KR100799364B1 - 프론트아이언을 갖는 효율적인 축공극 전기 기계장치 - Google Patents

프론트아이언을 갖는 효율적인 축공극 전기 기계장치 Download PDF

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Abstract

전기 모터, 발전기 또는 재생 모터와 같이 회전하는 다이나모일렉트릭(dynamoelectric) 장치는 백아이언(backiron) 섹션, 복수의 고정자(stator) 투쓰(tooth) 섹션 및 프론트아이언(frontiron)을 갖는 고정자 어셈블리를 포함한다. 상기 다이나모일렉트릭 장치는 축 공극형(axial airgap type) 구조를 갖는다. 더하여, 전기 장치는 고효율, 높은 파워 밀도 및 회전자에서의 감소된 발열 특성을 가지며 높은 전환 주파수로 작동하는 높은 폴 카운트를 갖는다. 다이나모일렉트릭 장치에 적용된 저손실 물질은 비정질 금속, 나노결정 금속, 최적화된 Fe 기반 합금, 및 최적화된 결정 방향성 또는 무방향성 Fe 기반 물질을 포함한다.
모터, 발전기, 재생모터, 다이나모일렉트릭(dynamoelectric), 고정자(stator), 투쓰(tooth), 백아이언(backiron), 프론트아이언(frontiron), 축 공극(axial airgap)

Description

프론트아이언을 갖는 효율적인 축공극 전기 기계장치{EFFICIENT AXIAL AIRGAP ELECTRIC MACHINE HAVING A FRONTIRON}
관련 미국 출원 데이터
본 출원은 2003년 10월 6일자로 제출된 미국 임시출원 번호 60/509,222호(명칭: 프론트아이언(frontiron)을 갖는 효율적인 축공극(axial airgap) 전기 장치) 및 2003년 10월 21일자로 제출된 미국 임시출원 번호 60/513,892호(명칭: 저손실 물질을 이용한 효율적인 고속 전기 장치)의 우선권을 주장한다. 상기 출원들은 전체적으로 참조로서 본 출원에 통합된다.
본 발명은 다이나모일렉트릭(dynamoelectric) 회전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프론트아이언(frontiron) 섹션, 백아이언(backiron) 섹션 및 복수의 고정자(stator) 투쓰(tooth)을 포함하는 회전자(rotor) 어셈블리 및 고정자 어셈블리를 구비한 축공극(axial airgap) 다이나모일렉트릭 회전 장치에 관한 것이다.
전기 모터 및 발전기 관련 산업은 향상된 효율 및 파워 밀도를 갖는 다이나 모일렉트릭 회전 장치를 제공하기 위한 방법을 지속적으로 강구하고 있다. 본 명세서에서 사용되는 "모터(motor)"라는 용어는 전기 에너지를 회전 운동으로 변환하는 그리고 그 반대인 모든 종류의 전동 및 발전 장치를 의미한다. 이러한 장치는 기능에 따라 모터, 발전기 및 재생 모터와 같이 선택적으로 작동하는 장치를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "재생 모터(regenerative motor)"라는 용어는 전기 모터 또는 발전기로서 작동할 수 있는 장치를 의미한다. 영구자석, 권선 필드, 인덕션, 가변 자기저항(reluctance), 스위치드 자기저항, 및 브러쉬와 브러쉬리스 타입을 포함하는 매우 다양한 모터들이 알려져 있다. 이러한 모터들은 전기 유틸리트 그리드, 배터리 또는 다른 교류 전원에 의해 제공되는 직류 또는 교류 전류의 전원으로부터 직접 에너지를 공급받는다. 또 다른 방식으로, 상기 모터들은 전자 구동 회로를 사용하여 동기화된 필수 파형(requisite waveform)을 갖는 전류를 공급받는다. 임의의 기계적 에너지원으로부터 나온 회전 에너지는 발전기를 구동할 수 있다. 발전기의 출력은 부하에 직접 연결되거나 파워 전자 회로를 이용하여 제어된다. 선택적으로, 작동 중 다른 시간간격 동안 기계적 에너지를 제공 또는 소모하는 동작을 하는 기계적 에너지원에 소정 장치가 연결된다. 따라서, 예를 들어 4-사분(four-quadrant) 작동을 할 수 있는 파워 조절 회로를 통한 연결에 의해 이 장치는 재생 모터로서 작동할 수 있다.
일반적으로 회전 장치는 고정자(stator)로 알려진 고정된 부품과 회전자(rotor)로 알려진 회전하는 부품을 포함한다. 상기 고정자와 회전자가 인접한 면은 상기 회전자와 고정자를 연결하는 자기 플럭스가 오가는 작은 공극(airgap)에 의해 분리된다. 회전 장치는 기계적으로 연결된 복수의 회전자와 복수의 고정자를 포함한다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 것이다. 실제로 모든 회전 장치는 전형적으로 방사상 공극(radial airgap) 형식과 축 공극(axial airgap) 형식으로 분류될 수 있다. 방사상 공극 형식은 회전자와 고정자가 방사상으로 분리되며, 왕래하는 자기 플럭스는 회전자의 회전축에 대해 주로 수직한 방향을 향한다. 축 공극 장치에서, 회전자와 고정자는 축방향으로 분리되며 자기 플럭스의 왕래는 주로 회전축에 수평하다.
소정의 특정 형식을 제외하고, 모터와 발전기는 일반적으로 하나 또는 그 이상의 종류의 연자성(soft magnetic) 물질을 이용한다. "연자성 물질"은 쉽고 효과적으로 자화(magnetize)되고 소자(demagnetize)되는 물질을 말한다. 각 자화 주기 동안 자성 물질에서 부득이하게 방출되는 에너지는 자기이력 손실(hysteresis loss) 또는 코어 손실이라 한다. 자기이력 손실의 양은 여자(excitation) 크기 및 주파수의 함수이다. 연자성 물질은 높은 투자율 및 낮은 보자력(magnetic coercivity)을 타나낸다. 또한 모터와 발전기는 기자력원(source of magneromotive force)을 포함한다. 상기 기자력원은 하나 또는 그 이상의 영구 자석 또는 전류가 이동하는 권선에 의해 둘러싸인 추가적인 연자성 물질에 의해 제공될 수 있다. "영구 자성 물질", 소위 "강자성 물질"이라는 용어는 높은 보자력을 가지며 강하게 자화(magnetization)를 유지하며 소자에 대한 강한 저항을 갖는 자기 물질을 의미한다. 모터의 종류에 따라 영구 자성 물질 및 연자성 물질이 회전자 또는 고정자에 배치될 수 있다.
현재 생산되는 모터의 대부분은 연자성 물질로서 다양한 등급의 전기 또는 모터 강철을 사용한다. 상기 전기 또는 모터 강철은 하나 또는 그 이상의 합금 성분, 특히 Si, P, C 및 Al이 함유된 철(Fe) 합금이다. 가장 일반적으로, Si는 대표적인 합금 성분이다. 일반적으로, 고도의 영구 자기 물질로 이루어진 회전자와 비정질 금속과 같은 고도의 저 손실 연자성 물질로 이루어진 코어를 갖는 고정자를 갖는 모터 및 발전기는, 전형적인 방사상 공극 모터 및 발전기에 비교하여 실질적으로 더 높은 효율 및 파워 밀도를 제공하는 가능성을 갖고 있는 것으로 알려져 있으나, 축 공극 형식 또는 방사상 공극 형식과 같은 장치를 거의 제작할 수 없었다. 전형적인 방사상 공극 또는 축 공극 장치에 비정질 물질을 적용하려는 종래의 시도는 상업적으로 크게 성공하지 못하였다. 주로 고정자 및/또는 회전자를 비정질 금속의 코일 또는 원형 적층구조물(circular lamination)로 대체하고자 하였던 종래의 설계는 내부 또는 외부면을 통해 투쓰들(teeth)에 의해 일반적으로 절단되었다. 비정질 금속은 고유의 자기적 특성 및 기계적 특성을 가지며, 전형적인 설계의 모터에 사용된 일반적인 강철(steel)을 직접 대체하는 것이 매우 어렵거나 불가능하다.
고속 장치도구, 항공 모터 및 액츄에이터 및 컴프레셔 구동과 같은 광범위하고 다양한 분야를 포함하는 현재 기술에 알려진 많은 애플리케이션들은, 15,000 내지 20,000 rpm, 어떤 경우에는 100,000 rpm에 이르는 고속(즉, 고 rpm)에서 동작하는 전기 모터를 요구하고 있다. 고속 전기 장치는 거의 대부분 더 높은 주파수에서 동작하는 전기 장치에서 자기 물질이 비효율 모터 설계에 적용되는 극도의 코어 손 실을 겪지 않도록 낮은 폴 카운트를 갖게 제조된다. 이는 주로 현재 모터의 대부분에서 사용되는 연자성 물질이 실리콘-철 합금(Si-Fe)이기 때문이다. Si-Fe 기반 물질에서 약 400 Hz보다 큰 주파수에서 자계의 변화로부터 오는 손실은 그 물질에 열을 발생시키며 때로 장치가 임의의 용인 수단에 의해 냉각될 수 없는 사태를 야기시킨다.
현재까지 저 손실 물질을 이용하면서 비용 효율적으로 제조가능한 전기 장치를 제공하는 것이 매우 어려운 것으로 입증되었다. 일반적으로, 전형적인 장치에 저손실 물질을 적용하는 것은 실패하였다. 이는, 종래의 시도가 장치의 자기 코어에서 실리콘-철과 같은 전형적인 합금을 비정질 물질과 같은 새로운 연자성 물질으로 단지 대체하고자 하는데 의존하였기 때문이다. 그 결과의 전기 장치는 종종 저 손실을 갖는 향상된 효율을 제공하기도 하였으나, 일반적으로 수용할 수 없는 파워 출력의 감소 및 비정질 물질의 취급 및 형성에 관련된 비용의 상승을 가져왔다. 결과적으로, 상업적인 성공 또는 시장 진입을 할 수 없다.
그러나, 고주파수 및 고속으로 동작할 수 있는 전기 장치에서 발생하는 더 큰 문제는 회전자에서 열이 발생한다는 점이다. 고정자에 대해 회전자가 회전할 때, 회전자 자석은 고정자 코어의 투쓰들의 정렬 사이를 번갈아 통과하며 고정자 투쓰들 사이의 공극에서 중앙에 위치하므로, 회전자 자석은 회전의 경로 동안 투자 계수(permeance coefficient)의 주기적인 변동을 겪게 된다. 이러한 투자율의 변동은 회전자 내의 플럭스 변동을 가져오며, 패러데이의 법칙(Faraday's law)에 따라 와전류를 유도하게 된다. 일부 경우에 이 전류는 회전자에서 심각한 열을 발생시킬 정도로 충분하다. 이 열은 자화에 역행하는 손실을 일으킬 수 있으며 장치의 출력을 저하시킬 수 있다. 심각한 경우, 이 열은 회전자 자석의 수명을 감소시키거나 파괘할 수 있다.
따라서, 당 기술분야에서는 저손실 물질에 관련된 특정한 특성을 충분히 활용할 수 있음으로써 종래 장치의 문제점을 해결할 수 있는 고효율의 전기 장치가 요구된다. 이상적으로, 개선된 장치는 기계적인 에너지와 전기적인 에너지 형태 사이의 변화에 있어 고효율을 제공할 것이다. 부수적으로, 화석 연료에 의해 에너지를 제공받는 장치를 제조에 있어서, 개선된 효율은 대기 오염을 감소시킬 수 있을 것이다. 자치는 소형화, 경량화되며, 더욱 높은 토크, 파워 및 속도의 요구사항을 충족시킬 수 있을 것이다. 냉각의 필요성도 감소할 것이다. 배터리 파워로 동작하는 모터는 더 긴 교체 주기로 동작할 것이다. 일부 애플리케이션에서, 사이즈, 형상 및 특정한 기계적인 성질 때문에 축 공극 장치가 더욱 적절할 것이다. 장치 특성에 관한 유사한 개선이 축 공극 및 방사상 공극 장치 모두에 대해 발견될 것이다.
본 발명은, 프론트아이언(frontiron) 섹션, 백아이언(bachiron) 섹션 및 복수의 고정자 투쓰(tooth) 섹션을 갖는 회전자 어셈블리 및 고정자 어셈블리를 포함하는 다이나모일렉트릭 전기 장치를 제공한다. 전기 장치는 낮은 범위에서 높은 범위에 있는 임의의 폴 카운트(pole count)를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 고정자는 일반적으로 환상(toroidal) 구조물을 포함할 수 있다. 상기 환상 구조물은 비정질 및 나노 결정 금속 및 최적화된 철-기반 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 저 코어손실 물질을 포함하는 적층된 레이어로 제공될 수 있다. 그러나, 다른 연자성 물질이 상기 고정자 어셈블리의 전체 또는 일부를 형성하는데 사용될 수 있다. 상기 회전자 어셈블리는 축 주위의 회전을 위해 제공되며, 복수의 폴을 포함한다. 상기 회전자 어셈블리는 상기 고정자 어셈블리와의 자기적 상호작용을 위해 배치된다. 저 코어손실, 향상된 연자성 물질의 사용은 더 넓은 범위의 폴 카운트 및 전환 주파수(commutating frequency)를 가능하게 함으로써, 높은 작동 주파수, 높은 파워 밀도 및 넓은 범위의 작동 속도를 유지하면서도설계 자유도를 향상시킨다.
본 발명에 따라 제조되고 작동하는 전기 장치의 실시형태는, 전기 모터, 발전기 및 재생모터를 포함하나 이에 한정되지 않는다. 하나 또는 그 이상의 전기 장치는 복합 장치 또는 시스템의 부품일 수 있다. 이러한 복합 장치의 예로, 하나 또는 그이상의 모터를 포함하며, 상기 하나 또는 그이상의 전기 장치가 팬과 함께 포함될 수 있는 컴프레셔가 있다.
나아가, 본 발명은, (ⅰ) 백아이언 섹션 및 복수의 투쓰 섹션을 갖는 적어도 하나의 고정자 어셈블리를 제공하는 단계- 상기 고정자 어셈블리는 상기 투쓰 섹션과 고정자로 이루어진 인접한 쌍 사이에 슬롯을 가지며 상기 슬롯을 통해 상기 고정자는 권선됨; (ⅱ) 프론트아이언 섹션을 제공하는 단계; (ⅲ) n 개의 축 주위를 회전하도록 배치되며 복수의 폴을 포함하는 적어도 하나의 회전자 어셈블리를 제공하는 단계- 상기 회전자 어셈블리는 상기 적어도 하나의 고정자 어셈블리와 자기적인 상호작용을 하도록 배치됨 -를 포함하는 다이나모일렉트릭 장치의 형성 방법을 제공한다.
다이나오일렉트릭 장치 시스템은 전술한 형식의 다이나모일렉트릭 장치 및 상기 장치와 인터페이스를 형성하고 제어하는 파워 전자 수단을 포함한다. 상기 파워 전자 수단은 작동 가능하도록 상기 장치에 연결된다.
이하에 기재되는 본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조함으로써, 본 발명은 더욱 완전하게 이해될 것이며 추가적인 잇점들이 더욱 명확해질 것이다. 다음과 같은 첨부된 도면에서, 유사한 구성요소들은 동일한 참조부호로 지시될 것이다:
도 1은 복수의 고정자 투쓰 섹션, 고정자 권선 및 백아이언을 포함하는 '094 애플리케이션의 관점에 따른 고정자 구조의 평면도이다;
도 2는 프론트아이언을 더 포함하는 도 1에 도시된 고정자 구조를 적용한 본 발명의 고정자 구조를 도시한, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절개한 단면도이다;
도 3은 회전자 자석, 프론트아이언, 회전자 권선, 고정자 코어 및 백아이언(명확하게 도시하기 위해 회전자 캐리어는 생략됨)을 나타내는, 본 발명에 따른 축 공극 전기 장치의 실시예에서 고정자 및 회전자를 도시한 분해도이다;
도 4는 부하(□) 또는 무부하(◇) 조건에서 본 발명의 전기 장치의 프론트아 이언의 두께에 따른 회전자 손실을 도시한 도면이다;
도 5는 본 발명의 전기 장치의 프론트아이언에 따른 성능을 도시한 도면이다;
도 6은 부하(△) 또는 무부하(□) 조건에서 본 발명의 전기 장치의 프론트아이언의 두께에 따른 고정자 코어 플럭스 밀도의 피크를 도시한 도면이다;
도 7은 본 발명의 전기 장치의 프론트아이언의 두께에 따른 백-EMF(◇) 및 유도 상수(□)를 도시한 도면이다;
도 8은 본 발명의 전기 장치의 프론트아이언의 두께에 따른 파워 손실(△), 회전자 와전류 손실(◇) 및 낭비되는 소산 손실 밀도(□)를 도시한 도면이다;
도 9는 본 발명의 프론트아이언의 두께에 따른 파워 팩터(◇) 및 효율(△)을 도시한 도면이다;
도 10은 본 발명의 전기 장치의 프론트 아이언의 두께에 따른 토크 코깅(torque cogging)(◇) 및 전류 밀도가 10 A/㎟(□), 20 A/㎟(◇), 및 30 A/㎟(□)일 때 프론트 아이언의 두께에 따른 토크 리플(ripple)을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태가 더욱 상세하게 설명된다.
본 발명의 일 관점에서, 회전자(rotor) 어셈블리(assembly) 및 프론트아이언(frontiron) 섹션(section), 백아이언(backiron), 복수의 고정자(stator) 투 쓰(tooth) 섹션을 갖는 고정자 어셈블리를 포함하는 전기 장치가 제공된다. 본 명세서에서, "프론트아이언"이라는 용어는 연자성 물질로 이루어지며 상기 투쓰 섹션을 갖는 고정자의 표면에 인접하여 위치하고, 상기 백아이언의 반대쪽에 위치하며 상기 회전자와 인접한 구조물을 의미한다. 이하에 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명의 장치에서 저 코어손실 고정자 물질을 적용하여 결합된 프론트아이언이 존재하는 것이 바람직히다. 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 장치는 영구 자성, 브러쉬리스형(brushless type) 및 축공극형(axial airgap-type) 구조를 갖는 고정자와 회전자를 갖는다.
본 발명의 장치는 하나 또는 그 이상의 회전자 어셈블리 및 하나 또는 그 이상의 고정자 어셈블리를 갖는다. 따라서, 본 명세서에서 "회전자" 및 "고정자"라는 용어는 1 내지 3 이상의 범위에 있는 복수의 회전자 및 고정자 어셈블리를 의미한다. 축 공극 장치의 구조에서, 각각의 고정자로부터의 회전자로 제공되는 인력은 반대 방향을 향하며 실질적으로 상쇄되기 때문에, 두개의 대면하는 고정자 사이에 위치한 하나의 회전자를 갖는 구조는 회전자로 제공되는 축상의 추력(thrust)을 감소시키는 잇점이 있다.
일반적인 장치 구조
본 명세서에 참조로서 전체가 통합되는, 미국 임시출원 번호 60/444,271호(이하 "'271 출원"이라 함) 및 미국 출원 번호 10/769,094호(이하 "'094 출원"이라 함)는 축 공극 구조로 배치되는 회전자 어셈블리 및 고정자 어셈블리를 가지며 프 론트아이언을 갖지 않는 전기 장치를 제공한다. 고정자는 백아이언 섹션 및 복수의 고정자 투쓰 섹션을 포함하며, 바람직하게 저손실 고주파수 물질을 이용하여 제작된다. 도 1은 '094 출원의 관점에 따른 고정자 어셈블리(10)의 평면도이며, 백아이언(16)에 부착되며 그 주위에 권선된 고정자 권선(14)을 갖는 고정자 투쓰 섹션(12)을 포함하는 단일(unitary) 구조를 도시한다. 백아이언 및 투쓰 섹션은 도시된 것과 같이 백아이언 섹션에 일체형으로 결합된 단일 구조로 형성되거나 접착제와 같은 적절한 수단에 의해 함께 고정되어 분리된 구성요소로서 형성될 수 있다. 고정자(10) 및 그 권선(14)은 고정자 캐리어(미도시)에 위치할 수 있으며, 적절한 유기 유전체를 이용하여 밀봉될 수 있다. '094 출원에 따른 전기 장치는, 상기 고정자 어셈블리에 대해 축상 구조로 배치되며 원주상으로 이격된 복수의 영구 자석을 갖는 회전자 어셈블리를 더 포함한다.
회전 장치, 특히 브러쉬리스 영구 자석 장치가 회전하는 동안 발생할 수 있는 심각한 문제는, 회전 경로에서 겪는 자기 환경의 일정한 변화로 인한 회전자 어셈블리의 발열을 포함한다. 투자 계수(Permeance Constant: Pc)의 개념은 이 현상을 정량화하는데 사용되곤 한다. 특히, 통상적으로 투자 계수는 동작점(operating point)에서 자석의 제2 사분 자화(B-H) 곡선을 참조하여 정의되며, 식 Pc=Bd/Hd(Hd는 동작점에서 소자계(demagnetizing field), Bd는 동작점에서 자석으로부터 방사되는 실효 자기 플럭스 밀도(effective magnetic flux density))로 주어진다. Pc는 작동하는 동안 회전자의 위치에 따라 변화하며, 임의의 주어진 순간에 존재하는 플럭스 B를 반사하는 방식으로 동작점은 B-H 곡선을 따라 이동한다. 자기 플럭스의 연속적인 변화는 패러데이의 법칙에 따라 회전자 내에서 와전류를 유도한다. 이 와전류는, 100 kW의 정격을 갖는 장치에서 10 kW 또는 `그 이상에 이르는 심각한 열을 회전자에 발생시킬 수 있다. 이러한 열은 되돌릴 수 없는 자기 손실을 일으키거나 심지어 회전자 자석을 파괴할 수 있을 정도로 충분한 것이다. 회전자 자석이 겪는 투자 계수의 변동을 감소시키기 위한 일 방법은 투쓰 팁(tooth tip)이라 불리는 돌출된(salient) 폴들을 제공하는 것이다. 이는 공극에 노출되는 표면에서 고정자 코어의 단면적을 확장시킴으로써 형성된다. 거의 대부분의 전형적인 방사상 공극(radial airgap) 장치는 회전자로부터 고정자 투쓰들을 통하는 방향을 갖는 자기 플럭스를 증가시키기 위해 돌출된 폴들을 적용한다. 넓혀진 폴 팁들은 방사상 공극 고정자에 일반적으로 사용되는 스탬프 적층법(stamped lamination)으로 비교적 쉽게 제공된다. 그러나 돌출된 폴들은 축 공극 장치의 고정자로 가공되기 어려우며 그 결과 일반적으로 축 공극 장치에 돌출된 폴들을 추가하는 것은 비용 상승을 가져온다.
본 발명은 프론트아이언을 포함하는 신규한 고정자 어셈블리를 제공함으로써 비용-효율적인 방법으로 회전자 자석의 발열 문제를 해결하고자 하는 것이다. 프론트아이언을 제공함으로써 회전하는 동안 회전자 자석이 겪는 투자 계수의 변화가 감소하며, 회전자에서 와전류를 생성하는 자기 플럭스 발생을 감소시킨다. 본 발명에 따른 전기 장치의 회전자에서 발생하는 열의 양은 현저하게 감소될 수 있다. 예를 들어, 100 kW의 정격을 갖는 장치의 발열이 10 kW에서 2 kW로 감소된다. 그 결과, 회전자 자석 및 전기 장치의 수명이 현저하게 길어질 수 있다. 높은 폴 카운트 전기 장치의 실시형태에서 프론트 아이언의 사용이 바람직하나, 낮은 폴 카운트 장치에도 유용하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치에 바람직한 하나의 고정자 어셈블리가 도 1에 도시된 형식의 고정자에 프론트아이언을 추가함으로써 구성된다. 먼저, 저손실, 고주파수 스트립 물질을 나선형 권선하여 환상구조물(toroid)을 형성함으로써 금속 코어가 형성된다. 이 환상구조물은 축 방향으로 볼 때 내경과 외경을 갖는 정원형 원통 셀의 형태를 갖는다. 내경 "d"로부터 외경 "D" 방향으로 방사상으로 그리고 완전히 형성된 환상 주위에 원주 방향으로 연장된 환상구조물의 단부 표면 영역(22)이 표면 영역으로 정의된다. 금속 코어는 환상 구조물의 높이로 정의된 축상의 연장을 갖는다. 권선 이후, 상기 코어는 일반적으로 원주 방향을 갖는 외부폭 "w" 슬롯(16)을 제공하도록 가공된다. 슬롯(24)의 깊이는 환상 높이를 통해 오직 부분적으로 축방향 연장된다 상기 슬롯은 금속 코어의 전체 단부 표면 영역을 감소시킨다. 슬롯의 제거가 이루어진 후 남은 환상 영역의 일부가 전체 영역(Total Area: TA)이며, 저손실, 고주파수 물질이 비정질 금속인 본 발명의 실시형태에서 이 상기 영역은 비정질 금속 영역(Amorphous Metal Area: AMA)이라 한다. 상기 슬롯(24)은 내경(d)로부터 외경(D)까지 완전하게 연장되므로, 슬롯의 환상이 형성된 부분에서 고정자 코어의 내경 및 외경은 연속적이지 않다. 슬롯 공간으로부터의 물질 제거는 복수의 투쓰들(14)을 형성한다. 상기 투쓰와 슬롯의 수는 동일하다. 슬롯 깊이 하부에 남은 원주 방향으로 연속된 물질은 백아이언 섹션(16)의 기능을 하며, 이는 투쓰 섹션(12)에서 플럭스에 대한 종결부를 제공한다. 바람직한 실시형태에서 형성의 용이성과 기계적 통합을 위해 투스의 가장 좁은 부분은 0.1 인치 미만이다.
슬롯(24)은 주어진 전기 장치 설계에서 기 선택된 권선 기법에 따라 도전성 고정자 권선(14)으로 권선된다. 일반적으로, Cu 또는 Al 와이어와 같은 고가의 고도전성 와이어가 바람직하나, 다른 금속, 합금 및 초전도체를 포함하는 물질 및 형태가 사용될 수 있다. 와이어는 임의의 단면을 가질 수 있으나, 원형 또는 사각형 와이어가 가장 일반적이다. 소정의 높은 주파수 애플리케이션에서는, 꼬인 와이어 또는 Litz 와이어가 유리하다. 바람직한 권선 기법은 투쓰(12) 당 하나의 코일을 적용하는 것이다. 일반적으로 각 코일은 도전성 와이어의 복수회 회전을 포함한다. 그러나, 당 기술분야에 알려진 임의의 권선 구조가 적용될 수 있다. 권선은 투쓰 주위의 위치에 형성될 수 있거나, 어셈블리 및 투쓰의 단부 상에 슬립되어 분리된 상태로 마련될 수 있다.
고정자 권선(14)과 함께 고정자 어셈블리(10)는 고정자 캐리어(미도시)에 위치할 수 있다. 바람직하게, 고정자 어셈블리는 고정자 캐리어와 함께 고정자 자성 물질에서 심한 스트레스를 발생시키지 않는 적절한 유기 유전체를 이용하여 밀봉될 수 있다. 고정자 캐이러는 비자성인 것이 바람직하나 고정자 캐리어 물질은 도전성에 관련하여 한정되지 않는다. 고정자 캐리어 물질의 선택에 영향을 미치는 요소는 기계적 강도 및 열적 특성을 포함한다. 고정자 어셈블리를 적절하게 지지할 수 있는 임의의 적절한 물질이 고정자 캐리어로 사용될 수 있다. 특정 실시형태에서, 고정자 캐리어는 알루미늄으로 형성될 수 있다.
고정자 어셈블리(10)는 프론트아이언(18)을 더 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 실시형태에서, 프론트아이언(18)은 저손실 연자성 물질의 권선된 환상구조물(toroid)을 포함한다. 프론트아이언은 독립적으로 형성되며, 투쓰 면에 실질적으로 부착된다. 본 실시형태 및 고정자 어셈블리가 분리된 요소들을 포함하는 다른 실시형태는 접착제, 클램핑, 납땜 또는 당 기술 분야에 알려진 다른 방법을 이용하여 구성요소를 결합함으로써 형성된다. 예를 들어, 에폭시, 바니쉬, 혐기성 접착제, 시아노아크릴레이트, 및 상온 경화성(RTV) 실리콘 물질의 혼합물을 포함하는 다양한 접착 용제가 적용될 수 있다. 접착제는 낮은 점도, 낮은 수축성, 낮은 탄성 계수, 높은 박리 강도, 높은 동작 온도, 높은 절연 내력을 갖는 것이 바람직하다. 고정자 슬롯은 구성요소들이 결합되기 이전 또는 결합된 이후에 고정자 권선으로 권선될 수 있다.
일부 실시형태에서, 프론트아이언의 기능은 다음과 같은 다른 잇점을 갖는다: (ⅰ) 장치의 전압 또는 전류 파형의 기본 주파수에서 하모닉을 감소시키거나 실질적으로 제거함; (ⅱ) 전기 장치의 효율을 향상시킴; (ⅲ) 토크 코깅(torque cogging)을 감소시키기 위한 자기저항(reluctance) 보상을 제공함.
백아이언, 프론트아이언 및 투쓰 섹션은 연자성 물질로 이루어진다. 바람직한 실시형태에서, 상기 섹션들은 비정질 금속, 나노 결정 금속 또는 최적화된 Fe 기반 합금과 같은 저손실 물질로 제작된다. 모든 섹션들이 동일한 물질로 이루어질 필요는 없다. 바람직한 실시형태에서, 프론트아이언은 연자성 물질의 권선 환상구조물로 제조된다. 백아이언과 투쓰 섹션이 저손실 물질로 이루어진 실시형태라 하 더라도, 프론트아이언은 전형적인 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 프론트아이언은 전형적인 결정 방향성(grain-oriented) Fe 기반 물질, 결정 무방향성(non-grain-oriented) Fe 기반 물질 또는 다른 Si-Fe 합금으로 이루어 질 수 있다. 저손실 물질의 사용은 하기에 더 상세하게 설명되는 것과 같이 프론트아이언의 적용을 통한 다른 잇점을 최대화하면서도 프론트아이언 손실을 감소시킨다. 또 다른 실시형태에서, 프론트아이언은 주입-몰딩된(injection-molded) 물질 또는 접착체에 의해 결합된 연자성 물질의 분말, 유기 수지 또는 다른 적절한 유전체를 포함한다.
도 2에 도시된 고정자 어셈블리의 실시형태에서, 프론트아이언의 외주 및 내주는 대략적으로 고정자 코어의 외부 및 내주와 동일하며, 고정자 권선은 프론트 아이언의 내주 및 외주를 넘어 방사상으로(radially) 확장된다. 바람직하게, 프론트 아이언, 회전자 어셈블리, 및 고정자 어셈블리의 내주 및 외주는 유사하나 동일할 필요는 없다. 다른 실시형태에서, 프론트아이언 섹션은 고정자의 백아이언 및 투쓰 섹션과 사이즈가 상이하다. 특히, 프론트 아이언의 내주 및/또는 외주는 대응하는 백아이언 및 투쓰 섹션의 내주 및 외주보다 크거나 작을 수 있다.
본 발명의 실시에 유용한 고정자 구조의 다른 형태가 상기 '271 및 '094 출원에 제공된다.
이와는 달리, 하나의 구조물이 투쓰 섹션과 프론트아이언을 제공할 수 있다. 이러한 방법의 실시에 있어서, 통상 프론트아이언이 백아이언보다 얇은 두께를 가지므로, 상대적으로 더 큰 물질의 일부가 슬롯을 형성하기 위해 제거된다. 독립적으로 형성되고 권선된 환상구조물 백아이언은고정자 어셈블리의 반대 표면에 부착 된다. 고정자 슬롯은 백아이언이 부착되기 이전 또는 부착된 이후 고정자 권선으로 권선될 수 있다.
다른 실시형태에서, 고정자 코어, 백아이언, 및 프론트아이언은 저손실 물질로 이루어진 단일 권선의 환상구조물로부터 하나의 어셈블리로 모두 가공되고, 슬롯이 고정자 권선으로 권선된다.
또 다른 실시형태에서, 프론트아이언 및 백아이언 구조 모두 권선된 환상 구조물로부터 가공된다. 슬롯 및 투쓰 서브섹션들이 각 구조물의 표면에 제공된다. 상기 구조물들은 각각이 갖는 대향 접촉부에서 투쓰 서브섹션을 이용하여 대면 관계로 결합된다. 고정자 어셈블리의 투쓰 섹션 각각은 프론트아이언 및 백아이언 부분 모두에 의존하는 투쓰 서브섹션을 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 프론트아이언 및 백아이언은 원통형 환상구조물로 형성되며, 분리되어 형성된 투쓰 섹션이 그 사이에 배치된다.
또 다른 실시형태에서, 프론트아이언의 기능은 고정자와 대면 관계를 갖는 회전자에 부착된 연자성 아이언 구조에 의해 수행된다. 축 공극 실시형태에서, 권선된 환상구조물은 이 프론트아이언에 대해 적절한 형태이다.
또한 환상의(annular) 층들이 적층된 구조물에 의해 제공되는 프론트아이언을 포함하는 방사상 공극 장치에 대해 고정자 어셈블리가 제공된다. 외부 고정자 및 내부 회전자를 갖는 일반적인 구조에서, 환상의 층들의 외주는 고정자 투쓰들을 내부로 투사함으로써 형성된 내주와 일치한다. 물론 인사이드-아웃(inside-out) 모터에서, 환상의 층들은 고정자의 외주를 둘러싼다.
본 발명의 프론트아이언은 얇은 쉴드(shield)와는 구별되나, 회전자 구조에서 시간에 따라 변화하는 자기 플럭스를 감소시키는데 사용되는 자기적인 투자율을 갖는 물질이 아니다. 그러나, 본 발명의 실시형태에서 프론트아이언의 잇점을 보강하기 위해 쉴드가 사용될 수 있다.
프론트아이언의 두께
프론트아이언의 두께는 전기 장치의 성능을 최적화할 수 있도록 선택되는 것이 바람직하다. 너무 얇은 프론트아이언 환상구조물은 예를 들어 회전자 손실의 감소 측면에서 비효율적이다. 반면 너무 두꺼운 프론트아이언은 회전자 및/또는 고정자의 자기 플럭스의 경로를 프론트아이언 자신으로 변환하며, 이는 전기 장치의 성능을 현저히 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 회전자 영구 자석의 자기 플럭스는 고정자 투쓰들의 축방향 길이를 통해, 이어 둘러싸는 고정자 코일을 통해 전달되는 것이 바람직하다. 또한, 고정자 코일을 통해 흐르는 전류에 의해 생성된 자기 플럭스는 공극으로 우선 전달되는 것이 바람직하다.
프론트아이언의 최적 두께는 1 ㎜보다 작은 값에서부터 1 ㎜, 2 ㎜, 5 ㎜ 또는 그이상의 범위일 수 있다. 최적 두께는 전기 장치의 크기 및 작동 요구사항, 고정자 물질의 특성, 고정자 권선, 프론트아이언 및 회전자 뿐만 아니라 그들이 갖는 고유한 자기 특성에 따라 변동된다. Metglas® 2605SA1 또는 이와 유사한 Fe 기반 비정질 합금으로 제작된 프론트아이언을 갖는 특정 실시형태에서, 높은 슬롯 카운트 설계에 대해 프론트아이언의 최적 두께는 0.5 내지 1.0 ㎜의 범위에 있다. 낮은 슬롯 카운트의 고주파수 설계는 더 두꺼운 프론트아이언이 적합할 수 있다. 또한 최적 두께는 회전자 영구 자석 물질의 특성에 따라 변동된다. 전자기 분석에 적용되며 당업자가 이용할 수 있는 다양한 컴퓨터 소프트웨어 툴들이 전기 장치의 성능에 영향을 미치는 다양한 파라미터를 갖는 프론트아이언 두께를 최적화하는데 사용될 수 있다.
장치의 구조 및 장치의 성능 특성의 다른 관점에 따라 프론트아이언의 두께가 가장 잘 최적화된다. 중요한 성능 특성의 예로, 전환 주파수(바람직하게 높은 주파수)의 선택, 및 낮은 인덕턴스 및 적절한 저속 제어의 유지가 있다. 도전체 및 연자성 물질의 적정 균형 및 투쓰 와 백아이언 섹션의 크기와 같은 다른 구조적인 세부사항들은 프론트아이언의 구성물질에 의해 영향을 받는다.
본 발명의 전기 장치의 바람직한 실시형태에서, 비정질, 나노결정, 최적화된 Fe 기반 합금, 결정 방향성을 갖는 Fe 기반 또는 결정 무방향성 Fe 기반 물질은, 종래의 장치에서 수용할수 없을 정도로 코어 손실이 크게 증가되는데 비하여 비교적 적은 코어 손실의 증가와 함께 상기 장치의 전환 주파수를 400 Hz 보다 증가시킬 수 있게 한다. 따라서 고정자 코어에 저손실 물질을 사용하는 것은 고주파수, 높은 폴 카운트, 증가된 파워 밀도를 제공할 수 있는 전기 장치 및 향상된 효율의 개발을 가능하게 한다. 더하여, 고정자 코어 손실의 감소는, 전형적으로 설계된 장치에서 열제한에 의해 빈번하게 요구되었던 토크와 파워의 감소 필요성 없이, 모터가 전형적인 기초 속도를 넘어서는 작동을 할 수 있게 한다.
비정질 금속
금속성 글래스로 알려진 비정질 금속은 본 발명의 모터에 사용되기에 적절한 매우 다양한 혼합물로 존제한다. 일반적으로 금속성 글래스는 예를 들어, 적어도 약 106℃/s의 비율로 용융물을 신속하게 냉각시킨 필수 혼합물의 용융 함금으로부터 형성된다. 이들은 긴 범위의 원자 오더를 타나내지 않으며, 무기 산화물 글래스 에서 관찰되는 것과 같이 오직 흩어진 헤일로우(halo)를 나타내는 X-선 회절 패턴을 갖는다. 적절한 자기 특성을 갖는 많은 혼합물이 첸(Chen)등에게 허여된 미국특허 RE32,925호에 기재된다. 일반적으로, 비정질 금속은 20 ㎝ 또는 그이상의 폭으로 얇은 리본(예를 들어, 최대 약 50㎛의 두께)이 길이가 연장된 형태로 제공된다. 특정되지 않은 길이를 갖는 금속성 글래스 스트립의 형성에 유용한 공정이 나라시만(Narasimhan)에게 허여된 미국특허 4,142,571호에 개시된다. 본 발명에 사용하기 적절한 예시적인 비정질 금속 물질은 약 20 ㎝의 폭과 20-25 ㎛의 두께를 가지며 특정되지 않은 길이의 리본 형상을 갖는 미국 사우스캐롤라이나주, 콘웨이의 메트글라스사에 의해 판매되는 METGLAS® 2605SA1이다(http://www.metfglas.com/products/page5_1_2_4.htm 참조). 상기 요구되는 특성을 갖는 다른 미정질 물질이 사용될 수 있다.
비정질 금속은 자기 장치의 제조 및 사용에 이용되어야 하는 다양한 특징을 갖는다. 대부분의 연자성 물질과는 달리, 비정질 금속(또한 금속성 글라스로 알려진)은 특히 연자성 특성을 최적하하는데 전형적으로 사용되는 열처리 이후 단단하 며 깨어지기 쉽다. 결과적으로, 모터에 대해 전형적인 연자성 물질을 처리하는데 일반적으로 사용되는 많은 기계적 동작이 비정질 금속 상에서 수행되는 것이 어렵거나 불가능하다. 생성된 물질을 스탬핑, 펀칭 또는 커팅하는 것은 수용할수 없는 툴 웨어(tool wear)를 일으키며 실제로 깨어지기 쉬운 열처리된 물질에는 불가능하다. 종종 전형적인 강철에 수행되는 전형적인 드릴링 및 용접 또한 일반적으로 불가능하다.
더하여, 비정질 금속은 전형적인 Si-Fe 합금보다 더 낮은 포화 플럭스 밀도(또는 인덕션)를 나타낸다. 일반적으로, 더 낮은 플럭스 밀도는 전형적인 방법에 따라 설계된 모터에서 낮은 파워 밀도를 가져온다. 또한 비정질 금속은 Si-Fe 합금보다 낮은 열 전도성을 갖는다. 열전도는 따뜻한 위치에서 차가운 위치로 물질을 통해 열이 얼마나 잘 전달되는지를 결정하는 것이므로, 낮은 값의 열 전도성은 자기 물질에서의 코어 손실, 권선에 의한 오믹 손실, 마찰, 풍손(windage) 및 다른 손실 원인으로부터 발생하는 열 방출을 적절하게 제거하기 위해 모터의 주의 깊은 설계에 필수적이다. 반대로 방출되는 열을 적절하게 제거하지 못하면, 수용할 수 없을 정도로 모터의 열이 증가하게 된다. 과도한 온도는 급격한 전기 절연 또는 다른 모터의 구성요소에 대한 파괴를 일으킬 수 있다. 일부 경우에, 과도한 온도는 쇼크의 위험을 일으키거나 화재를 일으키거나 건강 및 안전에 대한 다른 심각한 위험을 일으킬 수 있다. 또한, 비정질 금속은 전형적인 물질보다 높은 자기변형(magnetostriction) 계수를 나타낸다. 낮은 자기 변형 계수를 갖는 물질은 자계의 영향에 의해 더 작은 물리적인 변형을 겪게되며, 장치로부터의 청각적 잡음을 감소시키거나 장치가 제조 또는 작동하는 동안 유도되는 스트레스의 결과로서 자기 특성의 저하를 더욱 잘 수용할 수 있는 물질이 되게 한다.
이러한 단점에도 불구하고, 본 발명의 일관점은 고도의 연자성 물질을 성공적으로 통합하고, 높은 주파수 여기, 예를 들어 약 400 Hz 보다 큰 전환 주파수를 갖는 모터의 동작을 가능하게 한다. 또한 모터의 제조를 위한 제조 기법이 제공된다. 특히 비정질 금속과 같은 고도의 물질을 구성하고 사용하는 결과로써, 본 발명은 높은 폴 카운트를 갖는 고주파수(약 400 Hz 보다 큰 전환 주파수로서 정의됨)에서 작동하는 모터를 성공적으로 제공할 수 있다. 비정질 금속은 고주파수에서 더욱 낮은 자기이력(hysteresis) 손실을 나타내며 그 결과 낮은 코어 손실을 가져온다. Si-Fe 합금과 비교할 때, 비정질 금속은 더욱 낮은 도전성을 가지며 일반적으로 사용되는 Si-Fe 합금보다 더 얇은 두께를 갖는다. 상기 두께는 200 ㎛ 또는 그 이하이다. 이러한 특성들은 더욱 낮은 와전류 코어 손실을 가져온다. 낮은 코어 손실과 같이 적용된 비정질 금속의 이로운 특성들을 허용하는 구성을 사용함으로써, 본 발명은 종래에 고도의 물질을 사용하는데 직면하였던 문제점을 회피하는 동시에 전술한 하나 또는 그 이상의 바람직한 특성들로부터 잇점을 가지며 이로 인해 높은 주파수에서 작동할 수 있는 모터를 제공한다.
나노결정 금속
나노결정 물질은 약 100 ㎚ 또는 그 이하의 평균 결정 크기를 갖는 다결정 물질이다. 전형적인 굵은 결정(coarse-grained) 금속과 비교할 때, 나노결졍 금속 은 일반적으로 증가된 강도 및 경도, 향상된 열확산성, 개선된 연성 및 거칠기, 감소된 밀도, 감소된 모듈러스, 높은 전기 저장, 증가된 비열, 높은 온도 확산 계수, 낮은 열 전도성 및 우수한 연자성 특성 등을 포함한다. 또한, 나노결정 금속은 대부분의 Fe 기반 비정질 금속에 비해 일반적으로 월등히 높은 포화 인덕션을 갖는다.
나노결정 금속은 다양한 기법에 의해 형성될 수 있다. 바람직한 일 방법은 특정되지 않은 금속 글래스 리본으로 필수 혼합물을 캐스팅하는 단계, 전술한 기법을 이용하는 단계, 및 권선된 형상과 같이 원하는 구조로 리본을 형성하는 단계를 포함한다. 그 이후, 최초의 비정질 금속은 나노결정 마이크로구조를 형성하기 위해 열처리된다. 이 마이크로구조는 약 100 ㎚, 바람직하게는 50 ㎚, 더욱 바람직하게는 10-20 ㎚ 미만의 평균 크기를 갖는 높은 결정 밀도를 나타내는 것을 특징으로 한다. 결정이 철 기반 합금의 적어도 50%의 부피를 차지하는 것이 바람직하다. 이러한 바람직한 물질은 낮은 코어 손실 및 낮은 자기변형을 갖는다. 또한 후자의 특성은 제조 및 또는 구성요소를 포함하는 장치의 동작 시 부가되는 스트레스에 의한 자기적 특성의 저하에 대해 덜 취약한 물질을 생성한다. 주어진 합금에 나노결정 구조를 생성하기 위해 필요한 열처리는, 실질적으로 전체가 유리와 같은 마이크로구조를 유지하는데 설계된 열처리에 필요한 것 보다 더 높은 온도 또는 더 긴 시간동안 수행되어야 한다. 바람직하게, 나노결정 금속은 철 기반 물질이다. 그러나 나노결정 금속은 또한 코발트 또는 니켈과 같은 다른 강자성 물질에 기반하거나 포함할 수 있다. 본 발명의 장치에 사용되는 자성 요소를 구성하는데 사용하기에 적합 한 대표적인 나노결정 합금이, 예를 들어 요시자와(Yoshizawa)에 허여된 미국 특허 번호 4,881,989호 및 스즈키(Suzuki) 등에게 허여된 미국 특허 번호 5,935,347호에 개시된다. 이러한 물질들은 히타치 금속(Hitachi Metals)사, Vaccumschmelze GMBH & Co, 및 알프스 전기(Alps Electric)사로부터 이용할 수 있다. 저손실 특성을 갖는 나노결정 금속의 예로 Hitachi Finemet FT-3M이 있다. 저손실 특성을 갖는 나노결정 금속의 다른 예로 Vaccumschmelze Vitroperm 500 Z가 있다.
최적화된 Fe 기반 합금
또한, 본 발명의 장치는 최적화된 저손실 Fe 기반 결정성 합금 물질을 이용하여 구성될 수 있다. 바람직하게 이러한 물질은, 모터에 사용되었던 200 ㎛ 또는 그이상의 두께 및 종종 400 ㎛ 또는 그 이상의 두께를 갖는 전형적인 강철보다 더 얇은 약 125 ㎛보다 작은 두께를 갖는 스트립의 형태를 갖는다. 결정 방향성 또는 무방향성 물질이 모두 사용될 수 있다. 본 발명에 사용될 때, 결정성 물질은 구성하는 결정들의 주된 결정축(principal crystallographic axes)이 임의의 방향을 갖는 것이 아니라 하나 또는 그 이상의 바람직한 방향을 따라 주되게 서로 관련된 것이다. 전술한 마이크로구조의 결과로서, 방향성을 갖는 스트립 물질이 서로 다른 방향에 따른 여자에 다르게 반응하며, 반면 무방향성 물질은 등방성으로, 즉 스프립 명에서 임의의 방향에 따른 여자에 실질적으로 동일한 방향으로 반응한다. 결정 방향성을 갖는 물질은, 자기 플럭스의 주된 방향에 실질적으로 일치하는 자화되기 쉬운 방향으로 본 발명의 모터에 배치되는 것이 바람직하다.
여기에 사용되는 것과 같이, 전형적인 Si-Fe 합금은 중량에 있어 약 3.5%의 실리콘 함유량 또는 그 이하의 실리콘 함유량을 갖는 실리콘-철 합금을 의미한다. 실리콘의 3.5 중량%라는 한정은 더 높은 실리콘 함유량을 갖는 Si-Fe 합금은 열악한 금속가공 물질 특성을 가지므로 산업상으로 부과된 것이다. 약 400 Hz보다 큰 주파수를 갖는 자계에서 동작할 때 발생하는 전형적인 Si-Fe 합금 등급의 코어 손실은 실질적으로 저손실 물질의 코어 손실보다 크다. 예를 들어, 일부 경우 전형적인 Si-Fe의 손실은, 상기 주파수 및 이 주파수에서 작동하는 장치에서 직면하는 플럭스 레벨 및 본 발명의 플럭스 레벨에 적절한 비정질 금속의 손실에 10배에 이를 수 있다. 결과적으로, 많은 실시형태에서 고주파수 작동 시 전형적인 물질은 임의의 적절한 수단에 의해 전형적인 장치가 냉각될 수 없는 지점까지 가열될 것이다. 그러나, 본 명세서에서 최적화된 Si-Fe라 언급되는 일부 등급의 Si-Fe 합금은 고 주파수 장치를 제조하는데 직접 적용될 수 있다.
본 발명의 실시에 사용될 수 있는 최적화된 Fe 기반 합금은 약 3.5 중량%, 바람직하게 4 중량%보다 많은 실리콘을 포함하는 Si-Fe 합금 등급이다. 본 발명에 따른 장치를 구성하는데 사용된 결정 무방향성 Fe 기반 물질은 근본적으로 약 4 내지 7.5 중량%의 범위를 갖는 Si의 함량을 갖는 Si 함유 Fe 합금으로 이루어진다. 이 바람직한 합금은 전형적인 Si-Fe 합금보다 많은 Si를 갖는다. 또한 센더스트(Sendust)와 같은 Fe-Si-Al 합금이 이용될 수 있다.
더 바람직한 무방향성 최적화된 합금은 근본적으로 약 6.5±1 중량%의 Si를 갖는 Fe로 이루어진다. 가장 바람직하게 약 6.5 %의 Si를 갖는 합금은 거의 0의 포 화 자기변형을 나타내며, 이는 이 물질을 함유하는 장치의 제조 또는 작동시 겪게되는 스트레스로 인한 해로운 자기 특성 저하를 더욱 적게 수용할 수 있게 한다.
최적화의 목적은 감소된 자기저항 및 특히 낮은 코어 손실을 포함한 향상된 자기 특성을 갖는 합금을 얻는 것이다. 이러한 이로운 특성들은 적절한 제조 방법에 으해 제조된 실리콘 함량을 증가시킨 소정의 합금에서 얻을 수 있다. 일부 경우, 이 최적화된 Si-Fe 합금 등급은 비정질 금속의 특성과 유사한 코어 손실 및 자기 포화의 특성을 갖는다. 그러나, 4 중량% 이상의 Si를 함유한 합금은 짧은 범위 오더링(short-range ordering)으로 인한 취약성으로 인해 전형적인 수단에 의해 생성되기 어렵다. 특히, 전형적인 Si-Fe를 제조하는 전형적인 롤링 기법은 일반적으로 최적화된 Si-Fe를 제조하는 것이 불가능하다. 그러나, 최적화된 Si-Fe를 제조하기 위해 다른 주지의 기법이 사용될 수 있다.
예를 들어, 바람직한 형태인 Fe-6.5Si 합금은 일본, 동경의 JFE 스틸 코포레이션(http://www.jfesteel.co.jp/en/products/electrical/supercore/index.html 참조)의해 제조된 50 및 100 ㎛의 자기 스트립으로 공급된다. 다스(Das) 등에게 허여된 미국 특허 번호 4,865,657호 및 츠야(Tsuya) 등에게 허여된 미국 특허 번호 4,265,682에 개시된 것과 같은 급속 응결 기법에 의해 제조된 Fe-6.5Si가 사용될 수 있다. 또한, 급속 응결 기법은 센더스트 및 관련된 Fe-Se-Al 합금을 마련하는데 알려져 있다.
연자성 물질의 코어 손실은 일반적으로 다음과 같은 변형된 슈타인메츠(Steinmetz) 방정식에 의해 표현될 수 있다.
L = a·f·Bb + c·fd·Be
상기 식에서, L은 W/kg 단위의 손실이고,
f는 kHz 단위의 주파수이고,
B는 피크 테슬라 단위의 자기 플럭스 밀도이며,
a, b, c 및 d 및 e는 모두 연자성 물질에 고유한 손실 계수이다.
상기 손실계수 a, b, c, d 및 e 각각은 일반적으로 주어진 연자성 물질의 제조자로부터 얻을 수 있다. 특히 "L"보다 작은 코어 손실에 의해 특징이 결정되는 저 코어손실의 자기 물질이 본 발명의 고정자 구조에 사용되기에 바람직하다. 여기서 L은 공식 L = 12·f·(Bmax)1.5 + 30·f2.3·(Bmax)2.3에 의해 주어진다.
상기 식에서, L은 W/kg 단위의 손실이고,
f는 kHz 단위의 여자 주파수이고,
Bmax는 테슬라 단위의 피크 자기 플럭스 밀도이다.
회전자 어셈블리
도 3은 본 발명의 전기 장치의 일실시형태의 부분적인 분해도이다. 본 발명의 전기 장치는 백아이언(16), 복수의 고정자 투쓰 섹션 코어(12), 고정자 권선(14), 프론트아이언(18) 및 복수의 회전자 자석(20)을 포함한다.
회전자 어셈블리 및 고정자 어셈블리는 실질적으로 동축에 배치된다. 일 관점에서, 본 발명은 회전자 어셈블리 내에 배치된 복수의 자석(20)을 갖는 회전자 어셈블리를 포함하는 축 공극, 블러쉬리스 영구 자석 모터를 제공한다. 회전자 어셈블리는 고정자 어셈블리에 인접하여 위치하며 축 상에 동축으로 배치된다. 상기 자석은 극성이 교대로 배치되며, 실질적으로 동일한 간격으로 회전자 주위에 원주상으로 고정되어 위치한다. 사이즈, 위치, 각도, 기울어짐(skew), 형상 등과 같은 회전자 자석의 다른 파라미터들은 바람직한 성능을 얻을 수 있도록 선택된다.
본 발명의 회전자 어셈블리는, 고정자 어셈블리의 프론트아이언 표면에 근접하여 회전하기 위해 자석을 고정시키는 임의의 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 회전자 자석(20)은 회전자 캐리어 내에 배치되거나 그 상부에 실장될 수 있다. 회전자 어셈블리는 임의의 개수의 자석(20)을 포함할 수 있다. 일실시형태에서, 회전자 자석은 회전자 두께를 통해 연장될 수 있으며 다른 실시형태에서는 그렇지 않을 수 있다.
상기 자석은 이웃한 자석 사이에 원주상의 틈이 매우 작거나 존재하지 않도록 배치될 수 있다. 최적의 값을 갖도록 자석 사이의 공간이 선택되는 것이 바람직하며, 이 최적의 값은 토크 코깅(cogging)의 발생을 최소화 한다. 최적화된 공간은 각각의 단일 금속 코어 투쓰의 영역을 얻기 위한 고정자 슬롯의 수에 의해 고정자 영역의 저손실 금속 영역을 일차 분할하는 것으로부터 결정된다. 자석 사이의 최적화된 공간은 각 자석이 형성하는 전체 영역이 코어 투쓰 영역의 175±20%가 되도록 하는 값이다.
회전자 자석(20)이 영구자석으로 기술되었으나, 이는 필수사항이 아니다. 다른 실시형태에서, 회전자는 하나 또는 그 이상의 전자석을 포함하거나, 예를 들어 본 발명의 전기 장치의 인덕션 모터의 실시형태에서 연자성 물질으로 형성될 수 도 있다.
회전자 물질
임의의 형식을 갖는 영구 자석이 본 발명의 회전자에 사용될 수 있다. 사마리움-코발트(samarium-cobalt) 자석, 다른 코발트-희토류 금속 자석 또는 에를 들어 NdFeB 자석과 같은 희토류 천이 금속-메탈로이드 자석과 같은 희토류 천이 금속 합금(rare earth-transition metal alloy) 자석이 특히 바람직하다. 또 다른 예로, 회전자 자석 구조물은 임의의 다른 소결되거나, 플라스틱-접합되거나 세라믹 영구 자석 물질을 포함한다. 바람직하게, 자석은 선형 제2 사분 정규 소자 곡선(a linear second-quadrant normal demagnetization curve)을 따라 높은 최대 BH 에너지 곱(energy product), 높은 보자력, 높은 포화 자화를 갖는다. 더 바람직하게, 방향성을 갖는 소결된 희토류 천이 금속 합금 자석이 사용된다. 이는 고가의 영구 자석 물질의 부피를 최소화시키면서, 이들의 높은 에너지 곱은 플럭스 및 토크를 증가시킬 수 있기 때문이다.
바람직하게, 회전자 배치 구조는 디스크 또는 원주상으로 이격 배치되며 희토류 천이 금속(예를 들어 SmCo) 또는 희토류 천이 금속-메탈로이드 자석(예를 들어, NdFeB 및 NdFeCoB)과 같은 고에너지 곱의 영구 자석(이들은 북극 및 남극을 정의하는 대향하는 단부를 갖는다)을 포함하는 축형 회전자 어셈블리를 포함한다. 회전자 및 그 자석(20)은, 자석의 폴들이 하나 또는 그 이상의 회전자 어셈블리 및 그에 연결된 프론트아이언에 인접한 기설정된 경로를 따라 접근하기 쉽도록 모터 축(예를 들어 샤프트 또는 다른 적절한 요소) 주위를 회전하도록 지지된다. 일반적으로 샤프트는 회전 장치에 알려진 임으의 적절한 형식의 베어링에 의해 지지된다. 회전자 상의 자석 영역은 외주 및 내주를 갖는다. 바람직한 실시형태에서, 축 공극형 회전자에 대해, 자석(20)의 외주 및 내주는 고정자 어셈블리(10)의 외주 및 내주와 실질적으로 동일하다. 자석(20)의 외주가 고정자 투쓰 섹션(12)의 외주보다 큰 경우, 회전자의 외부 부분은 성능에 뚜렷한 영향을 주지 않는다 회전자의 외주가 고정자 투쓰 섹션(12)의 외주보다 작은 경우, 전기 장치 성능의 감소를 가져온다. 각각의 경우에, 장치에 제공된 일부의 강자성 또는 연자성 물질은 비용과 무게를 증가시키나 성능을 향상시키지 않는다. 어떤 경우, 별도의 물질이 심지어 장치의 성능을 저하시키기도 한다.
회전자 손실
프론트아이언을 포함하는 본 발명의 전기 장치의 바람직한 실시형태는 다수의 감소된 와전류 및 회전자 어셈블리에서의 감소된 자기이력 손실 및 토크 코깅 및 토크 리플의 감소를 포함하는 이로운 특성을 제공한다. 많은 경우, 이러한 이점들은 추가된 비용 및 프론트아이언 추가로 인한 복잡성, 프론트아이언 자체의 손실 및 경미하게 감소된 장치 출력을 상쇄한다.
외전자 어셈블리는 종종 영구 자석 자체 또는 회전자 캐리어와 같이 전기 전도성을 갖는 물질을 포함한다. 전술한 바와 같이, 변화하는 자계에서 임의의 도전 체는 패러데이 범칙으로 표현되는 유도된 전압을 겪는다. 이 도전성 물질에 유도된 전압은 일반적으로 와전류라 불리는 회전하는 전류를 생성한다. 상기 물질 내에서 와전류에 의해 생성된 열은 일반적으로 I2R로 표현되는 전류(I)와 저항(R)의 함수로 주어진다. 와전류는 유용한 토크를 제공하지 않으므로, 전기 장치에서 손실을 일으키는 원하지 않는 소스가 된다. 따라서, 장치 설계자의 목적은 와전류를 완전하게 제거하는 것이다.
일반적으로 와전류의 소산은 전기적으로 인접하는 블록의 사이즈에 따라 증가하며, 물질의 전기 전도성에 비례한다. 따라서, 와전류 소산은 종종 전기적으로 비전도성 물질에 의해 분리되는 적층구조로 물질을 분리함으로써 감소된다. 이러한 원인으로 인해, 전형적인 변압기 및 회전 장치에 사용되는 연자성 물질은 일반적으로 롤링 공정에 의해 제작되는 얇은 적층구조로 형성된다. 그러나, 영구 자석 물질의 현저하게 다른 기계적 특성은 적층 기법을 더욱 힘들게 하며, 회전자 구조에 실용적이지 못하며 비용을 크게 상승시킨다.
가장 잘 알려진 플럭스 생성 영구 자석인, 희토류 자석은 전기적으로 전도성을 가지며, 그 결과 불필요하게 큰 와전류 손실을 나타내는 경향이 있다. 이러한 손실은 이론적으로 자계 변화의 제곱의 함수이며, 주파수 변화의 제곱의 함수이며 물질의 특정 도전성의 함수이다. 실제로, 물질의 크기(적층구조의 두께 및 길이)는 저항값에 큰 영향을 미친다.
강자석 및 연자석을 모두 포함하는 비선형 자기 물질은 변화하는 자계에서 자기이력을 나타내며, 이는 외부 조건이 변화함에 따른 내부 자기 특성을 갖는 물질의 반응에서 발생하는 지연(lagging)을 말한다. 상기 지연은 내부 마찰에 의해 발생하는 것과 같이 개념화될 수 있다. 자기이력은 물질내의 열로 인한 손실의 추가적인 원인이 된다. 이는 물질의 고유 자기 특성의 함수로써 변화된다.
이러한 물질들은 작거나 "마이너(minor)"한 루프에서 자기이력을 겪게될 수 있다. 이 루프는 자기이력 B-H 곡선의 모든 4분면을 커버하지 않으며, 따라서 전체 자화 반전(reversal)보다 작은 것을 나타낸다. 예를 들어, 연자성 물질에서 이 마이너한 루프는 일반적으로 B-H 곡선의 제1 또는 제3 사분면에 발견된다. 본 발명의 장치의 실시형태에서 회전자 어셈블리에 사용되는 것과 같은 강자석은, 상기에 기술된 바와 같이 주기적인 투자율 변화의 결과로서 제2 또는 제4 사분면에 위치한 마이너한 곡선을 따른다. 각 루프의 영역은 전기장치에 대한 자기이력 손실으로 인한 손실을 나타낸다.
투자계수의 변동
상기에서 언급한 바와 같이, 전기 장치의 회전자에는 회전에 따른 회전자/고정자의 자기적 회로 변환에서 자속 밀도의 중요한 주기 변동이 거의 변함없이 생긴다. 이러한 변화는 투자 계수를 참조하여 이해하는 것이 가장 바람직하다. 투자계수(Pc)는 회전자, 고정자 및 공극의 자기장 회로가 자속으로 전도되는 능력을 측정한 것으로 나타낼 수 있다. 회전자가 회전하면, 투자 계수는 상기 회전자 자석이 고정자 코어 투쓰(tooth)와 가장 가깝게 정렬된 곳에서 최대가 되며, 상기 자석이 투쓰들 사이에 위치할 때 최소가 된다. 상기 자속 밀도는 상기 회전자 자석의 내부 및 외부에서 같은 크기로 변화한다. 상기 회전자 자석의 내부에서 자속 밀도의 주기적인 변화는 가열을 일으키는 와전류를 유도한다.
와전류 및 자기 이력 손실 발생에서의 주파수는 일반적으로 상기 장치의 기대된 동위상의 주파수가 아니고, 이는 다음 방정식으로 주어진다.
동위상 주파수 = 속도 × 영구 자석(회전자) 폴 쌍의 개수
이러한 손실은 회전자 자석이 변화하는 투자 계수 환경의 내부 및 외부로 움직이는 주파수에서 발생하고, 이러한 주파수는 고정자 투쓰들의 갯수의 함수에 의해 주어진다.
회전자 손실 주파수 = 속도 × 고정자 투쓰들의 갯수
이 회전자 손실 주파수는 이하에서 더 상세하게 설명할 0.5의 폴당 위상당 슬롯 비율을 갖는 전기 장치에서 동위상 주파수보다 세배 크다.
회전자 손실에서 프론트 아이언 효과
고정자 어셈블리에 대한 프론트 아이언의 부가는 회전자에 대한 모든 위치에서의 투자 계수를 크게 변화시킨다. 프론트 아이언은 프론트 아이언의 부가가 없을 때 필연적으로 존재하는 저-고-저 자속 변화의 크기를 감소시킨다. 바람직하게는, 상기 프론트 아이언은 연 자성 물질로 된 고정자의 개방 슬롯과 부분적으로 "교락하는" 저자기저항 자속 통로를 제공한다. 도4의 도면은, 프론트 아이언의 두께가 증가함에 따라 회전자의 B에서의 변화가 감소되고, 따라서 상기 회전자에서 원하지 않는 와전류 및 자기 이력 손실이 발생되는 것을 보여준다.
토크 코깅(torque cogging) 및 토크 리플(torque ripple)의 감소
본 발명의 프론트 아이언을 포함하는 장치에서 보이는 이득은 토크 리플 및 토크 코깅의 감소이다. 장치는 회전자의 각도의 위치가 변하지 않는 토크를 갖고 작동하는 것이 바람직하다. 그러나, 상기에서 설명한 바와 같이, 전기 장치는 회저자 각도를 갖는 회전자-고정자 자석 회로의 투자율에서 필연적으로 약간의 변화를 가진다. 따라서, 거기에는 필연적인 토크의 변화가 또한 존재한다. 전기적인 장치 설계자는 실질적으로 일정한 토크를 갖는 매끄러운 출력을 내기 위해서 토크 변화를 제거하려고 시도한다. 과도한 토크 리플은 또한 원하지 않는 음향 노이즈를 야기한다. 다이나모일렉트릭 장치 분야에서, 토크 코깅과 토크 리플사이의 구별은 자주 발생한다. 전자가 입력/출력 전류가 없는 상기 장치에서 회전 위치를 갖는 토크의 동요 또는 변화에 관한 것이라면, 후자는 작동하는 동안에, 예를 들어 파워를 인가한 경우에 토크의 변화에 관한 것이다. 그러나, 리플 및 코깅은 물리적으로 연관된 현상이고, 때때로 상호 교환하여 사용할 수 있는 것으로 간주된다. 토크 리플은 전기 장치의 설계 및 파워 전자장치의 작동에 영향을 받는다. 토크 코깅은 대부 분 장치 설계 파라미터에 의존한다. 본 발명이 주로 전기 장치의 설계에 대해서 언급하지만, 그러나, 토크 코깅 및 토크 리플은 함께 고려되어야 한다.
프론트아이언의 추가는 다른 위치에서 투자 계소ㅜ의 변동을 감소시키고, 공극을 가로지르는 자기 플럭스의 절대값을 더욱 일정하게 한다. 그 결과, 토크 코깅이 감소된다. 프론트아이언의 두께가 제한없이 증가되면 토크 코깅은 0으로 수렴한다.
토크 코깅은 투자 계수의 변동에 의해 영향을 받는다. 가우스의 법칙에 의해 예견되는 바와 같이, 시간에서 임의의 주어진 순간에, 공극을 가로지르는 순수 자계는 0이다. 그러나 고정자에 대한 회전자의 위치가 존재하고 여기서 투가 계수는 다른 위치에서보다 높다. 이 위치에서 자기 플럭스의 절대값은 투자 계수가 더 낮은 위치에서보다 더 크다. 높은 Pc를 갖는 위치에서 낮은 Pc를 갖는 위치로 회전자가 이동하는 것은 토크의 감소를 일으킨다. 예를 들어, 0.5의 SPP 값을 갖는 장치에서, 각 회전자 폴 페어에 대해 6 곳의 높은 투자율을 갖는 위치가 존재한다. 하나의 높은 투자율 계수를 갖는 위치에서 다음의 높은 투자율 계수를 갖는 위치로 회전자가 "점핑(jumping)"하는 결과로써 토크 코깅이 관찰된다.
성능 및 손실에 대한 프론트아이언의 영향
프론트아이언의 추가는 추가적인 물질 및 처리 단계의 추가를 통해 장치의 비용을 증가시키나, 이 비용은 일반적으로 전기 장치의 성능에서 발생하는 많은 이득에 의해 상쇄된다.
임의의 장치의 출력은 공극 내의 자기 플럭스의 상호작용에 크게 의존한다. 예상외로, 적절히 선택된 두께를 갖는 프론트아이언의 사용은 프론트아이언이 사용되지 않은 조건에 비해 고정자 코어에서 자기 플럭스의 양을 증가시킨다. 고정자 코어에서 자기 플럭스 양의 증가는 바람직하게 전기 장치의 출력을 증가시킨다. 그러나, 이 증가는 약소하며, 일반적으로 도 5에 도시된 바와 같이 0.25 ㎜ 또는 그 이하의 규격을 갖는 프론트아이언의 두께에 대해 발생한다. 너무 두꺼운 프론트아이언은, 프론트아이언이 인접한 고정자 코어 또는 투쓰에 "션트된(shunted)" 고정자 코어(투쓰를 포함)로부터 플럭스를 발생시킬 수 있기 때문에, 공극에 이르는 고정자 코일에 흐르는 전류에 의해 생성된 고정자 자기 플럭스의 양을 감소시킨다. 따라서 프론트아이언 두께의 최적화는 장치 출력에 미치는 영향이 고려되어야 한다.
프론트아이언 자체는 와전류 및 자기이력 손실을 일으키는 플럭스의 변동을 겪게된다. 이들은 저저항 물질의 선택 및 프론트아이언 두께의 적절한 최적화에의해 현저하게 감소될 수 있다. 또한, 프론트아이언의 추가는 고정자 코어에 더 큰 플럭스 밀도를 일으키며, 더 큰 토크 출력을 생성하지는 않는다. 코어 구조물에서 높은 플럭스 밀도는 도 6에 도시된 것과 같이 코어 내의 더 큰 손실을 필연적으로 생성한다. 대부분의 경우, 고정자의 추가적인 손실은 회전자 자석에서 감소된 손실에 의해 상쇄된 것보다 크다. 따라서, 고정자 손실은 프론트아이언 두께를 최적화하는데 고려되는 것이 바람직하여, 그 결과 결과정인 장치의 성능이 향상될 수 있다.
높은 폴 카운트, 저 손실-물질을 이용한 높은 주파수 설계
본 발명의 구조와 방법은 낮은 범위에서 높은 범위에 이르는 폴 카운트를 가진 전기 장치에 이용할 수 있다. 그러나, 프론트아이언을 포함하는 이점은 고정자에 저 손실 물질를 사용하여 높은 주파수에서 작동하는 높은 폴 카운트 전자 장치의 설계을 할 수 있는 실시예에서 실현된다. 특별한 실시예에서, 본 발명은 축 공극 전기 장치에 높은 주파수, 즉 대략 400Hz 보다 큰 전환 주파수(commutating frequency)에서 작동하는 높은 폴 카운트를 공급한다. 경우에 따라서, 상기 장치는 대략 500Hz 내지 3kHz 또는 그 이상의 범위에 이르는 전환 주파수에서 작동할 수 있다. 종래의 고정자 코어 물질들(예를 들어 Si-Fe)은 높은 폴 카운트에 의해 요구되는 그에 준하여 더 높은 주파수에서 작동하지 않기 때문에, 설계자들은 높은 속도 모터들을 위한 높은 폴 카운트를 피해왔다. 특히, Si-Fe를 이용하는 잘 알려진 장치들은 물질 내의 자속의 변화에서 기인된 코어 손실 때문에 대략 400Hz를 휠씬 넘는 자기 주파수(magnetic frequency)에서 스위치 될 수 없다. 상기 한계를 넘어서는, 코어 손실 때문에 상기 물질는 어떠한 수단에 의해서도 장치가 냉각될 수 없을 정도까지 가열된다. 어떤 조건하에서, Si-Fe 물질의 가열은 장치가 어떻게 해서도 냉각될 수 없어서, 스스로 파괴되는 정도까지 심각하게 될 수 있다. 그러나, 적절한 비정질, 나노 결정 및 최적화된 철(Fe) 기반의 금속의 저 손실 특성은 종래의 Si-Fe 물질보다 더 높은 스위칭 비율을 갖는 것으로 측정되었다. 바람직한 실시예에서, 비정질 합금의 선택, 예를 들어 METGLAS® 2605SA1 합금,은 높은 주파수 작동에서 발생하는 발열에 기인한 시스템 제한을 제거함과 동시에, 비정질 물질의 이 로운 특성을 더 잘 이용하기 위해 회전자 설계 및 전체적인 모터 구성이 또한 개선된다. 더 높은 여기 주파수(exciting frequencies)를 이용할 수 있는 능력으로 본 발명의 장치는 가능한 한 더 넓은 폴 카운트를 갖도록 설계될 수 있다. 본 발명의 장치에서 폴들의 수는 허용되는 장치의 크기(물리적 제한) 및 기대되는 실행 범위에 기초한 변수이다. 허용가능한 여기 주파수 제한 내라면, 자속 누설이 바람직하지 않은 수치까지 증가할 때까지 폴들의 수는 증가될 수 있다. 프론트아이언의 이용은 또한 누설을 최소화하는데 도움을 준다.
고정자 슬롯들은 회전자 자석들과 일치하여야 하기 때문에, 또한 회전자 폴들의 수에서 고정자 구조에 의해 나타나는 장치적인 제한이 있다. 장치적이고 전자기적인 동시 제한은 고정자에서 만들어질 수 있는 슬롯의 수를 제한한다. 차례로, 이들 효과는 장치의 프레임 크기와 부분적으로 상관관계에 있다. 구리와 연자성 물질의 적절한 밸런스를 제공하는 주어진 고정자 프레임을 위한 슬롯 숫자에 있어서 상한을 결정하도록 몇몇 제한이 설정될 수 있다. 밸런스 조정은 잘 실행되는 축 공극 장치를 제작하는데 있어서 파라미터로써 이용될 수 있다. 본 발명은 현재 산업 장치를 위한 전형적인 폴의 숫자에 비해 최적으로 4 또는 5 배를 갖는 모터를 제공한다.
예를 들어, 6 내지 8 개의 폴을 가지며, 대략 800 내지 3600 rpm의 속도에 작동하는 전형적인 산업용 모터를 위해, 전환 주파수(CF)는 회전 속도에 폴 쌍(pole pairs)의 수를 곱한다. 여기서, 폴 쌍은 폴 수를 2로 나눈 것이고, 회전 속도는 단위 시간당 회전의 단위이다(CF=rpm/60 × pole/2). 또한 16 또는 그 이상 의 폴을 갖지만 1000 rpm 보다 작은 속도를 내는 장치는 산업상 이용할 수 있으며, 이 장치는 여전히 400Hz 보다 작은 주파수에 대응한다. 다른 방식으로, 모터는 또한 상대적으로 낮은 폴 카운트(예를 들어, 6 폴 보다 적은)와 30000 rpm 이상의 속도를 가질 수 있으며, 여전히 약 400Hz 보다 적은 전환 주파수를 갖는다. 대표적인 실시예에서, 본 발명은 1000Hz에서 1250 rpm을 위한 96 폴; 1080Hz에서 3600 rpm을 위한 54 폴; 1000Hz에서 30000 rpm을 위한 4 폴; 및 1000Hz에서 60000 rpm을 위한 2 폴을 갖는 장치를 제공한다. 본 발명의 높은 주파수 장치는 종래의 물질 및 설계으로 만들어진 공지의 축 공극 모터보다 약 4 내지 5 배 높은 주파수에서 작동할 수 있다. 동일한 속도 범위에 작동될 때, 상기 제공된 장치는 산업에서의 전형적인 모터보다 일반적으로 더 효율적이며, 결과적으로 더 큰 속도 옵션을 제공한다. 고 에너지 효율, 고 전력 밀도(power density), 용이한 조립, 및 값비싼 연자성 물질과 강자성 물질의 효율적인 이용을 결합시키는 방식으로, 본 구성은 매우 넓은 범위의 속도, 파워 및 토크율을 갖는 모터의 구성에 특히 적합하다.
열 특성 및 효율
종래의 Si-Fe 합금을 이용하는 경우와 비정질, 나노 결정, 최적화된 Si-Fe 합금, 방향성의 철(Fe) 기반 또는 무방향성의 철 기반 금속을 이용하는 경우 모두를 포함하여, 모든 전자 장치에서 얻을 수 있는 장치 출력 효율을 제한하는 특성들 중 하나는 열로 소비되는 에너지 손실이다. 이 폐열(waste heat)은 소스에서 나오지만, 유력하게는 오믹 손실, 전기 권선에서의 표피효과 및 근접효과, 자석과 다른 회전자 구성요소의 와전류(eddy current)로부터 발생하는 회전자 손실, 및 고정자 코어로부터 발생하는 코어 손실에서 나온다. 종래 장치의 "연속적인 파워 리미트(continuous power limit)"는 용인할 수 없는 온도 상승을 막기 위해 충분한 폐열을 발산시키는 동안에 계속해서 장치가 작동할 수 있는 최대 속도에 의해서 종종 결정된다. 연속적인 파워 리미트는 전류와 상관관계에 있다.
비정질, 나노 결정, 및 최적화된 철(Fe) 기반 금속 합금은 종래의 Si-Fe 보다 더 적은 손실을 갖기 때문에, 본 발명의 실시에 최적으로 적용되는 높은 주파수, 높은 폴 카운트 전기 장치들에서, 폐열이 더 적게 발생한다. 설계자는 주파수, 속도 및 파워를 증가시킴으로써 이들 물질의 저 손실 특성을 활용하고, 그리고 나서 오믹 손실에 대해 저 코어 손실(low core loss)을 정확하게 균형을 맞추고 "교환한다". 전체적으로, 종래의 장치와 동일한 파워를 위해, 본 발명에 최적으로 적용할 수 있는 높은 주파수, 높은 폴 카운트 전기 장치들은 더 낮은 손실을 나타내고, 따라서 더 높은 토크 및 속도를 나타내며, 종래 장치보다 더 높은 연속적인 속도 제한을 이룰 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 장치의 이점은 비용효과를 유지하면서 장치의 효율을 최대화할 수 있는 능력이다. 종래에 따르면, 장치 효율은 파워 입력으로 나눈 유용한 파워 출력으로써 정의된다. 본 발명에 최적으로 적용할 수 있는 높은 주파수, 높은 폴 카운트 전기 장치들은 높은 폴 카운트를 가진 더 높은 전환 주파수에서 동시에 작동하고, 낮은 코어 손실 및 높은 파워 밀도를 갖는 더 효율적인 장치들이 된다. 그것들은 400Hz인 산업 표준 고 주파수 제한을 넘지만, 어떤 응 용에서도 지금까지 400Hz를 넘는 것은 거의 존재하지 않았다.
본 발명에 적용할 수 있는 바람직한 높은 주파수, 높은 폴 카운트 전기 장치의 실행 및 증가된 효율은 종래의 Si-Fe을 비정질 금속으로 대체하는 고유한 특징만이 아니다. 다수의 설계이 제안되었지만, 실현하는데 실패했다(과열 및 낮은 출력 파워를 포함한다). 이 실패는 종래의 물질(중량에서 3.5% 또는 그 보다 적은 Si를 포함하는 Si-Fe)를 위해 설계되고 적합한 방식으로 새로운 물질(예를 들어, 비정질 금속)와 생산 방법을 단순히 적용하는 결과로써 나타났다. 비정질 금속을 모터로 가공하는 비용과 결합된, 이 초기의 실현 실패로 산업계에서는 연구 개발의 노력을 포기하였다.
본 발명에 최적으로 적용할 수 있는 높은 주파수, 높은 폴 카운트 전기 장치들은 비정질, 나노 결정, 최적화된 Si-Fe 합금, 방향성의 철(Fe) 기반 또는 무방향성의 철(Fe) 기반 물질의 특성을 통해서 종래 기술의 실패를 극복하였다. 각종 향상된 물질들의 물리적이고 기계적인 특성과 양립할 수 있는 구성 방법이 또한 제공되었다. 높은 포 카운트를 가지며, 고 효율이며, 높은 파워 밀도를 가지면서, 400Hz 보다 더 큰 전환 주파수에 작동하는 것을 포함하여, 이들 설계 및 방법은 각종 이로운 특성들을 포함하는 장치를 제공한다. 다른 종래의 방법은 기껏해야 네 개의 특성 중 하나 또는 두 개를 가진 모터를 제공하였으나, 실시예 중에서는 동시에 4개의 특성을 나타내는 높은 주파수, 높은 폴 카운트 전기 장치가 제공된다. '094 적용에 의해 제공되는 장치들과 비교해서, 본 발명의 장치는 회전자에서 손실이 감소되는 또 다른 메커니즘을 제공한다. 다시 말하면, 고정자 조립에서 프론트 아이언의 이용을 통해 손실이 감소한다.
많은 실시예에서, 본 발명의 높은 주파수, 높은 폴 카운트 전기 장치는 유익하게 높은 효율을 나타낸다. 개선에 주된 기여는 상당히 감소된 히스테리시스 손실에서 기인한다. 종래 기술에 따르면, 히스테리시스 손실은 모든 연자성 물질의 자화(magnetization) 동안에 지연된 도메인-벽의 이동에 의해 일어난다. 상기 손실은 본 발명의 장치에 바람직하게 사용되는 개선된 물질에서 보다, 종래의 방향성 Si-Fe 합금과 무방향성 모터와 전기적 스틸과 같은 종래 이용되는 자성 물질에서 일반적으로 더 크다. 차례로, 높은 손실은 코어의 과열에 기여한다. 증가된 효율의 결과로서, 본 발명에 최적으로 적용할 수 있는 높은 주파수, 높은 폴 카운트 전기 장치는 연속적인 속도 범위를 이룰 수 있다. 종래 모터는 높은 속도 범위(낮은 파워)를 위해 낮은 토크를 제공하거나 낮은 속도 범위를 위해 높은 토크를 제공하는 제한이 있다. 본 발명에 최적으로 적용할 수 있는 높은 주파수, 높은 폴 카운트 전기 장치는 높은 속고 범위를 위해 전기 장치에 높은 토크를 성공적으로 제공한다.
폴 당 위상 당 슬롯 비(Slot Per Phase Per Pole Ratios)
전기 장치의 폴 당 위상 당 슬롯 (SPP) 값은 고정자 슬롯의 수를 고정자 권선(winding)에서 위상의 수와 DC 폴의 수(SPP=slot/phases/poles)로 나눔으로써 결정된다. 위 설명에서, 폴은 시불변 자기장과 관계가 있으며, 또한 여기에 DC 필드와 관계되며, DC 필드는 변화하는 자기장, 즉 시간과 위치에 따라 크기와 방향이 변하는 자기장과 상호 작용한다. 바람직한 실시예에서, 회전자에 탑재된 영구 자석 은 DC 필드를 제공하고, 시불변 자기 폴의 수는 DC 폴과 관계된다. 다른 실시예에서, DC 전자석은 회전자 DC 필드를 제공할 수 있다. 고정자 권선의 전자석은 변화하는 자기장을 제공한다. 슬롯은 본 발명의 고정자의 이웃한 투쓰들 사이의 공간과 관련되있다. 본 발명의 기술은 SPP 값을 갖는 전기 장치에 적용할 수 있다. 유익하게, 본 발명의 장치의 설계는 최적화된 SPP 비율의 선택에서 상당한 융통성을 갖는다.
종래 장치는 받아들일 수 있는 기능성 및 노이즈 레벨을 얻기 위해서 그리고 더 낫은 권선 분배 때문에 더 부드러운 출력을 제공하기 위해서 1 대 3의 SPP 비율을 갖도록 자주 설계된다. 그러나, 더 낮은 SPP 값, 예를 들어 0.5를 갖는 설계는 끝단 효과를 감소시키기 위해 시도되었다. 끝단들은 슬롯 사이의 권선을 연결하는 고정자 코일에서 와이어 부분이다. 물론 그와 같은 연결이 요구되지만, 상기 끝단들은 토크 및 장치의 파워 출력에 기여하지 않는다. 그것들은 필요한 와이어의 양을 증가시키고 이득도 없이 장치에 오믹 손실을 주기 때문에, 이런 점에서 그것들은 바람직하지 않다. 따라서, 모터 설계의 하나의 목표는 끝단들을 최소화하고 제어하기 쉬운 노이즈 및 코깅을 모터에 제공하는 것이다. 이에 반해서, 본 발명의 모터의 바람직한 실시형태는 낮은 노이즈, 코깅 및 더 자세히 후술할 파워 일렉트로닉스 리플(power electronics ripple)과 함께 감소된 SPP 비율을 허락한다. 상기 이점은 높은 폴 및 슬롯 카운트로 작동함으로써 얻어진다. 전환 주파수에서 요구되는 증가는 향상된, 저 손실 고정자 물질의 사용없이는 용인할 수 없기 때문에, 이들 옵션은 종래의 장치에서 실행 가능하지 않았다.
그와 같은 모터는 단 하나의 고정자 투쓰 주위에 배치된 먼저 형성된 코일을 이용할 수도 있기 때문에, 몇몇 응용을 위해, SPP의 분수값을 갖는 모터를 만드는 것이 유리하다. 본 발명의 장치의 다른 실시예에서, SPP 비는 0.25, 0.33, 또는 0.5와 같은 정수비이다. 1.0인 SPP 값 또는 1.0 보다 휠씬 큰 값이 또한 가능하다. 바람직하게는, SPP 값은 대략 0.25 내지 0.4 범위이다. 그러나, 본 발명의 장치의 더 바람직한 실시예는 1 또는 더 작은, 그리고 더욱 바람직하게는 0.5 또는 더 작은 SPP 비를 갖도록 설계하는 것이다. 공통된 자기 영역에서 다중 슬롯을 와이어하는 것이 가능하며, 그래서 0.5 보다 더 큰 SPP를 제공한다. 이것은 회전자 폴보다 더 많은 고정자 슬롯이 있기 때문이며, 결과적으로 분배된 권선이 된다. 0.5 보다 더 작거나 같은 SPP 값은 분배된 권선이 없는 것을 나타낸다. 종래에는 고정자에 분배된 권선을 포함하고 있다. 일반적으로, 분배된 권선을 갖도록 설계된 종래 기술의 장치는 많은 폴 당 슬롯을 가지며, 낮은 주파수 작동이 된다. 결과적으로, 0.5의 SPP를 가지며 낮은 주파수에서 작동하는 종래의 장치에서, 낮은 폴 카운트와 높고 제어하기 어려운 코깅이 있을 것이다. 반면에, 여전히 코깅을 최소화하고 장치 속도의 감소없이, 본 발명의 장치의 개선된 자성 물질을 이용으로 전환 주파수가 증가하고, 그래서 낮은 SPP 값이 유지될 수 있다. 그러나, 본 발명의 방법은 0.5이하(예를 들어, 0.25)의 SPP 값을 갖는 전기 장치에 적용할 수 있다. 상기 구성은, 요구되는 더 높은 전환 주파수에서 증가된 장치 리액턴스, 회전자 자석에서 다소 증가된 누설 플럭스(leakage flux) 및 더 작고 많은 회전자 자석을 수용하는데 필요한 기계적 지주물을 포함하여, 실용적인 고려에 의해 때때로 덜 바람직하게 만들어진다. 낮은 SPP 값은 또한 전기 장치의 다른 중요한 파라미터에 대해 덜 이로울 수 있다.
이에 반해, 효과적으로 SPP 값을 증가시키는 것은 장치의 폴 피치(pole pitch)를 증가시킨다. 예를 들어, 다중의 고정자 슬롯은 공통된 자석 영역에서 와이어될 수 있으며, 0.5 보다 더 큰 폴 당 위상 당 슬롯(SPP) 값에 대응한다.
본 발명의 장치가 단일 위상 장치 ,또는 각각의 고정자 상에 다수의 위상 및 같은 수의 권선을 갖는 다중 위상 장치로서 설계되고 작동될 수 있지만, 삼상 장치는 좋은 파워 밀도와 함께 강자성 물질 및 연자성 물질의 효율적인 활용을 제공함에 따라, 세 개의 위상 권선을 갖는 삼상 장치(three-phase machine)는 산업상 전형적인 예에 따라 선택된다. 0.5인 SPP 비를 갖는 실시예들은 특히 삼상 응용에 적합하다. 예를 들어, 폴 당 위상 당 슬롯의 비=0.5를 갖는 삼상 장치에서, 슬롯의 수가 위상의 수의 배수인 회전자의 폴의 수는 고정자 슬롯의 수의 2/3이다. 산업상 전형적인 예에 따른 삼상 Y형 회로 구성에서 상기 장치는 통상적으로 와이어되지만, 델타 구성도 또한 사용될 수 있다. 본 발명에 의한 바람직한 실시예에서, 프론트아이언은 0.5와 최적으로 같은 SPP 값을 갖는 전기 장치에 적용될 수 있다.
배선/권선 설계에서 유연성
본 장치의 일 실시예의 이점은 서로 다른 배선 유형을 사용하는 유연성에 있다. 전형적인 고정자 설계는 복수의 슬롯에 권선을 분배하는 것이 필요한 상기 언급한 1.0 대 3.0의 SPP 비율을 이용하기 때문에 권선 설계 선택이 제한된다. 분배 된 권선을 갖는 두개 또는 세개의 권선 옵션을 얻는 것은 더 어렵게 되었다. 본 발명은 SPP=0.5인 설계를 이용하는 능력을 제공한다 - 여기서, 전통적으로는 하나의 고정자 코어(tooth를 포함하여)당 오직 하나의 분리된 코일이 있다. 그러나, 본 발명은 SPP=0.5인 다른 장치를 배제하지 않는다. 단일 코어 코일은 주어진 용도에 의해 요구되는 어떤 전압을 제공하기 위해서 쉽게 변경되고 재연결될 수 있다. 따라서, 본 발명의 장치에서 SPP 비율이 0.5에 도달하면, 고정자 권선 배열에 중요한 유연성이 생긴다. 예를 들면, 제조자가 각각의 고정자를 서로 개별적으로 감거나, 제조자가 동일한 고정자 내에서 분리된 고정자 권선을 제공할 수 있다. 이러한 성능은 SPP = 0.5를 갖는 장치의 이점 가운데 하나이다. 비록 SPP = 0.5를 채용하는 공업 장치가 종종 있으나, 그것은 일반적인 것이 아니며 단지 특정분야의 용도에서만 성공을 이루고 있다. 본 발명은 SPP = 0.5 인 장치를 성공적으로 제공하여 권선에 있어서 이러한 유연성을 제공한다.
또한 주어진 하드웨어 배열은 단순하게 고정자 코일이나 그들의 상호 연결을 변경함으로 광범위한 해결을 제공한다. 일반적으로, 코일은 전자기장을 수정하기 위한 가장 용이한 성분이다. 본 발명은 보다 적은 기준설계가 필요한 제조자, 보다 단순한 제품 목록을 유지할 수 있는 판매자, 및 사용 조건을 변경하여 조정하기 위해 주어진 장치를 수정할 수 있는 사용자에게 중요한 경제성 및 단순성을 제공한다.
기계 장치 및 파워 전자장치 제어
또 다른 면에서, 전술한 형태의 축공극 전기 기계 및 인터페이스와 상기 기계의 제어를 위한 파워 전자장치 수단을 포함하는 다이나모 일렉트릭(dynamoelectric) 기계 장치가 제공된다. 상기 장치는 모터나 발전기 또는 이들의 결합으로 작용한다. 발동장치에는 AC 파워가 공급되어야 하는데, 직접 사용하거나, DC 파워를 정류하여 사용하여야 한다. 브러시 형태의 장치를 갖는 기계적인 정류가 오랫동안 사용되어 왔음에도 불구하고, 고전력 반도체 장치의 사용은 브러시가 없는 설계를 가능하게 하였고, 전자 정류 수단은 많은 현대의 영구 자석 모터에 사용되었다. 발전 모드에서, 장치는 (기계적으로 정류되지 않는 한) 본래 AC 전류를 생산한다. AC 입력 또는 출력 파워가 회전 주파수 및 폴의 갯수에 주파수 균형을 맞추는 것에 의해서 대부분의 장치는 동시에 작동하는 것으로 알려져 있다. 동위상의 모터는 파워 그리드(grid)에 직접 연결 된다. 예를 들면, 50 또는 60 ㎐ 그리드는 일반적으로 전기 설비에서 사용되거나 400 ㎐ 그리드는 선박 또는 우주선의 장치에 사용되며, 따라서 폴(pole)의 개수의 변화에 의해서만 얻을 수 있는 편차를 가지고 특정 속도에서 작동한다. 동위상의 발전에서, 안정된 주파수를 제공하기 위해 발동기의 회전 주파수는 제어되어야 한다. 어떤 경우에는, 발동기는 본질적으로 회전 주파수를 일으키는데, 이는 공지의 기계 설계를 위한 실질적인 제한내에서 폴 카운트를 갖는 모터에 적응시키기에는 너무 높거나 낮다. 이러한 경우에, 회전 장치는 기계적인 축에 직접 연결될 수 없어서, 복잡성 및 효율이 떨어지는 필연적인 결과에도 불구하고 기어 박스가 사용 되어야 한다. 예를 들면, 전통적인 모터에서는 윈드 터빈이 천천히 회전하여 지나치게 많은 폴 카운트가 필요하다. 반대로, 희 망하는 기계적 효율을 갖는 작동을 얻기 위해서는, 전형적인 가스 터빈 엔진은 낮은 폴 카운트를 갖는 경우에도 너무 빨리 회전하여 발생된 주파수는 받아들이기 어렵게 높다. 발동 및 발전을 위한 장치에서 양자 택일은 액티브(active) 파워 전환이다. 본 전기 장치의 실시예는 고정자 어셈블리 - 프론트 아이언(frontiron)이 액티브 파워 전환, 특히 넓은 속도 범위 및/또는 이종의 파워 요건을 필요로 하는 장치에 유용하게 적용될 수 있는 - 를 포함한다.
여기서 사용되는 "파워 전자장치"라는 단어는 전기 파워 출력을 DC 또는 AC 형태로 얻기 위해, 제공된 전기 파워를 직류전류(DC) 또는 특정한 주파수 및 파형의 교류전류(AC)로 전환하기 위해 사용되는 전자 회로로 이해해야 하며, 상기 출력 및 입력은 전압, 주파수, 및 파형의 적어도 하나에서 서로 다르다. 상기 전환은 파워 전자 전환 회로에 의해 완성된다. 주파수를 유지하는 일반적인 변압기를 사용하는 AC 파워의 단순 전압 변환 및 DC를 제공하기 위한 AC의 단순한 브릿지 정류와 달리, 최신의 파워 전환은 일반적으로 비선형 반도체 장치를 채용하고, 다른 결합된 구성 성분은 액티브 컨트롤(active control)을 제공한다.
상기에서 언급한 것을 더 상세히 설명하면, 본 발명에 의해 제조된 장치는 전통적인 장치보다 더 광범위한 회전속도에서 모터나 발전기가 작동 가능하다. 많은 경우에, 이전까지의 모터와 발전기 장치가 모두 필요했던 기어박스가 제거될 수 있다. 그러나, 결과적 이익은 전통적인 장치에 채용되었던 것보다 넓은 전자 주파수 범위에서 작동 가능한 파워 전자장치의 사용이 일반적으로 요구된다.
다이나모 일렉트릭 기계 장치의 발동 장치에 있어서, 상기 장치는 전원 그리 드, 전기 화학의 배터리, 연료 전지, 태양 전지, 또는 다른 적합한 전기적 에너지의 출처와 같은 전기적 출처와 연결되어 있다. 필요한 형태의 기계적인 부하는 기계축에 연결될 수 있다. 발전 모드에서, 상기 기계축은 발동기에 기계적으로 연결되어 있고, 상기 장치는 전기적 부하 - 이는 전기적인 장치나 전기적 에너지 저장소의 형태를 포함할 수 있다 - 에 연결되어 있다. 상기 기계 장치는 또한 회생식의 모터 장치에 채용될 수 있으며, 예를 들면, 차량의 드라이브 휠에 연결된 장치에서, 교대로 기계적인 추진력을 상기 차량에 제공하고 차량의 운동 에너지를 효과 제어를 위해 배터리에 저장된 전기적 에너지로 변환한다.
파워 전자장치 수단은 본 발명의 축 공극 기계 장치에서 충분한 전자 기계적 작동, 조절 및 제어를 유지하는 동안, 기계적 및 전기적 부하에서 예상되는 변화를 수용하기 위한 충분한 동력의 범위를 갖는 액티브 컨트롤(active control)을 일반적으로 포함하는 것에 이용된다. 상기 수단은 전술한 각 회전당 투자도(permeance)의 변화에서 기인하는 위상 임피던스의 범위에서 충분히 실행되어야 한다. 부스트(boost), 벅(buck) 및 플라아백(flyback) 전환기를 채용한 스위칭 조절장치 및 펄스폭 변조를 포함하여 파워 전환 위상의 어떠한 형태도 사용될 수 있다. 바람직하게는 전압 및 전류가 독립적으로 위상 제어할 수 있고, 파워 전자장치의 제어가 직접 축 위치 센싱을 갖거나 갖지 않고 작동될 수 있다. 게다가, 상기 장치가 시계방향 또는 반 시계방향으로 회전하고 발동 또는 발전 모드에서 작동하는 4-사분면 제어가 제공되는 것이 바람직하다. 전류 루프 및 속도 루프 제어 회로는 회전 모드 및 속도 모드 제어가 적용될 수 있도록 이들을 포함하는 것이 바람직하다. 안정된 작동을 위해서, 파워 전자 장치 수단은 의도된 정류 주파수의 크기보다 적어도 10배의 제어 루프 주파수 범위를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 장치에서, 약 2㎑ 의 정류 주파수에서 회전 장치의 작동은 적어도 약 20㎑ 의 제어 루프 주파수 범위가 필요하다. 발동 작동에 사용되는 제어기는 전형적으로 IGBT 반도체 스위칭 소자가 사용된다. 이러한 장치는 주파수에 따른 스위칭 손실을 나타내며, 따라서 일반적으로 약 1000㎐ 이상의 정류 주파수로 작동하는 것이 바람직하다. 발동 장치는 약 600 내지 1000㎐의 정류 주파수 범위를 갖도록 설계되는 것이 바람직하다. 더 높은 작동 주파수에 기인한 상기 이점(예를 들어 증가된 파워 농도)을 유지하면서 덜 비싼 IGBT의 사용을 제공하는 것은 저손실 물질에 의해 가능하다. 발전 장치에서, 적합한 정류기 브릿지는 더 높은 정류 주파수에서도 작동을 허용한다.
이하 실시예들은 본 발명의 더 상세한 설명을 제공한다. 본 발명의 원리 및 실시예를 설명하기 위해 제시된 특정 기술, 환경, 물질, 비율 및 기록된 데이터는 예시에 지나지 않으며 본 발명의 범위를 한정하지 않는다.
실시예
최적화된 프론트 아이언의 두께가 15kRPM인 전기 장치
최적화된 프론트 아이언의 두께의 분석표는 아래와 같은 상세표를 갖는 낮은 폴 카운트(pole count), 고주파수, 15k RPM 전기 장치에서 수행된다.
상기 장치는 하나의 회전자 및 하나의 고정자를 포함하고, 낮은 폴 카운트, 고주파수, 15kRPM에서 활동적인 정류 발전기로 작동하는 3상 전기 장치이다. 상기 프론트 아이언은 METGLAS 2605SA1 비정질 금속을 토로이드(toroide) 형태로 감아서 만들수 있다. 상기 분석표는 1.9 내지 6.4 ㎜의 프론트 아이언 두께를 갖는 유사한 100kW 파워 출력 전기 장치에서 반복되고, 이러한 프론트 아이언을 갖지 않는 장치의 특성과 비교된다. 상기 회전자는 고 에너지 생성물질 FeNdB 영구 자석으로 만들어지는데, 이는 비전도성 혼합물로 만들어진 캐리어에 내장되어 있으며, 이는 손실을 줄인다.
도7에 보인 바와 같이, EMF 라인의 예상치는 프론트 아이언의 부가에 의해 급격히 떨어진다. 이것은 더 얇은 프론트 아이언의 포화에서 오는 결과로 보인다. 프론트 아이언의 두께가 4 ㎜로 증가하면, EMF 라인은 최고점에 도달하고 300V의 꽤 높은 값을 나타낸다.
도7은 또한, 프론트 아이언의 두께가 증가함에 따라 유도 계수 상수(KI)가 점점 증가하는 것을 보여준다. 이는 고정자 위상 코일과 연결된 프론트 아이언에 의해 제공되는 전기력선로의 결과에 의한 것으로 보여진다. 이와 대비하여, 프론트 아이언이 없는 장치의 "open-end" 배열은 이러한 전기력선에 대한 높은 자기 저항(reluctance)를제공한다. 상기 유도 계수는 부하(토크)가 걸린 장치에 대해서 전자기적 분석 소프트웨어에 의해 계산되는 평균 유도 계수이다. 상기 유도 계수 상수는 상기 프론트 아이언에 적용된 전류의 기능과 같이 다양하다.
상기 프론트 아이언을 삽입하는 중요한 이유는 장치 전체에 걸쳐 손실을 격 감시키는 것이다. 도8은 상기 장치의 상기 프론트 아이언의 두께와 손실 및 손실 농도의 플롯을 보여준다. 놀랍게도, 모든 장치의 손실은 처음의 40%로 축소될 수 있고, 이는 주로 회전자의 자석에서 와전류에 의한 손실의 감소에 기인한다. 이것은 달리 말하면, 상기 장치의 낭비되는 소산 밀도(W/㎠)를 낮게 하여 장치의 뚜렷한 크기의 증가 없이 유용한 파워, 토크, 및 속도를 증가시키는 것이다. 부가적인 프론트 아이언 및 증가된 축 길이의 영향에 따른 증가된 표면적에도 불구하고 낮은 소산이 유지되면, 프론트 아이언의 삽입으로 이러한 요인들은 손실 판단에 포함된다. 100㎾의 일정한 파워에서 EMF가 변화하면 전류도 변화하며, 다시 말하면 저항 손실이 변화한다.
도9는 프론트 아이언의 두께와 프론트 아이언을 부가함에 따른 약점으로 간주되는 유도 계수의 증가에 따른 파워 팩터(power factor)의 감소를 보여준다. 그러나 자석의 와전류 손실을 막은 결과로 효율은 급격하게 증가한다.
도10은 프론트 아이언의 두께가 증가됨에 따라 토크 코깅(torque cogging)이 감소되는 것을 보여준다. 그러나, 프론트 아이언의 두께가 증가함에 따라 토크 파동(torque ripple)은 증가한다. 이것은 최적화된 프론트 아이언의 두께 및 상기 장치를 바람직하게 고려한 것이다.
낮은 폴 카운트, 고 주파수, 15kRPM 전기 장치에 대한 최적 프론트 아이언의 두께는 4 내지 5 ㎜의 범위에서 발견된다. 프론트 아이언의 부가는 낮은 회전자 가열을 가능케 한다. 약 16 ㎾의 고전력에서 약 2 ㎾의 저전력으로 가열을 감소시킨다. 프론트 아이언의 부가는 또한 고효율을 가능케 한다. 4㎜의 프론트 아이언의 두께는 현재 이용 가능한 기술로 쉽게 제조될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 기술된 것은, 엄격하게 한정되지 않으며, 해당 기술 분야의 당업자에게 자명한 변형 및 변경이 가능한 것으로 이해하여야 한다. 예를 들면, 축 공극 전기 장치는 본 발명에서 일반적으로 설명 되어졌지만, 전기 장치의 다른 형태가 본 발명에서 개시한 원리에 따라 설계되어 질 수 있으며, 방사상 공극 장치 또는 선형 장치도 마찬가지이다. 게다가, 전기 장치는 유도 장치, 동위상 장치, 동위상 자기 저항 장치, 스위치 자기 저항 장치, 및 직류 전자기 장치와 같은 영구 자석 장치보다 많은 형태의 전기 장치를 포함할 수 있다. 또한, 회전자 및/또는 고정자 권선 배열의 다른 형태는 본 발명의 범위 내에 있다. 따라서, 이러한 변형은 이하 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (19)

  1. (a) 백아이언(backiron) 섹션 및 복수의 투쓰(tooth) 섹션을 가지며, 상기 투쓰 섹션들 각각의 인접한 쌍 사이에 형성된 슬롯 및 상기 슬롯을 통해 권선된 고정자 권선을 갖는 적어도 하나의 고정자 어셈블리;
    (b) 프론트아이언(frontiron) 섹션; 및
    (c) 축 주위의 회전을 위해 지지되며 복수의 회전자 폴을 갖고, 상기 적어도 하나의 고정자 어셈블리와 자기적 상호작용을 위해 정렬되고 배치되는 적어도 하나의 회전자 어셈블리를 포함하고,
    상기 백아이언 섹션, 상기 복수의 투쓰 섹션, 및 상기 프론트아이언 섹션은 모두 비정질 금속, 나노결정 금속 및 최적화된 Fe-기반 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 저 코어 손실 자기 물질이고,
    상기 저 코어 손실 자기 물질은 여자 주파수 "f"에서 피크 인덕션 레벨 "Bmax"로 작동할 때 "L"보다 작은 코어 손실을 갖는 것을 특징으로 하며, 여기서 L은 식 L = 12·f·(Bmax)1.5 + 30·f2.3·(Bmax)2.3로 주어지며, 상기 코어 손실, 여자 주파수 및 피크 인덕션 레벨은 각각 W/kg, kHz 및 T의 단위로 측정되는 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭(dynamoelectric) 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 축 공극(axial airgap) 장치인 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 방사상 공극(radial airgap) 장치인 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프론트아이언 섹션은 상기 고정자 어셈블리의 일부인 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 프론트아이언 섹션 및 상기 백아이언 섹션 중 적어도 하나는 상기 투쓰 섹션을 포함하는 단일 구조물로 형성되는 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회전자 어셈블리는 극성이 번갈아 배치되며, 동일한 간격으로 상기 회전자 주위의 원주상으로(circumferentially) 고정되어 위치한 복수의 회전자 영구 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 자석은 SmCo 또는 FeNdB 자석인 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    폴 당 위상 당 슬롯 비는 0.25 내지 1의 범위인 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 폴 당 위상 당 슬롯 비는 0.5인 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    적어도 16개의 회전자 폴을 갖는 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    500 Hz 내지 3 kHz 범위의 전환 주파수(commutating frequency)로 동작하도록 적용된 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치.
  14. 제2항에 있어서,
    두 개의 고정자 어셈블리 및 그 사이에 배치된 회전자 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치.
  15. (a) 백아이언(backiron) 섹션 및 복수의 투쓰(tooth) 섹션을 가지며, 상기 투쓰 섹션들 각각의 인접한 쌍 사이에 형성된 슬롯 및 상기 슬롯을 통해 권선된 고정자 권선을 갖는 적어도 하나의 고정자 어셈블리를 제공하는 단계;
    (b) 프론트아이언(frontiron) 섹션을 제공하는 단계; 및
    (c) 축 주위의 회전을 위해 지지되며 복수의 회전자 폴을 갖고, 상기 적어도 하나의 고정자 어셈블리와 자기적 상호작용을 위해 정렬되고 배치되는 적어도 하나의 회전자 어셈블리를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 백아이언 섹션, 상기 복수의 투쓰 섹션, 및 상기 프론트아이언 섹션은 모두 비정질 금속, 나노결정 금속 및 최적화된 Fe-기반 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 저 코어 손실 자기 물질이고,
    상기 저 코어 손실 자기 물질은 여자 주파수 "f"에서 피크 인덕션 레벨 "Bmax"로 작동할 때 "L"보다 작은 코어 손실을 갖는 것을 특징으로 하며, 여기서 L은 식 L = 12·f·(Bmax)1.5 + 30·f2.3·(Bmax)2.3로 주어지며, 상기 코어 손실, 여자 주파수 및 피크 인덕션 레벨은 각각 W/kg, kHz 및 T의 단위로 측정되는 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치의 형성 방법.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서,
    상기 프론트아이언 섹션 및 상기 백아이언 섹션 중 적어도 하나는 상기 투쓰 섹션을 포함하는 단일 구조물로 형성되며, 상기 단일 구조물은,
    (a) 저 코어 손실 자기 물질의 적층된 층으로 이루어진 환상구조물(toroid)을 나선형으로 권선하는 단계- 상기 환상구조물은 내주, 외주 및 높이를 가짐;
    (b) 상기 내주로부터 외주를 향하는 반지름 방향으로 연장되도록 복수의 슬롯을 절단하는 단계- 상기 환상구조물의 높이 보다 작은 슬롯 깊이를 가짐-
    를 포함하는 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치의 형성 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 프론트아이언 섹션은 저 코어 손실 자기 물질의 적층된 층으로 이루어진 환상구조물을 나선형으로 권선함으로써 형성된 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치의 형성 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 장치와 인터페이스를 형성하고 상기 장치를 제어하여, 상기 장치에 연결되어 작동하는 파워 전자 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이나모일렉트릭 장치.
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