KR100818680B1 - 저-손실 재료를 포함하는 축방향 에어갭 전기장치용 고정자코일 배열 - Google Patents

저-손실 재료를 포함하는 축방향 에어갭 전기장치용 고정자코일 배열 Download PDF

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Abstract

기계-전기 변환, 회전 전기장치는 적층 고정자 코일 권선이 구비된 고정자 어셈블리를 포함한다. 상기 장치는 다상, 축방향 에어갭 장치인 것이 바람직하다. 상기 적층 고정자 코일 권선 구조를 사용함으로써, 슬롯 충전이 향상된다. 향상된 슬롯 충전에 의해 장치 성능이 증가한다. 상기 전기장치의 고정자 어셈블리는 저-손실, 고주파수 재료로 이루어진 자기 코어를 갖는다. 높은 자극계수를 갖는 전기장치는 높은 정류 주파에서 고효율, 고출력밀도 및 향상된 성능특성으로 작동한다. 본 장치에 적용되는 저-손실 재료에는 비정질 금속, 나노크리스털 금속, 최적화 Si-Fe 합금, 방향성 또는 무방향성 Fe계 재료가 포함된다.
고정자(stator), 회전자(rotor), 축방향 에어갭(axial airgap), 코일(coil), 권선(winding), 저손실 재료(low loss material), 슬롯 충전(slot fill)

Description

저-손실 재료를 포함하는 축방향 에어갭 전기장치용 고정자 코일 배열{Stator coil arrangement for an axial airgap electric device including low-loss materials}
본 발명은 기계-전기 변환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자 어셈블리 및 적층(stacked) 고정자 코일 배열을 구비하는 고정자 어셈블리를 포함하는 기계-전기 변환장치에 관한 것이다.
본 출원은 2003. 11. 3에 출원된 미국특허 가출원 60/516,789호 (명칭: 저-손실 재료를 포함하는 축방향 에어갭 전기장치용 고정자 코일 배열)에 기초한다.
전동기 및 발전기 분야에 있어서 향상된 효율 및 출력밀도(power densities)를 갖는 기계-전기 변환장치를 제공하는 방안에 대한 노력이 계속되어 왔다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "모터"는 전기 에너지를 회전 운동으로 변환하거나 그 역으로 변환하는 동력발생기기 및 전력발생기기의 모든 종류를 일컫는다. 상기의 기기들은 모터, 발전기 및 재생식 모터(regenerative motors)로 선택적으로 작동 가 능한 장치를 구비하고 있다. 상기 용어 "재생식 모터"는 본 명세서에서 모터 아니면 발전기로 작동 가능한 장치를 말하는 것으로 사용된다. 영구자석, 유도, 가변 저항, 스위치 저항, 브러시 및 브러시리스 타입을 포함해서 다양한 모터들이 알려져 있다. 상기 모터들은 전기시설 그리드, 전지 등의 소스에 의해 공급되는 직류 또는 교류로부터 에너지를 공급받는다. 다르게는, 상기 모터들은 전자 구동회로를 사용하여 합성되는 필수 파형을 갖는 전류에 의해 공급받을 수 있다. 기계적 소스로부터 얻어지는 회전 에너지는 발전기를 구동시킬 수 있다. 상기 발전기의 출력은 부하(load)에 직접 연결되거나 파워 일렉트로닉스(power electronic) 회로에 의해 조절될 수 있다. 선택적으로, 주어진 장치는 작동에 있어 다른 기간 동안 기계적 에너지의 소스 또는 싱크(sink)로 기능하는 기계적 소스에 연결된다. 따라서 상기 장치는 예를 들어 4/4 분면(four-quadrant) 작동이 가능한 동력 조절회로를 통한 연결에 의해 재생식 모터로 작동된다.
일반적으로, 회전 장치는 고정자로 알려진 고정 요소 및 회전자로 알려진 회전 요소를 구비한다. 회전자와 고정자의 인접하는 면은 회전자와 고정자를 연결하는 자기 플럭스에 의해 횡단되는 작은 에어갭(airgap)에 의해 떨어져 있다. 회전 장치는 복수의 회전자 및 복수의 고정자를 포함할 수 있는 것으로 알려져 있다. 사실상 모든 회전 장치는 통상적으로 반지름방향 에어갭 타입 또는 축방향 에어갭 타입으로 분류된다. 반지름방향 에어갭 타입은 회전자와 고정자가 반지름 방향으로 떨어져 있고 횡단 자기 플럭스는 주로 회전자의 회전축에 수직한 방향이다. 축방향 에어갭 장치에서, 회전자와 고정자는 축 방향으로 떨어져 있고 횡단 자기 플 럭스는 주로 회전축에 평행하다.
일부 특정 타입을 제외하고는, 모터 및 발전기는 하나 이상의 타입의 연자성체(soft magnetic materials)를 사용하는 것이 일반적이다. "연자성체"란 자화 및 소자(demagnetized)가 쉽게 이루어지는 재료를 말한다. 각 자화 주기 동안 자성체 내에서 불가피하게 소산되는 에너지는 히스테리시스 손실 또는 코어손실이라 불린다. 히스테리시스 손실의 크기는 여기 진폭 및 주파수 둘 다의 함수이다. 또한, 연자성체는 높은 투자율 및 낮은 보자력을 나타낸다. 또한, 모터 및 발전기는 하나 이상의 영구자석 또는 전류가 흐르는 권선에 의해 둘러싼 추가적인 연자성체에 의해 공급 가능한 동자력(magnetomotive force) 소스를 구비한다. "경자성체"라 불리는 "영구자석 재료"는 높은 보자력을 가지고, 소자에 저항하여 자화 상태를 강하게 유지하는 자성체를 말한다. 모터의 타입에 따라서, 영구자석 재료 및 연자성체가 회전자 또는 고정자에 배치될 수 있다.
최근 생산되는 모터의 주류는 연자성체로서 철(Fe)과 특히, 규소(Si), 인(P), 탄소(C) 및 알루미늄(Al)을 포함해서 하나 이상의 합금 요소로 이루어진 합금인 다양한 등급의 전기 강 또는 모터 강을 사용한다. 가장 많이 사용되는 것은 Si 합금 요소이다. 개량 영구자석 재료로 제작된 회전자 및 비정질 금속 등의 개량, 저-손실 연자성체로 제작된 코어를 갖는 고정자를 구비하는 모터 및 발전기는 종래의 반지름방향 에어갭 모터 및 발전기에 비해 높은 효율 및 출력밀도를 발휘할 수 있는 잠재성이 있지만, 그러한 축방향 에어갭 또는 반지름방향 에어갭 타입의 장치를 성공적으로 조립한 경우는 거의 없었다. 비정질 금속을 종래의 반지름 또 는 축방향 에어갭 장치에 적용시키려는 지금까지의 시도는 상업적으로 성공적이지 못했다. 고정자 및/또는 회전자를 코일 또는 비정질 금속의 원형 박판으로 대체하는 초기의 설계는 내부표면 또는 외부표면을 통해 톱니가 생기는 것이 일반적이다. 비정질 금속은 독특한 자기적 및 기계적 성질을 갖고 있어, 일반적인 강을 직접 대체하기가 사실상 불가능하다.
최근 기술의 고속 공작기계, 항공 모터 및 액츄에이터, 압축기 등 다양한 분야에서 사용되는 많은 장치들은 15,000 ~ 20,000 rpm 을 초과하고 어떤 경우에는 100,000 rpm 에 이르는 고속에서 작동 가능한 전기 모터를 필요로 한다. 거의 대부분의 고속 전기장치는 낮은 자극계수로 제작되는데, 이는 고주파수에서 작동하는 전기장치 내의 자성체가 지나치게 과도한 코어손실을 갖지 않도록 하기 위함이다. 이것은 대부분의 모터에 사용되는 연자성체가 Si-Fe 합금으로 이루어져 있다는 사실이 주된 원인이다. 종래의 Si-Fe계 재료에 있어서, 약 400 Hz 이상의 주파수에서 변화하는 자기장으로부터 기인하는 손실은 흔히 재료를 어떤 적절한 냉각수단에 의해서도 냉각시킬 수 없을 때까지 가열시킨다.
현재까지 저-손실 재료의 장점을 잘 이용하면서 제작이 용이한 전기장치를 저렴한 비용으로 제공하는 것은 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 저-손실 재료를 종래의 장치에 적용하려는 지금까지의 시도는 대부분 실패였는데, 이는 초기의 설계가 장치의 자기 코어에 있어서, Si-Fe 등의 종래 합금을 비정질 금속 등의 새로운 연자성체로 단순히 대체시키는 것에 의존하기 때문이다. 이러한 전기장치는 때때로 낮은 손실을 갖는 향상된 효율을 나타내지만, 일반적으로 출력의 저하가 심하 고, 비정질 금속의 형성/취급 관련하여 소요되는 비용이 많다는 어려움이 있다. 그 결과, 상업적 성공 또는 시장 진입이 이루어지지 않았다.
예를 들어, 미국 특허 4,578,610호에는, 비정질 금속 테이프의 스트립을 간단히 코일링하여 제작되는 고정자를 구비한 고효율 모터가 개시되어 있는데, 여기서 비정질 스트립은 권취되고 그 다음 슬롯이 형성되고 그 다음 적절한 고정자 권선이 슬롯 내에 놓인다.
미국 특허 4,187,441호에는 고정자 권선을 수용하는 슬롯을 가지며 비정질 금속 리본으로 이루어진 나선형으로 권취된 박층 자기 코어를 구비하는 고출력밀도 장치가 개시되어 있다. 상기 특허는 또한 비정질 금속 리본에 슬롯을 가공하기 위해 레이저 빔을 사용하는 방법을 개시하고 있다.
높은 슬롯계수를 가지는 장치에서 특히 문제되는 것은, 권선으로 채워질 수 없는 슬롯 공간의 양인데, 이는 고정자 권선과 고정자 코어 사이에 절연체가 삽입되어야 하기 때문이다. 절연체의 두께는 전기장치의 작동 전압에 의해 결정된다. 따라서 전체 슬롯 영역 중에 고정자 코일 권선에 할당될 수 있는 퍼센티지에는 일정한 상한이 존재하게 된다. 종래의 고정자 코일 권선 기술이 사용되는 높은 자극계수 전기장치에서 상기 상한값은 일반적으로 50% 미만이다. 사용 가능한 슬롯 영역에 대한 제한은 동자력(magnetomotive force, amp-turns)을 결정하는 전류밀도를 제한한다. 그 결과, 전기장치의 출력 및 성능 또한 제한된다.
따라서, 저-손실 재료의 구체적 특성을 잘 이용하여, 종래의 장치의 문제점을 해결하는 고효율 전기장치에 대한 필요성은 여전히 남아있다.
장치를 향상시키면, 기계적 에너지와 전기적 에너지 사이의 변환 효율이 높아진다. 화석연료를 사용하는 발전기의 효율 향상은 대기 오염을 줄인다. 또한 장치는 소형화, 경량화될 수 있으며, 토크, 동력 및 속도에 대한 더욱 많아지는 요구조건을 충족시킬 수 있을 것이다. 냉각 요구조건도 줄어들 것이다. 전지로 작동하는 모터는 주어진 충전 주기에 대해 더 오래 작동할 것이다. 크기, 형상 및 기계적 특성을 고려할 때, 축방향 에어갭 장치에 적용하는 것이 더욱 적절하다. 축방향 에어갭 장치는 물론 반지름방향 에어갭 장치에 대해서도 기계적 성질에 있어서 유사한 개선점이 추구되고 있다.
본 발명은 회전자 어셈블리 및 고정자 어셈블리를 포함하는 기계-전기 변환장치를 제공한다. 상기 고정자 어셈블리는 복수 상(phase)의 적층 고정자 권선과 함께 백아이언(backiron)부 및 복수의 톱니부를 구비한다. 각각의 인접하는 한 쌍의 상기 톱니부 사이의 슬롯은 복수 상(phase)의 적층 고정자 권선을 수용한다. 각 슬롯에 상기와 같은 권선이 2개 있는 것이 바람직하다. 상기 회전자 어셈블리는 축 주위를 회전하도록 지지되고 복수의 자극을 구비한다. 상기 전기장치의 자극 및 슬롯계수에 대한 특별한 제한은 없다. 상기 회전자 어셈블리는 고정자 어셈블리와 자기적인 상호작용을 하도록 배열/배치된다.
상기 고정자 어셈블리는 비정질 금속, 나노크리스털 금속 및 최적화 Fe계 합금이 속하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 재료로 구성되는 박판 층으로 이루어진 저-코어손실 자성체로 이루어진다. 그러나 다른 연자성체 또한 고정자 어셈블리의 전체 또는 일부로 사용 가능하다. 저-코어손실, 개량 연자성체를 사용함으로써, 고효율, 고출력밀도 및 가능한 작동속도의 넓은 범위를 유지하면서도, 자극계수 및 정류 주파수의 범위를 넓히는 것이 가능하여 설계시 상당한 유연성이 발휘된다.
본 발명에 따라 작동/생산되는 전기장치의 예로는 전기모터, 발전기 및 재생식 모터가 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 하나 이상의 상기 전기장치는 복합 장치 또는 시스템에서 하나의 구성요소가 될 수 있다. 상기 복합 장치의 예로는 팬(fan)과 일체로 결합 가능한 하나 이상의 전기모터로 구성되는 압축기가 있다. 상기 장치는 축방향 에어갭 구조를 갖는 것이 바람직하지만, 반지름방향 에어갭 구조도 가능하다.
또한, 본 발명은 (ⅰ) 백아이언부, 복수의 톱니부, 각각의 인접하는 한 쌍의 상기 톱니부 사이의 슬롯 및 복수 상의 적층 고정자 권선을 구비하고, 각각의 권선이 하나 이상의 상기 톱니부를 둘러싼 적어도 하나의 고정자 어셈블리를 제공하는 단계; 및 (ⅱ) 축 주위를 회전하도록 지지되고 복수의 자극을 구비하며, 상기 적어도 하나의 고정자 어셈블리와 자기적인 상호작용을 하도록 배열/배치된 적어도 하나의 회전자 어셈블리를 제공하는 단계;를 포함하는 기계-전기 변환장치 제작방법을 제공한다. 두 개의 상기 적층 상 권선이 각각의 상기 슬롯 내에 있으며, 상기 권선은 동일한 수의 상부코일과 하부코일로 구성되는 것이 바람직하다.
기계-전기 변환장치 시스템은 전술한 타입의 기계-전기 변환장치 및 상기 변환장치를 인터페이싱하고 제어하는 파워 일렉트로닉스(power electronics) 수단을 포함한다. 상기 파워 일렉트로닉스 수단은 변환장치에 작동 가능하게 연결된다.
본 발명의 일 측면에 따라 제공되는 새로운 고정자 코일 권선 및 적층 기술을 사용함으로써, 슬롯의 전체 부피에 대한 슬롯 내의 고정자 코일 권선의 퍼센티지의 측정값을 나타내는 슬롯 충전(slot fill)은 크게 증가한다. 그 결과, 본 발명의 바람직한 전기장치는 향상된 성능, 출력 및 효율을 갖는다.
본 발명의 고정자 어셈블리는 저-손실, 고주파수 재료로 이루어진 자기 코어를 갖는 것이 바람직하다. 더 바람직하게, 고정자의 자기 코어는 비정질(amorphous) 금속, 나노크리스털(nanocrystalline) 금속, 최적화 Si-Fe 합금, 방향성(grain-oriented) Fe계 재료 또는 무방향성(non-grain-oriented) Fe계 재료로 이루어진다. 전기장치에 비정질 금속, 나노크리스털 금속, 최적화 Si-Fe 합금, 방향성 Fe계 재료 또는 무방향성 Fe계 재료를 도입함으로써, 종래 장치에 비해 상대적으로 작은 코어손실의 증가를 가지면서, 장치의 주파수를 400 Hz 이상으로 증가시키는 것이 가능하므로, 출력을 증가시키는 것이 가능한 고효율의 전기장치를 생산할 수 있다. 또한 본 발명은 향상된 효율을 유지하면서, 출력밀도 증가 및 더 높은 속도까지 연장되는 토크-속도 곡선을 제공할 수 있는 높은 자극계수의 고효율 전기장치를 제공한다.
본 발명은 아래의 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명과 첨부된 도면에 의해 더욱 충분히 이해될 수 있으며, 본 발명의 다른 장점들 또한 분명해질 것이다.
도 1A 및 도 1B는 각각 본 발명의 고정자 구조의 평면도 및 측면도로, 고정자 슬롯 및 백아이언을 갖는 고정자 코어를 나타낸다.
도 2는 고정자 권선이 권취된 본 발명의 고정자 구조의 일부를 나타낸다.
도 3A 및 도 3B는 각각 본 발명의 회전자 구조의 평면도 및 측면도로, 회전자 자석의 위치 및 극성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 축방향 에어갭 타입의 전기장치에 사용되는 고정자와 그 사이에 있는 회전자의 배열을 나타낸다.
도 5는 종래기술을 사용하여 권취된 낮은 슬롯계수의 고정자 구조를 나타낸다.
도 6은 종래기술을 사용하여 권취된 높은 슬롯계수의 고정자 구조를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따라 권취된 고정자 구조를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따라 권취된 다른 고정자 구조를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따라 권취된 4상 장치에 사용되는 고정자 구조를 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따라 권취된 고정자 구조의 상부코일에 대한 1차 자기 플럭스 경로를 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따라 권취된 고정자 구조의 상부코일에 대한 2차 자기 플 럭스 경로를 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따라 권취된 고정자 구조의 하부코일에 대한 1차 자기 플럭스 경로를 나타낸다.
도 13은 냉각 시스템을 포함하고, 본 발명에 따라 권취된 고정자 구조를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 본 발명은 저-손실(low-loss) 재료로 이루어진 권선형 고정자 코어(wound stator core)를 구비하고, 적층 고정자 권선(stacked stator windings)을 적용한 브러시리스(brushless) 모터 등과 같은 전기장치의 설계와 제작을 제공한다. 바람직하게, 상기 고정자 코어는 비정질(amorphous) 금속, 나노크리스털(nanocrystalline) 금속, 최적화 Si-Fe 합금, 방향성(grain-oriented) Fe계 재료 또는 무방향성(non-grain-oriented) Fe계 재료 등으로 이루어진다.
일반적인 장치 구성
미국 가출원 60/444,271호(이하, '271 출원'이라 함) 및 미국 특허출원 10/769,094호(이하, '094 출원'이라 함)에는 회전자 어셈블리와 축방향 에어갭 구조로 배열되지만 사이드-바이-사이드(side-by-side) 권선 구조를 가지는 고정자를 구비하는 전기장치가 개시되어 있다. 상기 고정자는 백아이언(backiron)부와 바람 직하게는 저-손실, 고주파수 재료로 이루어진 복수의 고정자 톱니부를 구비한다. 도 1은 094 출원의 일 실시예에 따른 고정자 어셈블리(20)의 평면도(도 1A) 및 측면도(도 1B)를 도시한 것으로, 백아이언(23)으로부터 연장되는 고정자 톱니부(25)를 구비하는 단일체(unitary) 구조를 나타낸다. 인접하는 톱니부 사이에는 도 2에 도시되는 바와 같이 종래 사이드-바이-사이드 권선 배치를 사용하여 톱니부(25) 둘레에 권취되는 고정자 권선(22)을 수용하도록 슬롯 공간(24)이 마련된다. 바람직하게, 하나 이상의 고정자는 비정질 금속, 나노크리스털 금속 또는 최적화 Fe계 합금 등의 저-손실 재료로 이루어진다. 다르게는 방향성 또는 무방향성 Fe계 재료가 사용될 수도 있다. 상기 백아이언과 톱니부는 전술한 바와 같이 톱니부(25)가 백아이언(23)으로부터 연장되어 일체를 이루는 단일체 구조이거나, 또는 적절한 수단에 의해 결합되는 독립적인 구성요소로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 접착, 클램핑(clamping), 용접 또는 종래에 알려진 다양한 결합방식 중 하나가 사용될 수 있다. 접착제로는 에폭시(epoxies), 니스(varnishes), 혐기성 접착제(anaerobic adhesives), 시아노아크릴레이트(cyanoacrylates) 및 실온가황처리(RTV, room-temperature-vulcanized) 실리콘 재료로 구성된 것을 포함하여 다양한 접착제가 적절히 사용될 수 있다. 접착제는 낮은 점도, 낮은 수축도, 낮은 탄성계수, 높은 박리(peel)강도, 높은 작업온도 수용력 및 높은 유전강도를 가지는 것이 바람직하다. 전술한 271 출원 및 094 출원에 의해 제공되는 고정자 구조의 다른 형태와 마찬가지로, 도 1A 및 도 1B에서 설명된 고정자 구조는 본 발명의 실시에 유용하다.
또한, 본 발명은 바람직하게 축방향 에어갭 전기장치에 적용되는 새로운 고 정자 코일 권선 및 적층(stacking) 기술을 제공한다. 모터 권선에 사용되는 종래의 사이드-바이-사이드 배열 대신에, 본 발명의 장치는 적층 권선을 채용하고 있다. 독립적인 구성요소인 톱니부 및 백아이언으로 구성되는 고정자는 구성요소의 조립 전 또는 조립 후에 고정자 권선으로 권취될 수 있다. 또한, 상기 권선은 독립적인 어셈블리로 형성된 후, 톱니부(25)의 자유단 위치에 끼워질 수도 있다. 상기 고정자(25) 및 고정자 권선(22)은 고정자 캐리어(미 도시) 내에 놓여 질 수 있으며, 적절한 유기 유전체(organic dielectric)로 둘러싸일 수 있다.
또한, 본 발명의 기계-전기 변환장치는 회전자 어셈블리를 구비하는데, 상기 회전자 어셈블리에는 원주방향으로 일정간격 떨어진 복수의 영구자석이 상기 고정자 어셈블리에 대응하는 축 구조로 배열된다. 본 발명의 기계-전기 변환장치는 하나 이상의 회전자 어셈블리 및 하나 이상의 고정자 어셈블리를 포함할 수 있다. 따라서, 전기장치 관련하여 본 명세서에서 사용되는 용어 "회전자" 및 "고정자"는 하나에서 셋 또는 그 이상의 회전자 및 고정자 어셈블리를 의미한다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 도 1 및 도 2에서 도시된 것 및 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 고정자 어셈블리를 구성하고 권선하는 방법이 제공된다. 먼저, 금속 코어는 저-손실, 고주파수의 스트립(strip) 재료를 나선형으로 권취하여 환상체(toroid)를 이루도록 함으로써 형성된다. 상기 환상체는 일반적으로 축 방향으로 바라볼 때 내경과 외경을 갖는 직 원통셀(right circular cylindrical shell)의 모양을 이룬다. 내경 "d"에서 외경 "D"까지 반지름 방향으로, 전술한 환상체의 가장자리에 연장되는 환형 단면영역(21)은 표면적을 형성한다. 상기 금속 코어는 환형체 높이 "H"로 정의되는 축 간격을 가진다. 권선 후에, 상기 코어는 반지름 방향으로 안내되는 외폭 "w"를 갖는 슬롯(24)이 형성되도록 가공된다. 상기 슬롯(24)의 깊이는 환형체의 높이의 일부분까지만 축 방향으로 연장됨으로써 톱니를 형성하게 되고, 슬롯 높이 "T"를 가진다. 상기 슬롯은 금속 코어 전체 단면적을 감소시킨다. 슬롯 절삭 후에 남겨진 환형 영역의 부분은 전체 면적(TA)이 되며, 또한 저-손실, 고주파수 재료로 비정질 금속을 사용하는 실시예에 대해서는 비정질 금속 면적(AMA)을 의미한다. 상기 슬롯(24)은 내경(d)에서 외경(D)까지 완전히 연장되기 때문에, 고정자 코어의 원주는 환형체의 슬롯이 형성된 부분의 내경 및 외경에서 연속적이지 않다. 슬롯 공간으로부터 재료를 제거함으로써 복수의 톱니(25)가 만들어진다. 동일한 수의 톱니와 슬롯이 존재한다. 슬롯 깊이 아래에 남아있는 원주방향으로 연속적인 재료는 백아이언부(23)로서 기능하여, 톱니부(25) 내의 플럭스(flux)에 대한 밀폐(closure)를 제공한다. 바람직한 실시예에 있어서, 성형성 및 기계적 건전성(integrity)을 위해 톱니의 가장 협소한 부분은 0.1 인치(2.5 ㎜)보다 크다. 상기 슬롯(24)은 주어진 전기장치 설계에 대해 미리 선택된 권선 구조에 따라 전도성 고정자 권선(22)으로 권취된다.
고정자 코일 권선 및 적층 기술
특히 본 발명의 일 측면에서, 전기장치의 고정자 코일 충전(fill)을 증가시키는 고정자 코일 권선 및 적층 기술이 제공된다. 본 발명의 적층 코일 구조는 반지름방향 에어갭 장치에도 적용 가능하나, 축 방향으로 테이퍼 되지 않은 톱니부에 끼워지는 것이 가능한 모듈식 코일을 사용하는 축방향 에어갭 장치를 위한 고정자를 제조하는데에 쉽게 적용된다. 본 발명의 기술은 슬롯/상/자극(a slot per phase per pole, SPP) 비(ratio)가 0.5인 높은 자극계수(high pole count)를 가지는 축방향 에어갭 전기장치에 적용되는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명의 방법은 또한 SPP값이 0.5와 다른 값을 가지는 권선 구조의 축방향 에어갭 전기장치에도 적용된다.
3상, 축방향 에어갭 장치에 사용되는 종래의 권선 구조에 대해서 도 5에는 낮은 슬롯계수의 장치가, 도 6에는 높은 슬롯계수의 장치가 도시된다. 고정자 원주 둘레의 연속적인 톱니는 A-B-C-A-B-C...순서로 고정자 상 권선이 권취되는데, 여기서 문자는 3개의 전기적 상을 나타낸다. 그러므로 각각의 고정자 슬롯은 2개의 상의 권선을 포함하게 된다. 도 5는 권선 구조를 나타내는데, 여기서 단일의 고정자 권선 코일, 예를 들어 코일(24a, 24b)은 각각의 고정자 코일에 들어맞으며, 상기 코일은 일반적으로 고정자 톱니의 축 길이의 대부분에 걸쳐 연장된다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 고정자 코일(24a, 24b)는 고정자 슬롯 내에 사이드-바이-사이드 형태로 배열된다. 인접하는 고정자 톱니(40a, 40b)의 고정자 코일(24a, 24b)은 각각 슬롯 폭의 약 1/2과 실질적으로 슬롯 깊이의 전부를 차지하며, 이는 충분한 절연체에 필요한 공차를 감안한 후에 유용하다. 그러나 실제에 있어 가능한 공간은 코일을 권취하거나 삽입하는데 현실적으로 필요한 여유에 의해 더 감소된다. 도 5에서 고정자 둘레의 원주방향으로 진행하는 재료의 배열 순서는 아래와 같다.
1. 제1 고정자 톱니(40a);
2. 절연체(42);
3. 제1 코일 권선(24a) (제1 고정자 톱니(40a)를 둘러싸고 있음);
4. 절연체 (42);
5. 제2 코일 권선 (24b) (제2 고정자 톱니(40b)를 둘러싸고 있음);
6. 절연체(42); 및
7. 제2 고정자 톱니(40b).
도 6의 구조도 동일한 배열 순서를 갖는다. 양쪽 모두에 있어, 고정자 원주 둘레에는 앞서 언급한 패턴이 반복된다. 적층 코일 구조는, 예를 들어 니들(needle) 권선에 의해, 정렬되어 적층되는 천공된 박판으로 종래방법으로 형성되는 반지름방향 에어갭 장치용 고정자에 권취될 수 있다.
권선에 의해 채워지지 않은 고정자 슬롯의 기하학적인 영역은 일반적으로 파팅(potting), 니스(varnish), 절연체 등으로 채워지고, 쓰레기 영역으로 여겨진다. 전체 영역과 쓰레기 영역 사이의 차이는 유용한 영역이라 불린다. 폭 4 ㎜, SPP 비율 0.5의 54개의 슬롯이 구비된 전기장치에 대해서, 종래의 고정자 코일 권선 및 적층 기술이 채용되고 가장 높은 실제 출력밀도(즉, 단위체적당 출력, W/㎤)로 장치가 최적화되는 경우에, 전도성 권선에 할당된 유용한 공간의 퍼센트는 약 35% ± 10% 에서 변화한다. 이러한 퍼센티지 값은 기초 주파수, 각 고정자 톱니에 인가되는 암페어-턴(ampere-turns)이 일정하다는 가정 하에서 얻어진다. 동일한 계산 및 동일한 가정 하에서 활성재료(active material)의 단위질량 당 토크를 최적화시키는데 약 50% ± 10% 의 다른 퍼센티지가 나온다.
슬롯 충전(fill)은 종래의 슬롯 권선/충전 구조로 권취되는 낮은 자극계수의 전기장치에 대해 가능한 체적의 약 65% 까지 도달할 수 있다. 저-손실 재료를 전기장치에 도입함으로써, SPP = 0.5 의 높은 자극계수, 높은 슬롯계수 및 고주파수의 전기장치를 설계하는 것이 가능해진다. 그러나 절연층(42)의 최소 두께는 전기장치의 작동 전압에 의해 결정되고, 그 결과 상대적으로 고정되는 것이다.
예를 들어 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 슬롯 절연체의 사용은 전기장치 기술분야에서 정립된 관행이다. 고정자 권선은 통상적으로 절연선으로 이루어지는 한편, 크라프트지(Kraft paper) 또는 유전체 폴리머 필름 등의 추가적인 절연체가 일반적으로 고정자 슬롯의 바닥과 측면에 배치되어, 특히 고정자 권선 코일의 권취 또는 배치하는 동안, 고정자와의 접촉으로 인한 권선의 마멸 또는 흠집을 방지한다. 또한, 중간-상(inter-phase) 절연체도 통상적으로 사용된다. 손상된 위치에서 유전체의 파손은 열점(hot spot) 또는 권선의 과열 및 단선(burnout)을 초래할 수 있다. 극단적인 경우, 이러한 파손은 쇼크 또는 화재 위험을 유발하기도 한다.
실제로는 고주파수의 장치는 더 높은 전압에서 작동하기 때문에, 더 두꺼운 절연체(42)를 필요로 한다. 특히 고주파수에서 더 높은 전압은 절연체를 매우 전도성 있도록 만드는 코로나 효과(corona effect)를 초래하는데, 코로나 효과라 함은 구성 원자를 이온화시키는 강계(strong field)의 존재시 절연 재료에 발생하는 막대한 파손을 일컫는다. 그러므로 고주파수의 장치에서는 권선을 위해 요구되는 슬롯 폭을 제한하더라도 추가적인 절연체가 필요하게 된다. 예를 들어 도 6에 도시된 종래의 코일 배열 및 기술을 사용하는 경우, 슬롯 영역의 약 46% 만큼이 활용할 수 없게 된다.
높은 슬롯계수의 축방향 에어갭 전기장치의 고정자 권선 코일 충전은 본 발명의 고정자 코일 권선 및 적층 기술을 사용함으로써 많이 증가할 수 있다. 도 7에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 4 ㎜ 폭의 54개의 슬롯이 구비된 4000-rpm 전기장치에 대해, 고정자 슬롯 충전은 59%를 초과한다. 동일한 기하학적 슬롯 체적을 가지는 종래의 충전 구조의 경우였다면, 슬롯 충전은 46% 정도가 되었을 것이다. 59%를 넘어서는 증가된 슬롯 충전을 갖는 전기장치는 그 성능에 있어 28%에 이르는 이득(gain)을 발휘할 수 있으며, 이것은 본 발명의 산업분야에서 유리한 점이 된다. 슬롯 충전에 있어서의 증가는 권선 저항을 감소시키는데 사용될 수 있는 더 큰 전도 영역을 제공한다. 또한, 전도 영역이 더 커지게 되면, 모터 구조의 변경 없이 유효 전류밀도를 증가시키는 것이 가능해진다. 전류가 높아지면, 기계적 동력 및 토크가 증가된 상태로 주어진 설계를 작동시키는 것이 가능해진다.
본 발명에 따라 제작된 전기장치는 적층 권선을 사용하고 있다. "적층 권선"에 의한 권선 구조에서, 복수의 고정자 상 권선은 치근(tooth root)에서부터 치면(tooth face) 부근의 높이까지 층을 이룬 순서로 배열된다. 중간-상 절연체는 인접하는 권선 코일 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 상기 권선은 하나 이상의 고정자 톱니부를 둘러싸게 된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "치근"이라 함은 백아이언과 톱니의 접합점에서 톱니 슬롯의 바닥 지점을 말한다. 본 발명의 장치는 각각의 슬롯 내에 3 이상의 적층 권선을 사용하는 것도 가능하지만, 일반적으로 적층 코일의 장점은 2 개의 적층 권선을 사용하는 것만으로도 충분히 얻을 수 있다.
예를 들어, 도 7은 바람직한 3상 축방향 에어갭 장치용 고정자(20) 구조를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 고정자 슬롯은 수평으로 나누어진 도 5 및 도 6의 종래의 배열과 달리 수직으로 나누어진다. 고정자의 각 슬롯은 상부코일(50) 및 하부코일(52)의 2개의 권선을 구비한다. 각 코일은 실질적으로 슬롯 폭으로 전부를, 슬롯 깊이로 약 반 정도를 차지한다. 본 명세서에서 고정자 코일 권선 구조 관련하여 사용되는 용어 "하부" 및 "상부"는 각각 치근에서 시작되는 고정자 권선의 지점 및 약 슬롯의 중간 높이에서 시작하여 백아이언의 톱니 말단의 자유단 부근까지 연장되는 고정자 권선의 지점을 말한다. 각 코일(50, 52)은 인접하는 고정자 톱니(40, 44) 둘레에 권취되고, 도 7에 도시된 바와 같이 서로 적층된다. 3상 시스템의 각 상은 복수의 상부코일(50) 및 하부코일(52)을 구비한다. 고정자 코일은 연속적인 상부/하부 패턴이 교대로 적층된다. 도 7에 도시된 실시예에서, (A:하부 - B:상부) (C:하부 - B:상부) (C:하부 - A:상부) (B:하부 - A:상부) (B:하부 - C:상부) (A:하부 - C:상부) (A:하부 - B:상부) (A:하부 - B:상부)...의 패턴으로 권선이 배치되는데, 여기서 문자 A, B 및 C는 3개의 전기적 상을 나타내고, 표현식 (A:하부 - B:상부)는 A상에 연결된 하부코일 및 B상에 연결된 상부코일을 갖는 슬롯을 가리키는 것이다. 도 7에서의 화살표는 각 톱니의 각각의 측면 감 김(turns)을 연결하는 단부 감김(end turns)에서의 전류의 방향을 나타낸다. 다른 순서 또한 가능하다. 예를 들어, 도 8은 (A:하부 - C:상부) (A:하부 - A:상부) (B:하부 - A:상부) (B:하부 - B:상부) (C:하부 - B:상부) (C:하부 - C:상부) (A:하부 - C:상부)...의 순서를 갖는 구조를 나타낸다. 화살표는 단부 감김에서의 전류의 방향을 나타낸다. 절연체 또는 유전 재료의 층은 고정자 코일과 고정자 톱니 사이에 2가지 다른 방향으로 삽입된다. 종래 방향의 절연층(42)은 슬롯의 측벽과 바닥을 덮는 반면에, 중간-상 절연층(48)은 종래의 방향에 수직한 방향을 이루는 것으로 슬롯의 바닥에 실질적으로 평행하다. 이러한 구조는 고정자 코일 권선의 더 많은 슬롯 충전을 가능하게 한다. 본 발명의 기술을 적용함으로써, 설계자는 고정자 슬롯 충전의 증가를 통해 동력을 증가시키거나 효율을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 고정자 구조는 3상 이외 다상(polyphase) 장치에도 유용한 여러 가지의 유사한 구조를 가진다. 예를 들어, 도 9는 (A:하부 - D:상부) (A:하부 - A:상부) (B:하부 - A:상부) (B:하부 - B:상부) (C:하부 - B:상부) (C:하부 - C:상부) (D:하부 - C:상부) (D:하부 - D:상부) (A:하부 - D:상부)...로 표시되는 4상 장치에 대한 가능한 순서의 일 예를 설명하는 것으로, 단부 감김 전류 방향은 화살표로 표시된다.
본 발명의 구조에 의해 절연체 체적의 감소 부분은 간단한 기하학적인 고려로부터 발생한다. 도 6의 종래기술의 절연체 배치와 도 7의 본 발명의 절연체 배치를 비교하면, 둘 다 슬롯 벽과 바닥에는 실질적으로 동일한 절연체가 요구되지만, 인접하는 상 권선 사이에는 다른 절연체가 끼워진다. 도 6의 구조에서의 중간 절연체는 수직이고 약 T·(D-d)·s 로 주어지는 체적을 갖는데, 여기서 "s"는 공칭(nominal) 절연체 두께이다. 반면에, 도 7에서는 약 w·(D-d)·s 로 주어지는 체적을 갖는 수평 중간 절연체가 도시된다. 바람직한 설계에서, 톱니 높이(T)는 일반적으로 슬롯 폭(w)의 2배 이상이므로, 본 발명이 구조에 의할 때 중간-상 절연체의 체적은 절반이 된다.
그러나 본 발명의 적층-코일 구조는 제작시 고려되는 측면에서 추가적인, 일반적으로 더 중요한 역할을 담당하여 슬롯 활용의 향상을 가져온다. 모터 구조의 슬롯 절연체에 통상적으로 사용되는 크라프트지는 6 mils (0.15 ㎜)의 두께이다. 도 6의 장치에 사용되는 사이드-바이-사이드 코일로 권선 작업을 하는데 충분한 여유 부분(clearance)를 제공하기 위해서는 흔히 30 mils (0.75 ㎜) 정도의 추가적인 측면 공간이 필요하다. 이러한 양은 현실적으로 활용가능한 영역에 실질적으로 영향을 주는데, 특히 높은 슬롯계수의 설계에서 협소한 슬롯 형태일 경우 더욱 영향이 크다. 실제 상 권선을 하는 동안에만 추가적인 여유가 필요한 것임에도, 일반적으로 그 이후 회복되는 것이 가능하지 않다. 이와는 대조적으로, 본 발명의 적층 코일에서는 이러한 추가적인 공차(allowance)가 필요하지 않다. 더구나 하부코일이 권취된 후, 절연체와 관련하여 남겨진 공간은 상부코일이 권취되기 전에 흔히 압축에 의해 실질적으로 제거하는 것이 가능하다.
고정자 권선으로는 일반적으로 구리 또는 알루미늄 선 등의 저렴하고 전도성이 높은 선을 사용하는 것이 바람직하지만, 다른 금속, 합금 및 초전도체 등의 재료를 사용하는 것 또한 가능하다. 선의 단면은 어떠한 것도 가능하지만, 원형, 사 각의 단면의 선을 사용하는 것이 일반적이다. 고주파수 적용에 있어 일정한 경우에는 스트랜드(stranded) 선 또는 리츠(Litz) 선을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 바람직한 권선 구조는 톱니(25) 당 하나의 코일을 수반한다. 일반적으로 각 코일은 전도성 선의 다수의 감김(turns)으로 이루어진다. 그러나 종래 알려진 어떠한 권선 배열도 적용 가능하다. 권선은 톱니 둘레의 그 위치에서 형성될 수 있고, 또는 별개로 조립된 상태로 준비해 둔 것을 톱니 단부에 끼워넣는 것일 수도 있다.
고정자 권선과 함께 고정자 어셈블리(20)는 고정자 캐리어(미 도시) 내에 놓여질 수 있다. 고정자 자성체 내에 과도한 응력을 유발하지 않는 적절한 유기 유전체(organic dielectric)를 사용하여 상기 고정자 어셈블리를 고정자 캐리어 내에 담는 것이 바람직하다. 상기 고정자 캐리어는 비-자성체인 것이 바람지하지만, 고정자 캐리어 재료의 전도성에 대한 제한은 없다. 고정자 캐리어 재료의 선택에 있어서, 요구되는 기계적 강도, 열적 특성 등이 영향을 주는 요소가 된다. 즉, 고정자 캐리어로는 고정자 어셈블리를 알맞게 지지하는 것이 가능하다면 어떠한 재료라도 사용될 수 있다. 구체적인 일 실시예에서, 고정자 캐리어는 알루미늄으로 형성된다.
고정자 상부코일 및 하부코일의 인덕턴스
코일의 이상(ideal) 인덕턴스 "L"은 아래 식에 의해 계산된다.
L = N2·P (1)
여기서,
L = 코일의 자기 인덕턴스
N = 코일 당 감은 횟수
P = 자기회로 투자도(permeance)
투자도 "P"는 아래와 같이 정의된다.
P = μo·μr·A/ℓ (2)
여기서,
μr = 자기회로의 상대적 투자율(permeability)
μo = 대기의 투자율
A = 자기회로의 단면적
ℓ = 자기회로의 경로 길이
방정식 (2)는 코일 형상이 극히 단순한 경우를 제외하고는 정확하게 계산하기가 매우 어렵다. N은 본 발명의 상부코일 및 하부코일 모두 동일한 값이 유지될 수 있으나, 설계자는 개방 자기회로, 특히 복잡한 기하학적 형상을 갖는 회로에 대해 특별히 한정되지 않는 한, A, ℓ 및 μr 에 대한 근사값을 구해야 한다.
본 고정자 코일 권선 각각은 형상-의존성 인덕턴스를 갖는다. 특히, 방정식 (2)를 고찰해보면, 간섭(fringing) 플럭스의 차이가 상부코일과 하부코일의 인덕턴 스를 서로 상이하게 함을 알 수 있다.
상부코일의 경우, 유효 코일 자기 플럭스 면적(A)은 톱니의 길이 대한 고정자 코어 면적을 포함한다. 백아이언으로 진행하면서, 코일 자기 플럭스 면적은 백아이언 단면적이 되고, 각각의 코어 면적을 갖는 두 번째 톱니로 진행하면서, 최종적으로 에어갭의 면적에 근접하게 된다. 회로의 길이 ℓ은 근사적으로 도 10에 도시된 바와 같이 2개의 방향으로 백아이언을 통해 하나의 톱니에서 다른 톱니 간의 거리, 인접하는 톱니의 길이, 대기를 통한 자기 플럭스의 근사적인 길이의 합으로 나타낼 수 있다. 도 11에는 다른 자기 플럭스 경로가 도시되는데, 고정자 코어를 통해 더 멀리 떨어진 상태로 움직이지만 이것은 인덕턴스의 계산에 거의 영향을 주지 못한다. 에어갭에서 μr의 값은 근사적으로 자유공간(free space)에서의 값, 즉 1.0 이 될 수 있다. 연자성체의 μr 값은 적어도 103 이고, 흔히 그 보다 높은 값을 가지므로, 투자도는 에어갭에 의해 좌우된다. 그러므로 실제 계산에 있어서는 대기를 통한 자기 경로만을 고려할 수 있다. 결과적으로, 상부코일에 대한 방정식 (2)는 아래와 같이 근사화된다.
L = μo·N2·A/ℓ (3)
하부코일에 대해서, 에어갭의 유효 면적은 1.0 보다 큰 값을 가지는 요소 f 에 의해 증가된다. 이것은 도 12에 도시된 바와 같이, 슬롯 폭을 가로지르는 전체 자기 플럭스의 부분의 성향 때문이다. 마찬가지로, 에어갭의 유효 길이는 1.0 보다 작은 값을 가지는 요소 g에 의해 줄어든다. 결과적으로, 하부코일에 대한 방정식 (2)는 아래와 같이 근사화된다.
L = μo·N2·(A·f)/(ℓ·g) (4)
따라서 일반적으로 하부코일은 상부코일보다 훨씬 더 높은 인덕턴스를 갖는다.
교류를 사용하는 회로에서 인덕턴스는 리액턴스를 이루고, 저항과 함께 리액턴스는 임피던스를 이룬다. 평행하게 권취된 코일을 갖는 전기장치에 대해 코일 간에 임피던스 차이가 있는 경우, 상 내에서 전류는 "순환적으로" 흐르게 될 것이다. 이러한 "순환 전류"는 장치 성능에 매우 해롭다. 즉, 장치에 옴(ohmic) 손실을 더하는 동시에 출력 동력을 떨어뜨리게 된다.
일 측면에 있어, 본 발명은 상부코일 및 하부코일의 상대적인 감은 횟수(N)가 변경되는 경우, 순환 전류의 문제에 대한 해결방안을 제공한다. 코일에 대한 바람직한 N 값은 상부코일 및 하부코일의 인덕턴스를 동일하게 설정함으로써 수학적으로 결정될 수 있다. 전체 임피던스가 관심 대상이기 때문에, 저항에서의 차이 또한 잠재적인 순환 전류를 야기할 수 있다. 저항에서의 차이는 다른 크기의 선을 사용함으로써 상쇄될 수 있다. back-EMF 상수에서의 차이 또한 순환 전류를 야기할 수 있지만, 이것은 선의 크기를 변경함으로써 바로잡을 수 없다.
그대신, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 모든 상부코일을 대응하는 하부코일에 직렬-결선(series-wiring)함으로써 순환 전류의 문제점을 해결한다. 하나씩 이어 맞춤을 기초로 하부코일을 상부코일과 직렬 결선하는 것을 통해 불필요한 순환 전류를 실질적으로 줄이거나 제거한다. 일반적으로 이러한 직렬 연결만으로 충분하지만, 앞서 언급한 선의 크기 및 감은 횟수의 조정을 보조적인 수단으로 사용할 수도 있다.
저 손실 고정자 재료
본 전기장치의 바람직한 실시예에서는 비정질 금속, 나노크리스털 금속, 또는 최적화 Fe계 합금, 또는 방향성 또는 무방향성 Fe계 재료를 사용함으로써 코일 손실의 증가를 종래의 장치에 비해 상대적으로 작게 하면서 정류 주파수를 400 Hz 이상으로 증가시키는 것이 가능해진다. 따라서 고정자 코어에 저-손실 재료를 사용함으로써 향상된 출력밀도 및 효율을 가지는 고주파수, 높은 자극계수의 전기장치를 제공할 수 있다. 또한 고정자 코어손실이 감소하기 때문에, 기본 속도를 넘어서도 열적 제한으로 인한 토크 및 동력의 낮춤 없이도 모터를 적절히 작동시키는 것이 가능해진다. 바람직하게 고정자 어셈블리는 비정질, 나노크리스털, 또는 최적화 Fe계 합금으로 구성되는 그룹 중에서 적어도 하나의 재료로 이루지는 박판 층(laminated layers)을 포함한다.
비정질 금속
비정질 금속은 본 모터에 사용 적합한 다양한 조성으로 존재한다. 금속 유리는 일반적으로 예를 들어 적어도 약 106℃/s 의 비율로 냉각시킴으로써 용융물로부터 신속하게 급랭되는 필수 조성의 합금 용융물로부터 형성된다. 금속 유리는 장거리 원자 질서(long-range atomic order)를 나타내지 않고 무기 산화 유리(inorganic oxide glasses)에서 관찰되는 것과 유사하게 할로(halos)를 발산하는 X-레이 회절 패턴을 갖는다. Chen 등에 부여된 미국특허 RE32,925호에는 적합한 자기 특성을 가지는 많은 조성물이 개시되어 있다. 비정질 금속은 일반적으로 20 ㎝ 이상의 폭으로 얇은 리본(예를 들어, 약 50 ㎛ 이하의 두께)의 확장된 길이의 형태로 공급된다. Narasimhan에 부여된 미국특허 4,142,571호에는 무한 길이의 금속 유리 스트립의 형성에 유용한 프로세스가 개시되어 있다. 본 발명에 사용 적합한 비정질 금속 재료의 예시로서 무한 길이의 리본 형태이고 약 20 ㎝에 이르는 폭과 20 ~ 25 ㎛ 두께를 가지는 Metglas, Inc, Conway, SC에 의해 판매되는 METGLAS®2605 SA1 을 들 수 있다(http://www.metglas.com/products/Page5_1_2_4.htm 참조). 요구되는 특성을 갖는 다른 비정질 금속 또한 사용 가능하다.
자기 기구의 사용과 제작에 있어서 비정질 금속은 고려해야 할 많은 특성을 갖는다. 대부분의 연자성체와는 달리, 비정질 금속('금속 유리'라고도 함)은 경도가 높고 깨지기 쉬운데, 특히 비정질 금속의 연성 자기 특성을 최적화하기 위해 일 반적으로 필요한 열 처리 후에는 더욱 그러하다. 그 결과, 모터에 사용 목적으로 종래의 연자성체를 가공하는데 일반적으로 필요한 기계적 작업을 비정질 금속에서 수행하는 것은 어렵거나 불가능하다. 즉, 스탬핑(stamping), 펀칭 또는 절단 등이 작업은 일반적으로 공구의 마멸을 초래하고, 깨지기 쉬운 열 처리된 재료에 대해서는 사실상 불가능하다. 강 재료에 흔히 행해지는 종래의 드릴링 및 용접 또한 통상적으로 불가능하다.
또한, 비정질 금속은 종래의 Si-Fe 합금보다 낮은 포화 플럭스 밀도(또는 유도, induction)을 나타낸다. 종래의 방법에 따라 설계된 모터에서 낮은 플럭스 밀도는 낮은 출력밀도를 초래하는 것이 일반적이다. 또한 비정질 금속은 Si-Fe 합금보다 낮은 열 전도도를 갖는다. 열 전도도는 온도가 높은 위치에서 낮은 위치로 재료를 통해 열이 얼마나 쉽게 전달되는지 여부를 결정하기 때문에, 열 전도도가 낮은 경우에는 자성체 내의 코어손실, 권선에서의 옴 손실, 마찰 손실, 바람(windage) 손실 및 다른 손실 원으로부터 야기되는 폐열을 적절히 제거할 수 있도록 모터 설계에 있어서 주의가 필요하다. 즉, 폐열을 적절히 제거하지 못하면 모터의 온도가 허용할 수 없는 정도까지 상승할 수 있다. 과도한 온도는 전기 절연체 또는 다른 모터의 구성요소의 조기 파손을 쉽게 야기한다. 일정한 경우, 과-온도는 쇼크 위험, 화재 등의 건강 및 안전에 심각하게 위험한 것들을 일으킨다. 비정질 금속은 또한 종래의 재료보다 높은 자기변형(magnetostriction)계수를 나타낸다. 재료의 자기변형계수가 낮을수록, 자기장의 영향으로 인한 치수 변경이 작아지므로 장치로부터의 소음을 쉽게 감소시킬 수 있음은 물론 장치 조립 또는 작동 시 유발되는 응력의 결과인 자기 특성의 저하에 더 영향을 받기 쉽도록 한다.
상기와 같은 문제에도 불구하고, 본 발명의 일 측면은 개량된 연자성체를 성공적으로 적용하여 고주파수 여기(excitation), 예를 들어 400 Hz 보다 큰 정류 주파수로 작동 가능한 모터를 제공한다. 또한 상기 모터의 제조기술이 제공된다. 개량된 재료, 특히 비정질 금속의 사용 및 구성의 결과, 본 발명은 높은 자극계수로 고주파수(정류 주파수가 400 Hz 보다 큰 경우로 정의)에서 작동하는 모터를 성공적으로 제공한다. 또한 비정질 금속은 고주파수에서 훨씬 더 낮은 히스테리시스(hysteresis) 손실을 나타내므로, 코어손실이 훨씬 더 낮아진다. Si-Fe 합금과 비교해서, 비정질 금속은 전기 전도도가 훨씬 낮고, 흔히 200 ㎛ 이상의 두께를 가지는 Si-Fe 합금보다 일반적으로 훨씬 얇다. 이러한 특성 모두는 와전류 코어손실을 낮추도록 촉진한다. 본 발명은 상기와 같은 하나 이상의 유익한 특징으로부터 장점을 갖는 모터를 제공하고, 이에 의해 모터는 코어손실이 낮은 등의 비정질 금속의 유익성을 발휘할 수 있는 구조를 사용함으로써 전술한 바와 같은 문제를 극복하면서 고주파수에서 효율적으로 작동된다.
나노크리스털 금속
나노크리스털 재료는 약 100 나노미터 이하의 크기의 평균입자를 갖는 폴리크리스털 재료를 말한다. 종래의 거친 입자를 가지는 금속과 비교해서 나노크리스털 금속은 강도와 경도의 증가, 열확산율의 향상, 연성과 인성의 향상, 밀도의 감소, 높은 전기 저항, 비열의 증가, 높은 열 팽창계수, 낮은 열 전도도 및 월등한 연자성체 특성 등의 속성을 갖는다. 나노크리스털 금속은 또한 일반적으로 Fe계 비정질 금속보다 약간 높은 포화 유도(induction)를 갖는다.
나노크리스털 금속은 다양한 기술로 형성될 수 있다. 한가지 바람직한 방법으로는, 앞서 언급한 기술을 사용하여 무한 길이의 금속 유리 리본으로 필수 조성을 주조하고, 상기 리본을 권취 형상 등의 요구되는 구조로 형성하는 것이 있다. 그 다음, 초기의 비정질 금속을 내부에 나노크리스털 마이크로 구조를 형성하도록 열 처리한다. 이러한 마이크로 구조는 약 100 ㎚ 미만, 바람직하게는 50 ㎚ 미만, 더 바람직하게는 10 ~ 20 ㎚ 크기의 평균입자를 갖는 높은 입자밀도를 특징으로 한다. 상기 입자는 Fe계 합금 체적의 적어도 50%를 차지하는 것이 바람직하다. 이와 같은 바람직한 재료는 낮은 코어손실 및 낮은 자기 변형을 갖는다. 자기 변형이 낮기 때문에 이를 구성요소로 하는 장치의 제작 및/또는 작동시 유발되는 응력에 의해 자기 특성이 저하되는 것에 덜 민감하게 된다. 주어진 합금 내의 나노크리스털 구조를 가공하는데 필요한 열 처리는 실질적으로 완전한 유리질의 마이크로 구조를 유지하기 위해 설계되는 열 처리보다 높은 온도 또는 더 오랜 시간 동안 수행되어야 한다. 바람직하게, 나노크리스털 금속은 Fe계 재료이다. 그러나 나노크리스털 금속은 또한 코발트 또는 니켈 등의 다른 강자성체로 이루질 수도 있다. 본 장치를 위한 자기 요소를 제작하는데 사용 적합한 대표적인 나노크리스털 합금으로 알려진 것이 Yoshizawa에게 부여된 미국특허 4,881,989호 및 Suzuki 등에 부여된 미국특허 5,935,347호에 개시되어 있다. 이러한 재료는 Hitachi Metals, Vacuumschmelze 및 Alps Electric 으로부터 구입할 수 있다. 저-손실 특성을 갖는 나노크리스털 금속의 예로서 Hitach Finemet FT-3M이 있다. 다른 예의 저-손실 특성을 갖는 나노크리스털 금속으로 Vacuumschmelze Vitroperm 500Z이 있다.
최적화 Fe 계 합금
본 장치는 또한 최적화, 저-손실의 Fe계 크리스털 합금 재료로 제작되는 것이 가능하다. 바람직하게, 상기와 같은 재료는 모터에 사용되는 200 ㎛ 이상의 두께, 때때로 400 ㎛ 이상의 두께를 갖는 종래의 강 재료보다 훨씬 얇은 약 125 ㎛ 미만의 두께를 갖는 스트립 형태로 이루어진다. 방향성과 무방향성 재료 모두 사용 가능하다. 여기서 사용되는 방향성 재료는 구성 크리스털 입자의 주 결정축이 임의의 방향성을 갖는 것이 아니라 하나 이상의 바람직한 방향을 따라 상호 관련되는 것이다. 위에서 언급한 마이크로 구조의 결과로서, 방향성 스트립 재료는, 등방성 즉, 여기(excitation)에 대해 스트립 평면 내의 어느 방향을 따라서도 실질적으로 동일하게 반응하는 무방향성 재료와 달리, 다른 방향의 자기 여기에 대해 다르게 반응한다. 방향성 재료는 자기 플럭스의 주 방향으로 실질적으로 구성되는 용이한 자화 방향으로 본 모터 내에 배치되는 것이 바람직하다.
여기서 사용되는 종래의 Si-Fe 는 중량으로 약 3.5% 이하의 규소 함유량을 갖는 Si-Fe 합금을 말한다. 이 보다 높은 규소 함유량을 갖는 규-철 합금의 경우 금속가공 특성이 나쁘기 때문에, 이러한 3.5 wt.%의 규소 함유량의 제한이 주어진다. 약 400 Hz 이상의 주파수를 갖는 자기장에서 작동시 야기되는 종래의 Si-Fe 합금 등급의 코어손실은 저-손실 재료보다 실질적으로 높다. 예를 들어, 본 장치 의 주파수 및 플럭스 레벨 하에서 작동시 직면할 수 있는 주파수 및 플럭스 레벨에서 종래의 Si-Fe 합금의 손실은 일정한 경우 적합한 비정질 금속의 10 배에 이를 수 있다. 결과적으로, 많은 실시예에서 고주파수에 작동되는 종래의 재료는 적절한 수단에 의해 냉각시킬 수 없는 지점까지 온도가 상승할 수 있다. 그러나 Si-Fe 합금의 일부 등급의 경우, 즉 본 명세서에서 최적화 Si-Fe로 언급되는 것은 고주파수 장치에 직접 적용할 수 있다.
본 발명의 실시에 유용한 최적화 Fe계 합금은 중량 3.5% 초과, 바람직하게는 4% 초과의 규소 함유량을 갖는 Si-Fe 합금 등급을 포함한다. 본 발명에 따른 장치를 제작하는데 사용되는 무방향성 Fe계 재료는 바람직하게 4 ~ 7.5 wt.% 범위의 규소 함유량을 갖는 철 합금으로 근본적으로 구성된다. 이러한 바람직한 합금은 종래의 Si-Fe 합금보다 더 많은 규소를 갖는다. 또한 센더스트(Sendust)와 같은 Fe-Si-Al 합금도 유용하다.
더욱 바람직한 무방향성 최적화 합금은 6.5 ± 1 wt.% 규소 함유량을 갖는 철로 근본적으로 구성되는 조성을 갖는다. 가장 바람직하게는, 약 6.5% 규소 함유량을 갖는 합금은 제로(zero)에 가까운 포화 자기 변형값을 나타내는데, 이로 인해 장치의 제작 또는 작동시 직면하게 되는 응력에 의한 자기 특성의 저하에 영향을 덜 받게 된다.
최적화의 목적은 자기 변형의 감소, 특히 낮은 코어손실을 포함해서 향상된 자기 특성을 갖는 합금을 얻는 것이다. 적절한 제조방법에 의해 만들어진 규소 함유량이 증가된 일부 합금에서 이러한 특성을 얻을 수 있다. 일부 경우에 있어, 상 기와 같은 최적화 Si-Fe 합금 등급은 비정질 금속과 비슷한 코어손실 및 자기 포화를 가지는 것을 특징으로 한다. 그러나 약 4 wt.% 초과의 규소 함유량을 갖는 합금은 단거리 질서(short-range ordering)로 인한 취성(brittleness)을 갖기 때문에 종래의 방법으로 제조하기 어렵다. 특히, 종래의 Si-Fe를 제조하는데 사용되는 종래의 압연기술은 일반적으로 최적화 Si-Fe 제조에 사용될 수 없다. 그러나 다른 기술들이 최적화 Si-Fe 제조에 사용된다.
예를 들어, Fe-6.5Si 합금의 적절한 한 형태는 JFE Steel Corporation, Tokyo, Japan에 의해 자기 스트립 50 및 10 ㎛ 두께로 공급된다(http://www.jfe-steel.co.jp/en/products/electrical/supercore/index.html 참조). Das 등에 부여된 미국특허 4,865,657호 및 Tsuya 등에 부여된 미국특허 4,265,682호에 개시되어 있는 급 결정(rapid solidification) 가공처리에 의해 생산되는 Fe-6.5%Si 또한 사용 가능하다. 급 결정 가공처리는 또한 센더스트 및 관련된 Fe-Si-Al 합금 제조에 사용되는 것으로 알려져 있다.
바람직한 연자성체의 손실 거동
본 발명의 고정자에 바람직한 재료에서의 향상된 손실은 주로 히스테리시스 손실의 상당한 감소에 의한 것이다. 당해 기술분야에서 알려진 바와 같이, 히스테리시스 손실은 모든 연자성체가 자화하는 동안 자기-구역벽(domain-wall) 움직임이 방해받는 것으로부터 기인한다. 이러한 손실은 일반적으로 본 장치에 바람직하게 사용되는 상기와 같은 향상된 재료에서보다 종래의 방향성 Si-Fe 합금과 무방향성 모터 및 전기 강 등의 종래에 사용되는 자성체에서 높게 나타난다. 높은 손실은 코어를 과열시키는 원인이 될 수 있다.
더 상세하게, 연자성체의 코어손실은 일반적으로 아래의 수정된 Steinmetz 방정식에 의해 표현될 수 있다.
L = a·f·Bb + c·fd·Be (5)
여기서,
L : 손실 (W/kg)
f : 주파수 (kHz)
B : 자기 플럭스 밀도 (피크 테슬라, peak Tesla)
a, b, c 및 e : 임의의 특정 연자성체에 대한 경험적인 손실계수
일반적으로, 상기의 손실계수 a, b, c 및 e 각각은 주어진 연자성체의 제조사로부터 얻을 수 있다. 특히, 본 발명이 고정자 구조에는 "L" 보다 작은 코어손실을 특징으로 하는 낮은 코어손실을 갖는 자성체를 사용하는 것이 바람직하며, 여기서 L은 방정식 (5)의 한 형태인 L = 12·f·B1.5 + 30·f2 .3·B2.3 에 의해 주어진다.
회전자 구조
본 발명의 다른 측면에서 축방향 에어갭, 브러시리스, 영구자석 전기장치가 제공되는데, 회전자 구조는 공통 축 상에 고정자 본체와 인접하여 배치된다. 도 3A 및 도 3B는 본 장치에 적합한 축 회전자(30)의 평면도 및 측면도를 각각 나타낸다. 도 3A는 회전자 주위에 위치한 교대 극성(alternating polarity)를 갖는 복수의 자석(32)을 도시하고 있다. 상기 자석은 교대 극성을 가지며, 회전자 원주둘레에 실질적으로 동일한 간격으로 견고히 배치된다. 크기, 위치, 각도, 경사(skew), 형상 등과 같은 회전자 자석의 다른 파라미터들은 요구되는 성능을 달성할 수 있도록 선택된다. 도 3B는 도 3A의 라인 A에서 본 측면도를 나타낸다.
다르게는, 상기 영구자석 회전자 어셈블리는 고정자 톱니의 치면과 근접하여 회전하도록 상기 자석을 고정하는 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 상기 회전자 자석(32)은 회전자 캐리어에 설치 또는 탑재될 수 있다. 상기 회전자 어셈블리는 상당히 많은 수의 회전자 자석(32)을 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 회전자 자석은 회전자의 두께를 지나 연장되지만, 다른 실시예에서는 그러하지 아니한다.
상기 자석은 교대하는 자석 사이의 원주방향의 틈이 거의 없는 간격으로 놓인다. 토크 코깅(cogging)의 발생을 최소화하는 최적값을 갖도록 자석 간의 간격을 설정하는 것이 바람직하다. 최적의 간격은 각 단일 금속 코어 톱니의 면적을 얻기 위해 먼저 고정자의 저-손실 금속 면적을 고정자 슬롯의 갯수로 나눈 것으로부터 유도된다. 그러면 자석 간의 최적의 간격은 각 자석의 전체 면적이 코어 톱니의 면적의 175 ± 20%와 같게 되는 경우가 될 것이다.
도 4는 하나의 회전자와 공통의 중심축을 가지며 상기 회전자의 양 측면에 축-타입 배열로 배치되는 2개의 고정자를 구비하는 전기장치의 일 실시예 측면도이 다. 특정 일 실시예에서, 하나의 회전자의 양 측면에 비정질 금속 고정자를 구비하는 전기장치는 높은 출력밀도를 나타냄을 알 수 있다. 상기와 같은 구조는 회전자와 각각의 고정자 사이의 인력이 서로 반대 방향이고 실질적으로 오프셋(offset)되기 때문에, 회전자가 받는 축 스러스트를 줄이게 되는 장점이 있다.
상기 회전자 자석을 영구자석으로 설명하였지만, 본 장치의 다른 실시예에서는 다른 타입의 자성체 또는 전자석을 사용할 수 있다. 예를 들어, 유도 장치는 박판 형태의 연자성체를, 스위칭 자기저항(reluctance) 장치는 솔리드 철(solid iron)을 사용하는 것이 가능하다.
회전자 재료
본 회전자에는 영구자석의 어떠한 타입도 사용 가능하다. 사마륨(samarium)-코발트(cobalt) 자석과 같은 희토(rare earth)-변환 금속 합금, 다른 코발트-희토 자석, 또는 NdFeB 자석 등의 희토-변환 금속-메탈로이드(metalloid) 자석이 특히 적합하다. 다르게는 상기 회전자 자석 구조는 소결(sintered), 플라스틱-결합(plastic-bonded) 또는 세라믹 영구자석 재료로 이루어진다. 바람직하게, 상기 자석은 선형 2/4 분면(second-quadrant) 정규 소자(demagnetization) 곡선을 따라 높은 최대 BH 에너지 곱(product), 높은 보자력 및 높은 포화 자화를 갖는다. 더 바람직하게, 방향성 및 소결 희토-변환 금속 합금 자석이 사용되는데, 이는 에너지 곱이 더 높아 비싼 영구자석 재료 체적을 최소화하면서 플럭스 및 토크를 증가시키기 때문이다.
바람직하게, 상기 회전자 어셈블리는 희토-변환 금속(예: SmCo) 또는 희토-변환 금속-메탈로이트 자석(예: NdFeB 및 NdFeCoB) 등의 원주방향으로 일정간격으로 배치되고 높은 에너지 곱을 가지며 양단에 N극 및 S극이 형성되는 영구자석들을 구비하는 디스크 또는 축 타입의 회전자 어셈블리로 구성된다. 도 3A 및 도 3B에서 잘 보여지듯이, 회전자(30) 및 회전자의 자석(32)은 샤프트(34) 등의 모터 축 주위를 회전하도록 지지되거나, 자석의 극이 하나 이상의 고정자 어셈블리에 인접하여 미리 정해진 경로를 따라 접근 가능하도록 다른 적절한 배열을 가질 수 있다. 일반적으로, 샤프트는 회전장치에 적절한 타입의 베어링에 의해 지지된다. 회전자 상의 자석 면적은 외경 및 내경을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 축방향 에어갭 타입 회전자의 경우, 자석(32)의 외경 및 내경은 실질적으로 고정자 어셈블리(20)의 외경 및 내경과 동일하다. 상기 자석(32)의 외경이 고정자 톱니부(21)의 외경보다 큰 경우에는, 회전자의 바깥 부분은 성능에 상당한 기여를 하지 못하게 된다. 회전자의 외경이 고정자 톱니부(21)의 외경보다 작은 경우에는, 전기장치 성능의 감소를 초래하게 된다. 즉, 이러한 경우에 있어서 장치 내의 일부 경자성체 또는 연자성체는 성능에는 도움이 안 되면서 비용 및 중량을 증가시키게 된다. 또한 일부 경우에서 필요 이상의 재료는 오히려 장치의 성능을 저하시킨다.
슬롯/상/자극 비율
전기장치의 슬롯/상/자극(a slot per phase per pole, SPP) 값은 고정자 슬롯의 수를 고정자 권선 내의 상의 수 및 DC 자극의 수로 나누는 것에 의해 결정된 다(SPP = 슬롯/상/자극). 본 명세서에서, 자극은 시불변 자기장을 말하며, 또한 DC 장으로도 일컬어지는데, 변화하는 즉, 시간 및 위치 모두에 있어 크기 및 방향이 변화하는 자기장과 상호 작용을 한다. 바람직한 실시예에서, 회전자 상에 탑재되는 영구자석은 DC 장 및 그에 의한 DC 자극을 의미하는 시불변 자극의 수를 제공한다. 다른 실시예에서, DC 전자석은 회전자 DC 장을 제공할 수 있다. 고정자 권선의 전자석은 변화하는 자기장을 제공한다. 슬롯은 본 장치의 고정자의 교대하는 톱니 사이의 간격을 말한다. 본 발명의 기술은 어떠한 SPP 값의 전기장치에 적용 가능하다. 본 장치의 설계는 최적 SPP 비율 설정에 있어서 상당한 유연성을 부여할 수 있다는 점에 장점을 가진다.
만족스러운 기능성 및 노이즈 레벨을 얻기 위해, 그리고 더 우수한 권선 분배에 의한 더 원활한 출력을 제공하기 위해, 종래의 장치는 흔히 1 ~ 3의 SPP 비율을 갖도록 설계된다. 그러나 단부 감김(end turns)의 효과를 감소시키기 위해서는 더 낮은 SPP 값(예: 0.5)을 갖도록 설계하는 것이 요구된다. 단부 감김은 슬롯 사이의 권선을 연결하는 고정자 코일 내의 선의 부분이다. 이와 같은 연결은 물론 필요한 것이지만, 단부 감김은 장치의 토크 및 출력에 기여하지 못한다. 이러한 의미에서 단부 감김은 어떠한 장점도 없이 요구되는 선의 양을 증가시키고 장치에서 발생하는 옴 손실의 원인이 되기 때문에 바람직하지 못하다. 그러므로 단부 감김을 최소화하고 처리 가능한 노이즈 및 코깅(cogging)을 갖는 모터를 제공하는 것은 모터 설계자의 목표 중 하나가 된다. 한편, 본 모터의 바람직한 실시예에서는 바람직하게 낮은 노이즈, 코깅 및 이하 상세히 설명되는 파워 일렉트로닉스 리 플(power electronics ripple)과 함께 SPP 비율을 감소시키는 것이 가능하다. 이러한 장점은 높은 자극계수 및 높은 슬롯계수에서 작동시킴으로써 얻어진다. 이러한 옵션은 종래의 장치에서는 실행 가능하지 않았는데, 이는 개량된, 저-손실 고정자 재료 없이는 정류 주파수에서의 요구되는 증가가 만족스럽지 못하기 때문이다.
일부 적용에 있어서, 분수 값의 SPP를 갖는 모터를 제작하는 것이 유리한데, 이러한 모터는 단일의 고정자 톱니 주위에 배치되는 미리 형성된 코일을 사용할 수 있기 때문이다. 본 장치의 다른 실시예에서, SPP 비율은 0.25, 0.33 또는 0.5 등의 정수비(integral ratio)이다. 예를 들어, 도 9의 4상 실시예에서 SPP = 0.33 이다. 1.0 이상의 SPP 값 또한 가능한다. 바람직하게, SPP 값은 약 0.25 ~ 4.0 범위의 값을 가진다. 그러나 본 장치의 더 바람직한 실시예에서는 SPP 비율을 1 이하, 더 바람직하게는 0.5 이하로 설계하는 것이 유익하다. 다수의 슬롯을 공통 자기부(common magnetic section)로 묶어줌으로써 0.5 보다 큰 SPP 값을 제공하는 것이 가능하다. 이것은 회전자 자극보다 고정자 슬롯이 더 많이 있어, 분배된(distributed) 권선이 되는 결과이다. 0.5 이상의 SPP 값은 분배된 권선이 없음을 나타낸다. 고정자 내에 분배된 권선을 구비하는 것이 통상적이다. 일반적으로 분배된 권선으로 설계된 종래의 장치는 자극 당 많은 슬롯을 가지며, 더 낮은 주파수 작동이 된다. 그 결과, 0.5 이하의 SPP 값을 가지는 종래의 장치는 낮은 주파수에서 작동하며, 또한 낮은 자극계수이고 코깅을 제어하기 어려워질 것이다. 반면에, 본 장치에서는 개량된 자성체를 사용함으로써, 정류 주파수를 올리는 것이 가능하므로, 코깅을 최소화하고 장치 속도를 떨어뜨리지 않으면서 낮은 SPP 값을 유지할 수 있다. 그러나 본 발명의 방법이 0.5 아래의 SPP 값(예: 0.25)을 가지는 전기장치에 적용 가능하긴 하나, 이러한 구조는 때때로 요구되는 더 높은 주파수에서 증가된 장치 리액턴스, 회전자 자석으로부터의 어느 정도 증가된 누설 플럭스 및 작고 많은 회전자 자석을 수용하는데 필요한 기계적 지지대 등의 실용적인 고려 측면에서 덜 바람직하다. 낮은 SPP 값은 흔히 전기장치의 다른 중요한 파라미터에 대해 덜 유리하다.
한편, SPP 값을 증가시키면 장치의 자극 피치(pitch)는 효과적으로 증가한다. 예를 들어, 다수의 고정자 슬롯은 공통 자기부로 결선될 수 있으며, 이것은 0.5 보다 큰 SPP 값에 상응한다.
본 장치는 단상 장치 또는 임의의 상의 수 및 고정자 각각에 그에 상응하는 권선 수를 갖는 다상 장치로 작동 및 설계 가능하지만, 우수한 출력밀도와 함께, 경자성체 및 연자성체의 효율적인 활용을 제공한다는 점에서, 통상적으로 3상 권선을 갖는 3상 장치가 바람직하다. 특히, 0.5의 SPP 값을 갖는 실시예는 3상 적용에 적합하다. 예를 들어 SPP = 0.5 인 3상 장치에서, 슬롯의 수가 상의 수의 곱인 상태에서 회전자 자극의 수는 고정자 슬롯의 수의 2/3 이 된다. 통상적으로 상기 장치는 3상 Y형 구조로 결선되지만, 델타형 구조를 사용하는 것도 가능하다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 적층 코일 고정자 권선 구조는 특히 SPP 값이 최적으로 0.5인 전기장치에 적용 가능하다.
저-손실 재료를 사용한 높은 자극계수, 고주파수 설계
본 발명의 구조 및 방법은 낮은 자극계수에서 높은 자극계수까지의 전기장치에 적용 가능하다. 그러나 본 발명의 적층 슬롯 권선 구조의 장점은 특히 고정자 내에 저-손실 재료를 사용함으로써 고주파수에서 작동하는 높은 자극계수의 전기장치의 설계가 가능한 실시예에서 발휘된다. 특정 실시예에서, 본 발명은 고주파수(즉, 약 400 Hz 이상의 정류 주파수)에서 작동하는 높은 자극계수를 갖는 축방향 에어갭 전기장치를 제공한다. 일부 경우에서, 상기 장치는 500 Hz ~ 3 kHz 범위 또는 그 이상의 정류 주파수에서 작동 가능하다. 설계자는 일반적으로 고속 모터의 경우 높은 자극계수를 피하는데, 이는 Si-Fe 와 같은 종래의 고정자 코어 재료는 높은 자극계수에 불가피한 그와 비례하는 더 높은 주파수에서 작동할 수 없다. 특히, Si-Fe를 사용하는 종래의 장치는 400 Hz 이상의 자기 주파수에서는 스위칭되지 않는데, 이는 재료 내의 자기 플럭스의 변화로 야기되는 코어손실 때문이다. 이러한 제한을 넘어서는 경우, 코어손실로 인해 재료는 어떠한 수단에 의해서도 장치를 냉각시킬 수 없는 정도까지 가열된다. 어떤 조건하에서는, 상기 Si-Fe 재료는 장치가 어떠한 방법으로도 냉각되지 않고 자기파괴에 이르는 정도까지 가열된다. 그러나, 적절한 비정질, 나노크리스털 및 최적화 Fe계 금속의 저-손실 특성은 종래의 Si-Fe 재료로 가능한 것보다 훨씬 높은 스위칭률을 가능하게 한다. 바람직한 실시예에서, METGLAS® 2605SA1 합금과 같은 비정질 금속을 선택함으로써, 고주파수 작동에서 가열에 의한 시스템 제한을 제거하는 동시에, 권선 구조 및 전체 모터 구조 또한 향상되어 비정질 재료의 유익한 특성을 잘 이용할 수 있게 된다.
훨씬 더 높은 여기 주파수(exciting frequencies)를 사용할 수 있는 능력은 가능한 자극 수의 범위가 훨씬 더 넓어지도록 본 장치를 설계하는 것을 가능하게 한다. 본 장치 내의 자극 수는 허용할 수 있는 장치 크기(물리적인 제한) 및 기대되는 성능 범위에 기초하여 변한다. 허용가능한 여기 주파수 제한을 조건으로, 자극 수는 자기 플럭스 누설이 바람직하지 않은 값까지 증가하거나 또는 성능이 감소하기 시작할 때까지 증가할 수 있다.
또한, 고정자 슬롯은 회전자 자석과 일치해야 하기 때문에, 회전자 자극 수에 맞는 고정자 제작에 의한 기계적인 제한이 따른다. 기계적 및 전자기적 구속으로 인해 고정자 내에 구비될 수 있는 슬롯의 수가 제한된다. 즉, 이러한 효과는 부분적으로 장치의 프레임 크기의 기능이다. 구리(copper) 및 연자성체의 적절한 균형을 제공하는 주어진 고정자 프레임을 위해 슬롯의 수에 대한 상한을 결정하도록 일부 경계를 설정할 수 있다. 상기 균형의 조정은 우수한 성능을 가진 축방향 에어갭 장치를 제작하는데 하나의 파라미터로 사용될 수 있다. 본 발명은 동일한 물리적 크기를 갖는 종래의 장치에 일반적인 자극의 수에 최적으로 약 4배 또는 5배인 모터를 제공한다.
예를 들어, 6 내지 8의 자극을 가지며 약 800 ~ 3600 rpm 속도에서 작동되는 종래 일반적인 모터의 경우, 정류 주파수는 약 100 ~ 400 Hz 이다. 정류 주파수(CF, 단위 Hz)는 회전 속도와 자극 쌍(pole pairs)을 곱한 값으로, 여기서 자극 쌍은 자극 수를 2로 나눈 것이고, 회전 속도의 단위는 초당 회전수이다(CF = rpm/60 × pole/2). 또한 여전히 400 Hz 미만의 주파수에 부합하면서, 16 이상의 자극, 그러나 1000 rpm 미만의 속도를 가지는 장치도 이용 가능하다. 다르게는, 여전히 약 400 Hz 미만의 정류 주파수에 부합하면서, 상대적으로 낮은 자극계수(예: 6개 미만의 자극)와 30,000 rpm 까지의 속도를 가지는 모터 또한 이용 가능하다. 대표적인 실시예에서, 본 발명은 1000 Hz, 1250 rpm에 대해 96개의 자극; 1080 Hz, 3600 rpm에 대해 54개의 자극; 1000 Hz, 30,000 rpm에 대해 4개의 자극; 및 1000 Hz, 60,000 rpm에 대해 2개의 자극을 가지는 장치를 제공한다. 본 발명의 고주파수 장치는 종래의 재료 및 설계로 제작된 축방향 에어갭 모터보다 약 4 ~ 5배 높은 주파수에서 작동할 수 있다. 본 발명에 의해 제공되는 장치는 동일한 속도 범위에서 작동할 때 종래의 모터보다 더욱 효율적이며, 그로 인해 더 많은 속도 선택을 제공하게 된다. 본 발명의 구조는 특히 매우 넓은 범위의 속도, 출력, 토크 등급을 갖는 모터의 구조에 적합한데, 높은 에너지 효율, 높은 출력밀도, 조립의 용이성, 비싼 연자성체 및 경자성체의 효율적인 사용의 장점을 함께 지닌다.
열적 성질 및 효율
모든 전기장치에서 얻을 수 있는 장치 출력 효율을 제한하는 성질 중의 하나는, 종래의 Si-Fe 합금을 사용하든 향상된 저-코어손실 연자성체를 사용하든, 폐열에 의한 에너지 손실이다. 이러한 폐열은 다양한 소스로부터 기인하지만, 주로 옴 손실, 표면 및 근접 효과(skin and proximity effect) 손실, 자석과 다른 회전자 구성요소 내의 와류로 인한 회전자 손실 및 고정자 코어로부터의 코어 소실에 의한 것이다. 종래 장치의 "연속 출력 제한"은 흔히 허용될 수 없는 온도 상승을 방지하도록 폐열을 충분히 소산시키면서 장치를 연속 작동시키는 것이 가능한 최대 속 도에 의해 결정된다. 상기 연속 출력 제한은 전류에 대한 함수이다.
본 발명의 실시에서 최적으로 적용 가능한 고주파수, 높은 자극계수의 전기장치에서는, 비정질, 나노크리스털 및 최적화 Fe계 금속 합금이 종래의 Si-Fe 합금보다 낮은 손실을 갖기 때문에, 발생하는 폐열이 적다. 설계자는 주파수, 속도 및 출력을 증가시키고, 저-코어손실과 옴 손실을 올바르게 균형 및 "교환"시킴으로써 상기 재료의 저 손실 특성을 활용할 수 있다. 전체적으로, 동일한 출력에 대해 본 발명에 최적으로 적용 가능한 고주파수, 높은 자극계수의 전기장치는 종래의 장치보다 낮은 손실을 나타내며, 그로 인해 토크 및 속도가 높아지고, 따라서 종래의 장치보다 높은 연속 속도 제한을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 측면 바람직한 실시에서 장치의 장점 중 하나는 비용 효과성을 유지하면서 장치의 효율을 최대화할 수 있다는 것이다. 통상적으로, 장치 효율은 유효 출력 동력을 입력 동력으로 나눈 것으로 정의된다. 본 발명의 최적으로 적용 가능한 고주파수, 높은 자극계수의 전기장치는 높은 자극계수와 동시에 더 높은 정류 주파수에서 작동하므로, 저-코어손실 및 고 출력밀도를 갖는 더욱 효율적인 장치가 된다. 이것은 400 Hz의 표준 고주파수 제한을 넘어서는 것으로, 지금까지는 이러한 제한을 넘는 것은 거의 없었다.
본 발명에서 적용 가능한 바람직한 고주파, 높은 자극계수의 전기장치의 성능 및 향상된 효율은 단순히 종래의 Si-Fe 합금을 비정질 재료로 대체하는 것에 의한 특징이 아니다. 비정질 금속을 사용하는 다양한 설계의 형태가 제안되어 왔지만, 과열 및 낮은 출력 동력 등의 성능 실패를 가져왔다. 이러한 실패는 종래의 재료(중량 3.5% 이하의 Si 함유량의 Si-Fe)에 적합하도록 설계되었던 생산 방법에 새로운 재료(예: 비정질 금속)를 단순히 적용하는 결과로 흔히 일어나는 것으로 여겨진다. 비정질 금속을 모터로 가공처리하는 비용과 함께, 상기와 같은 초기의 성능 실패는 업계의 연구 노력을 단념하게 한다.
본 바람직한 전기장치는 비정질, 나노크리스털, 최적화 Fe계 금속 합금, 방향성 또는 무방향성 Fe계 재료의 유익한 성질을 활용하는 회전 전기장치의 설계를 통해서 종래기술의 성능 실패를 극복한다. 또한, 상기 다양한 향상된 재료의 물리적 및 기계적 특성과 양립할 수 있는 제작 방법이 제공된다. 이러한 설계 및 방법은 높은 자극계수, 높은 효율 및 높은 출력밀도로 400 Hz 이상의 정류 주파수에서 작동하는 것을 포함해서 일부 또는 모든 다양한 장점을 가지는 장치를 제공한다. 종래의 방법이 4개의 특성 중 많아야 하나 또는 둘을 가지는 모터를 제공하는 것이 가능한 반면에, 본 명세서서 제공되는 실시예에서의 고주파수, 높은 자극계수 전기장치는 4개의 특성 중 일부, 바람직하게는 모두를 동시에 나타낸다. 094 출원에 의해 제공되는 것을 포함하는 장치는 저-손실 고정자 재료를 사용함으로써 자기 손실을 감소시키는 반면에, 본 발명의 장치는 다른 메카니즘, 즉 향상된, 적층-코일 권선 구조에 의해 손실을 감소시키고 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 효율이 향상됨에 따라, 본 발명에서 최적으로 적용 가능한 고주파수, 높은 자극계수의 전기장치는 연속 속도 범위를 더 크게 할 수 있다. 종래의 모터는 고속 범위에 대해 낮은 토크(낮은 동력)를 제공하거나, 아니면 저속 범위에 대해 높은 토크를 제공할 수밖에 없다는 점에서 제한이 있다. 그러나 본 발명에서 최적으로 적용 가능한 고주파수, 높은 자극계수의 전기장치는 고속 범위에 대해 높은 토크를 갖는 전기장치를 성공적으로 제공한다.
전기장치 냉각
고정자 코일 권선을 냉각시키는 것은 전기장치 설계에서 하나의 과제가 될 수 있다. 본 발명의 원리에 따라 제작된 장치는 일반적으로 종래기술의 장치에 비해 효율 측면에서 상당한 향상을 제공함에도, 본 장치는 또한 높은 요구조건에 대한 향상된 냉각의 장점을 가질 수 있다. 실제 장치의 많은 경우에 있어서, 권선 내의 옴 열의 소산은 정상상태 장치 출력에 대해 주요한 제한이 된다. 종래의 모터는 흔히 모터 사프트 상에 회전 송풍에 의해 공기를 순환시키는 대류 냉각을 사용하고 있으나, 이러한 배열에서의 열 전달은 권선 및 다른 구성요소의 외부 표면에서만 발생한다.
본 발명에 따른 고정자 상 코일의 교대 적층 구조는 고정자 슬롯 내에 배치되는 냉각수단의 사용을 가능하게 한다. 어떤 실시예에서는 장치 성능의 심각한 저하를 야기함 없이, 상기와 같은 냉각수단을 위한 충분한 공간이 제공될 수 있다. 예를 들어, 고정자 슬롯의 일부 또는 모두에는 인접하는 상 권선 사이의 채널에 열 전도 소자 또는 재료가 배치될 수 있다. 미국특허 6,259,347호에 개시되어 있는 범용 수동 소자를 포함해서 임의의 적합한 열-전도 매개체가 사용될 수 있다. 열관(heat pipes) 등의 다른 열 전도 재료 또한 사용 가능하다. 또한, 일부 외부 메카니즘을 사용하여 액체 또는 기체의 냉각 유체를 순환시키는 능동 시스템도 적합 하다. 도 13은 층 형태의 절연체(48) 대신에, 적층 고정자 코일 권선 사이에 종이 또는 폴리머 필름 등의 전기적으로 절연된 냉각 채널(54)를 구비하는 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 다른 실시예에서는 냉각 채널(54)과 하나 이상의 절연체(48)가 모두 존재한다. 또 다른 실시예에서의 냉각 채널은 벽이 없는 단순한 개방 채널이고, 파손에 저항하도록 적절한 유전 강도를 갖는 액체 또는 기체 냉각제의 사용을 필요로 한다. 순환 냉각제 또는 열 전도 매개체 등의 냉각수단을 사용함으로써, 권선 내로부터의 열 제거 효율이 크게 향상된다.
결선/권선 설계의 유연성
본 발명의 다른 장점은 다른 결선 구조를 사용할 수 있는 유연성에 있다. 종래의 고정자 설계는 다수의 슬롯에 대해 권선 분배를 요구하는 1.0 ~ 3.0의 SPP 비율을 사용하는 것에 전술한 바와 같은 초점이 맞추어지기 때문에 권선 설계 선택에 제한이 가해진다. 분배된 권선으로 2 또는 3 이상의 권선 옵션을 갖기는 어렵다. 본 발명은 SPP = 0.5 설계를 잘 이용할 수 있는 능력을 제공하는데, 일반적으로 고정자 코어 당 하나의 별개 코일만이 존재한다. 그러나 본 발명이 SPP = 0.5 인 다른 배열을 배제하는 것은 아니다. 상부코일 및 하부코일을 직렬 짝으로 유지하면서, 주어진 적용에 의해 요구되는 전압을 제공하도록 복수의 코일이 쉽게 변경되고 재-연결될 수 있다. 따라서 본 발명의 장치에서 주어진 SPP 비율은 0.5에 접근하므로, 고정자 권선 구조 관련하여 상당한 유연성을 가진다. 예를 들어, 제조자는 서로 독립적으로 각 고정자를 권취하거나, 동일한 고정자 내의 고정자 독립적 인 권선을 제공하는 것이 가능하다. 이러한 성능은 0.5와 일치하는 SPP를 갖는 시스템의 장점 중에 하나이다. 종래에도 SPP =0.5 의 시스템이 있었지만, 이들은 널리 보급되지 않았으며 극히 특정 적용에서만 성공적이었다. 본 발명은 권선에 있어서 이러한 유연성을 가능하게 하는 SPP = 0.5 의 시스템을 성공적으로 제공한다.
따라서, 주어진 하드웨어 구조는 단순히 고정자 코일 또는 고정자 코일의 상호연결을 변경함으로써, 폭 넓은 범위의 해결방안을 제공할 수 있다. 일반적으로, 코일은 전자기 회로에서 변경하기가 가장 쉬운 구성요소이다. 제조자에게는 표준 설계가 거의 필요 없다는 점에서, 판매자에게는 더욱 수월한 재고정리를 유지할 수 있다는 점에서, 사용자에게는 변화하는 사용조건에 적응하도록 주어진 장치를 변경할 수 있다는 점에서, 상당한 경제성 및 간이성이 제공된다.
장치 시스템 및 파워 일렉트로닉스 제어
또 다른 측면에서, 앞서 언급한 타입의 축방향 에어갭 전기장치 및 상기 장치를 제어하고 인터페이싱하기 위한 파워 일렉트로닉스(power electronics) 수단을 포함하는 기계-전기 변환장치 시스템이 제공된다. 본 시스템은 모터 또는 발전기 또한 모터와 발전기의 조합으로 기능할 수 있다. 전동장치는 AC 전원이 직접적으로 공급되거나, 또는 DC 전원의 정류에 의해 공급되어야 한다. 브러시-타입 장치에서 기계적인 정류가 오랫동안 사용되어 왔지만, 고-출력 반도체 소자의 활용으로 인하여, 최근 많은 영구자석 모터 사용되는 브러시리스, 전기적 정류 수단을 설계하는 것이 가능해졌다. 일반적인 모드에서, 장치(기계적으로 정류되지 않은 경우) 는 본래 AC 를 만들어낸다. 장치의 많은 부분은 동기식으로 작동하는데, 이는 AC 입력 또는 출력 전원이 회전 주파수 및 자극의 수에 비례하는 주파수를 가짐을 의미한다. 전기시설에 의해 흔히 사용되는 50 또는 60 Hz 그리드 또는 선박이나 항공에서 흔히 사용되는 400 Hz의 전원 그리드에 직접적으로 연결된 동기(synchronous) 모터는 단순히 자극 수를 변경함으로써 얻을 수 있는 변형으로 특정 속도에서 작동한다. 동기 생성을 위해서 원동기의 회전 주파수는 안정적인 주파수를 공급하도록 제어되어야 한다. 일부 경우에서, 원동기는 알려진 장치 설계에 대한 실제 제한 내의 자극 수를 갖는 모터에 의해 적응되기에는 너무 높거나 낮은 회전 주파수를 생성한다. 이러한 경우, 회전 장치는 기계적 샤프트에 직접 연결될 수 없으므로, 복잡성이 더해지고 효율이 떨어짐에도 기어박스가 사용되어야 한다. 예를 들어, 윈드 터빈(wind turbines)은 매우 천천히 회전하기 때문에, 종래의 모터에서는 지나치게 많은 자극 수가 요구된다. 반면에, 요구되는 기계적 효율로 적절한 작동을 얻기 위해서, 일반적으로 가스 터빈은 너무 빨리 회전하기 때문에, 낮은 자극계수에서도 조차 생성 주파수가 지나치게 높다. 또한, 모터와 발전기 구동에 공히 적용되는 것으로 유효전력 변환이 있다. 앞서 언급한 타입의 적층 권선 구조를 갖는 고정자 어셈블리를 구비하는 본 발명의 전기장치의 실시예는 유효전력 변환으로 유익하게 사용되는데, 특히 넓은 속도 범위 및/또는 이종(異種)의 전원 요구조건이 관련된 적용에서 그러하다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "파워 일렉트로닉스"는 특정 주파수 및 파형의 직류(DC) 또는 교류(AC)로 공급되는 전력을, 출력과 입력이 전압, 주파수 및 파형 중 적어도 하나에서 차이가 있는 DC 또는 AC 전력 출력으로 변환시키는 전자회로를 의미하는 것으로 이해된다. 상기 변환은 파워 일렉트로닉스 변환 회로에 의해 수행된다. 주파수를 유지하는 통상의 변압기를 사용하는 AC 전력의 간단한 변압 및 DC를 공급하는 AC의 간단한 브리지 정류 이외에, 최근 전력 변환은 통상적으로 비-선형 반도체 소자 및 능동 제어를 제공하는 다른 관련 구성요소를 사용한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제작된 장치는 종래의 장치보다 훨씬 더 넓은 회전속도 범위에 걸쳐 모터 또는 발전기로 작동 가능하다. 많은 경우에 있어, 모터 및 발전기 적용 모두에 지금까지 요구되었던 기어박스를 제외할 수 있게 된다. 그러나 이러한 장점은 종래의 장치에서 사용되는 것보다 더 넓은 주파수 범위에 걸쳐 작동 가능한 파워 일렉트로닉스의 사용이 일반적으로 요구된다.
본 기계-전기 변환장치 시스템의 모터 적용에 있어, 상기 장치는 전원 그리드, 전기화학 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 다른 적합한 전기에너지 소스 등의 전기적 소스에 연결되어 있다. 기계적 부하는 장치 샤프트에 연결될 수 있다. 일반적인 모드에서, 장치 사프트는 기계적으로 원동기에 연결되고, 시스템은 전기장치 또는 전기에너지 저장장치의 형태를 포함하는 전기적 부하에 연결된다. 또한, 상기 장치 시스템은 재생식 모터 시스템으로 사용 가능한데, 예를 들어, 자동차의 구동 바퀴에 연결되는 것으로, 자동차에 기계적 추진을 공급하는 것과 자동차의 운동에너지를 다시 전지에 저장되는 전기에너지로 변환하는 것을 교대로 하는 시스템으로 사용 가능하다.
본 축방향 에어갭 장치 시스템에 유용한 파워 일렉트로닉스 수단은 만족스러 운 전자기계적 작동, 조정 및 제어를 유지하면서, 예측되는 기계적 및 전기적 부하의 변동에 적응할 수 있도록 충분한 동적 범위를 갖는 능동 제어를 일반적으로 구비해야 한다. 상기 수단은 앞서 언급했듯이 각 회전 동안 변화하는 투자도로부터 발생하는 상 임피던스의 범위에 걸쳐 만족스럽게 수행되어야 한다. 부스트(boost), 벅(buck) 및 플라이백 컨버터(flyback converters)를 사용하는 스위칭 조정기 및 펄스 폭 변조기를 포함해서 어떠한 전력 변환 토폴로지(topology)도 사용 가능하다. 바람직하게는, 전압과 전류 둘 다 독립적으로 상 제어가 가능하고, 파워 일렉트로닉스의 제어는 직접적인 샤프트 위치 감지가 있거나 없거나 작동된다. 또한, 시계방향으로 또는 반시계방향으로 회전하도록, 모터 또는 발전기 모드로 장치를 작동시킬 수 있도록 4/4 분면(four-quadrant) 제어를 제공하는 것이 바람직하다. 전류-루프와 속도-루프 제어 회로 둘 다 구비되는 것이 바람직한데, 토크-모드와 스피드-모드 제어 둘 다 사용될 수 있다. 안정적인 작동을 위해, 바람직하게는 파워 일렉트로닉스 수단은 의도된 정류 주파수 크기의 적어도 약 10배의 제어-루프 주파수 범위를 가져야 한다. 따라서 본 시스템의 경우, 약 2 kHz에 이르는 정류 주파수에서 회전 장치의 작동은 적어도 약 20 kHz의 제어-루프 주파수 범위를 필요로 한다. 모터 작동에 사용되는 컨트롤러는 일반적으로 IGBT 반도체 스위칭 요소를 사용한다. 이러한 소자는 주파수와 함께 스위칭 손실의 증가를 나타내므로, 약 1000 Hz까지의 정류 주파수로 작동하는 것이 바람직하다. 따라서 모터모터모터 600 ~ 1000 Hz 범위의 정류 주파수로 유리하게 설계되는데, 저-손실 재료에 의해 가능해진 더 높은 작동 주파수로부터 기인하는 장점들(예: 출력밀도 향 상)을 그대로 유지하면서, 덜 비싼 IGBT를 사용할 수 있게 된다. 발전기 적용의 경우, 적절한 정류기 브리지는 더 높은 정류 주파수에서의 작동조차 허용한다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예로 상세히 설명하였지만, 이러한 상세한 설명에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 당업자에 의해 다양한 수정과 변경이 가능하다. 예를 들어, 본 명세서에서는 축 갭 전기장치에 대해 일반적으로 설명하였지만, 반지름방향 에어갭 장치 또는 선형 장치 등의 다른 타입의 전기장치에도 본 발명의 원리에 따른 설계를 적용하는 것이 가능하다. 또한, 상기 전기장치는 영구자석 장치 이외에, 유도 장치, 동기 장치, 동기 저항 장치, 스위치 저항 장치 및 DC 전자석 장치 등의 다양한 타입의 전기장치를 포함한다. 또한, 다른 타입의 회전자 및/또는 고정자 권선 구조도 본 발명의 범위 내에 있다. 따라서 청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 범위 내에서는 수정과 변경이 가능하다.
본 발명은 회전자 어셈블리 및 적층 고정자 코일 배열을 구비하는 고정자 어셈블리를 포함하는 기계-전기 변환장치를 제공한다.

Claims (18)

  1. 다상 축방향 에어갭 기계-전기 변환장치에 있어서,
    (a) 백아이언(backiron)부, 복수의 톱니부, 각각의 인접하는 한 쌍의 상기 톱니부 사이의 슬롯 및 복수 상(phase)의 적층 고정자 권선을 구비하고, 각각의 권선이 하나 이상의 상기 톱니부를 둘러싼 적어도 하나의 고정자 어셈블리; 및
    (b) 축 주위를 회전하도록 지지되고 복수의 자극을 구비하며, 상기 적어도 하나의 고정자 어셈블리와 자기적인 상호작용을 하도록 배열/배치되는 적어도 하나의 회전자 어셈블리;를
    포함하며,
    상기 권선은 동일한 수의 상부코일과 하부코일로 구성되며, 각각의 상기 상부코일이 하나의 상기 하부코일과 직렬로 연결되고, 두 개의 상기 적층 상 권선이 각각의 상기 슬롯 내에 있으며,
    상기 고정자 어셈블리는 비정질 금속, 나노크리스털 금속 및 Fe계 합금이 속하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 재료로 구성되는 박판 층으로 이루어지고 피크 유도 레벨 "Bmax"에 대해 여기 주파수 "f에서 작동시 "L"보다 적은 코어손실을 가진 저-코어손실 자성체로 이루어지며, 여기서 L은 수식 L = 12·f·B1.5 + 30·f2.3·B2.3으로부터 주어지는 것으로, 상기 코어손실, 여기 주파수 및 피크 유도 레벨의 단위가 각각 W/kg, kHz 및 T(tesla)인
    기계-전기 변환장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회전자 에셈블리는, 교대 극성으로 배치되며 실질적인 동일 간격으로 상기 회전자 둘레에 단단히 위치하는 복수의 회전자 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계-전기 변환장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 자석은 SmCo 또는 FeNdB 자석인 것을 특징으로 하는 기계-전기 변환장치.
  7. 제1항에 잇어서,
    상기 슬롯의 SPP 비율(slot per phase per pole ratio)은 약 0.25 내지 1 범위인 것을 특징으로 하는 기계-전기 변환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 슬롯의 SPP 비율은 0.50 인 것을 특징으로 하는 기계-전기 변환장치.
  9. 제1항에 있어서,
    적어도 16개의 자극을 구비하는 것을 특징으로 하는 기계-전기 변환장치.
  10. 제1항에 있어서,
    약 500 Hz 내지 3 kHz 범위의 정류 주파수로 작동하도록 구성된 것을 특징으 로 하는 기계-전기 변환장치.
  11. 제1항에 있어서,
    두 개의 고정자 어셈블리 및 상기 두 개의 고정자 어셈블리 사이에 배치되는 하나의 회전자 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계-전기 변환장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 슬롯 내에 배치되는 냉각수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기계-전기 변환장치.
  13. 삭제
  14. (a) 백아이언부, 복수의 톱니부, 각각의 인접하는 한 쌍의 상기 톱니부 사이의 슬롯 및 복수 상의 적층 고정자 권선을 구비하고, 각각의 권선이 하나 이상의 상기 톱니부를 둘러싼 적어도 하나의 고정자 어셈블리를 제공하는 단계; 및
    (b) 축 주위를 회전하도록 지지되고 복수의 자극을 구비하며, 상기 적어도 하나의 고정자 어셈블리와 자기적인 상호작용을 하도록 배열/배치된 적어도 하나의 회전자 어셈블리를 제공하는 단계;를
    포함하며,
    상기 권선은 동일한 수의 상부코일과 하부코일로 구성되며, 각각의 상기 상부코일이 하나의 상기 하부코일과 직렬로 연결되고, 두 개의 상기 적층 상 권선이 각각의 상기 슬롯 내에 있으며,
    상기 고정자 어셈블리는 비정질 금속, 나노크리스털 금속 및 Fe계 합금이 속하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 재료로 구성되는 박판 층으로 이루어지며, 피크 유도 레벨 "Bmax"에 대해 여기 주파수 "f에서 작동시 "L"보다 적은 코어손실을 가진 저-코어손실 자성체로 이루어지며, 여기서 L은 수식 L = 12·f·B1.5 + 30·f2.3·B2.3으로부터 주어지는 것으로, 상기 코어손실, 여기 주파수 및 피크 유도 레벨의 단위가 각각 W/kg, kHz 및 T(tesla)인
    기계-전기 변환장치 제작방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제14항에 있어서,
    상기 고정자 어셈블리는,
    (a) 저-코어손실 자성체의 상기 박판 층을 나선형으로 권취하여, 내경, 외경 및 높이를 갖는 환상체(toroid)를 형성하는 단계; 및
    (b) 반지름 방향으로 상기 내경으로부터 상기 외경까지 상기 환상체 높이보다 작은 깊이로 연장되는 복수의 슬롯을 절삭하는 단계;를
    포함하는 공정에 의해 단일체 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 기계-전기 변환장치 제작방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 기계-전기 변환장치에 작동 가능하게 연결되며, 상기 기계-전기 변환장치를 인터페이싱하고 제어하는 파워 일렉트로닉스(power electronics) 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기계-전기 변환장치.
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