KR100706984B1 - 저-손실 재료를 이용한 고효율 고속 전기 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적으로 향상된 저손실 재료로부터 제조된 권선된 고정자 코어(20)를 갖는, 전기 모터, 발전기, 또는 재생식 모터와 같은 전기 디바이스에 관한 것이다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기 디바이스(23)는 축-에어갭 형태를 가진다. 본 발명은 고효율과 고출력밀도로 고정류주파수에서 작동하는 고 폴카운터(pole count)를 갖는 전기 디바이스(23)를 제공한다. 본 발명에 의해 이용된 향상된 저손실 재료(22)는 비정질금속, 나노결정질 금속, 및 최적화된 Si-Fe합금을 포함한다.

고정자, 회전자, 비정질금속, 나노결정질 금속, Si-Fe

Description

저-손실 재료를 이용한 고효율 고속 전기 디바이스{EFFICIENT HIGH-SPEED ELECTRIC DEVICE USING LOW-LOSS MATERIALS}

본 출원은 2003년 1월 31일과 3003년 10월 21일에 각각 출원된 가출원 번호 60/444,271과 60/513,892의 기재내용을 우선권의 기초로 한다.

본 발명은 고효율 및 높은 출력밀도를 가지며, 높은 정류주파수(commutating frequency)에서 작동할 수 있는 전기 디바이스에 관한 것이다.

본 발명은 일반적으로, 이에 제한되지 않지만, 전기 모타, 발전기, 또는 재생식 모터(이하, "전기 디바이스", "전자기 디바이스", "전기 기구"등을 통합하여 말한다)을 포함하는 전기 디바이스에 관한 것이다. 상기 용어 재생식 모터는 여기에서 전기 모터나 발전기 어느 일방으로 작동될 수 있는 디바이스를 말한다. 상기 전기 디바이스는 복합 디바이스내에 하나 이상의 부품일 수 있다. 이러한 복합 디바이스의 예로서 하나 이상의 전기 모터를 포함하는 콤프레셔를 들 수 있는데, 상기 하나 이상의 모터는 팬(fan)으로 일체화될 수 있다. 바람직하게는 본 발명은 개선된 특성을 갖는 고효율의 전기 디바이스에 관한 것이다. 보다 바람직하게는, 본 발명은 고주파에서 작동할 수 있는 고효율의 전기 디바이스에 관한 것이다.

고주파 전기 디바이스

전기 모터와 발전기 산업은 증가된 성능과 출력밀도(power density)를 갖는 모터와 발전기를 제공할 수 있는 길을 계속적으로 찾고 있다. 전자기 디바이스의 출력은, 그 디바이스의 주파수의 증가가 그 출력을 증가시키도록 주파수와 관계되어 있다. 따라서 고주파수를 갖는 기구는 증가된 출력이 소망될 때 종종 바람직하다. 동위상의 전기 기구의 동위상 주파수는 f=S·P/2로 일반적으로 표현되며, 여기에서 f는 그 기구의 주파수 Hz, S는 초당 회전속도, 그리고 P는 그 기구의 폴카운더(pole count)이다. 이로부터 상기 기구의 속도가 증가함에 따라, 그 주파수가 증가하고, 그 출력도 증가함을 알 수 있다. 마찬가지로 상기 폴카운터가 증가함에 따라, 상기 기구의 주파수 및 출력도 증가한다. 그러나 상기 폴카운터가 증가함에 따라, 그 기구에 대한 자기장의 변화가 또한 증가하고, 그 기구내 추가적인 열이 발생되어 그 기구의 비능률성에 기여하게 됨을 아는 것은 중요하다.

고주파 전기 기구(즉, 300Hz보다 큰 주파수를 갖는 전기 기구)를 제조하기 위한 종래의 시도는 정형적으로 고속에서 낮은 폴카운터를 포함하는 것이었는데, 이는 일반적으로 보다 높은 폴카운터가 코어손실을 증가시키는 반면에, 일반적으로 보다 낮은 폴카운터가 그 코아손실을 감소시킴에 기여하기 때문이다. 그러나 종래의 높은 폴 머신(pole machine)으로 알려진 중요한 코어손실은 오래된 기구에 대다수로 사용되는 재료가 중량%로 Si을 약 3 1/2% 함유하는 통상적인 실리콘-철합금(Si-Fe)이라는 사실에 주로 있다. 특히, 통상의 Si-Fe계 재료에서 약 300Hz 보다 큰 주파수에서 자기장을 변화시킴에 따라 초래되는 손실은 상기 재료를 가열시켜 상기 디바이스가 어떠한 수용가능한 수단으로 냉각될 수 없는 지점까지 이르게 한다. 따라서 상업적으로 경쟁력 있는 고주파 전기 기구가 얻어지기 어려우며, 이에 따라 상업적으로 경쟁력 있는 고주파 전기 기구를 생산함이 소망스럽다 할 것이다. 또한 낮은 코아손실과 높은 출력밀도를 갖는 가격경쟁력 있는 전기 디바이스를 가져올 수 있는, 높은 폴카운터와 함께 고주파수에서 작동할 수 있는 전기 디바이스를 제공함이 바람직하다 할 것이다.

비정질금속 자기 코어

비정질금속에 대한 출현과 후속하는 연구들은 많은 사람들에게 비정질금속 자기코어로 제조된 모터 및 발전기가 종래의 모터와 발전기에 비하여 실질적으로 보다 높은 효율과 출력밀도를 제공하는 잠재력을 가짐을 믿게 하고 있다. 특히, 비정질금속은 유망한 저-손실 특성을 나타내며, 많은 사람들에게 비정질금속으로 된자기 코어로 제조된 고정자(stator)는 보다 증가된 효율을 갖는 전기 기구를 가져옴을 믿게 하고 있다. 그러나 종래 기구내에 비정질금속을 통합하려는 종래의 시도들은, 낮은 주파수 전기 기구를 위한 종래의 자기코어에서 실리콘-철 대신에 비정질금속을 단순히 대체하는 것을 포함했기 때문에 실패했다. 이는 적은 손실과 함께 증가된 효율을 갖는 전기 기구를 가져왔으나, 출력의 손실과 비정질재료를 취급하고 형성함에 관련된 비용의 현저한 증가를 가져왔다.

예를 들면, U.S Pat. No. 4,578,610은 단순히 비정질 금속테입을 코일링함으로써 제조된 고정자를 갖는 고효율의 모터를 제시하고 있으며, 여기에서 상기 비정 질 스트립은 권선된후 슬롯되며(slotted), 이어, 적절한 고정자 와인딩(winding)이 상기 슬롯내 놓여진다.

U.S.Pat No. 4,187,441은 고정자 권선을 수용할 수 있는 슬롯을 갖는 비정질금속 리본으로 부터 제조된 나선형으로 권선된 적층된 자기코어를 가지는 고출력밀도 기구를 제시하고 있다. 또한 상기 특허는 상기 슬롯을 비정질코어로 절단하기 위해 레이저빔을 이용함을 제시하고 있다.

전기 기구에서 비정질금속의 사용을 둘러싼 중요한 연구에도 불구하고, 지금까지 낮은 손실재료의 장점을 가지며, 쉽게 제조가능한 전기 디바이스를 저렴하게 제공하는 것이 어렵다는 것이 확인되고 있으며, 많은 사람들이 비정질금속으로 된 자기코어를 갖는 상업적으로 경쟁력 있는 전기 기구를 개발하기 위한 시도를 포기하고 있다. 따라서 낮은 손실특성과 관련한 특정한 장점은 충분히 이용하고 상기 종래기술과 관련된 단점들을 제거함으로써 고효율의 전기 기구를 제공하는 것이 소망스럽다 할 것이다. 바람직하게는, 상기 저-손실 재료는 비정질금속, 나노결정질금속, 최적화된 Si-Fe합금, 방향성 Fe계 재료 또는 무방향성 Fe계 재료인 것이다.

여기에서 기술되는 전자기 디바이스는 회전자(rotor)와 고정자 조립체와 같은 자기장 조립체를 포함한다. 바람직하게는, 상기 고정자의 자기 코어는 비정질금속, 나노결정질금속, 최적화된 Si-Fe합금, 방향성 Fe계 재료 또는 무방향성 Fe계 재료로 이루어진 것이다. 전기 디바이스내에 비정질금속, 나노결정질금속, 최적화된 Si-Fe합금, 방향성 Fe계 재료 또는 무방향성 Fe계 재료를 도입하는 것은, 종래 기구에서 나타내는 큰 증가와 비교할 때, 그 디바이스의 주파수를 단지 코어손실에서 상대적으로 적은 증가와 함께 300Hz 이상으로 증가되도록 하며, 이에 따라 증가된 출력을 제공할 수 있는 고효율의 전기 기구를 제조할 수 있다. 본 발명은 증가된 출력밀도, 개선된 효율, 그리고 보다 정사각형의 토크-스피드(torque-speed) 곡선을 제공할 수 있는 높은 폴카운더(high pole count)를 갖는 고효율 전기 기구를 제공한다.

이하, 축-에어갭(axial-airgap) 전기 기구가 수많은 슬롯을 갖는 하나의 자기코어를 포함하는 적어도 하나의 고정자 조립체를 포함하여 제시된다. 상기 슬롯들은 고정자 와인딩(stator winding)으로 권선되어 있다. 하나의 코어가 식 L=12·f·B^1.5 + 30·f^{2 .3}·B^2.3으로 주어지는 "L" 미만의 코어손실에 의해 특징되어 지는 저손실 연자성재료로 부터 형성되며, 여기에서, L은 상기 손실 W/kg, f는 주파수 kHz, 그리고 B는 자속밀도 피크 Tesla이다. 상기 자기코어의 사용에 적합한 저손실 연자성재료의 예는 비정질금속, 나노결정질금속, 그리고 최적화된 Si-Fe합금을 포함한다 . 상기 전자기 디바이스는 또한 복수의 회전자 폴(rotor pole)을 포함하는 적어도 하나의 회전자 조립체를 포함한다. 상기 회전자 조립체는 상기 적어도 하나의 고정자와 자기적 상호반응을 위하여 배열 및 배치된다. 상기 전자기 디바이스의 주파수는 그 디바이스의 동작 동안 300Hz 보다 높다.

도 1은 고정자 구조를 설명하는 도면이다.

도 2는 고정자 와인딩을 나타내는 도면이다.

도 3은 자석의 할당과 극을 나타내는 회전자의 설명도이다.

도 4는 축형 모터 구조를 위한 고정자/회전자 배열의 설명도이다.

도 5는 종래의 모터의 성능과 본 발명의 모터의 성능을 비교하는, 토크에 대한 속도 곡선이다.

도 6은 여러 연자성재의 코어 손실에 대하여 0.4kHz에서의 자속밀도와의 관계를 나타내는 챠트이다.

도 7은 여러 연자성재의 코어 손실에 대하여 1.0kHz에서의 자속밀도와의 관계를 나타내는 챠트이다.

도 8은 여러 연자성재의 코어 손실에 대하여 2.0kHz에서의 자속밀도와의 관계를 나타내는 챠트이다.

도 9는 여러 연자성재의 코어 손실에 대하여 0.5Tesla에서의 주파수와의 관계를 나타내는 챠트이다.

도 10은 여러 연자성재의 코어 손실에 대하여 1.0Tesla에서의 주파수와의 관계를 나타내는 챠트이다.

도 11은 여러 연자성재의 코어 손실에 대하여 1.5Tesla에서의 주파수와의 관계를 나타내는 챠트이다.

도 12는 저-손실 재료를 사용하여 효율적인 고속 축-에어갭 전기 디바이스를 디자인하는 방법에 대한 플로우챠트이다.

도 13은 도 12의 디자인 방법에서 사용된 자기 코어로 부터 측정된 여러 크 기들에 대한 설명도이다.

도 14는 토크 식(torque equation)의 예시적인 표면을 나타낸다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세히 설명한다. 본 발명은 저손실 재료로 제조된 권선된 고정자 코어를 갖는 브러쉬 없는 모터와 같은 전기 디바이스의 디자인 및/또는 제조를 포함한다. 바람직하게는, 상기 고정자 코어는, 비정질금속, 나노결정질 금속, 최적화된 Si-Fe합금, 방향성 Fe계 재료 또는 무방향성 Fe계 재료를 포함하는 여러 향상된 저손실 자기 재료들중 하나로 조성된다. 이하의 구문들에서는 이러한 향상된 저손실 자기재료의 예들과 각 예에 관련한 짧은 논의를 제공한다. 이러한 향상된 저손실 재료들에 대한 통상적인 정의는 다음과 같다.

향상된 저손실 재료

전기 디바이스내에 비정질금속, 나노결정질금속, 최적화된 Si-Fe합금, 방향성 Fe계 재료 또는 무방향성 Fe계 재료를 도입하는 것은, Si-Fe합금과 같은 통상적인 자기코어 재료를 이용하는 종래 기구에서 나타내는 큰 증가와 비교할 때, 코어손실에서 단지 상대적으로 적은 증가와 함께 그 기구의 주파수가 300Hz 이상으로 증가되도록 하여 준다. 고정자 코어내에 상기 저손실 재료의 사용은 증가된 출력밀도, 개선된 효율, 그리고 보다 정사각형의 토크-스피드 곡선을 제공할 수 있는 고주파 고폴카운더(high pole count)의 전기 기구의 개발을 가능하게 한다.

비정질금속

비정질금속은 또한 금속유리로 알려져 있으며 많은 다른 조성으로 존재한다. 금속유리는 결정화 없이 빠르게 냉각될 수 있는 합금으로부터 형성된다. 비정질 금속은, 그 재료가 매우 얇으며, 즉, 그 두께가 2mils(2/1000 인치) 미만이고 극도로 취성을 가진다는 측면에서 다른 금속들과 구별되며, 따라서 그 재료를 취급하기가 어렵다. 본 발명에 적용할 수 있는 적절한 비정질재료는 Metglas®2605SA1이며, Hitachii Metal America,Ltd 소유의 Metglas Solution에 의해 판매된다(Metglas®2605SA1에 대한 정보는, http://www.metagls.com/products/page5 124.htm 참조).

종래 Si-Fe합금에 비하여 비정질금속은 알려진 많은 단점들을 가지고 있다. 상기 비정질금속은 종래 Si-Fe합금 보다 낮은 포화자속밀도를 나타낸다. 상기 보다 낮은 자속밀도는 보다 낮은 출력밀도(통상적인 방법에 따라)를 갖는 모터를 낳는다. 비정질금속의 또다른 단점은 그들이 종래 Si-Fe합금 보다 낮은 열전달계수를 가진다는데 있다. 열전달계수는 얼마나 쉽게 열이 냉각영역으로 전도될 수 있는 가를 결정하기 때문에, 보다 낮은 열전달계수 값은 모터를 냉각할 때 (코어 손실 때문에) 배출열(waste heat)을 전도시켜 없애버려야 하는 큰 문제를 가져올 수 있다. 종래의 Si-Fe합금은 비정질금속 보다 낮은 자기변형계수를 나타낸다. 낮은 자기변형계수를 갖는 재료는 자장의 영향하에서 보다 적은 크기변화를 가져오며, 이는 보다 조용한 기구(machine)를 가져올 수 있다. 또한 비정질금속은 종래의 Si-Fe 경우에 비해 비용절감하는 방법으로 공정, 즉, 스탬핑, 드릴링 또는 웰딩하는 것이 보다 어렵다.

비정질재료들에 대한 이러한 불이익들에 불구하고, 이러한 비정질금속은 고주파수(즉, 약 300Hz 보다 큰 주파수)에서 작동하는 전기 기구를 성공적으로 제공함에 사용될 수 있다. 이는 종래의 Si-Fe 합금을 뛰어 넘는 비절질금속의 유익한 특성들의 개발을 통하여 확보된다. 상기 비정질금속은 고주파에서 아주 낮은 히스테리시스손(hysteresis loss)을 나타내며,이는 아주 낮은 코어 손실을 가져올 수 있다. 보다 낮은 진폭의 와전류를 가져올 수 있는 상기 비정질금속의 아주 낮은 전기전도도 또한 낮은 코어 손실로 이어진다. 또한 비정질금속의 리본 또는 시트 두께는 정형적으로 종래의 Si-Fe합금 보다 아주 작으며, 이는 또한 와전류와 코어 손실을 낮춘다. 비정질금속의 사용은 낮은 코어 손실과 같은 비정질금속의 유리한 특성을 개발하면서 그 불리한 점들의 보상을 통하여 고주파에서 작동하는 전기 기구를 성공적으로 제공할 수 있다,

실리콘-철 합금

여기에서 사용되는 종래의 Si-Fe는 중량비로 실리콘 함량비 약 3.5%이하의 실리콘-철 합금을 말한다. 실리콘의 3.5% 한계는 그 보다 높은 실리콘 함량을 갖는 Si-Fe합금의 좋지 않은 금속가공 재료특성 때문에 산업계에 의해 부여된 것이다. 약 300Hz 보다 큰 주파수와 함께 자기장에서의 작동으로부터 야기되는 상기 종래의 Si-Fe 합금 그레이드(grade)의 코어 손실은 대략 비정질금속의 10배이며, 이는 통상의 기구가 어떤 수용가능한 수단으로 냉각될 수 없는 지점까지 상기 종래의 Si-Fe재료를 가열하게 한다. 그러나 어떠한 그레이드의 실리콘-철 합금은, 이하 최적 화된 Si-Fe라고 함, 고주파수 기구를 생산함에 직접적으로 적용할 수도 있다.

최적화된 Si-Fe합금은 중량비로 3.5% 보다 큰 실리콘을 포함하는 실리콘-철 합금 그레이드로 정의된다. 바람직한 최적화된 Si-Fe합금은 중량비로 약 6.5%±1%의 실리콘을 포함한다. 상기 최적화공정의 목적은 코어 손실을 최소화하는 실리콘함량을 갖는 합금을 확보함에 있다. 이러한 최적화된 Si-Fe합금 그레이드들은 비정질금속의 그것들과 유사한 코어 손실과 자기 포화에 의해 특징된다. 최적화 Si-Fe 합금의 단점은 그들이 약간의 취성이 있으며, 대개의 종래 금속가공기술은 상기 재료를 취급함에 있어 쉽지 않다는 것에 있다. 그러나 최적화 Si-Fe을 둘러싸고 있는 취성과 가공성 이슈는 비정질금속의 경우와 어느 정도 유사하며, 비정질금속의 적용을 위해 사용되는 디자인 방법이 최적화된 Si-Fe를 위해서도 아주 유사하게 사용된다.

종래의 Si-Fe를 제조함에 사용된 통상적인 압연공정은 최적화된 Si-Fe를 제조함에 일반적으로 사용되지 않는다. 그러나 최적화된 Si-Fe를 제조함에 산업계에 알려진 다른 기술들이 사용된다. 예를 들면, 밀링된(milled) 최적화된 Si-Fe합금이 본 기술분야에서 알려진 밀링기술(milling technique)에 의해 제조될 수 있다. 그러나 이는 대량생산에는 수용될 수 없음이 확인되고 있다. 최적화된 Si-Fe합금이 또한 일본의 JFE Corporation 소유의 진공기상증착공정(vaccum vapor deposition process)를 통하여 제조되고 있다. 철 또는 실리콘-철의 조성이 진공하에서 실리콘 증기에 의해 코팅되고, 상기 실리콘이 상기 재료내로 이동하는 것이 가능하다. 상기 진공기상증착공정은 중량비로 Si 6.5%의 최적함량을 확보하기 위해 제어된다. 기상증착으로 부터 유도된 최적화된 Si-Fe합금은 종래의 SiFe 보다 취성을 가짐에 반해, 상기 밀링된 최적화된 Si-Fe에 비해서는 보다 적은 취성을 가진다. 상기 최적화된 Si-Fe는 JFE로부터 "Super E-Core'로 상업적으로 구입가능하며, 그리고 고성능 6.5% 실리콘 자기강판으로 판매되고 있다.

나노결정질 금속

나노결정질 재료는 그 결정입 크기가 약 최대 100 나노메터인 다결정질 재료이다. 종래의 결정입 크기를 갖는 금속에 비교하여 나노결정질 금속은 증가된 강도 및 경도, 개선된 확산성, 개선된 연성 및 인성, 감소된 밀도, 감소된 계수(modulus), 높은 전기저항, 증가된 특정 열, 높은 열팽창계수, 낮은 열전도도, 우수한 연자성특성을 포함하는 특성을 갖는다. 바람직하게는, 상기 나노결정질 금속이 철계 재료인 것이다. 그러나 상기 나노결정질 금속은 또한 코발트 또는 니켈과 같은 다른 강자성재료를 기초로 할 수도 있다. 낮은 손실특성을 갖는 예시적인 나노결정질 금속은 Hitachi's Finmet FT-3M이 있다. 저손실 특성을 갖는 또다른 예로서 독일의 Vacuumschmelze GMBH & Co로 부터 구입가능한 Vitroperm 500 Z가 있다.

방향성 및 무방향성 금속

상기 방향성(grain-oriented) Fe계 재료는 본 기술분야에서 알려진 방법으로 Fe계 재료를 기계가공처리함으로써 얻어진다. 상기 방향성(grain orientation)은 보다 얇은 재료를 생산하기 위한 압연공정 동안 내재하는 재료특성의 물리적인 배 열을 말하는 것으로, 재료의 얻어지는 체적을 이루는 결정입이 자화에 대한 우선 방향을 가지도록 하는 것이다. 결정의 자화와 자구(magnetic domain)가 압연방향으로 배향된다. 이러한 자구 배향은 그 배향 방향으로 자기장이 쉽게 역전될 수 있도록 하여 주며, 그 우선방향으로 보다 낮은 코어 손실을 낳게 된다. 그러나 상기 우선 방향에 수직한 방향에서 코어 손실은 증가하며, 전기 디바이스로의 적용에 불이익함이 확인될 수 있다.

무방향성(non-grain-oriented) Fe계 재료는 자구 배열의 우선적인 방향을 가지지 않는다. 상기 무방향성 Fe계 재료는 비정질이 아니며, 약간의 결정성을 가진다. 현재 구입가능한 통상적인 실리콘강은 약간의 결정구조를 가지는데, 이는 느리게 냉각되기 때문에 약간의 결정화를 가져오며, 이후 얇은 두께로 된다. 그러나 통상의 실리콘강과 같은 방향성 Fe계 재료와는 달리, 상기 무방향성 Fe계 재료는 보다 등방성의 자화를 가진다. 바람직하게는, 본 발명에 적용할 수 있는 상기 무방향성 Fe계 재료는 5mils 미만의 두께를 가지는 것이다.

향상된 저손실 재료의 정의

연자성 재료의 코어 손실은 일반적으로 하기 변경된 Steinmetz 식으로 표현될 수 있다.

L=a·f·B^b + c·f^d·B^e

여기에서, L은 코어 손실 W/kg, f는 주파수 kHz, B는 자속밀도 피크 Tesla이 며, a,b,c, 및 d는 상기 연자성재료에 유일한 모든 손실계수들이다.

상기 손실계수 a,b,c, 및 d 각각은 일반적으로 주어진 연자성재료의 제조자로 부터 얻어질 수 있다. 여기에서 사용되는 용어, "향상된 저손실 재료(advanced low losss material)"는 L=12·f·B^1.5+ 30·f^{2 .3}·B^2.3으로 주어진 식에서 정의되는 "L" 미만의 코어 손실에 의해 특징되어 지는 재료를 포함하며, 여기에서 L은 코어 손실 W/kg, f는 주파수 kHz, B는 자속밀도 피크 Tesla이다.

도 6-11은 연자성재료의 코어 손실( L=a·f·B^b + c·f^d·B^e로 정의되는)을, 0.4kHz~2.0kHz범위의 여러 주파수와 0.5~1.5Tesla범위의 여러 자속밀도에서, 자속밀도와 주파수중 어느 일방과를 대비하여 나타내는 챠트이다.

[표 1]

손실계수

손실 계수	등방성분말 Hoeganes Somealloy 500, +.05% Kenolube	Typical 26 gauge M19 무방향성	방향성 0.014" Orthosil M6 29 gauge EL1/2 , Thomas & Skinner	"향상된 재료" 정의된 손실한계
a	40.27	11.39	38.13	12.00
b	2.15	1.62	2.37	1.50
c	141.24	112.43	14.19	30.00
d	1.15	1.72	3.66	2.30
e	1.46	2.01	2.14	2.30

손실 계수	기상증착된 6.5% Si, JFE Super E, 0.1mm	비정질, Metglas 2605SA1, 광고된 문헌	나노결정질, VAC Vitroperm 500 Z	나노결정질, Hitachi Finemet FE-3M
a	10.77	0	0	0.00
b	1.85	0	0	0
c	7.83	6.5	0.84	1.05
d	1.93	1.51	1.5	1.15
e	1.85	1.74	1	2.32

상기 재료 각각은 철계합금을 주로 이루어진 연재료성재료이다.. 상기 표에 제시된 각 계수들은 그 재료의 제조자들로 부터 구입가능거나, 또는 그 제조자들로부터 구입가능한 재료 명세서로 부터 유추될 수 있으며, 상기 계수들은 일반적으로 그 재료를 위한 스펙 시트상에 포함되어 있다. 이를 위하여, 각 연자성재료의 제조자들은, Steinmetz식에 대한 계수들이 유도될 수 있는 재료 명세서를 낳을 수 있는 산업표준 ASTM 시험절차에 정형적으로 참여할 것이다.

도 6-11로부터 알 수 있는 바와 같이, "향상된 저손실재료"에 대한 손실 스레쉬홀드(threshold)를 정의하는 손실방정식을 나타내기 위해 스레쉬홀드 라인 세그먼트가 플롯되어 있다. 이러한 스레쉬홀드 이상으로 플롯된 손실방정식을 갖는 재료는 "향상된 저손실재료"가 아니다. 이러한 스레쉬홀드에 또는 그 이하로 플롯된 손실방정식을 갖는 재료가 여기에서 "향상된 저손실 재료" 또는 "향상된 재료"로 정의된다. 도 6-11로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 향상된 저손실 재료는 제한없이 비정질금속, 나노결정질합금, 및 최적화된 Si-Fe를 포함한다. 이하의 개시 구문에서 이러한 향상된 저손실 재료로부터 구성된 고효율 전자기 기구에 대한 설명이 제공된다. 도 6-11에 제공된 플롯들은 0.4~2.0kHz범위의 주파수와 0.5~1.5Tesla 범위의 자속밀도에서 나타내었는데, 이는 이들 범위가 여기에서 기술된 전기 기구의 정형적인 범위이기 때문이다. 그러나 여기에서 기술된 전기 기구는 이러한 범위에서의 작동에 제한되는 것은 아니다.

일반적인 디바이스 구조

본 발명은 하나 이상의 고정자와, 회전자와 같은 하나 이상의 자기장 조립체를 포함하는 전기 기구를 제공한다. 상기 하나 이상의 고정자는 비정질금속, 나노결정질 금속, 최적화된 Si-Fe합금, 방향성 Fe계 재료 또는 무방향성 Fe계 재료로 같은 향상된 저손실 재료로부터 형성된다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기 디바이스를 구성하는 고정자와 자기장 조립체는 축형 형상을 갖는 것이다.

도 1a와 도 1b는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 고정자(stator)의 평면도와 측면도를 나타낸다. 상기 향상된 저손실 재료로 된 리본이 큰 토로이드(toroid)내로 권선되어 고정자 금속코어20를 형성한다. 이러한 리본들은 정형적으로 0.10mm(0.004") 미만의 두께를 가진다. 상기 리본으로 부터 권선된 토로이드는 축방향으로 보았을때 내직경과 외직경을 가지며, 이 내직경과 외직경이 전면적(TA)로 알려진 표면적을 정의한다. 이어 상기 금속 코어는 (이하 상세히 기술되는) 상기 고정자의 단일 금속 코어를 형성하기 위해 슬롯 23으로 기계가공된다. 상기 슬롯은 금속 코어의 표면적을 감소시킨다.

도 1a는 상기 고정자 코어 20의 내직경(d)과 외직경(D)를 나타내며, 또한 고정자를 형성하기 위해 상기 금속 코어 20내로 기계가공처리되어진 외부 폭(w)을 갖는 슬롯 23을 나타내고 있다. 상기 슬롯의 제거후 남겨진 표면적은 저손실 금속면적으로 정의된다. 상기 저손실 재료가 비정질금속인 바람직한 실시에에 있어서, 상기 저손실 금속면적은 또한 비정질금속 면적(AMA)로 일컬어 진다. 상기 금속 코어는 내부 둘레를 가지며 내직경(d)를 정의한다. 상기 내부 둘레는 슬롯이 형성된 부분에는 연속적이지 못하다. 대신에, 상기 슬롯을 가로지르는 내부둘레는 그 슬롯들 이 위치된 곳에서 갭을 가진다. 이러한 슬롯들은 고정자 와인딩(stator winding)을 유지하기 위해 디자인된다. 상기 코어 내부 둘레의 각각의 잔여 부분(즉, 벡아이런(backiron:24)으로 부터 개별적인 신장)은 투스(tooth:21)로 불리운다.

도 1b는 상기 고정자 20의 전체 높이(H)와 비교하여 상기 투스 21의 높이(T)를 나타낸다. 그 전체 높이는 벡아이런 24의 높이와 상기 투스 21의 높이를 합한 것이다. 동일한 숫자의 투스 21와 슬롯 23으로 되어 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 투스의 가장 좁은 부분이 0.100 인치 보다 작지 않은 것이다. 상기 고정자가 슬롯될 때 제거되는 면적은 본 기술분야에서 알려진 바와 같이, 상기 수행하는 고정자 와인딩을 따라 폿팅(potting) 및/또는 와니스(varnish) 화합물, 또는 얇은 유기 절연재료로 채워질 수 있다.

앞서 말한 바와 같이, 상기 고정자 코어는 향상된 저손실 재료로 구성되어 있으며, 하나의 실시예에서 단일(unitary) 구성된다. 여기에서 사용되는 "단일" 구성되는 고정자 코어는 상기 고정자 코어를 완성하기 위하여 2개 이상의 서브콤프넌트로 된 조립체를 요구하지 않는 것을 말한다. 또한 여기에서 기술되는 단일 고정자 코어는 또한 "단일몸체(unitary-body)" 고정자 코아이다. 여기에서 사용되는 용어 "단일몸체(uni-body 또는 unibody)"는, 베이스 형상을 형성하기 위해 연자성재료로 된 얇은 리본으로부터 적층되고 이어 그 고정자 코아를 형성하기 위해 상기 베이스 형상으로 부터 제거된(예를 들면, 상기 베이스 형상이 그 고정자 코어상에 투스를 형성하기 위해 슬롯된) 고정자 코아를 말한다. 불행하게도, 향상된 저손실 재료는 극도로 취성을 띄는 경향이 있으며, 단일몸체 고정자 코어를 제조하는 것은 어렵다는 것이 판명되고 있다. 그럼에도 불구하고, 향상된 저손실 재료의 약간의 제조자를 포함하여 수개의 회사들이, 와이어 전하방전 가공, 레이져 컷팅, 전기화학적인 연마 또는 통상의 가공처리와 같은 여러 공정들을 이용하여 향상된 저손실 재료로 제조된 이러한 고정자들을 제조하여 오고 있다.

비록 여기에서 기술된 고정자 코어들이 단일 구조의 단일 몸체 고정자 코어이지만, 여러 유형의 비-단일(non-unitary) 및 비-단일몸체 고정자 코어들이 여기에서 기술된 전기 기구에서의 사용을 위하여 고려되고 있다. 예를 들면, 단일 몸체 고정자 코어가 후속하여 세그먼트로 절단되는 것이 가능하며, 이로부터 결과적으로 고정자 코어를 제조하는 것은 단일 구조가 아니다. 또한 "단일" 고정자 코어는 향상된 저손실 재료를 어떤 투스를 포함하는 고정자 코어 형태로 몰딩함으로써 형성될 수 있으나, 상기 고정자 코어는 그 베이스 형상으로부터 재료의 후속하는 제거와 함께 베이스 형상을 형성하기 위해 얇은 리본으로부터 권선되지 않기 때문에 , 이로부터 얻어지는 고정자 코어는 "단일 몸체"가 아니다.

도 2는 자기 코어(28)를 제공하기 위한 고정자 와인딩 22으로 권선된 단일의, 단일 몸체 고정자 코어 20을 나타낸다. 고정자 와인딩22으로 권선된 상기 고정자20는 토로이달 하우싱(toroidal housing)내에 놓여져 적절한 유기 절연체로 폿팅된다. 다중 슬롯들을 통상의 자기 부재내로 가설하는 것도 가능한데, 이는 약 0.5의 폴당 페이즈당 슬롯(slot per phase per pole:SSP) 값에 대응하며, 여기에서 상기 SSP값은 상기 고정자 코어내의 슬롯 수를 상기 고정자 와인딩내의 페이즈의 수와 DC 폴(pole)의 수로 나눔으로써 결정된다(SSP=slot/phases/poles). 상기 와인딩에 의해 점해지지 않는 슬롯된 영역(즉, 상기 폿팅, 와니스 및 절연재료 영역)은 웨이스트 영역(waste area:WA)이다. 상기 전체 영역과 웨이스트 영역과의 차이는 유용한 면적으로 불리운다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 SPP가 0.5이면, 와인딩을 수행함에 할당된 유용한 공간의 퍼센트는 35%±10%이거나, 또는 상기 기구의 출력밀도(W/cm³)를 최적화하는 퍼센테이지에 가까울 것이다. 이러한 퍼센트 값은 일정한 기본적인 주파수하, 그리고 각 고정자 투스에 부과된 일정한 암페어-턴(ampere-turn)하라는 가정하에서 주어진 것이다. 같은 계산으로 같은 가정하에서 50%±10%의 다른 퍼센테이지가 활성 재료의 kg당 토크를 최적화하기 위해 발견된다.

상기 고정자 배열을 적절하게 지지할 수 있는 어떤 적절한 재료가 토로이달 하우싱을 위해 사용될 수 있다. 상기 토로이달 하우싱은 비자성인 것이 바람직하지만, 상기 트로이달 하우싱 재료의 전도성에 대한 제한은 없다. 다른 인자들 또한 기계적 강도의 요구와 같은 토로이달 하우싱 재료의 선택에 영향을 줄 수 있다. 특정한 실시예에 있어서, 상기 토로이달 하우싱은 알루미늄으로부터 형성된다.

본 기술분야에서 통상의 경우와 같이, 자기장 조립체(29)는 고정자와 자기 반응을 위해 배열되고 배치된 상기 고정자 몸체에 근접하여 놓여져 있다. 도 3a와 도 3b는 축형 회전자30의 형태로서 자기장 조립체의 평면도 및 측면도를 각각 나타낸다. 상기 회전자30는 상기 고정자와 함께 공통축31을 중심으로 하고 있다 . 도 3a는 상기 회전자 주위에 위치된 교대하는 극(polarity)을 갖는 다수의 자석 32를 나타낸다. 다른 실시예에 있어서, 상기 자석 32의 위치와 극은 모터 디자인을 위해 소망하는 바와 같이 변할 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 회전자는 다수의 영구자석을 포함한다. 도 3b는 도 3a의 라인 A을 따라 주어진 상기 회전자의 측면도이다. 도 3b에 나타낸 상기 회전자의 실시예에 있어서, 자석 32은 상기 회전자 30의 두께를 통하여 신장한다. 다른 실시예에 있어서, 상기 자석 32은 상기 회전자 30의 두께를 통하여 신장하지 않는다. 바람직하게는, 상기 회전자 배열은, 그 각각이 N극과 S극을 정의하는 대향하는 단부를 갖는, 방사상으로 공간적으로 분리된 영구수퍼자석(예를 들면, 코발트 희토류 자석 또는 NdFeB와 같은 희토류자석)을 포함하는 디스크형 또는 축형 회전자인 것이다. 상기 자석 32은 자석의 극이 상기 고정자 배열을 근접한 사전결정된 경로를 따라 접근가능하도록 공통축 31을 따라 또는 다른 어떠한 적절한 배열을 따라 (도시되지 않은) 샤프트의 축 둘레로 회전을 위해 지지된다. 상기 회전자30의 자석 영역은 외직경과 내직경을 가지며, 이것이 내부 공동 34를 형성한다. 상기 회전자와 고정자의 축형 배열을 포함하는 바람직한 실시예에 있어서, 상기 회전자30의 외직경과 내직경은 상기 고정자의 그것들과 실질적으로 동일하다. 만일 상기 회전자30의 외직경이 상기 고정자 20의 외직경 보다 크다면, 그때는 상기 회전자의 외부 부분은 중량과 관성을 추가할 뿐 성능에 기여하지는 않는다. 만일 상기 회전자의 외직경이 상기 고정자의 외직경 보다 작으면, 그 결과는 성능의 저하로 이어진다.

상기 SSP 값의 계산에 있어서, 폴(pole)은 변화하는 자기장과 반응하는 DC 자기장을 말한다. 따라서 바람직한 실시예에 있어서, 상기 회전자상에 탑재된 영구자석은 DC 자기장과, DC 폴의 숫자를 제공한다. 다른 실시예에 있어서, DC 전자석 이 DC 자기장을 제공한다. 상기 고정자 와인딩의 전자석은 변화하는 자기장, 즉, 시간과 위치 양자로 변하는 자기장을 제공한다.

다른 실시예에 있어서, 상기 자석은 상기 회전자상에 탑재되거나 그 내부에 세트된다. 상기 자석은 그 둘레로 교대하는 자석들 사이에 아무런 틈이 없도록 이격될 수 있다. 상기 자석들 사이의 공간은 토크 코깅(torque clogging)의 발생을 최소화하는 최적값으로 유지함이 바람직하다. 토크 코깅은 인풋 전류가 점차적으로 감소되고 상기 샤프트가 0 또는 아주 낮은 rpm을 유지하면서 위치를 갖는 토크의 변화이며,이는 소망스럽지 않은 성능과 음향적 문제를 야기한다. 최적의 공간은, 상기 고정자20의 저손실 금속 영역을 각 하나의 금속 코어 면적을 얻기 위한 고정자 슬롯들의 수로 일차적으로 나눔으로써 유도된다. 상기 자석들간의 최적의 공간은 각 자석의 전체 면적이 코어 투스 면적의 175%±20%와 동일하도록 하는 것이다.

비록 상기 자석이 영구자석으로 기술되었지만, 이는 요구사항이 아니다. 상기 자석은 다른 유형의 자석 재료나, 또는 다른 실시예에 있어서, 전자석, 인덕션기구등일수가 있다. 또한 비록 상기 디바이스가 디스크 또는 축형 디바이스의 내용으로 기술되었지만, 본 발명의 전기 디바이스는 축형 디바이스에 제한되는 것은 아니다. 또한 상기 회전자 자석이 그 방사상 회전자의 외주 둘레상에 위치된다면, 베럴 (barrel) 또는 방사형 모터와 같은 넓고 다양한 형태를 가질 수 있다. 더욱이, 상기 회전자 배열을 따라 이격된 자석의 수도 또한 본 발명의 범위에 속한다면 변할 수 있다.

도 4는 그 어느 측면에, 그리고 하나의 회전자30와 함께 공통 중심축31을 따라 축형 배열로 위치된 2개의 고정자 코어20를 포함하는 전기 디바이스 실시예의 측면도를 나타내며, 이는 고정자 20양자로 작용한다. 와인딩22은 상기 고정자20에 권선된다. 특정한 실시예에서, 하나의 회전자의 어느 측면에 Metglas®로 조성된 고정자 코어를 포함하는 전기 디바이스가 고출력밀도를 나타내는 것이 발견된다. 도 6부터 도 14는 본 발명에 따른 전기 디바이스의 특정한 실시예에 대한 상세한 디자인 명세를 나타낸다. 개별적인 콤프넌트의 크기변화 또는 심지어 주어진 컴포넌트의 부재를 포함하는 도 6부터 도 14의 상세한 디자인 명세의 변화는 본 발명의 범위에 속하는 것이라면 본원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

상술한 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 고정자 배열은 회전자 배열의 근접하는 대향하는 측에 위치되어 있는 2개의 고정자 코어를 포함한다. 그러나 본 발명의 전기 디바이스는 또한, 의도된 적용의 요구를 충족함에 필요한 한 많은 추가적인 또다른 고정자와 회전자 배열로서의 적층을 허용한다. 상기 고정자 하우징은 정형적으로 상호 거울 이미지(mirror image)이며, 따라서 단지 하나의 고정자만 상세히 기술되었다.

전기 디바이스의 성능 특성은 소망하는 기구의 성능에 따라 최상으로 함께 최적화된다. 성능 특성의 예는 고주파에서의 정류, 낮은 인덕턴스를 유지하는 것, 그리고 낮은 속도 제어를 유지하는 것을 포함한다. 이러한 축형 전기 디바이스로부터 최대의 성능을 얻기 위해서는 전력 전자가 주요한 요소이다. 좋지 않은 전력 전자는 전력 전자(PE) 리플, 성능에 역효과를 줄 수 있는 전기 디바이스의 작동중 토 크의 소망스럽지 않은 변화를 가져올 수 있다.

저손실 재료를 이용한 높은 폴 카운트(High Pole Count), 고주파수 디자인

바람직한 실시예에서, 본 발명은 예를 들면 약 300Hz 이상의 고주파수에서 작동하는, 높은 폴 카운트(high pole count)를 갖는 모터를 제공한다. 높은 폴 카운트를 갖는 전기 디바이스가 고주파수에서 작동하는 기술은 알려져 있지 않다. 통상적인 Si-Fe를 이용한 기존의 디바이스들은, 변화하는 자기장으로부터 초래되는 코어손실때문에 300Hz를 상당히 넘는 자기 주파수에서는 스위치될 수 없으며, 여기에서 상기 코어 손실은 상기 재료를 상기 포인트로 가열하고, 상기 디바이스는 어떤 적합한 수단에 의하여 냉각될 수 없다. 어떠한 조건하에서, 통상적인 Si-Fe재료의 가열은, 그 기구(machine)가 어떤 방법으로도 냉각될 수 없고, 자기 파괴(self-destruct)를 일으킬 만큼 충분히 심각할 수 있다. 그러나, 비정질 금속, 나노결정질 금속, 최적화된 Si-Fe 합금, 방향성 Fe계 재료 또는 무방향성 Fe계 재료를 포함하는 향상된 저손실 재료의 낮은-손실 특성은 통상적인 Si-Fe재료보다 훨씬 높은 스위칭 레이트(switching rates)를 허용한다는 것을 알아냈다. 하나의 실시예에 있어서, 상기 고정자 코어로 Metgals®의 이용은 고주파수 작동에서 열로 인한 시스템의 한계들을 제거해 주며, 또한 상기 회전자 디자인은 상기 낮은 손실 재료의 특성을 이용하여 향상될 수 있다.

높은 폴 카운트는 주어진 장치에서 상대적인 용어이다. 본 발명의 디바이스에서 폴의 개수는 기구의 크기(물리적 제약)와 기대되는 성능 범위에 기초하여 변경된다. 폴의 개수는 자속 누설(magnetic flux leakage)이 바람직하지 못한 값으로 증가되거나, 또는 보다 적은 폴들이 향상된 성능을 나타낼 때까지 증가할 수 있다. 또한, 고정자 슬롯이 상기 회전자 자석과 부합되어야 하기 때문에, 기계적 한도는 로터 회전자 폴의 개수에 대하여 상기 고정자에 의하여 표현된다. 상기 고정자로 제조될 수 있는 슬롯의 개수와 관련된 기계 및 전자기적 한도가 있으며, 이는 다음으로 상기 기구의 프레임 크기의 함수이다. 몇몇의 경계들이 적당하게 조절된 구리 및 Metglass®를 갖는 주어진 고정자 프레임에서 슬롯의 상한을 결정하도록 셋팅될 수 있으며, 축 갭 기구를 양호하게 실행할 수 있는 파라미터로써 이용되어 질 수 있다. 본 발명은 가장 통상적인 전기 기구의 산업계 보다 약 4~5배 많은 수의 폴을 갖는 모터를 제공한다.

예로, 6~8개의 폴을 갖는 산업계 일반적인 모터의 경우, 약 800~3600rpm의 속도에서 모터의 경우, 정류 주파수는 약 100~400Hz이다. 상기 정류 주파수(commutating Frequency, CF)는 폴 쌍(pole pairs)의 개수가 곱해짐으로써 회전 속도가 되며, 여기서 상기 폴 쌍은 폴의 개수를 2로 나눈 수이고, 상기 회전 속도는 초당 회전 수의 단위이다(CF=rpm/60 × pole/2). 또한, 약 16폴보다 큰 높은 폴 카운트이나 1000rpm보다 적은 속도는 산업상 이용이 가능하고, 300Hz 미만의 주파수에 여전히 대응한다. 또 다르게는, 모타가 상대적으로 낮은 폴 카운트(약 6폴 이하)와 3000rpm까지의 속도를 가지고 이용될 수 있으며, 이때 정류 주파수는 여전히 약 400Hz 이하를 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 예를 들면, 1000Hz에서 96폴, 1250rpm; 1080Hz에서 54폴, 3600rpm; 1000Hz에서 4폴, 30000rpm; 및 1000Hz에서 2폴, 60000rpm인 기구를 제공한다. 그러므로, 본 발명의 모터들은 "표준" 모 터와 비교할때, 4 또는 5배 높은 주파수의 팩터를 제공한다. 본 발명의 상기 모터는 동일한 속도에서 작동될 때 업계에서 사용되는 일반적인 모터에 비하여 훨씬 더 효율적이며, 그 결과로써 더 큰 속도 옵션을 제공한다.

바람직한 디자인 방법

본 발명의 다양한 바람직한 실시를 위한, 디자인 특성을 결정하는 방법이 도 12에 나타난다. 도 12에서 나타낸 상기 디자인 방법은 식 조작의 조합을 통해, 축 에어-갭 기구가 상대적으로 적은 변수들로 정의될 수 있다는 인식에 기초한 것이다. 가능한 한 적은 변수를 가지고 상기 기구를 정의함으로써, 어떠한 변수가 최대화할 수 있고, 상기 전기 기구가 주어진 속도에서 최적화될 수 있다. 도 12의 방법은 주어진 속도에서 최적화된 토크, 따라서 최적화된 파워를 갖는 축 에어-갭 기구를 디자인하는 방법을 보여준다. 이러한 기구를 디자인하기 위해서, 이러한 기구는 먼저 가능한 한 적은 수의 변수를 갖는 기구의 토크를 표현하는 하나의 식으로 줄여져야 한다. 본 방법에 있어서, 축 에어-갭 기구의 토크는 다음의 식에 따라 표현될 수 있는 것으로 결정되었다:

여기에서,

τ=상기 전기 기구의 출력 토크(Nm);

j=전류 밀도(A/㎟);

D=상기 고정자 외직경(mm);

h=내주에서 코어포인트 투쓰 폭(mm);

t=고정자당 총 슬롯;

x=상기 고정자내 절연으로부터 총 버려진 슬롯폭(mm);

pf=퍼센트 슬롯 필(percent slot fill)로써 팩킹 팩터;

L=상기 코일의 축 길이(mm);

B=피크 플럭스 밀도(Tesla);

상술한 변수들중 다수는 또한 도 13의 그래픽 형성시 다시 참조된다.

상술한 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 9개의 변수가 있다. 그러나, 디자인의 어떤 예에 접근할 때, 다수의 이러한 변수들은 변화되지 않는 고정된 수일 것이다. 예를 들면, 상술한 식에서, 디자인된 기구의 타입에 기초하여 가정할 때, j, x, pf, L 및 B는 실제로는 변하지 않는다. 여기에서 λ, D, h 및 t가 유일하게 변수로 남는다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 이후 디자이너는 디자인의 유연성에 의존하여 D와 t값을 선택한다. 토크에 대한 식은 h 및 λ에 의존한다. 이러한 식의 그래프는 도 14에서 보여주는 것처럼 표면 플롯으로 나타날 것이다. 이후 디자이너가 λ에 대하여 상기 토크 식을 미분한다면, 디자이너는 0으로 상기 식의 결과를 설정하고, λ값을 찾을 수 있다. 0~1사이에서 λ값을 찾아낸 해답은 주어진 입력(input) 모두에 대해, 최적화된 토크를 제공할 것이다(정의에 의해서, λ는 0과 1 사이에서만 존재할 수 있기 때문에). 여기서, 디자이너는 당업계에서 모터, 발전기 또는 회전 전기 디바이스와 같은 기구를 전기-기계적으로 설계하는 엔지니어를 통칭한다.

상기 디자인 방법은 도 12에 보여지는 것처럼 요약된다. 도 12에 나타낸 것처럼, 상기 기구의 디자이너는 향상된 저손실 재료로 구성된 고정자를 갖는 축-에어갭 기구로 가정한다. 이후, 상기 디자이너는 바람직한 높은 최종속도(end speed)를 선택한다. 다음으로, 대략 1000Hz가 상기 기구의 바람직한 동위상 주파수로 선택되며, 상기 폴 카운트는 f=SㆍP/2의 식에 따라 계산되고, 여기서 S는 바람직한 높은 최종 속도이며, P는 폴의 개수이다. 이후, 바람직한 실시예로서 아래에서 논의되는 것처럼, 계산된 폴 카운트를 이용하고, 상기 기구의 폴당 페이즈당 슬롯을 0.5로 가정하여, 고정자 슬롯의 개수가 계산될 수 있다. 상기 바람직한 적용 및 제한에 의존하여, 상기 기구의 외직경이 선택된다. 이것은 위에서 제공된 토크 식에 따라, 결정을 위하여 h와 λ만을 남긴다. 이후, 상기 토크 식은 λ에 대하여 미분되고, 결과식은 0으로 설정된다. 이후 상기 식은 λ를 위하여 풀어진다. 0과 1사이의 λ를 산출하는 상기 해는 상기 주어진 모든 입력에 대해 최적화된 토크를 제공할 것이다.

상술한 바와 같이, 상기 디자인 방법은 향상된 저손실 재료를 이용하는 효율적이고 고출력 고속도 전기 디바이스의 바람직한 실시예를 제공한다. 물론, 상기 바람직한 실시예들을 벗어나는 다른 실시예 및 디자인이 본 발명의 취지와 범위에 벗어나지 않고 고려되어야 한다.

폴당 페이즈당 슬롯 비(slots per phase per pole ratio)

바람직한 실시예에서, 본 발명은 그 SPP 비가 0.5로 최적인 모터를 제공한다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 3-상 모터를 소개한다. 상기 3-상 모터의 경우, 회전자 폴의 개수가 고정자 슬롯의 2/3이며, 슬롯의 개수는 상(phase)의 개수의 배수이다. 상기 3-상(와이 형상)는 업계 표준이지만, 본 발명은 델타-형상의 채택을 배제하지 않는다.

하나의 측면에서, 상기 SPP 비가 매우 높은 수로 시작할 때, 예를 들면 약 6, 0.5로 감소되며, 전기 디바이스는 실질적인 토크 코깅, 파워 전자("PE") 리플(ripple ) 및 고 노이즈 레벨을 예시한다. 이전에 설명한 바와 같이, 코깅 및 PE 리플은 상기 전기 디바이스의 성능에 바람직하지 못한 효과를 갖는 토크의 변화를 제공한다.

통상적으로, 초점은 증가된 자기 코어 슬롯과 감소된 회전자 폴을 갖는 디바이스의 제조에 있으며, 이것은 1.0~3.0의 SPP 비를 얻고, 보다 기능적이고 덜 시끄러운 전기 디바이스를 제공한다. 그러나, 1.0 이상의 SPP 비에서 작동하는 전기 기구는 보다 좋은 와인딩 분포에 기인하여 보다 부드러운 출력을 제공하는 반면에, 증가된 최종 권선(end turn)의 문제를 갖는다. 최종 권선은 상기 기구의 토크 및 파워 출력에 기여하지 않는 상기 고정자내 상기 와이어의 일부이다. 이러한 의미에서, 그들이 비싸고 어떠한 이점도 제공하지 않으면서 저항 손실에 기여한다는 점에서 그들은 바람직하지 못하다. 따라서, 상기 모터 디자이너의 하나의 목표는 최종 권선을 최소화해서 제어할 수 있는 코깅(cogging) 및 소음을 갖는 모터를 제공하는 것이다.

최적으로, 누군가는 약 0.5의 SPP 비로 작동하고 싶어하며, 그 결과 최소 최종 권선을 갖는 전기 디바이스를 가져온다. 통상적으로, 최종 권선은 보다 효율적인 구리에서 보다 짧으나, 토크는 토크 퍼터베이션(perturbation, 코깅)이 더 커지는 동안 증가될 수 있다. 축 정렬을 갖는 본 발명의 실시예들은 1.0 이상의 SPP 비로부터는 이득이 없으며, 0.5에서의 SPP가 더 높은 성능을 갖는다. 더욱이, 여기에서 제공된 전기 기구의 상대적으로 높은 폴 카운트를 가지고, 0.5 또는 그 이하의 SPP 비를 가지고, 상기 회전자의 자석(그리고 일반적인 상기 회전자 구조)을 더 얇고 더 저렴하게 만들 수 있다.

통상의 자기 부재내에 복수의 슬롯을 가설하는 것이 가능하다-0.5 이상의 SPP로 정의된다. 이것은 회전자 폴 보다 더 많은 수의 고정자 슬롯이 존재함에 따른 결과이며, 분산된 와인딩을 야기한다. 0.5나 그 이하의 SPP 값은 분산된 와인딩이 없다는 것을 알려준다. 업계의 컨벤션(convention)은 상기 고정자내 분산된 와인딩을 포함한다. 그러나, 분산된 와인딩은 SPP 값을 높이고, 상기 주파수를 감소시킨다. 결과적으로, SPP=0.5 및 저주파수를 갖는 통상적인 기구에서, 또한 낮은 폴 카운트일 수 있다. SPP=0.5를 갖는 낮은 폴 카운트는 코깅을 제어하기가 매우 어려워진다.

이러한 모터는 단일 고정자 투쓰 주위에 미리-형성된 코일을 채택할 수 있기 때문에, SPP의 부분적인 수를 갖는 모터를 만드는 것이 유리할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 SPP 비는 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 또는 1.0 이상이다. 바람직한 실시예에서, 상기 SPP 비는 0.5이다.

와어어링 / 와인딩 디자인의 유연성

본 발명의 디바이스의 또 다른 장점은 제조자가 다른 와이어링 형상을 이용하는 것을 인정한다는 것이다. 통상적인 고정자 디자인은 1.0~3.0의 SPP 비를 이용한다는 상술한 초점 때문에 와인딩 디자인 선택을 제한하며, 다중 슬롯상에 상기 와인딩을 분산하는 것이 요구된다. 분산된 와인딩을 가지면서 2개 또는 3개 이상의 와인딩 옵션을 가진다는 것은 어려워진다. 본 발명은 상기 SPP=0.5 디자인의 장점을 취하는 능력을 제공하며, 여기에서는 통상적으로 고정자 투스(tooth)당 오직 하나의 분리된 코일이 존재한다. 그러나, 본 발명은 SPP=0.5를 갖는 다른 배열을 제외하진 않는다. 상기 하나의 투스 코일은 쉽게 변경되거나 재-연결되어 주어진 적용에서 요구되는 어떠한 전압을 제공한다. 따라서, 하나의 세트의 모터 하드웨어는 단순히 상기 코일을 변화시킴으로써 넒은 범위의 솔루션을 제공할 수 있다. 일반적으로, 상기 코일은 전자기 회로에서 변경할 수 있는 가장 쉬운 부재이다.

따라서, 본 발명의 디바이스에서 0.5에 근접하는 SPP 비가 주어지며, 고정자 와인딩 형상에 대한 상당한 유연성이 존재한다. 예를 들면, 상기 제조자는 각각의 고정자를 상호 분리하여 권선할 수 있으며, 또는 상기 제조자는 분리된 고정자 와인딩을 상기 동일한 고정자내에서 제공할 수 있다. 이러한 능력은 0.5와 동일한 SPP를 갖는 시스템의 장점중 하나이다. 비록 때때로 SPP=0.5를 채용하는 공업 시스템이 있기는 하지만, 널리 알려져 있지 않으며, 특정분야에서만 성공을 이루었다. 본 발명은 와인딩에 이러한 유연성을 허락하는 0.5와 같은 SPP를 갖는 시스템을 제공한다.

열적 특성

통상적인 Si-Fe 합금을 이용하는 것과 비정질 금속, 나노결정질 금속, 최적화된 Si-Fe 합금, 방향성 Fe계 재료 또는 무방향성 Fe계 재료을 이용하는 것을 포함하는 모든 전기 디바이스에서 디바이스 출력(output)을 제한하는 특성들중 하나는 폐열(waste heat)이다. 이러한 폐열은 저항손실(ohmic losses), 스킨 및 근접 효과 손실(skin and proximity effect losses), 자석 및 다른 회전자 부재에서 와전류에 따른 회전자손실 및 고정자 코어(stator core)로부터의 코어 손실을 포함하나 이에 제한되지는 않는 다수의 소스로부터 유래한다. 많은 양의 폐열이 방출되기 때문에, 통상적인 기구들의 상기 폐열 방출 능력은 곧 한계에 도달한다. 통상적인 기구의 "연속 출력 한도(continuous power limit)"는 방출되는 모든 폐열을 계속하여 방산하는(dissipating) 동안, 상기 기구가 계속적으로 작동할 수 있는 최대 속도에 의하여 종종 결정된다. 상기 연속 출력 한도는 또한 상기 전류의 함수이다.

그러나, 본 발명의 디바이스에 있어서, 비정질 금속, 나노결정립 금속, 최적화된 Si-Fe 합금, 방향성 Fe계 재료 또는 무방향성 Fe계 재료가 통상적인 Si-Fe보다 낮은 손실을 갖기 때문에 보다 적은 폐열이 방출되며, 상기 디자이너(designer)는 주파수, 속도 및 출력을 증가시키고, 이후 낮아진 코아 손실 대 증가된 저항 손 실의 가능성을 바르게 조절하거나 "교환(trading)"함에 의하여 이러한 저손실 특성을 이용할 수 있다.

결국, 도 5에서 예시된 바와 같이, 그리고 이하, 보다 상세하게 논의되듯이, 통상적인 기구와 같은 출력의 경우, 본 발명의 모터는 보다 낮은 손실, 따라서 보다 높은 토크 및 속도를 보여준다.

따라서, 본 발명의 디바이스는 통상적인 기구보다 높은 연속적인 속도 한도를 달성할 수 있다.

향상된 효율

본 발명의 하나의 장점은 비용 효율을 유지하면서 장치의 효율을 최대로 하는 능력이다. 상기 효율은 상기 디바이스의 출력을 입력 파워로 나눔으로써 정의된다. 높은 폴 카운트(high pole count)를 가지며 보다 높은 정류 주파수에서 동시에 작동하는 본 발명의 능력은 낮은 코어 손실 및 높은 출력밀도를 갖는 보다 효율적인 디바이스를 야기한다. 400MHz의 높은 주파수 한도는 어떠한 실제적인 적용에서는 거의 존재하지 않는 공업 표준을 넘어선 것이다.

본 발명의 성능 및 증가된 효율은 통상적인 Si-Fe를 비정질 금속과 같은 낮은 손실 재료로 대체한 고유한 형상만이 아니다. 역사적 예상으로부터, 이것은 거의 15년전에 시도되었으며, 성능 미달(과열 및 보다 낮은 출력을 포함하는)에 봉착도었다. 이러한 미달은 통상적인 재료(예를들면, Si을 3.5중량% 이하를 갖는 Si-Fe)로 디자인되고 적합한 방식으로 새로운 재료(비정질)를 단순히 적용한 결과였 다. 모터로 제조하는 상기 비정질 금속의 체감 비율과 결합된 이러한 초기의 성능 미달은 산업계의 거의 모든 회사가 상기 연구를 포기하게 했다. 본 발명은 비정질 금속, 나노결정질 금속, 최적화된 Si-Fe 합금, 방향성 Fe계 재료 또는 무방향성 Fe계 재료의 특성을 이용한 회전 기구를 디자인함으로써 상기 성능 미달을 또한 극복한다. 이것은 400MHz 이상의 정류 주파수에서, 높은 폴 카운트를 가지고, 고 효율로, 고 출력밀도를 가지고 작동하는 모든 유익한 품질(quality)을 갖는 모터를 초래한다. 다른 통상적인 방법이 상기 4개의 품질중 오직 2개의 조합만을 제공하나, 본 발명은 4개의 모든 품질을 동시에 보여주는 모터를 제공한다.

본 발명의 또 다른 장점은 히스테리시스손을 포함하는 효율 손실이 상당히 감소된다는데 있다. 히스테리시스손은 방향성 Si-Fe 합금의 자화동안 늦추어진 도메인-월(domain-wall) 운동으로부터 유래하며, 상기 코어의 과열을 초래할 수 있다. 증가된 효율의 결과로써, 본 발명의 모터는 보다 큰 연속적인 속도 범위를 달성하는 것이 가능하다. 상기 속도 범위 이슈는 상기 토크-속도 곡선 아래의 영역으로 묘사된다. 통상적인 모터는 고속도 범위에서 낮은 토크(낮은 파워)를 제공하거나, 또는 저속도 범위에서 높은 토크를 제공하는 것으로 제한된다. 본 발명은 고속도 범위에서 높은 토크를 갖는 모터를 성공적으로 제공한다.

[표 2]

디자인 파라미터와 성능의 비교

1) 통상적인 철 코어 모터 (Gieras et al.에 제공된 데이타)

2) Gieras et al.의 철이 없는 디스크 타입 디자인

3) 70-32, 본 발명에 따라 재디자인되지 않은 750rpm으로 감속된

4) 여기에서 게시된 대표적인 모터, Gieras와 동일한 외직경으로 재디자인된

표 2는 본 발명의 모터의 디자인 파라미터와 성능을 Gieras et al., IEEE에서 발행된 것처럼(2002년 7월 2일), 10kW, 750rpm 철이 없는 디스크 타입 영구자석 브러시리스 모터와, 통상적인 고정자와 회전자 코어를 갖는 10kW, 750rpm과를 비교하여 제공한다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 여기에서 게시된 원리에 따라 디자인된 대표적인 모터는 동등하거나 그 이상의 파워, 동일한 속도, 동등하거나 그 이상의 토크, 대략적으로 동일한 효율 및 그 이상이 전류 밀도(보다 낮은 코어 손실이 결과로서)를 제공한다. 또한, 본 발명의 모터는 보다 적은 영구자석 재료를 이용하며, 실제적으로 상기 Gieras et al. 모터 또는 통상적인 모터보다 적은 활성 재료를 이용한다. 또한, 표 2는 본 발명이 Gieras et al. 시스템보다 활성 재료의 킬로크램당 같거나 그 이상의 토크를 제공하고, 보다 덜 비싸며, 유사한 써멀 레이팅(thermal ratings)을 가지고 보다 높은 주파수(2의 팩터에 의하여)에서 작동함을 보여준다. 이것은 본 실시예의 상기 비정질 금속의 우수한 특성을 이용함에 의하여 달성된다.

[표 3]

디자인 파라미터와 성능의 비교

a) # 5K182BC218A모델을 갖는 GE 모터, Qu et al.에 의하여 제공된 데이타

b) 팬과 열 싱크(sink)에서 제외한 룸

c) Yasakawa Electric Co. 모터, Qu et al.에 의하여 제공된 데이타

d) Federico Caricchi에 의하여 디자인된, Qu et al.에 의하여 제공된 데이타

e) Qu et al.에 의하여 디자인된 방사상-플럭스, 환형으로-권선된, 영구 자석 기구

f) 질량당 토크

g) 부피당 토크

표 3은 본 발명의 모터의 디자인 파라미터 및 성능을, Qu et al., IEEE에서 발행된(2002년 7월 2일) 듀얼-회전자(dual-rotor), 방사상-플럭스(radial-flux), 환형으로 권선된 영구자석 기구(RFTPM), 상업적 유도 모터(IM), 내부 영구 자석 기구(IPM), 엑시얼-플럭스(Axial-Flux) 환형으로-권선된(Toroidally-Wound) 영구자석 기구(AFTPM)와 비교하여 제공한다. 모터 Ⅰ과 모터 Ⅱ는 1000Hz의 주파수에서 작동하며, 유사한 써멀 레이팅(1.0~1.45 W/in²)을 가지고 약 13cm의 외직경(outer diameter)을 갖는다. 표 3은 본 발명의 모터가 주어진 속도 및 보다 높은 효율로 보다 큰 토크를 제공함을 보여준다.

이상적인 정사각형 토크-속도 곡선

본 발명은 보다 정사각형 토크-속도 곡선을 가지고 작동하는 전기 디바이스를 제공한다. 도 5a는 케이스 1을 보여준다: 본 발명에 따라 제작된 모터와 통상적 인 모터의 토크-속도 곡선, 상기 속도는 수평축에 상기 토크는 수직축에 플롯된다. 비록 어떠한 폴 카운트도 비교의 수단으로 이용될 수 있지만, 선택된 폴 카운트는 8이었다. 어떠한 토크가 어떠한 속도에서 얻어지는 것이 모터에는 바람직하며, 이것은 모터가 작동될 때 직사각형 또는 정사각형 영역으로 그려진다.

통상적인 기구는 상기 토크(수직축)가 상기 저항 손실에 의하여 분배되는 열적 손실에 의하여 제한되기 때문에, 허용된 주어진 공간의 오직 일정부분에서만 정사각형 토크 속도 곡선을 만들 수 있다. 또한, 상기 속도(수평축)은 증가하는 주파수에 의하여 제한되며, 또한 이전에 논의한 바와 같이 상기 재료의 코어 손실을 증가시키는데 영향을 미친다. 즉, 누군가가 통상적인 모터의 통상적인 토크 대 속도의 곡선을 분석한다면, 그는 도 5a에서 나타낸 것과 유사한 곡선을 얻게 된다. 이와는 대조적으로, 본 발명의 상기 모터가 유사한 토크에 존재하는 동안, 상기 속도 범위는 보다 낮은 주파수-관련 손실때문에 통상적인 모터보다 증가된다.

도 5b는 케이스 2를 보여준다: 본 발명에 따른 상기 모터는 본 발명에서 제안한 바와 같이, 고주파수 작동의 장점을 갖도록 36폴로 재-디자인되었다. 상기 코어 손실은 상기 새롭게 도달할 수 있는 속도 한도가 통상적인 기계의 속도 한도와 유사하게 되도록 허락한다. 그러나, EMF를 방출하는 고주파수의 결과로서, 주어진 토크에서 상기 대응하는 저항 손실은 통상적인 기구에서 보다 본 발명에서 보다 낮으며, 따라서 본 발명은 열적 한도를 초과하지 않고 상기 모터 토크를 증가시킬 수 있다. 그러므로, 상기 코어 손실이 낮은 재료의 특성을 이용한 결과로서, 본 발명은 상기 통상적인 모터를 능가한다.

상기 본 발명의 전기 디바이스는 통상적인 디바이스에 비하여 상기 곡선 아래 영역의 양이 상당히 증가한 토크-속도 곡선을 제공한다. 상기 곡선 아래의 증가된 영역은 보다 많고 보다 큰 적용에 주어진 디자인을 위해 현재 도달될 수 있음을 나타낸다. 상기 파워는 속도에 따라 선형적으로 증가됨이 알려져 있다. 본 발명에 의해 제공되는 바와 같은 상기 증가된 디바이스 속도와 일정한 토크를 가지면, 그 디바이스는 보다 큰 출력밀도, 예를 들면 고정된 크기에서 보다 큰 출력을 갖는다. 상기 나타낸 케이스 1 및 2에서, 본 발명의 모터는 상기 통상적인 모터를 능가한다.

전체 조화 왜곡(Total Harmonic Distortion)

본 발명의 또 다른 장점은 상기 회전자 배열의 자기 폴이 고정자 폴을 가로질러 통과하기 때문에 본 발명의 장치는 낮은 전체 조화 왜곡(THD)을 갖는 순수한 사인곡선을 제공한다는데 있다. THD는 추가적이고 비-생산적인 전류 흐름을 초래하고, 다음으로 추가적인 열을 초래한다는 점에서 바람직하지 못하다. 낮은 THD는 상대적이며, "양호한(good)" 디자인은 항상 5% 미만이고, 1% 미만이 요구될 수도 있다. 또한, 몇몇 규제 기관은 스레쉬홀드 THD 값을 명시하고 있으며, 규제 승인이 얻어질 수 있는 것이 초과되지는 않는다. 예를 들면, 어떤 THD 값은 유럽의 CE 마크를 획득하기 위하여 만나져야만 한다.

0.5의 SPP비는 보다 사인곡선 형태의 출력을 제공하는 경향이 있으며, 출력은 상기 전자장치에 의하여 보다 향상될 수 있다. 본 발명은 SPP=0.5의 바람직한 값을 이용하기 위하여 비정질 금속, 나노결정질 금속, 최적화된 Si-Fe 합금, 방향성 Fe계 재료 또는 무방향성 Fe계 금속을 이용하기 때문에, 이후 이러한 낮은 THD의 제 3의 이익이 다시 상기 재료의 적절한 채용을 고려함에 의하여 얻어질 수 있다.

실시예

모터가 상술한 전기 기구 개념에 따라 디자인되었다. 상기 모터의 자기 코어는 Metglas® 합금 2605SA1으로부터 형성되었으며, 54개의 동등하게 위치된 투스를 갖도록 홈이 파졌다. 상기 고정자 와인딩은 실온에서 약 0.011Ω의 저항을 갖는 단일층의 26+/-1 회전의 코일이다. 상기 회전자 조립체는 회전자 플레이트내 교차하는 극을 갖도록 배열된 36개의 회전자 자석으로부터 제조되었다. 상기 회전자 자석은 36MGOe 이상의 최대 에너지 생산 및 21kOe 이상의 진성 항자력(intrinsic coersive force)을 갖는 희토류/철/보론 자석이다. 이러한 전기 기계의 성능 특성은 아래의 표 4에 나타낸다:

[표 4]

대표적인 성능

당업계에서 통상적인 지식을 가진 자는 여기에서 원래의 것 뿐만 아니라 상기 목표를 수행하고 언급된 목적 및 장점을 얻기 위하여 잘 적응될 수 있음을 즉각적으로 이해할 것이다. 바람직한 실시예의 실제적인 표현으로써 여기에 묘사된 상기 전기 장치는 대표적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 그 안에서의 변화 및 다른 이용은 당업계의 통상적인 자에게 발생할 것이며, 이는 청구항의 범위에 의하여 정의된 본 발명의 취지내에 포함된다.

다양한 치환 및 변경은 본 발명의 범위 및 취지로부터 벗어나지 않은 여기에 게시된 본 발명에 속하는 것으로 당업계에서 통상적인 지식을 가진 자에게 분명할 것이다. 예를 들면, 비록 축 갭 전기 기구는 여기에서 일반적으로 묘사되나, 다른 타입의 전기 기구가 방사상 갭 기구 또는 선형 기구와 같이, 여기에서 게시된 원리에 따라 디자인될 수 있다. 또한, 상기 전기 기구는 인덕션 기구, 동위상 기구, 동위상 자기저항 기구, 스위치 자기저항 기구 및 dc 전자석 기구와 같은 영구 자석 기구이외에 다수의 전기 기구를 포함할 수 있다. 또한, 다른 타입의 회전자 및/또는 고정자 와인딩 스킴(schemes)은 본 발명의 범위내에 모두 속한다. 따라서, 이러한 추가적인 실시예는 본 발명 및 다음의 청구항의 범위내에 속한다.

추가적인 실시예에서, 부재 또는 제한은 상기 부재 또는 제한과 연관된 다양한 다른 가능한 수 또는 크기를 가지고 설명되며, 상기 부재 또는 제한은 상기 범위의 최종 포인트(endpoints)로 제공된 어떠한 특정한 2개의 값을 취함으로써 특정된 범위내에 있다. 상기 범위는 반대되는 것이 명백하지 않다면, 상기 최종 포인트를 포함한다.

Claims (42)

1. (a)저손실 연자성재료로부터 형성된 단일 자기 코어를 포함하는 적어도 하나의 고정자, 그리고

   (b)복수의 폴(pole)을 포함하는, 상기 적어도 하나의 고정자와 자기적 반응을 위하여 배열되고 배치된 적어도 하나의 자기장 조립체를 포함하고;

   상기 단일 자기 코어는 많은 슬롯들을 포함하고, 상기 슬롯들은 고정자 와인딩으로 권선되어 있으며,

   상기 저손실 연자성재료는 L=12·f·B^1.5+ 30·f^2.3·B^2.3으로 주어진 식에서 정의되는 "L" 미만의 코어 손실에 의해 특징되며(여기에서 L은 코어 손실 W/kg, f는 주파수 kHz, B는 자속밀도 피크 Tesla이다), 그리고

   디바이스의 작동 동안 주파수가 300Hz 보다 큰 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스
2. 제 1항에 있어서, 상기 디바이스는 축-에어갭(axial-airgap) 디바이스인 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스
3. 제 1항에 있어서, 상기 전자기 디바이스의 주파수가 상기 디바이스의 작동중 400Hz 보다 큰 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스
4. 제 1항에 있어서, 상기 전자기 디바이스의 주파수가 상기 디바이스의 작동중 400Hz와 1000Hz 사이에 있음을 특징으로 하는 전자기 디바이스
5. 제 1항에 있어서, 상기 전자기 디바이스의 주파수가 상기 디바이스의 작동중 1000Hz인 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스
6. 제 1항에 있어서, 상기 저손실 연자성재료는 비정질금속인 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스
7. 제 1항에 있어서, 상기 저손실 연자성재료는 나노결정질 금속인 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스
8. 제 1항에 있어서, 상기 저손실 재료는 최적화된 Si-Fe합금인 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스
9. 제 1항에 있어서, 상기 단일 자기 코어는 또한 단일몸체 자기 코어인 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스
10. 제 1항에 있어서, 상기 디바이스의 폴당 페이즈당 슬롯(slot per phase per pole)이 0.5인 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스
11. 제 1항에 있어서, 상기 자기장 조립체는 회전자인 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스
12. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 폴은 36개 폴을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스
13. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 폴(pole)은 분당 12,000 회전 보다 큰 속도에서 4 보다 큰 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스
14. (a)하기식으로 정의되는 "L"값 미만의 코어 손실에 의해 특징되어 지는 저손실 연자성재료를 선택하는 단계;

    L=12·f·B^1.5+ 30·f^2.3·B^2.3

    여기에서, L은 코어 손실 W/kg, f는 주파수 kHz, 그리고 B는 자속밀도 피크 Tesla이다.

    (b)상기 저손실 연자성재료로 부터 형성된 단일 자기 코어를 포함하는 적어도 하나의 고정자 조립체를 제공하는 단계;

    (c)상기 슬롯내 고정자 와인딩을 제공하는 단계; 및

    (d)상기 고정자 와인딩과 자기적으로 반응하는 복수의 폴을 포함하는 적어도 하나의 자기장 조립체를 제공하는 단계;를 포함하는 전자기 디바이스의 제조방법
15. 제 14항에 있어서, 상기 전자기 디바이스는 축-에어갭(axial-airgap) 디바이스인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 전자기 디바이스의 제조방법
16. 제 14항에 있어서, 상기 자기장 조립체는 회전자인 것을 특징으로 하는 전자기 디바이스의 제조방법
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