KR100741230B1 - 인터페이스되는 스테이터와 로터 요소 사이의 가변 에어갭을 갖는 로터리 영구자석 전기 모터 - Google Patents

Abstract

영구자석 모터는 인터페이스되는 로터 영구자석 및 스테이터 극의 쌍 사이의 반경방향 거리가 상기 쌍의 원주방향 길이를 따라서 선택적으로 변동되도록 구성된다. 전반적인 토크 시그니쳐에 대한 코깅 토크의 효과는 적절한 에어 갭 변동 프로파일을 설정함으로써 제어될 수 있다. 스테이터 극 및 로터 자석 표면은 서로에 대해서 경사질 수 있으며, 그 사이의 각도는 원하는 코깅 토크 보상을 얻을 수 있도록 선택된다. 다른 에어 갭 변동 프로파일은 오목한 표면의 구비를 포함할 수 있으며, 그 오목함의 정도는 선택 가능하다.

Description

인터페이스되는 스테이터와 로터 요소 사이의 가변 에어 갭을 갖는 로터리 영구자석 전기 모터 {ROTARY PERMANENT MAGNET ELECTRIC MOTOR WITH VARYING AIR GAP BETWEEN INTERFACING STATOR AND ROTOR ELEMENTS}

관련 출원

본 특허 출원은 2000년 5월 16일자로 출원된 핀티코브(Pyntikov) 외의 공동계류중인 미국 특허 출원번호 제09/571,174호, 2001년 4월 5일자로 출원된 마슬로브(Maslove) 외의 공동계류중인 미국 특허 출원번호 제09/826,423호, 2001년 4월 5일자로 출원된 마슬로브 외의 공동계류중인 미국 특허 출원번호 제09/826,422호, 2001년 10월 1일자로 출원된 마슬로브 외의 미국 특허 출원번호 제09/966,101호, 2002년 2월 7일자로 출원된 마슬로브 외의 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제10/067,305호, 2002년 6월 4일자로 출원된 마슬로브 외의 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제10/160,257호, 2002년 6월 4일자로 출원된 마슬로브 외의 공공계류 중인 미국 특허 출원번호 제10/160,254호에 관련된 내용을 포함하고 있으며, 이들 모두는 본 특허출원과 함께 일반 양도되어 있다. 이들 특허 출원의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 병합된다.

기술분야

본 발명은 로터리 전기 모터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 인터페이스 되는 로터 영구자석과 스테이터 극 사이의 가변 치수의 반경방향 에어 갭을 갖는 영구자석 모터에 관한 것이다.

상기의 마슬로브 외의 공동계류 중인 관련 미국 특허 출원 제09/826,423호에서는, 제작의 단순화가 용이하며 효율적이고 신축적인 동작 특성이 가능한 개선된 모터에 대한 필요성을 인식하여 이를 다루고 있다. 차량 구동 환경에서는, 예를 들면, 최소 동력 소비로 높은 토크 출력을 유지하면서, 넓은 속도 범위에 걸쳐서 원활한 동작을 달성하는 것이 매우 바람직하다. 이러한 차량 모터 구동부는 불편을 최소화하면서 부품 교체를 위한 다양한 구조적인 구성 요소로의 접근성을 유익하게 제공해야 한다. 상기 공동 계류중인 관련 미국 출원에서는 환형 링으로 구성된 격리된 투자성(透磁性) 구조로서의 전자석 코어 세그먼트의 형성에 대해서 기재되어 있다. 이러한 구조에 의해서, 종래 기술의 실시예와 비교하여 유익한 효과를 제공할 수 있도록 자속이 집중될 수 있다.

상기의 마슬로브 외의 특허 출원에 설명된 바와 같이, 전자석 코어 세그먼트의 격리는, 다른 전자석 부재와의 상호 작용에 의한 유해한 트랜스포머 간섭 효과 또는 자속 손실을 최소로 하면서, 자심(magnetic core)에 개별적인 자속 집중을 가능케 한다. 단일 극 쌍을 격리된 전자석 그룹으로 구성함으로써 동작상의 이점이 얻어질 수 있다. 개별 극 쌍을 다른 극 그룹으로부터 자속 경로 격리하면, 극 쌍의 권선에 대한 전류 인가가 스위칭될 때 인접한 그룹에 미치는 자속 트랜스포머 효과를 제거할 수 있다. 그룹 내에 추가적인 극이 없으면, 그룹 내에서 이러한 효과를 회피할 수 있다. 축방향으로 정렬된 스테이터 극과 축방향으로 정렬된 로터 자석이 기계의 능동 에어 갭(active air gap)에 고도로 집중된 자속 밀도 분포를 제공하는 구성과 같이, 모터 구조의 3차원 특성을 이용함으로써 얻어지는 다른 이점이 기재되어 있다. 이러한 구성은 동일한 에어 갭 직경을 갖는 종래 기술의 모터와 동일한 개별 능동 에어 갭 표면적 및/또는 더 넓은 능동 에어 갭 총 면적을 갖는 더 많은 수의 극을 제공한다.

상기한 구성에 의해서 얻어질 수 있는 자속 집중의 이점 외에, 최근 도입된 NdFeB(neodymium-iron-boron) 자성 물질은 브러시 없는 기계(brushless machine)에 이전에 사용되던 다른 영구자석 물질보다 더 큰 자속 밀도를 발생시킬 수 있고, 그래서 토크 출력을 증대시킨다. 다수의 극을 포함하는 모터 내의 고밀도 발생 영구 자석의 사용은, 코깅 토크(cogging torque)에 의해 발생될 수 있는 바람직하지 않는 효과를 개선하는 것에 대한 관심을 제공한다. 코깅 토크는, 영구자석에 장착된 로터와 선택적으로 자화된 상태에 있지 않는 스테이터 극 사이의 자기 인력(magnetic attraction)에 의해서 발생된다. 이 인력은 로터 자석과 스테이터 극 사이의 자기 저항을 최소화하도록 로터 자석을 스테이터 극 반대편의 평형 위치로 움직이는 경향이 있다. 스테이터의 전류 인가에 의해서 로터가 회전되도록 구동됨에 따라, 전류 인가되지 않은 전자석 세그먼트와의 자석 상호작용에 의해서 발생된 코깅 토크의 크기 및 방향은, 전류 인가된 스테이터 세그먼트에 의해 발생된 토크에 반대되도록 및 교호적으로 부가되도록 주기적으로 바뀐다. 보상이 없으면, 코깅 토크는 로터의 회전에 의해서 갑작스럽게 방향을 바꿀 수 있다. 코깅 토크가 의미 있 는 크기를 갖는다면, 회전에 대한 장애로 될 뿐만 아니라, 정밀 속도 제어 및 원활한 동작이라는 목적에 유해한 기계적인 진동의 원인이 된다.

코깅 토크의 발달에 대한 예시로서, 공동계류 중인 2001년 4월 5일자 출원의 특허 출원 번호 제09/826,422호에 개시된 것과 같은 모터를 생각해 볼 수 있다. 이 특허 출원의 개시 내용은 본 명세서에 병합되어 있다. 도 1은 로터와 스테이터 요소를 나타내는 예시적인 도면이다. 로터 부재(20)는, 서로 이격되며 원통형의 백 플레이트(25)를 따라서 실질적으로 균일하게 분포된 영구 자석(21)을 갖는 환형 링 구조이다. 영구 자석은 환형 링의 내주(內週)를 따라서 자극성이 교호적으로 되는 로터 극이다. 로터는 스테이터 부재(30)를 둘러싸며, 로터와 스테이터 부재는 환형의 반경방향 에어 갭에 의해서 떨어져 있다. 스테이터(30)는 에어 갭을 따라서 균일하게 분포된 동일한 구성의 복수의 전자석 코어 세그먼트를 포함한다. 각각의 코어 세그먼트는 에어 갭과 마주하는 표면(32)을 갖는 2개의 극을 형성하는 대체로 U형상의 자성 구조를 갖는 스테이터 코어 엘리먼트(36)를 포함한다. 극 쌍의 레그(leg)에는 권선(38)이 감겨지지만, 코어 세그먼트는 극 쌍을 연접하는 부분에 형성된 단일의 권선을 수용하도록 구성될 수도 있다. 각각의 스테이터 전자석 코어 구조는 인접한 스테이터 코어 요소들로부터 분리되며, 자기 격리된다. 스테이터 코어 엘리먼트(36)는 비투자성(非透磁性) 지지 구조에 고정되며, 그에 따라 환형의 링 구조를 형성한다. 이 구조는 인접한 스테이터 극 그룹들로부터의 스트레이 트랜스포머 자속 효과의 영향을 제거한다. 능동 모터 요소들이 보다 분명하게 보일 수 있도록 도시가 생략된 적절한 스테이터 지지 구조를 앞에서 언급한 특허 출원에서 볼 수 있다.

도 2는 스테이터 극이 로터 영구자석(21)에 대해서 도시되어 있는, 도 1에 예시된 것과 같은 모터의 부분적인 평면 배치를 나타내는 다이어그램이다. 스테이터 코어 세그먼트(36, 스테이터 코어 엘리먼트) 각각은 베이스부(31)와 극 슈 부분(32)을 갖는 한 쌍의 극을 포함한다. 이들 극들은 연접부(33)에 의해서 서로 일체적으로 연접된다. 각각의 극 쌍을 위한 도시하지 않은 전류 인가 권선이 잘 알려진 방식으로 극의 베이스부 상에 또는 연접부 상에 형성될 수 있다.

도 3은 모터 동작시에, 0-5로 지칭된 로터 자석에 대해서, 극 표면(32)이 A-D로 지칭된, 2개의 인접한 스테이터 코어 엘리먼트(36)의 부분적인 평면 배치도를 나타낸다. 로터 자석의 위치는, 로터가 좌측으로부터 우측으로 이동한 기간 동안에 3개의 순간의 시간(t₁-t₃)에 대해서 (A)-(C)로 나타낸다. 시간 t₁에서, A-B 스테이터 극 쌍의 권선에는, A에서 강한 남극(south pole)을 및 B에서 강한 북극을 형성하는 방향으로 흐르는 전류가 인가된다. C-D 스테이터 극 쌍의 권선은 전류가 인가되지 않는다. 로터의 위치는 (A)로 나타낸다. 북극 자석(1)과 남극 자석(2)은 스테이터 극 A와 겹쳐진다. 남극(2)과 북극(3)은 스테이터 극 B와 겹쳐진다. 이때, 자석(3)은 극 C와 겹쳐지는 위치로 근접한다. 남극 자석(4)은 극 C와 실질적인 정렬 상태에 있으며, 북극 자석(5)은 극 D와 실질적인 정렬 상태에 있다. 이때, 남극 A와 북극 자석(1) 사이의 인력, 북극 B와 남극 자석(2)사이의 인력, 및 북극 B와 북극 자석(3) 사이의 척력에 의해서, 모터링 토크(motoring torque)가 발생된다. 극(C와 D)은 각각, 자석(4와 5)의 인력에 의해 야기되는 약한 북 및 남 자성(磁性)을 갖는다. 최소의 자기 저항을 유지시키려고 하는 이 인력은 모터 구동 토크와는 반대 방향이다.

시간 t₂에서, 로터는 (B)로 나타낸 위치로 움직였다. 극 쌍(A-C)의 권선에 대한 전류 인가는 OFF로 변경되었다. C-D 극 쌍의 권선은 전류가 인가되지 않는다. 자석(1과 2)은 극(A 및 B)과 각각 실질적으로 정렬 상태에 있다. 북극 자석(3)과 남극 자석(4)은 극 C와 겹쳐진다. 남극 자석(4)과 북극 자석(5)은 극 D와 겹쳐진다. 극(A와 B)은 각각 약한 남 및 북 자성을 갖는다. 스테이터 극(C와 D)은 북극 및 남극의 로터 자석 모두에 의해서 영향을 받는다. 극 C는 북극 자석(3)과 남극 자석(4) 사이의 자속 경로에 있다. 극 D는 남극 자석(4)과 북극 자석(5) 사이의 자속 경로에 있다. 그래서, 로터 자석이 전류가 인가되지 않은 스테이터 극과 직접적인 정렬 상태로부터 부분적인 정렬 상태로 이동함에 따라, 모터 구동 토크에 반대가 되며 크기가 변하는 코깅 토크가 발생되었다.

시간 t₃에서, 로터는 (C)로 표시된 위치로 이동하였다. A-B 극 쌍의 권선에 대한 전류 인가는 반대가 되었으며, 그에 따라 극 A에서는 강한 북극을 그리고 극 B에서는 강한 남극을 야기시킨다. C-D 극 쌍의 권선에는 전류가 인가되지 않는다. 북극 자석(1)과 남극 자석(2)은 스테이터 극 B와 겹쳐진다. 남극 자석(0)과 북극 자석(1)은 스테이터 극 A와 겹쳐진다. 이때, 남극 자석(2)은 극 C와 겹쳐지는 위치로 근접한다. 북극 자석(3)은 극 C와 실질적인 정렬 상태에 있으며, 남극 자석(4)은 극 D와 실질적인 정렬 상태에 있다.

상술한 바와 같이, 상반되는 코깅 토크는 회전이 진행됨에 따라 회전 각 위치에 대하여 변하는 방식으로 모터링 토크를 유발시킨다. 코깅 토크는, 로터 자석이 에어 갭을 가로질러 스테이터 극과 마주하려는 순간의 전이점(transitional point)에서 가장 두드러진다. 영구자석의 대체로 직사각형 표면의 선단 에지가 직사각형 스테이터 극의 평행한 에지에 접근함에 따라 코깅 토크에 갑작스런 변화가 일어난다. 로터 영구자석의 부근에서 에어 갭에 큰 자속 밀도를 부여하는 NdFeB(네오디움-철-붕소) 자성 물질과 같은 고 에너지 밀도 영구자석 물질의 사용은, 바람직하지 않은 진동이 두드러지게 될 수 있는 정도까지 이러한 효과를 증대시킨다. 축방향으로 정렬된 복수 열의 스테이터 극 및 로터 자석과 같은, 다수의 스테이터 극과 로터 극을 갖는 모터는 훨씬 더 큰 코깅 토크 효과를 발생시킬 수 있다. 동일한 방식으로, 코깅 토크는 일체형 스테이터 코어를 갖는 모터에서 가변 크기로 발생될 수 있다.

코깅 토크의 효과를 최소화하기 위해서 다양한 방법들이 사용되어 왔다. 이러한 방법들에서는 로터 위치에 대한 자기 저항 변화율을 감소시키거나, 기계 내에서의 자속을 감소시키거나, 혹은 개별 극에 의해서 발생된 코깅 토크가 서로 상쇄되도록 일체형 스테이터 코어에서 극을 시프트시키려고 한다. 영구자석과 전자석 표면들 사이에서 발생하는 전자석 상호 작용의 강도를 제어하기 위해서 전자 방식이 이용될 수 있다. 이러한 방법은 모터 제어 알고리즘과 동시에 실행되는 복잡한 제어 알고리즘을 수반하며 모터의 전반적인 성능을 저감시킬 수 있다는 점에서 결점을 갖는다. 자속의 감소는, 새로운 영구자석 재료 및 앞에서 언급한 공동계류 중 인 특허출원의 자속 집중 방법으로부터 얻어지는 이점을 축소시킨다. 종래의 일체형 스테이터 코어 구조에서의 극 위치의 시프팅은 극의 크기, 위치 및 개수에 있어서 제한을 가하며, 이는 최적 동작을 제공하는 구조를 불가능하게 할 수 있다.

다른 방법은 스테이터 극의 형상을 변경함으로써 기계의 구조를 변형시키는 것을 포함한다. 전통적으로 적층된 박판(薄板)으로 만들어진 종래 기술의 스테이터 극은 변형에 대하여 별로 신축적이지 못하다. 이용 가능한 적층 기계가공 프로세스는 특히 3차원적으로 종래의 패턴을 개조하는 능력에 있어서 한계를 갖는다. 이러한 적층 구조의 실질적인 변형 범위는 너무 복잡하며 또한 실행하기에는 너무 비용이 많이 든다.

그래서, 비용 및 적용에 있어서 실용성을 제공하면서 모터의 효율적인 동작 및 제어 성능을 손상시키지 않는, 특히 높은 자속 밀도 크기 및 자속 집중을 갖는 모터에 있어서의 효과적인 코깅 보상에 대한 요구가 존재한다.

공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제10/160,257호에서는, 스테이터 극 표면의 기하학적 구성 및 로터 자석 표면의 기하학적 구성이 서로에 대해서 비스듬하도록 스테이터 극 표면 또는 로터 자석 표면을 성형함으로써 이러한 요구에 대해서 다루고 있다. 이러한 비스듬한 구조의 효과는, 영구자석이 그 회전 경로를 이동함에 따라 로터 자석과 전류가 인가되지 않은 스테이터 전자석의 하나의 극 사이의 상호 작용에 의해서 발생되는 코깅 토크의 변화율을 감쇠시키는 것이다. 스테이터 극을 선택적으로 성형할 수 있는 능력은, 다양한 구체화된 형상을 형성하는데 적합한 연질의 투자성 매체와 같은 코어 재료의 사용을 통해서 가능하게 된다. 예를 들 면, 코어 재료는 연질 자석 등급의 Fe, SiFe, SiFeCo, SiFeP 분말 재료로 제조될 수 있으며, 이들 각각은 고유한 파워 손실, 투자성 및 포화 레벨을 갖는다. 이들 재료는 초기에 임의의 원하는 3차원 형상으로 형성될 수 있으며, 그에 따라 이미 성형된 견고한 적층 재료의 기계 가공 가능성을 회피할 수 있다.

공동계류 중인 2002년 6월 4일자 출원의 미국 특허 출원번호 제10/160,254호에서는, 축방향으로 이격된 복수 세트의 로터 및 스테이터 요소에서 발생한 코깅 토크의 효과를 오프셋시킴으로써 상술한 요구에 대해서 다루고 있다. 원주 방향의 스테이터 극들 사이의 위치 관계를 제한하는 일없이 코깅 토크의 효과를 상쇄시키기 위해서, 각각의 개별적인 축방향으로 배치된 스테이터 코어의 극들은 축방향으로 서로에 대해서 시프트되거나 오프셋된다. 이와 달리, 원주 방향 및 축방향으로 배열된 로터 영구자석은, 원주 방향으로의 영구자석의 총 개수 또는 그 위치를 제한하는 일없이 코깅 토크의 효과를 상쇄시키기 위해서, 축방향으로 서로에 대해서 오프셋된다.

토크 출력 성능에 악영향을 미치지 않으면서 토크 리플(torque ripple) 및 코깅 토크 효과를 최소화하는 것은 지속적으로 중요한 목적이 된다.

본 발명은, 인터페이스되는 로터 영구자석 및 스테이터 극의 쌍 사이의 반경방향 거리를 그 원주방향 길이를 따라서 선택적으로 변경함으로써 적어도 부분적으로는 상기한 요구를 충족한다. 모터의 로터는, 원주방향으로 실질적으로 동일한 길이를 가지며 회전축에 대해서 원주방향으로 분포된 복수의 영구자석을 구비한다. 복수의 스테이터 극들은 에어 갭에 대해서 분포되며, 이들 극 모두는 원주방향으로 자석의 길이와 실질적으로 동일한 길이를 갖는다. 토크 시그니쳐 전반에 대한 코깅 토크의 효과는, 설명의 용이를 위해서 본 명세서에서는 에어 갭 프로파일로 지칭된, 인터페이스되는 스테이터 극과 로터 자석에 대한 적절한 에어 갭 변동 구성을 설정함으로써 제어될 수 있다. 에어 갭 프로파일은, 스테이터 극 슈와 마주하는 로터 자석 사이에서 상기 쌍의 일단으로부터 타단까지의 에어 갭을 가로지르는 반경방향 거리의 변동을 말한다.

적절한 에어 갭 프로파일은 원하는 모터 작동 조건, 및 스테이터 극과 로터 자석의 개수, 권선에 대한 전류 인가 시퀀스 및 다른 예상되는 조건과 같은 모터 매개변수에 따라 달라진다. 이 프로파일은 로터 자석의 표면 또는 스테이터 극의 표면 중 어느 하나의 회전축으로부터의 반경방향 거리를 변경시킴으로써 얻어질 수 있다. 로터 자석의 표면 또는 스테이터 극의 표면 중 어느 하나는 상기 축으로부터 일정한 반경방향 거리를 가질 수 있는 반면에, 나머지 하나의 표면은 가변 구성을 가질 수 있다. 이와 달리, 로터 자석 및 극 슈의 거리 모두는 가변적일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 에어 갭 프로파일은 모든 인터페이스되는 로터 자석 및 스테이터 극 조합에 대해서 동일하다. 즉, 모든 스테이터 극들은 동일 구성을 가지며, 모든 로터 자석은 동일 구성을 갖는다.

본 발명의 사상 내에 있는 일례의 이러한 에어 갭 프로파일은, 인터페이스되는 로터 및 스테이터의 쌍 사이에서 이 쌍의 제1단부로부터 제2의 단부까지의 반경방향 거리에 있어서 실질적으로 균일한 감소를 제공한다. 로터 영구자석이 비교적 일정한 두께를 갖는다면, 스테이터 극 표면은 로터 자석의 표면에 대해서 경사지게 된다. 이와 달리, 영구자석은 단부로부터 단부까지 반경방향 두께가 감소될 수 있다.

다른 에어 갭 프로파일에서, 로터 자석 표면은 각각 축으로부터 일정한 반경방향 거리에 있을 수 있는 한편, 스테이터 극 슈는 오목한 표면이 에어 갭과 마주하는, 가변적인 반경방향 두께를 가질 수 있다. 오목함의 정도는 로터가 스테이터를 둘러싸는지 혹은 스테이터가 로터를 둘러싸는지에 따라 설정될 수 있다. 변형예로서, 영구자석은 오목한 표면이 선택된 정도의 오목함을 갖는 에어 갭과 마주하는, 가변적인 반경방향 두께를 가질 수 있다.

상술한 극 구조는 유익한 결과를 가지면서, 복수의 분리되고 강자성 격리된 전자석 코어 세그먼트를 갖는 스테이터 구조에 제공될 수 있다. 각 세그먼트는 도 1에 도시된 것과 같은 극 쌍으로 형성될 수 있다. 스테이터는 축방향으로는 단일의 극을 원주방향으로는 복수의 극 쌍을 포함하는 단일의 환형 링이다. 다른 구조에서, 복수의 스테이터 극 링은 축방향으로 이격되며, 복수의 분리되고 강자성 격리된 전자석 코어 세그먼트에 의해서 형성된다. 코어 세그먼트 각각은 대체로 회전축의 방향으로 연장된 하나 이상의 연접부에 의해서 일체적으로 결합된 복수의 극을 포함한다. 그래서, 스테이터는 축방향으로 복수의 극을 형성하며, 각 세그먼트의 단일 극은 각 링 내에서 원주방향으로 분포된다. 후자의 구조에서, 로터는 에어 갭을 따라 원주방향으로 배치된 분리된 자석으로 이루어진 축방향으로 이격된 링으로 형성되며, 로터 링의 개수는 스테이터 코어 세그먼트 내의 스테이터 극의 개수와 동일하다.

본 발명의 또 다른 이점은 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 보다 자명하게 드러날 것이며, 단지 본 발명을 실행하기 위해 고려되는 최상의 형태의 예시로서 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명된다. 알 수 있다시피, 본 발명은 다른 다양한 실시예도 가능하며, 그 몇 가지 구체적인 사항은 모두 본 발명을 벗어남이 없이 여러 가지 자명한 측면에서 변형이 가능하다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 본질상 예시적인 것으로 간주되어야 하지, 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다.

본 발명은 첨부된 각 도면에서 일례로서 예시되는 것이지 제한 사항으로서 예시되는 것은 아니며, 이들 도면에서 유사 참조 번호는 유사한 요소를 지칭한다.

도 1은 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제09/826,422호에 개시된 것과 같은 모터의 로터 및 스테이터 요소를 나타내는 예시적인 도면.

도 2는 스테이터 극이 로터 영구자석 표면에 대해 도시된, 도 1에 예시된 것과 같은 모터의 부분적인 평면 배치를 나타내는 다이어그램.

도 3은 모터 동작시에 3개의 순간의 시간에 대한 스테이터 극 표면과 로터 표면의 상대적인 위치를 예시하는, 도 1에 도시된 요소의 부분적인 평면 배치도.

도 4는 본 발명에 따른, 로터 영구자석 표면에 대한 스테이터 극의 부분적인 평면 배치도를 나타내는 다이어그램.

도 5는 도 4의 구조의 변형예에 따른, 로터 영구자석 표면에 대한 스테이터 극의 부분적인 평면 배치도를 나타내는 다이어그램.

도 6은 본 발명의 다른 변형예에 따른, 로터 영구자석 표면에 대한 스테이터 극의 부분적인 평면 배치도를 나타내는 다이어그램.

도 7은 도 6의 구조의 변형예에 따른, 로터 영구자석 표면에 대한 스테이터 극의 부분적인 평면 배치도를 나타내는 다이어그램.

도 8은 도 3 내지 도 6의 스테이터 극 구조를 병합할 수 있는, 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제10/067,305호에 개시된 것과 같은, 축방향으로 정렬된 스테이터 및 로터 요소를 구비한 모터의 3차원 분해도.

본 발명의 개념은 상술한 도 1의 모터와 같이, 반경방향의 에어 갭에 대해서 동심으로 배열된 단일 세트의 원주방향으로 배치된 로터 및 스테이터 요소를 구비한 모터뿐만 아니라, 축방향으로 이격된 2세트 이상의 로터 및 스테이터 요소를 구비한 모터에도 적용할 수 있다. 도 3은 본 발명에 따라 변형된 스테이터 극이 로터 영구자석 표면에 대해서 도시되어 있는, 도 1에 예시된 것과 같은 모터의 부분적인 평면 배치를 나타내는 다이어그램이다. 이 배치는, 서로 동심 관계에 있으며 반경방향의 에어 갭에 의해서 분리된 로터와 스테이터를 갖는 로터리 모터를 나타낸다는 것을 이해해야 한다.

연속적으로 교호적인 자극성을 갖는 로터 자석(21)이 본 구조를 명료하게 하기 위해서 지지 구조가 없는 상태로 도시되어 있다. 스테이터 코어 엘리먼트(36) 각각은 베이스부(31)와 극 슈 부분(32)을 갖는 한 쌍의 극을 포함한다. 이들 극은 연접부(33)에 의해서 서로 일체로 연접되어 있다. 극의 베이스부 또는 연접부 상에 잘 알려진 방식으로, 각각의 극 쌍을 위한 전류 인가 권선(도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 각각의 극 슈는 극 슈 연장부에 의해서 극의 베이스부로부터 양측의 원주방향으로 외측으로 연장된다.

도면의 우측 부분에 도시된 스테이터 코어 엘리먼트(36)의 극 슈는 로터 자석(21)과 위치 정렬 상태에 있다. 인터페이스되는 극 슈와 자석은 에어 갭을 따라 실질적으로 동일한 길이를 갖는다. 영구자석은 각각 동일한 반경방향 두께를 가지며, 그래서 에어 갭을 따라서 있는 그 표면은 회전축으로부터 균일한 거리에 있게 된다. 도면의 평면도에서, 스테이터 극 면의 표면과 영구자석 표면 사이의 에어 갭의 반경방향 거리가 상기 쌍의 좌측단으로부터 우측단까지 실질적으로 균일하게 증대되도록, 스테이터 극 면의 표면은 에어 갭에서 영구자석 표면에 대해서 경사져 있다. 정상 모터 동작시에 로터가 스테이터에 대해서 우측으로부터 좌측 방향으로 스쳐 지나가게 되면, 로터 자석의 선단 에지는 에어 갭 분리부가 감소되는 상태로 스테이터 극의 표면과 겹쳐진다. 코깅 토크 효과의 과도적인 영향은, 일정한 에어 갭 치수를 갖는 모터 구성과 비교하여, 대향하는 스테이터 및 로터 요소에 대해 평탄화된다. 정상 모터 동작시에 로터가 스테이터에 대하여 좌측으로부터 우측 방향으로 스쳐 지나가게 되면, 로터 자석의 선단 에지는 에어 갭 분리부가 증대되는 상태로 스테이터 극의 표면과 겹쳐진다. 로터 자석이 스테이터 극을 스쳐 지나가면, 그 사이의 코깅 인력은 일정한 에어 갭 구성과 비교하여 점진적으로 더 작아지게 된다. 그래서, 어느 회전 방향에 대해서도, 도 4의 가변 에어 갭 구성의 경사도는 원하는 전반적인 토크 시그니쳐를 얻을 수 있도록 결정될 수 있다.

도 5는 도 4의 구조의 변형예를 예시한다. 평면도로 도시된 바와 같이, 스테이터 극 면은 수평 평면 내에 놓이며, 그래서 에어 갭 원주를 따라서 회전축으로부터 균일한 거리 상에 있게 된다. 로터 영구자석(21)의 표면은 도 4와 관련하여 설명한 것과 동일한 가변 에어 갭 효과를 제공하도록 경사진다.

도 6의 구성에서, 영구자석은 각각 동일한 반경방향 두께를 갖는다. 평면도로 도시된 바와 같이, 에어 갭에서의 영구자석 표면은 수평 평면 내에 놓이며, 에어 갭을 따라서 회전축으로부터 균일한 거리 상에 있게 된다. 스테이터 극 표면은 로터 자석 표면에 대해서 오목하며, 그 오목함의 정도는 스테이터가 로터를 둘러싸는 모터에 대해서 회전축으로부터 균일한 거리를 유지시키는데 요구되는 것보다 더 크게 된다. 그래서, 예를 들면 도면에서 우측에 있는 것과 같이, 각각의 인터페이스되는 스테이터 극 및 로터 자석의 쌍은 그 사이에 가변 에어 갭 거리를 규정한다. 로터 자석이 스테이터 극에 접근하여 스쳐 지나감에 따라, 코깅 토크에 대한 이 가변 에어 갭의 효과는, 수렴성의 광학 렌즈에 의한 빛의 수렴과 유사한 방식으로 자속 분포를 수렴시킴으로써, 균일한 에어 갭 구성의 그것과는 다르다. 오목함의 정도는 원하는 바에 따라 전반적인 토크 시그니쳐를 향상시키도록 조정될 수 있다.

도 7은 도 6의 구조의 변형예를 예시한다. 평면도로 도시된 바와 같이, 스테이터 극 면은 수평 평면 내에 놓이며, 그래서 에어 갭 원주를 따라서 회전축으로부터 균일한 거리 상에 있게 된다. 로터 영구자석(21)의 표면은 도 6과 관련하여 설 명한 것과 동일한 가변 에어 갭 효과를 제공하도록 자석 표면에 대해서 오목하게 되어 있다.

상술한 스테이터 극의 구조적인 변형예의 이점은 다른 스테이터/로터 구성에도 적용할 수 있다. 예를 들면, 일체형의 연속적인 스테이터 코어를 갖는 스테이터는 코깅 토크 보상을 제공하기 위해서 도 3 내지 도 7과 관련하여 설명한 바와 같이 형성된 돌출형 극을 가질 수 있다. 이러한 극 형성은, 축방향으로 정렬된 단일 열의 자석 및 스테이터 극을 갖는 모터에 있어서 코깅 토크의 발현을 완화하기 위해서 실행될 수 있다.

도 8은 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제10/067,305호에 개시된 것과 같은 모터의 3차원 분해도를 예시한다. 모터(15)는 반경 방향의 에어 갭에 의해서 분리된 환형의 영구자석 로터(20)와 환형의 스테이터 구조(30)를 포함한다. 투자성(透磁性) 재료로 만들어진, 복수의 강자성(强磁性) 격리된 스테이터 코어 세그먼트 엘리먼트(36)는 지지 구조(50)에 의해서 지지되며, 이는 세그먼트의 강자성 격리를 유지시킨다. 세그먼트(36, 스테이터 코어 엘리먼트)는, 극 표면(32)이 에어 갭과 마주하는, 투자성 재료로 형성된 일체적인 구조이다. 각각의 스테이터 코어 엘리먼트(36)는 코어 재료 상에 형성된 권선(38)을 포함하는 전자석이다. 알려진 방식으로의 인가 전류의 방향의 반전은, 각각의 극의 자극성의 반전을 초래한다. 로터는, 에어 갭에 대해서 원주 방향으로 분포되고 축방향으로 이격된 3개의 링의 로터 자석(22-24)을 갖는 영구자석 섹션(21)과, 영구자석이 장착되는 백 아이언 링(25)을 포함한다. 스테이터 지지 구조(50)는 고정 샤프트에 부착될 수 있으며, 로터는 적절한 부싱과 베어링을 통해서 샤프트에 저널 결합된 하우징 내에 장착된다.

도 8에 도시된 스테이터 극 및 로터 자석은 도 3 내지 도 7의 변형예의 어느 하나에 도시된 바와 같이 제작될 수 있다. 다수의 자석 및 스테이터 극이 원주방향 및 축방향으로 제공되므로, 잠재적인 큰 코깅 토크 교란에 대해서 보상이 이루어진다.

상기 개시 내용에서는, 본 발명의 바람직한 실시예 및 그 다용성의 몇 가지 예만 도시되고 설명되었다. 본 발명은 다양한 다른 조합 및 환경에도 사용할 수 있고 본 명세서에 언급된 바와 같은 진보성 개념의 범위 내에서 변경 또는 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 예를 들면, 도면에 도시된 구성 각각은 유익한 결과를 갖도록, 서로 축방향으로 이격된, 분할된 스테이터 코어 대신에, 일체형의 스테이터 코어를 구비하도록 구현될 수도 있다. 또한, 예시된 실시예에서는 설명의 명료함을 위해서 스테이터 극의 피치가 로터 극의 피치와 실질적으로 동일하도록 도시하고 있으나, 한 쌍의 스테이터 극 사이의 원주 방향 거리는 로터 자석 쌍 사이의 거리보다 더 클 수도 있고 더 작을 수 있다.

스테이터 코어 요소의 구체적인 기하학적 구성이 예시되었으나, 분말 금속 기술을 이용하여 실질적으로 어떠한 형상도 성형될 수 있으므로 본 명세서의 신규성 개념은 상기한 구성에 대한 다양한 변형예도 포함한다. 그래서, 구체적인 코어 구성은 원하는 자속 분포에 적합하게 될 수 있다. 예를 들면, 볼록하거나 또는 다른 기하학적 표면을 제공하는 것 및 다른 세트의 극 쌍이 각각 상이한 구성을 갖는 극 슈를 가질 수 있다는 것도 본 발명의 개념 내에 있다. 볼록한 구성은 자속 분포 패턴을 발산시키게 된다.

본 발명의 상세한 설명에서는 로터에 의해 둘러싸인 스테이터를 예시하고 있으나, 본 발명의 개념은 로터가 스테이터에 의해 둘러싸인 모터에도 동일하게 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 로터리 전기 모터, 보다 구체적으로는 인터페이스되는 로터 영구자석과 스테이터 극 사이의 가변 치수의 반경방향 에어 갭을 갖는 영구자석 모터에 이용할 수 있다.

Claims (12)

1. 회전축에 대해 동심으로 배치되며, 반경 방향의 에어 갭에 의해 분리된 스테이터(30)와 로터(20)를 포함하는 로터리(Rotary) 전기 모터에 있어서,

   상기 로터(20)는 상기 회전축에 대해 원주 방향으로 분포된 복수의 영구자석(21)을 포함하고, 상기 영구자석(21)은 원주 방향으로 동일한 길이를 가지고,

   상기 스테이터(30)는 상기 에어 갭 주위에 분포된 복수의 극을 포함하고, 상기 극은 상기 원주 방향으로 상기 자석(21)의 길이와 실질적으로 동일한 길이를 가지며,

   인터페이스하는 쌍으로 된 로터 영구자석(21)과 스테이터 극 간 상기 에어 갭의 반경 방향의 거리는 상기 쌍의 원주 방향 길이를 따라 가변적이며,

   상기 스테이터 극의 극 슈 또는 영구자석은 가변적인 반경 방향의 두께를 제공하며, 상기 극 슈나 영구자석은 상기 에어 갭에 대향하는 오목한 표면(21, 32)을 갖는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 오목한 표면(21, 32)은 상기 스테이터 극과 상기 영구자석 간의 균일한 에어 갭을 유지하도록 요구되는 것보다 큰 함몰도(Concavity)를 가지는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 로터(20)는 상기 스테이터(30)를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 스테이터(30)는 분리되어 있고, 강자성적으로 격리되어 있는 복수의 전자석 코어 세그먼트(36)를 포함하고,

   상기 코어 세그먼트(36) 각각은 상기 회전축의 방향으로 전체적으로 연장하는 하나 이상의 연접부(33, Linking Portion)에 의해 일체로 결합된 복수의 극을 구비하며, 상기 로터 영구자석(21)은 상기 에어 갭을 따라 원주 방향으로 배치된 분리형 자석의 축 방향으로 이격된 링을 형성하고 상기 에어 갭에 대향하는 표면을 가지며,

   상기 링의 수는 상기 스테이터 코어 세그먼트(36)의 스테이터 극의 수와 같고, 각각의 코어 세그먼트(36)는 상기 연접부나 극 베이스부상에 형성된 권선을 갖는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
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