너지로 변환하는데 사용하는 것으로 알려져 있다. 양자의 경우에, 에너지 또는 출력 생성 용량은 자기장 및 전도 부재간의 상대 움직임에 기인한다.
경량 모터, 교류기 및 발전기 장치는 공지되어 있으며 일부는 고속으로 동작할 수 있다. 그러나, 대부분의 이러한 장치들은 고속에서 높은 출력을 생성할 수가 없다. 예를 들면, 중량 1파운드당 0.6마력의 고출력 밀도장치는 간헐적인 동작으로 알려져 있으나, 이러한 장치는 중량 1파운드당 1마력 이상의 고출력 밀도에서는 연속 동작이 불가능하다.
종래의 전동장치들은 고속 및 높은 토크 동작을 동시에 할 수 없을 뿐만아니라, 동작의 효율성도 없다.
고정자 및 회전자 수단을 포함하는 공지의 전동장치들은 회전자(예를 들면, 미국 특허 제3,663,850호; 3,858,071호; 또는 4,451,749호) 또는 고정자(미국 특허 제3,102,964호; 3,312,846호; 3,602,749호; 3,729,642호; 및 4,114,057호)상에 자기 부재들을 포함할 수 있다. 더욱이, 2쌍의 극피스(polar piece)이 미국 특허 제4,517,484호에서와 같이 활용될 수 있다.
이외에도, 셀 로터(shell rotor)는 미국 특허 제295,368호; 3,845,338호 및 4,398,167호에 개시되어 있으며, 이중 셀 로터 장치는 미국 특허 제3,134,037호에 개시되어 있다.
고전압 및 고전류 사용을 위해 및/또는 표피 효과(skin effect)에 기인한 전류 흐름 손실, 및 와전류(eddy current)에 기인한 열을 감소시키기 위하여, 모터의 전기자 어셈블리에서 단일 도체 대신에 와이어 묶음이 사용되었다. 이에 대한 내용은 미국 특허 제497,001호; 1,227,185호; 3,014,139호; 3,128,402호; 3,538,364호 또는 4,321,494호 또는 영국 특허 제9,557호에 개시되어 있다.
미국 특허 제3,275,863호와 같은 종래의 일부 전동장치들은 파운드당 1마력까지의 출력 대 중량비를 가진다. 미국 특허 제4,128,364호에는 모터를 냉각시키기 위해 가스, 액체 또는 그 혼합물을 사용하여 출력 처리용량을 증가시키는 방법이 개시되어 있다.
높은 출력 대 중량비를 갖는 전동장치를 달성하는데 있어서 전술한 종래의 문제점들은 경량의 고출력 전자 트랜스듀서라는 발명의 명칭으로 본 발명의 발명자에 의해 출원된 계류중인 미국특허출원의 주요 내용이 되는 분산된 도체 전자장치에 의해 처리되었다. 상기 계류중인 특허출원의 구성은 자기장에 구리의 직접 노출을 허용하는 분말금속(the powdered iron)으로 이루어진 스트레이트 사이드형 전기자 바를 사용한다. 이외에도, 분말금속은 실리콘 철이 가지는 플럭스 반송 능력을 가지지 않는다. 와전류 효과를 최소화하기 위하여, 아주 미세한 와이어를 사용한다. 전기자 바는 역기전력(역EMF)을 감소/최소화 하는데 필요한 3-d 분산을 보장하기 위해 분말 금속으로 제조된다.
그러나, 이러한 방법은 미세 와이어의 저항 특성 때문에 입력 대 출력의 비율면에서 비효율적이다. 이 특성은 더 높은 동작 레벨에서의 가열의 형태로 상당한 에너지 손실을 초래하며, 이것은 손실된 전력과 효율로 변환된다. 이외에도, 스트레이트 바는 코일이 바 사이에서부터 외부로 미끄러지는 경우에 표준 생산 자동 와인딩 기술에 적합하지 않다.
미세 와이어 저항으로 인한 전력 손실은 금속 바의 포화 레벨 이상으로 영구 자성체의 양을 보상시킴으로써 보상된다. 부가 재료의 비용 외에도, 부가 플럭스의 대부분은 와전류 손실의 형태로 구리에 들어가서 분산되며, 그로인해 부가 재료 투입에 대한 출력의 이득은 거의 없게 된다. 높은 출력 대 중량비의 전동장치를 얻기 위하여 전술한 장치 및 다른 장치들이 시도되었지만, 완전히 성공적이지는 못했다. 특히, 종래 기술은 고속 동작을 가능하도록 도체를 분산해야할 필요성을 지적하고 있지 않다. 이것은 적어도 부분적으로 자기장이 비자기 권선 도체에서 비교적 작다는 널리 공지된 이론에 기인한다. 종래의 방법에 따라 구성된 도체를 사용하면, 정전류에서의 토크는 속도가 증가함에 따라 감소한다는 사실이 판명되었다. 이러한 결과는 속도가 증가할 때 토크는 높아질 것이라는 종래의 예상과는 반대이다.
[발명의 목적]
본 발명의 주요 목적은 코일내의 와전류를 최소화하기 위하여 전동 권선(electromotive windings)을 분산시킴으로써 높은 출력 대 중량비를 갖는 진동장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 와전류를 최소화하기 위하여 전자기장 코어피스(core piece)를 분산시킴으로써 높은 출력 대 중량비를 갖는 전동장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 코일내의 와전류를 최소화하기 위하여 전동 권선을 분산시키고 일반적으로 와전류를 최소화하기 위하여 전자기장 코어피스를 분산시킴으로써 높은 출력 대 중량비를 갖는 전동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 코일내의 와전류를 최소화하기 위하여 전자기장 코어피스를 연장하여 전동 권선을 차폐함으로써 높은 출력 대 중량비를 갖는 전동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 주 목적은 개량된 전동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 경량이면서 높은 출력을 갖는 개량된 전동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 효율로 동작하는 개량된 전동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 단위 중량당 높은 출력 밀도를 갖는 개량된 전동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 출력 대 중량비를 갖는 개량된 전동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 아주 효율적인 모터, 교류기 또는 발전기로서 사용할 수 있는 개량된 전동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 파운드당 1마력 이상의 높은 출력 밀도에서 연속 동작이 가능한 개량된 전동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 도체가 분산되어 있으며 플럭스 반송 부재가 배치되어 있는 전기자 어셈블리를 갖는 전동 장치를 제공하는 것으로, 상기 도체 및 플럭스 반송 부재는 낮은 역 유도전류를 생성하기 위하여 형성 및 배치된다.
본 발명의 또 다른 목적은 냉각 매체로의 열 전달 효과, 저항 열 및 다른 소스로부터의 열 생성, 및 토크 생성 사이의 균형을 나타내는 최적 두께의 전기자 어셈블리를 갖는 전동 장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적들과 다른 목적들은 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 본 발명은 명세서 및 청구범위에 기술되고 도시된 바와 같이 신규한 구성, 결합, 및 부품의 배열등에 특징이 있으며, 본 발명의 실시예의 변경이 청구범위의 범주내에 포함된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
[발명의 요약]
본 발명은 큰 직경-얇은 단면 비율을 갖는 전기자 어셈블리를 사용하여 단위 중량당 높은 출력 밀도를 갖는 개량된 전동 장치를 제공한다. 이것은 낮은 와전류와 낮은 역 유도전류를 형성하며, 그로인해 고속으로 동작하는 동안 높은 토크를 유지할 수 있어 전동 장치가 높은 효율로 동작할 수 있게 된다.
종래 장치에서는 전기자가 자기 플럭스 생성 어셈블리에 대하여 움직일 때, 와전류는 전기자의 전기 전도 부분내에 생성되어 가열 및 표피효과(와전류 손실로서 알려짐)를 가져온다. 그러나, 이 전류는 종래 기술에 의해서는 인식될 수 없는 다른 효과를 가져온다. 이 전류는 자기 플럭스 패턴을 변경시키고 속도가 증가함에 따라 토크가 감소되도록 작용하는 역 유도전류이다. 이러한 속도 증가에 대한 출력 변환 감소는 권선을 형성하는 도체를 분산시킴으로써 최소화된다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 전동 장치의 회전식 배치의 측면도.
제2도는 제1도의 2-2선을 절취한 단면도.
제3도는 제1도 및 제2도에 도시된 전동 장치의 분산된 도체 및 플럭스 반송 부재의 배열을 도시한 전기자의 부분 등축도.
제4도는 분산된 도체에 의해 형성된 두 개 층 권선의 배열 및 권선수 사이에 배치된 플럭스 반송 부재를 도시한 도면.
제5도는 대량으로 적층될 때, I형 빔 고정자 바를 형성하는 제어된 입자형 철금속으로 이루어진 단일 적층판(lamination) 스템핑을 도시한 도면.
제6도는 대량으로 적층될 때, 복수의 변형된 I형 빔 고정자 바를 형성하는 제어된 입자형 철금속으로 이루어진 단일 적층판 스템핑을 도시한 도면.
제7도는 제1도에 도시된 전동 장치의 분산된 도체 및 플럭스 반송부재의 배열을 도시한 전기자의 부분 등축도.
제8도는 본 발명의 전동 장치의 다른 실시예로서 제2도와 유사한 부분 절개도.
제9도는 본 발명의 전동 장치의 또 다른 실시예로서 제2도와 유사한 부분 절개도.
제10도는 본 발명의 전동 장치의 또 다른 실시예로서 제2도와 유사한 부분 절개도.
제11도는 제1도에 도시된 바와 같이 전동 장치의 다른 실시예의 측면도로서, 브러쉬 정류 시스템에 가까이 있는 축에 고정된 인덕터를 설명한 도면.
제12도는 본 발명의 전동 장치의 다른 실시예의 분해 등축도로서, 편평한 선형 배치를 설명하는 도면.
제13도는 종래의 전동 장치 b와 본 발명의 전동 장치 a에 대한 토크와 속도와의 관계를 설명하는 그래프.
제14도는 본 발명의 전동 장치의 일 예중 상이한 속도에서 검사된 와전류, 히스테리시스, 및 풍손(windage loss)을 설명하는 그래프.
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 큰 직경-얇은 단면 비율을 갖는 고출력 밀도(파운드당 1내지 5마력)의 전동 장치를 제공한다. 이것은 소정수의 자석이나 극 때문에 유리하다. 즉, 직경이 넓을수록 원주가 커진다. 직경이 감소함에 따라, 각 자석의 원주 크기는 사실상 보이지 않거나 서로 영향을 받지 않을 때 까지 감소한다. 반대로, 고정된 크기의 자극이 주어지면, 직경이 커짐에 따라 더 많은 자극이 사용될 수 있고, 그로인해 구리-철 자석이 회전당 여러번(더 많은 출력 생성) 동작한다. 그러므로 한계 내에서, 직경의 감소는 단위 질량당 출력 및 효율의 손실이 초래된다. 이외에도, 기초 물리학에 따르면, 토크는 작용력의 유효 반경에 정비례한다(T=R×F). 실제로 반경을 두배로 하고 토크 아암 및 토크 생성 재료의 양을 두배로 하면, 출력 및 토크는 반경의 제곱으로 상승한다.
일반적인 전기 모터에서, 토크는 속도가 증가함에 따라 급격히 떨어진다. 이것은 주로 구리 도체 및 전기자 바에서 역 유도전류나 와전류 손실에 기인한다. 권선 또는 구리와 연관된 손실은 바 사이의 교차-누설(cross-leakage)(반경이 긴 바에 의해 더 나빠짐), 구리를 자기장에 직접 노출, 및 영구자성체의 초과량에 기인한 전기자 바의 과포화에 의해 초래된다. 이러한 손실은 본 발명에 의해 최소화된다.
바 사이의 교차 누설과 연관된 손실은 반경이 짧은 전기자 바를 갖는 본 발명의 전동 장치에 의해 감소된다.
자기장에 직접 노출되는 구리에 의해 초래된 손실은 자기장에 대한 차폐물로서 작용하는 I-형상 전기자 바에 의해 해결된다.
최종적으로, 전기자 바의 과포화에 의해 초래된 손실은 바가 포화에 가깝게 되도록 영구 자성체의 양을 감소시킴으로써 해결된다. 이것은 나중에 설명되는 바와 같이 실험에 의해 달성된다.
이러한 세가지 요소에 의해, 훨씬 더 많은 와이어(와이어의 단면적이 종래구성보다 8배 정도)를 와전류 손실의 염려없이 사용할 수 있다. 이것은 두 가지의 중요한 기능을 제공한다; 즉, 단면적 증가에 기인한 저항 열이 상당히 감소하고 유효 공간당 더 많은 도체(구리)를 허용한다.
이러한 두가지 기능은 효율 및 출력의 증가를 가능하게 한다. 이외에도, 전기자 바 자체는 여러개의, 각각 서로 절연된 개개의 얇은 스템핑으로 된 적층판으로 구성된다. 절연체는 어닐링 처리 동안에 생성된 산화실리콘 부산물이다. 판금속 스템핑을 사용하기 때문에, 재료 입자 방향은 반경방향으로서 제어되며, 그로인해 최대 플럭스 반송 용량을 보장한다(제6도 참조).
얇은 적층판 입자 제어를 통해 달성된 제어가능한 분산 특성은 전술한 계류중인 미국출원에서의 분말금속 3-d 분산 솔리드 바보다 더 양호한 성능을 제공한다. I-형상 적층판 어셈블리는 특별한 지지 고정구를 사용할 때 종래의 자동 와인딩 기술에 적합하다.
영구 자성체의 과다로 인한 전기자 바의 과포화에 의해 초래된 구리나 권선과 연관된 손실은 적당량의 영구 자성체를 전기자 바의 포화 레벨에 접근하도록 구성하므로써 본 발명에서 처리된다. 이것은 구리, 철 및 영구 자성체의 결합을 최적화하여 포화 접근을 통한 최적의 출력 밀도 및 최적의 효율을 얻기 위해 실험적 방법론에 의해 달성된다. 포화 또는 과포화는 필연적인 것은 아니나 양호한 성능에 대해 심각한 손상을 초래한다. 실험적 방법에서, 아주 민감한 역량계는 전자기장의 함수로서 손실을 측정하고 플롯팅하는데 사용된다. 구리 와전류가 지나가면, 플럭스는 더 이상 감소되지 않는다. 진행되는 데이터를 기초로 하여, 플럭스 도전성 바는 본 장치의 전기적 성질에 의해 결정되는 플럭스 포화점과 거의 동일한 플럭스 반송 용량을 생성하는 철 함량을 갖는 금속 합금으로 제조된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 다중 동심 부재 또는 하나의 모터내의 다중 모터에 적합한 중공 단면 배열을 사용한다. 이들은 유효 공간당 출력을 최소화하기 위하여 동시에 또는 개별적으로 단계적 방법(예를 들면, 변속기의 기어 변환처럼)으로 조작될 수 있다.
단면 배열은 열을 전기자로부터 거절하기 위한 두 개의 방사면과 조정면(종래의 구성은 하나의 면을 가짐)을 가진다. 그러므로 모터는 과열없이 더 긴 존속기간동안 더 높은 출력레벨로 구동할 수 있다.
본 발명은 방사 및 선형 구성으로 브러쉬 정류 모터 및 무브러쉬 모터로서 사용될 수 있다. DC 발전기 또는 AC 교류기로서도 사용될 수 있다. 궁극적인 사용은 전기자에 대하여 자기 플럭스 생성 구조의 움직임을 초래하는 힘을 생성하기 위하여 전기 신호가 전기지로 전송되는지의 여부 또는 자기 플럭스 생성 구조가 전기자에 대하여 움직이는 지의 여부에 의존한다.
전동 장치의 예시적인 실시예는 제1도에 도시되어 있다. 이 실시예는 원통형 하우징의 대향 단부에 고정된 전방 단부판(45) 및 후방 단부판(46)에 의해 완성되는 외부 원통형 하우징(43)을 포함한다.
샤프트(51)는 원통형 하우징을 통해 연장하는 중심부(52)를 포함한다. 샤프트 베어링(57,58)에 의해 각각 단부판(45,46)에 장착되며, 그로인해 샤프트의 중심부는 원통형 하우징과 동축으로 위치설정된다. 샤프트의 감소된 직경을 갖는 후방부(60)는 베어링(58)에 장착되며 샤프트의 전방부(62)는 전방 베어링(57)과 단부판(45)을 통해 연장한다.
단부판(45,46)은 공기 흠입 및 배기구멍(66,67)을 포함할 수 있다. 이들 구멍은 차가운 공기가 하우징을 통해 흘러가도록 한다. 이외에도, 단부판(46)을 통해 전기자 도체 접속을 하용하기 위하여 구멍(68)이 제공된다. 어떤 환경에서는, 장치가 가스(공기) 매체에서 동작할 수 없으며 그러므로 오일과 같은 액체 냉각제가 사용된다. 이러한 경우, 하우징은 액체를 유지하기 위해 밀봉된다.
회전자(70)는 링 접속부(75)로부터 연장하는 일정 간격으로 배치된 내부 및 외부 실린더(72,73)에 의해 제공된 이중 셀 구조를 갖는다. 내부 실린더(72)는 원통형 하우징(43) 내부에 이중 셀을 동축으로 지지하기 위하여 한쌍의 허브(54,55)에 의해 샤프트 중심부(62)에 고정된다.
제2도는 제1도의 2-2선을 절취한 단면도의 일부이다. 제2도는 회전자(70)의 내부 실린더(72)가 셀(32)의 형태로 자기 플럭스 복귀 경로를 포함한다는 것을 명백히 설명하고 있으며, 이 셀은 실리콘 철 또는 허브(54,55)로부터 연장하는 원통형 부분(72)에 의해 지지되는 자기적으로 침투가능한 저 히스테리시스 손실 자성체로된 링 형상의 적층체이다. 실린더(72,73) 미 접속 링(75)은 철을 포함한 어떤 적합한 재료로 형성된다.
외부 실린더(73)는 솔리드 철이나 다른 침투가능한 저 히스테리시스 손실 자성체일 수 있는 자기 츨럭스 복귀 경로(33)를 포함하며, 복수의 자기 부재(30)는 복귀 경로(33)의 내면상에 장착된다. 예시적인 실시예에서, 자기 부재(30)은 네오디뮴 보론 페라이트(NdFeB)로 형성되는 영구자석이나, 바륨 페라이트 세라믹(BaFe Ceramic), 스마미 코발트(SmCo) 등으로 형성될 수 있다. 영구자석은 설명한 예시적인 실시예에서 사용되지만, 전자석으로 대체될 수 있다.
다시 제1도로 돌아가서, 고정자 인덕터(82)는 하우징(43)에 고정되어 있다. 고정자 인덕터는 후방 단부판(46)에 장착되며 그로인해 회전자(70)가 고정자 인덕터(82) 및 하우징(43)의 공통축 주위로 회전한다. 고정자 인덕터(82)는 회전자의 내부 및 외부 실린더(72,73)에 의해 둘러싸인 고정된 원통형 셀이다.
고정자 인덕터(82)는 고정자 바(86) 사이에 무작위로 분산된 제2도 및 제3도의 전기 도체(84)를 포함한다. 분산배치된 도체(84)는 제1도의 단부판(46)의 구멍(68)을 통해 연장하는 커넥터(89)에 접속된 와이어 묶음의 대향 단부를 갖는, 연결 패턴으로 감겨진 비교적 큰 직경의 절연된 구리 와이어이다. 분산된 큰 직경을 갖는 권선은 (1)분산된 권선들이 코일내의 와전류를 최소화하시키고 (2)직경이 큰 와이어는 코일내의 와전류를 감소시키는 소정의 출력 인자에 대하여 전자기장 발생 부재의 수를 감소시키기 때문에, 결과적으로 전동 장치가 높은 출력 대 중량비를 얻을 수 있다.
도체(84)는 그 사이에 플럭스 반송 부재 또는 고정된 바(86)를 가지는 와이어 권선수로 전기자에 대해 묶음으로 형성딘다. 일반적인 와인딩은 제4도에 개략적으로 도시되어 있다.
플럭스 반송 부재인 고정된 바(86)는 복수의 실리콘 철판의 적층제이다. 제5도에 적층된 고정자 바의 단일층 또는 단일판의 구성을 도시한다. 네 개의 모서리에 있는 연장부(34)는 I형 단면 구성을 가지는 바를 제공하며 권선에 대해 플럭스 차폐 및 냉각을 위해 증가된 표면 영역을 제공한다. 이러한 종래기술에 비해 유리한 두가지 이점은 전동장치가 높은 출력 대 중량비를 달성할 수 있도록 하는 특징이 있다. 모터내의 자기장으로부터 전동 권선을 차폐하는 것은 코일내의 와전류를 최소화한다. 이것 및 증가된 냉각 열 교환 표면은 권선의 와전류가 증가되지 않고 자기장 강도를 증가시키는 더 높은 전류 흐름을 허용한다.
제5도에 도시된 바와같은 스탬핑의 사용은 바를 형성하는 금속내의 입자 방향의 제어를 가능하게 한다. 그러므로 바는 입자 방향이 고정자 바를 통과하는 주 플럭스 경로와 평행한 제5도에 도시한 입자 방향으로 제조될 수 있다. 이것은 자기 플럭스에 대한 저항의 감소된 레벨 때문에 열 방출을 감소시킨다. 무작위 입자 패턴은 열 방출을 최대화하는 최대 저항을 제공하며 입자 패턴은 저항 및 열을 감소시킨다. 플럭스 방향을 따르는 입자 패턴은 저항 및 열을 최소화한다. 그러므로 제어된 입자를 갖는 고정된 바 구성은 열의 증가없이 더 높은 플럭스 밀도를 가능케 한다. 이것은 전동 장치의 효율을 증가시키고 본 발명의 전술한 목적을 달성하는데 기여한다.
제6도는 적층된 유도 코어 또는 고정자 바의 각 층에 대한 교번적 형상을 도시한다. 이 실시예에, 모든 바는 스탬핑, 적층, 및 어셈블리를 단순화하는 공통 중심부를 공유한다.
정전류에서 모터로서 사용될 때, 본 발명의 토크 출력은 제13도에서 라인 a에 의해 도시된 바와 같이 회전자 속도가 증가하더라도 거의 일정하게 유지될 수 있다. 이것은 제13도에서 라인b에 의해 도시된 바와 같이 속도가 증가함에 따라 급격히 강하하는 종래의 장치와는 다르다. 본 발명의 전동 장치에서 가능한 높은 토크 및 높은 속도의 결합은 높은 출력 대 중량비의 달성을 가져온다. 고정자 인덕터(82)(분산된 도체(84) 및 플럭스 반송 부재(84)에 의해 형성됨)는 원통형 플럭스 복귀 경로(33)의 내면 주위로 배치된 자석(80)에 대하여 밀접하게 간격져 있으며, 또한 적층된 원통형 플럭스 복귀 경로(32)에 대하여도 밀접하게 간격져 있다. 제2도 및 제7도를 참조한다. 전술한 바와 같이, 원통형 부분(72,73)은 내부 및 외부 자기 플럭스 복귀 경로를 지지한다. 전형적인 플럭스 경로는 제2도에 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 이들 플럭스 경로는 루프형이며, 그 각각은 인덕터 또는 고정자를 관통하며, 플럭스 반송 부재(86)를 두 번 통과한다. 플럭스 반송 부재는 높은 토크에 필연적인 높은 플럭스 밀도를 유지하도록 강한 유도를 생성하기 위해 치수설정된다. 그러므로, 제7도에 도시된 바와 같이, 바를 통과하는 주 플럭스 경로에 평행한 축을 따르는 플럭스 반송부재(86)의 치수는 전자기장을 발생하기 위해 바 주위에 배치된 전동 권선(84)의 주축에 평행한 바의 길이방향 축에 비하여 짧다.
제8도에 지시된 바와 같이, 전동 장치는 외부 원통형 부분(73)의 내면상에서 보다는 내부 원통형 부분(72)의 외면상에 자석(80)이 배치되어 있다. 제9도에서, 전동 장치는 내부 및 외부 원통형 부분(72,73)상에 자석(80)이 배치되어 있다.
제10도에서, 두 개의 원통형 고정자 인덕터(82)는 자석(80)의 양측을 둘러싸고 있다. 이외에도, 특별히 도시되지는 않았지만, 전동 장치는 고정자-회전자 부재의 부가층을 도면에 도시된 것의 방사상 내부 또는 외부로 놓음으로써 구성될 수 있다는 것을 알 수 있는 것이다.
그러므로 본 발명의 전동 장치는 자기 플럭스 생성 어셈블리(전자석이나 영구자석을 사용함으로써 구현될 수 있는 적어도 하나의 극을 가짐), 및 고정자 어셈블리(자기 플럭스 생성 어셈블리에 의해 생성된 자기 플럭스를 차단하고 전동 권선 및 플럭스 반송 부재의 교번적 구조를 가짐)를 포함한다. 권선은 별도로 분산된 도체의 묶음으로 이루어진 권선을 갖는 고정자 인덕터의 주요 구성요소로서 사용될 수 있다. 큰 직경의 와이어로 이루어진 분산된 도체의 사용은 권선 플럭스 차폐물인 플럭스 반송 부재와 결합하여 사용될 때 회전자의 고속 회전을 가능케 한다.
적어도 일부의 종래에 공지된 장치에서 사용되는 것과 같이, 큰 단면적을 가지는 도체 또는 도전성 플럭스 반송 부재의 경우에는, 자기장 반전의 반도수가 증가하고, 바에서 유도된 전류의 크기가 증가하며, 유도된 전류는 회전 속도의 증가를 방해하는 저항 토크를 생성하기 위하여 자기장과 반응한다. 그러므로, 공지된 셀형 장치는 본래 반응 토크에 의해 낮은 속도로 제한되며 고속으로 횐전될 수 없어서, 예를 들면 가장 실질적인 적용분야에서 견인 모터로서 사용하기에는 적합하지 않다. 그러나, 발생된 자기 플럭스로부터 권선을 차폐하고 권선내에 생성된 플럭스를 격리시킴으로써, 유도된 전류는 제한되고 전술한 고속/높은 토크 동작에 대한 방해가 제거된다.
모터로서, 사용될 때, 전기 출력이 공지된 모터에 의해 사용된 것과 유사한 방법으로 기계적 출력으로 변환될 수 있도록 하기 위하여, 고속으로 전기자에 대해 자기장을 변위시키는 수단이 제공되어야만 한다. 이것은 제1도에서 전기자(82)의 커넥터(89)를 전류원에 접속함으로써 달성될 수 있다.
교류기 또는 발진기로서 사용될 때, 작동기는 샤프트(51)를 회전시키고 그로인해 회전자(70)가 도체(84)상에 전압을 유도하기 위해 회전되고, 그 결과로 인해 커넥터(89)를 통하여 도체(84)로부터 부하로의 전류 흐름이 발생된다.
도시하지는 않았지만, 고정자 인덕터는 필수적인 전기 정류(commutation) 장치를 포함하며, 이 정류 장치는 정류를 전자적(에를 들면, 무브러쉬 DC 모터에서와 같이)으로 수행하는 장치뿐만아니라, (출력 발생 작용분야에 가끔 사용될 때) 정류(commutation) 대신에 정류기(rectifier)를 사용하는 장치를 포함한다. 제7도의 홀(hall) 장치(21)는 필요로하는 타이밍 데이터를 생성하기 위해 통과하는 고정된 바 또는 극피스를 감지하기 위해 자기 링(22)과 결합하여 사용될 수 있다.
제11도는 고정자 인덕터(82)가 전기자가 되는 본 발명의 전동 장치의 실시예를 도시한다. 고정자 인덕터는 장착 디스크(101)에 의해 샤프트(52)에 접속되어 있고 내부 및 외부 실린더(72)는 하우징(43)에 고정되어 있다. 이 실시예에서, 고정자 인덕터는 브러쉬나 슬립 링(102)(브러쉬는 DC 기기의 경우에 사용되고 슬립 링은 AC 기기의 경우에 사용됨)에 의해 전기 출력이 전달되는 회전자가 된다. 제11도에 도시된 실시예는 일부 적용분야, 특히 DC 정류된 기기의 경우에 바람직하다.
본 발명은 플럭스 반전을 경험하는 최소량의 철을 사용함으로써 종래의 모터에 비해 상당한 이점을 갖는다. 즉, 전지가에서 플럭스 반송 부재의 철 만이 각 극이 통과될 때 플럭스가 반전하게 되며, 그로인해 낮은 히스테리시스 손실이 얻어진다. 이외에도, 플럭스 누설의 영향은 모든 전기자 권선이 전체 플럭스 변화를 겪도록 감소되고 그로인해 토크의 생성시에도 똑같이 유용하다.
본 발명은 I빔 형상의 고정자 바의 사용에 의해 상당한 열 전달 이점을 갖는다. 이에 대하여 제5도를 참조한다. I빔 형상의 고정자 바는 고정자 인덕터의 내면과 외면의 냉각을 가능케 한다. 이러한 이유 때문에, 아주 높은 출력 대 중량비가 더욱 향상된다.
열 전달의 원리에 의해, 단위 체적당 균일한 내부 가열 및 일정한 표면 온도를 갖는 인덕터의 열 상승은 그 두께의 제곱에 좌우된다. 예를 들면, 두께가 0.25인치(본 발명에서 가능함)인 I빔 전기자와 직경이 5인치(공지된 장치에서 일반적임)인 솔리드 회전자를 비교한다. 이러한 공지된 장치에서의 열 상승은 본 발명에서 얻어진 것보다 400배 더 크다.
본 발명의 전동장치는 기본 구성의 여러가지 위상적 변화에서 제조될 수 있다. 회전식 셀 구조 이외에도, 자석과 권선의 방향을 변화시킴으로써, 모터는 선형 운동을 하도록 만들어질 수 있다. 도시하지는 않았으나. 팬케익 또는 원추형 구성과 같은 다양한 변형들이 있다.
제12도는 편평한 구조인 본 발명의 전동 장치의 선형 왕복 운동을 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 자석(113)은 편평한 하부 복귀판(114)상애 장착된다. 고정자 인덕터(115)는 인덕터가 원통형 보다는 편평한 것을 제외하고는 도시된 다른 실시예에 대하여 전술한 방법과 동일한 방법으로 분산된 도체(116) 및 플럭스 반송 부재(117)가 제공된다. 상부 복귀판(118)도 제공되며, 인덕터(115)는 상부판(118)의 에지상에 장착된 롤러(121) 및 롤러 장착 박스(111)(하부판(114)에 의해 반송됨)에 장착된 롤러(121)에 의해 하부 및 상부판(114,118)에 대하여 그 사이로 선형으로 움직인다.
본 발명의 바람직한 실시예가 설명되고 기술되었지만, 변형 및 수정이 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 범위가 전술한 내용보다는 첨부된 청구범위로부터 결정되어 자기를 원한다.

Claims (39)

  1. 전동 장치에 있어서, 다수의 자기 플럭스 도전성 바(86)와 전자기장을 발생하기 위해 상기 바 주위에 배치된 전동 권선(84)을 포함하는 인덕터(82); 상기 인덕터의 일측에 인접하게 배치된 자기장 발생기(30); 상기 자기장 발생기 측에 제공된 제1플럭스 복귀 경로(33); 및 상기 자기장 발생기 맞은편의 상기 인덕터 측에 제공된 제2플럭스 복귀 경로(32)를 포함하며, 상기 전동 권선(84)은 상기 플럭스 바 사이에 무작위로 배치된 전기 도체를 포함하며, 상기 바는 전동 장치내의 자기장으로부처 상기 권선을 차폐하는 결합구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기 플럭스 도전성 바는 플럭스 도전성 시트 의 적층체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  3. 전동 장치에 있어서, 플럭스 도전성 시트의 적층체로 이루어진 다수의 자기 플럭스 도전성 바(86)와 자기장을 발생하기 위하여 상기 바 주위에 배치된 전동 권선(84)을 포함하는 인덕터(82); 상기 인덕터의 일측에 인접하게 배치된 자기장 발생기(30); 상기 자기장 발생기 측에 제공된 제1플럭스 복귀 경로(33); 및 상기 자기장 발생기 맞은편의 상기 인덕터 측에 제공된 제2플럭스 복귀 경로(32)를 포함하며, 상기 전동 권선(84)은 상기 플럭스 도전성 바 사이에 무작위로 배치된 전기 도체를 포함하며, 상기 바는 전동 장치내의 자기장으로부터 상기 권선을 차폐하는 결합구조를 가지며, 상기 플럭스 도전성 시트는 실리콘 철로 제조되고 실리콘 산화물의 코팅에 의해 서로 절연되는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 플럭스 도전선 시트는 상기 플럭스 도전성 바를 통과하는 주 플럭스 경로에 평행한 재료 입자 방향으로 제조되는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전동 장치내에 열 발생을 감소시키기 위한 수단을 더 포함하며, 상기 수단을 상기 플럭스 도전성 바를 통과하는 주 플럭스 경로에 팽팽한 재료 입자 방향으로 제조된 플럭스 도전성 바를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 플럭스 도전성 바는 상기 전동 장치의 전기적 성질에 의해 결정될 때 플럭스 포화점에 거의 동일한 플럭스 반송 능력을 형성하는 철 함량을 갖는 금속 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 플럭스 도전성 바를 통과하는 주 플럭스 경로에 평행한 축을 따르는 상기 플럭스 도전성 바의 치수는 전자기장을 발생하기 위해 상기 바 주위에 배치된 전동 권선의 주축에 평행한 상기 바의 길이방향축에 비해 짧은 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  8. 제1항에 잇어서, 상기 제1플럭스 복귀 경로는 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1플럭스 복귀 경로는 철인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2플럭스 복귀 경로는 상기 바와 동일한 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2플럭스 복귀 경로는 상기 바와 동일한 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 인덕터는 고정자인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 인덕터는 전기자인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 전동 장치는 선형 모터인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 전동 장치는 회전 모터인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 전동 장치는 발전자인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 전동 장치는 교류기인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 결합구조는 I를 한정하는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 전동 권선은 상기 인덕터의 치수보다 큰 직경을 갖는 도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 결합구조는 상기 자기 차폐를 제공하는 것 이외에도 상기 인덕터의 열교환면을 증가시키기 위해 길이방향 에지에 연장부(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  21. 전동 장치에 있어서, 다수의 자기 플럭스 도전성 바(86) 및 전자기장을 발생하기 위해 상기 바 주위에 배치되고 바 사이에는 무작위로 배치된 전기 도체로 이루어진 권선을 포함하는 고정자(82); 상기 고정자의 일측에 인접하게 배치된 자기장 발생기(30); 상기 자기장 발생기 측에 제공된 솔리드 금속 플럭스 복귀 경로(33); 및 상기 자기장 발생기 맞은편의 상기 고정자 측에 제공된 플럭스 복귀 경로(32)를 포함하며, 상기 플럭스 도전성 바는 전동 장치내의 자기장으로부터 상기 권선을 차폐하는 결합구조를 가지며, 실리콘 산화물의 코팅에 의해 서로 절연되고, 상기 플럭스 도전성 바를 통과하는 주 플럭스 경로에 평행한 재료 입자 방향으로 상기 전동 장치의 전기적 성질에 의해 결정될 때 플럭스 포화점에 접근하는 플럭스 반송 능력을 갖는 실리콘 철 금속 합금으로 제조되는 플럭스 도전성 시트의 적층체로 이루어지며, 상기 플럭스 복귀 경로는 실리콘 산화물의 코팅에 의해 서로 절연되고, 상기 플럭스 도전성 바를 통과하는 주 플럭스 경로에 평행한 재료 입자 방향으로 상기 전동 장치의 전기적 성질에 의해 결정될 때 플럭스 포화점에 거의 동일한 플럭스 반송 능력을 갖는 실리콘 철 금속 합금으로 제조되는 플럭스 도전성 시트의 적층체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  22. 전동 장치에 있어서, 다수의 자기 플럭스 도전성 바(86) 및 전자기장을 발생하기 위해 상기 바 주위에 배치되고 바 사이에는 무작위로 배치된 전기 도체로 이루어진 권선(84)을 포함하는 회전자(82); 상기 회전자의 일측에 인접하게 배치된 자기장 발생기(30); 상기 자기장 발생기 측에 제공된 솔리드 금속 플럭스 복귀 경로(33); 및 상기 자기장 발생기 맞은편의 상기 회전자 측에 제공된 플럭스 복귀 경로(32)를 포함하며, 상기 플럭스 도전성 바는 전동 장치내의 자기장으로부터 상기 권선을 차폐하는 결합구조를 가지며, 실리콘 산화물의 코팅에 의해 서로 절연되고, 상기 플럭스 도전성인 바를 통과하는 주 플럭스 경로에 평행한 재료 입자 방향으로 상기 전동 장치의 전기적 성질에 의해 결정될 때 플럭스 포화점에 접근하는 플럭스반송 능력을 갖는 실리콘 철 금속 합금으로 제조되는 플럭스 도전성 시트의 적층체로 이루어지며, 상기 플럭스 복귀 경로는 실리콘 산화물의 코팅에 의해 서로 절연되고, 상기 플럭스 도전성인 바를 통과하는 주 플럭스 경로에 평행한 재료 입자 방향으로 상기 전동 장치의 전기적 성질에 의해 결정될 때 플럭스 포화점에 거의 동일한 플러스 반송 능력을 갖는 실리콘 철 금속 합금으로 제조되는 플럭스 도전성 시트의 적층체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  23. 제3항에 있어서, 상기 플럭스 도전성 시트는 상기 플럭스 도전성 바를 통과하는 주 플럭스 경로에 평행한 재료 입자 방향으로 제조되는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  24. 제3항에 있어서, 상기 전동 장치내에 열 발생을 감소시키기 위한 수단을 더 포함하며, 상기 수단은 상기 플럭스 도전성 바를 통과하는 주 플럭스 경로에 평행한 재료 입자 방향으로 제조된 상기 플럭스 도전성인 바를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  25. 제3항에 있어서, 상기 플럭스 도전성이 바는 상기 전동 장치의 전기적 성질에 의해 결정할 때 플럭스 포화점에 거의 동일한 플럭스 반송 능력을 형성하는 철 함량을 갖는 금속 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  26. 제3항에 있어서, 상기 플럭스 도전성 바를 통과하는 주 플럭스 경로에 평행한 축을 따르는 상기 플럭스 도전성 바의 치수는 전자기장을 발생하기 위하여 상기 바 주위에 배치된 상기 전동 권선의 주축에 평행한 상기 바의 길이방향보다 더 짧은 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  27. 제3항에 있어서, 상기 자기장 발생기를 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  28. 제3항에 있어서, 상기 제1플럭스 복귀 경로는 철인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  29. 제3항에 있어서, 상기 제2플럭스 복귀 경로는 상기 바와 동일한 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  30. 제3항에 있어서, 상기 제2플럭스 복귀 경로는 상기 바와 동일한 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  31. 제3항에 있어서, 상기 인덕터는 고정자인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  32. 제3항에 있어서, 상기 인덕터는 전자기인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  33. 제3항에 있어서, 상기 전동 장치는 선형 모터인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  34. 제3항에 있어서, 상기 전동 장치는 회전 모터인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  35. 제3항에 있어서, 상기 전동 장치는 발전기인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  36. 제3항에 있어서, 상기 전동 장치는 교류기인 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  37. 제3항에 있어서, 상기 결합구조는 I를 한정하는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  38. 제3항에 있어서, 상기 전동 권선은 상기 인덕터의 치수보다 더 큰 직경을 갖는 도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
  39. 제3항에 있어서, 상기 결합구조는 상기 자기 차폐를 제동하는 것 이외에도 상기 인덕터의 열교환면을 증가시키기 위해 길이방향 에지에 연장부(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 장치.
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