KR101002352B1 - 고주파 모터 또는 제너레이터 - Google Patents

Abstract

전기모터, 전기 제너레이터 및/또는 재생 전기모터 등과 같은 장치로서, 복수개의 독립 기동 전자석 어셈블리(independent energizable electromagnetic assemblies)을 포함한다. 각 독립 기동 전자석 어셈블리는 연질 박막 자기재료로 만들어진 단일편 자기코어 조합을 갖는다. 각 독립 기동 전자석 어셈블리는 단일편 자기코어의 반대쪽 끝단에 위치한 두개의 고정자극을 결정짓고, 각 단일편 자기코어는 두개의 독립 기동 전자석 어셈블리와 관련한 대향 자기 고정자 극에 대하여 전체 자기 복귀 경로를 제공한다.

Description

고주파 모터 또는 제너레이터 {High Frequency Motor or Generator}

[미국 출원 관련한 상호참조]

본 출원은 "박막 연질 자석재료(thin film soft magnetic material)로 이루어진 자기 코어를 포함하는 고주파 전기모터 또는 제너레이터"라는 제목하에, 2002년 1월 30일자 출원된 미국 특허출원 제10/060,645호의 미국 일부계속출원으로서, 이에 대하여 파리조약에 의한 우선권을 청구하며, 그 결과, 본 참조에 의하여 본 출원의 내용은 명백히 상기 미국일부계속출원 전체를 포함한다. 또한 본 출원은 "박막 연질 자석재료로 이루어진 자기 코어를 포함하는 고주파 전기모터 또는 제너레이터"라는 제목하에, 2002년 1월 30일자 출원된 미국 특허출원 제 10/060,732호의 미국 일부계속출원으로서, 이에 대하여 파리조약에 의한 우선권을 청구하며, 그 결과, 본 참조에 의하여 명백히 본 출원의 내용은 상기 미국일부계속출원 전체를 포함한다.

[기술분야]

본 발명은 전반적으로 전기모터, 제너레이터, 및 재생모터(regenerative motor)에 관한 것이다. 여기서 사용되는 용어 재생모터는 전기 모터 또는 제너레이터 중 어느 것으로서도 작동될 수 있는 장치를 가리킨다. 보다 상세하게는, 본 발명은 고정자 배열 자체에 복수개의 개별적 전자기 어셈블리를 포함하며, 각각의 독 립된 전자기 어셈블리는 박막 연질 자석재료로 이루어진 단일-편 자기코어 조합(associated one-piece magnetic core)을 포함하는 고정자 배열을 갖는 전기모터, 제너레이터 또는 재생모터에 관한 것이다. 본 발명은 박막 연질 자석재료로 이루어진 자기코어를 갖는 고주파 전기모터 또는 제너레이터를 개시한다.

전기모터 및 제너레이터 산업은 효율과 출력밀도(power density)가 향상된 모터 및 제너레이터를 제공할 수 있는 방법을 끊임없이 모색해 왔다. 근래 꽤 오랫동안, 슈퍼 영구자석 회전자(permanent super magnet rotors : 예컨대, 코발트 희토류(cobalt rare earth) 자석 및 네오디뮴-철-붕소 자석) 및 박막 연질 자석재료로 이루어진 자기코어를 갖는 전자석을 포함하는 고정자를 사용하여 제작된 모터 및 제너레이터는 고전적인 모터 및 제너레이터에 비하여 충분히 높은 효율과 출력밀도를 제공할 수 있는 잠재력(potential)이 있다고 믿어져 왔다. 또한, 박막 연질 자석재료로 이루어진 코어는 자기장 변화에 대하여 전형적인 철 코어 재료(ferrous core materials)에 비하여 훨씬 신속히 반응할 수 있기 때문에, 박막 연질 자석재료로 이루어진 자기코어는 모터와 제너레이터 내에서 훨씬 빠른 전계 절환(field switching)을 가능케 할 수 있는 잠재력을 보유함으로써, 전형적인 철 코어에 비하여 한층 높은 속도와 더욱 향상된 제어력을 갖는 모터 및 제너레이터를 가능하게 한다. 그러나, 지금까지 박막 연질 자석재료로 이루어진 자기코어를 가지며, 쉽게 제조할 수 있는 모터나 제너레이터를 제공하는 것은 매우 어렵다는 것이 입증되었다. 더욱이, 지금까지 알려져 있는 구성(configuration)들은 어떤 유형의 응용에 대해서는 보다 효율적일 수도 있는 이들 재료들의 성능을 완전히 이용하지는 못하였다.

비정질 금속(amorphous metal)과 같은 박막 연질 자석재료는 전형적으로 균일한 리본 폭을 갖는 얇은 연속 리본(thin continuous ribbon)의 형태로 공급된다. 과거에는, 비정질 금속코어는 비정질 금속 리본을 코일 상으로 말고(rolling), 그 권취(卷取, winding)를 담금질(annealing)한 다음, 에폭시 등의 접착제로 그 권취를 채운 후 캡슐에 넣는 방법으로 성형시켜 왔다. 그러나, 이 재료는 매우 단단한 재료여서 특히, 일단 벌크 편(bulk piece)으로 적층(laminate)되고 나면 쉽게 자르거나 성형하기가 극히 곤란하다. 또한, 최대 자성(peak magnetic property)을 얻기 위해 일단 담금질되어지면 이들 재료는 매우 부스지기 쉽게 된다. 이러한 이유로 자기코어의 제작에 전형적인 접근 방법을 사용하는 것은 매우 어렵고 비용도 많이 들게 된다.

비정질 금속 자기코어가 갖는 다른 문제점으로는 물리적 응력(physical stress)을 받으면 비정질 금속 물질의 투자율(또는 자기투과율, magnetic permeability)이 감소된다는 것이다. 이와 같이 투자율의 감소 정도는 그 비정질 금속재료에 가해지는 응력의 강도에 따라 심각할 수 있다. 비정질 금속 자기코어가 응력을 받음에 따라, 코어가 자속(magnetic flux)에 방향성을 부여하거나 자속을 모으는 효율이 감소되어, 보다 높은 자기손실, 효율 감소, 열 발생 증가, 출력 감소 등의 결과를 초래한다. 이러한 현상을 자기변형(magnetostriction)이라고 하며 이는 모터나 제너레이터의 작동 중에 생기는 자력에 의한 응력, 기계적 조임 (mechanical clamping) 등과 같이 자기코어를 제 위치에 고정시키는 과정에서 생기는 기계적 응력, 혹은 열팽창 및/또는 비정질 금속 재료의 자기 포화(magnetic saturation)에 기인한 팽창으로 생기는 내부 응력(internal stress)에 의해 야기될 수 있다.

본 출원인에게 특허 허여되었으며 여기에 참고문헌으로 인용된 미국특허 5,982,070 및 6,259,233에는, 전기모터 및 제너레이터를 제작하기 위한 몇 가지 방법 및 배열이 기술되어 있다. 이후 각각 '070 특허 및 '233 특허라고 부르게 될 이들 특허에는, 다중 비정질 금속코어편이 전체 비정질 금속코어를 형성하도록 유전체 하우징(dielectric housing)내에 지지되어 있다. Mischler 등에게 특허 허여된 다른 미국특허에는, 비정질 금속 재료를 이용하는 또 다른 모터 구성이 기술되어 있다. 비록 이들 접근 방법들은 비정질 금속코어를 사용하여 모터 및 제너레이터가 제작될 수 있게 하지만, 이들 접근 방법과 관련된 몇 가지 본질적인 문제점들이 있다. 예를 들어, 전체 코어를 형성하기 위한 다중 코어편의 사용은, 자속이 그 자기코어를 통하여 흐를 때 그 자속이 횡단하여야 할 인접 코어편 사이에 기생 간극(parasitic gap)이 존재한다는 것을 의미한다. 이들 기생 간극들은 자속이 하나의 코어편 또는 코어 재료층으로부터 다른 코어편 또는 코어 재료층으로 통과해야할 임의의 점에서 발생한다. 비록 이들 간극은 다양한 코어편 제조시 공차(tolerance)를 매우 엄격히 함으로써 아주 작게 만들어지게 할 수 있을 것이고, 에폭시로 채워질 수도 있겠지만, 간극이 없는 코어와 비교하여 볼 때, 여전히 이들 간극은 그 코어를 통하여 흐를 수 있는 자속의 효율을 감소시키는 기생 손실을 초 래한다.

기생 간극 문제와 더불어, '070 및 '233특허의 방법 및 배열은 비정질 금속 자기 재료가 항상 적절한 방위(orientation)를 유지하도록 방향을 맞추기가 어렵게 만드는데, 이들 특허에 개시되어 있는 반경방향 간극 장치(radial gap devices)의 경우에 특히 그러하다. 연질 박막 자기재료의 적절한 방위는 자속이 코어재료를 통하여 흐를 수 있는 효율, 즉, 당해 장치의 효율을 극대화시키는데 매우 중요하다.

'070 및 '233 특허에 개시되어 있는 축방향 간극 구조의 경우에는, 축방향 간극 장치의 물리적 구성(physical configuration)이 회전자와 고정자간의 적절한 공극을 유지하기 곤란하게 한다. 자력은 장치의 회전축을 따라 축방향으로 작용하기 때문에, 회전자를 정위치에 지탱하여 유지하기 위해서는 매우 엄격한 공차를 갖는 고가의 베어링이 사용되어야 한다. 또한, 고정자를 지탱하는 하우징 재료는 장치의 수명이 다할 때까지 변형 없이 매우 높은 이들 축방향 하중들(axial forces)을 견딜 수 있어야 한다. 나아가, 요소들을 지탱하는 고정자 및 회전자는 실질적으로 디스크 형태이고 일반적으로 평면적인 요소이므로, 큰 축방향 자력으로 인해서, 그리고 당해 장치가 정상적으로 작동하는 동안 규칙적으로 발생하는 온도 변화로 생기는 내부응력에 의하여 뒤틀리거나 변형되기 쉽다. 의도하는 축방향 간극 장치가 커지면 커질수록, 회전자와 고정자 사이의 자력도 더욱 커지게 되고 위와 같은 문제점을 더욱 더 악화시킨다.

본 발명은 연질 박막 코어재료를 사용하는 전기모터, 제너레이터, 및 재생모 터를 제조하기 위한 개선된 방법 및 배열을 제공한다. 본 발명은 또한, 연질 박막 코어재료로 이루어진 자기코어와 관련한 잠재적인 이점을 보다 완전히 이용하는 개선된 전기모터, 제너레이터, 및 재생모터 구성을 제공한다.

이하에 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 전기모터, 전기 제너레이터, 또는 재생 전기 모터와 같은 장치에서 고정자 배열의 부품용 자기코어가 여기에 개시된다. 또한, 고정자 배열과 자기코어를 이용하여 그 고정자 배열을 제조하는 방법, 및 장치와 고정자 배열을 이용하여 그 장치를 제조하는 방법도 개시된다. 상기 장치 및 고정자 배열은 연질 박막 자기재료로 이루어진 단일편 자기코어 조합을 갖는 복수개의 독립적인 기동 전자석 어셈블리(energizable electromagnetic assemblies)를 포함한다. 각각의 독립 기동 전자석 어셈블리는 단일편 자기코어의 반대편 끝단에 위치하는 두개의 고정자 극(stator poles)을 결정짓는다. 각각의 단일편 자기코어는 각 독립 기동 전자석 어셈블리와 관련한 두개의 대향 자기 고정자 극(opposite magnetic stator pole)에 대한 전체 자기 복귀 경로(entire magnetic return path)를 제공한다.

본 발명의 한 실시예(embodiment)에서, 당해 장치는 반경방향 간극 장치이며, 연질 박막 자기재료로 이루어진 자기코어는 U자형으로서 자기코어의 지주(leg) 끝단에 고정자 극이 위치한다. 이 실시예의 버전 중 하나에는, 연질 박막 자기재료가 나노-결정 재료(nano-crystalline material)이다. 본 발명의 또 다른 관점에 따라, 독립 기동 전자석 어셈블리는 각각 독립적으로 제거되고 교체될 수 있다. 또한, 당해 장치는 다중 장치일 수 있으며 당해 장치는 SR 장치(switched reluctance device), (교류) 유도 장치(induction device), 또는 영구자석 장치일 수 있다.

본 발명의 또 하나의 실시예에서, 당해 장치는 고주파 장치이다. 이 실시예에서, 이 장치는 어느 일정 범위의 정상 가동 회전 속도로 당해 회전축 주위의 회전을 위해 지원되는 회전자 배열을 포함한다. 상기 회전자 배열은 고정자 극과 자기적으로 상호 작용하기 위한 복수개의 회전자 극을 포함한다. 회전자 극은 원형 경로를 따라 회전축 주위의 회전을 위해 지원된다. 상기 장치는 전자석 어셈블리를 제어하기 위한 스위칭 배열(switching arrangement)을 더 포함한다. 상기 스위칭 배열은 가령 상기 장치가 적어도 정상 가동 회전 속도 범위 내에서 가동되는 동안 전자석 어셈블리의 고정자 극이 최소한 초당 500주기의 주파수로 회전자 배열의 회전자 극과 자기적으로 상호 작용하게 할 수 있도록 배열된다. 본 실시예의 버전 중 하나에서, 회전자 극의 수는 상기 스위칭 배열이 전자석 어셈블리의 고정자 극과 회전자 배열의 회전자 극을 자기적으로 상호 작용하게 만들 수 있는 정도로 충분히 커야 하며, 가령 상기 장치의 분당 회전수에 대하여 초당 주기로 표시되는 상기 장치의 주파수의 비율은 장치가 가동되는 동안에 1/4 보다 크다.

또 하나의 실시예에서, 상기 장치는 반경방향 간극 장치이며 그 전자석 어셈블리는 각 전자석 어셈블리의 고정자 극이 U자형 자기코어의 지주 끝단에 위치하도록 형성된 U자형, 단일편 자기코어를 포함한다. 상기 전자석 어셈블리는 회전자 극의 원형 경로 주위에 위치되어 있다. 각 전자석 어셈블리는 각 전자석 어셈블리의 두개의 고정자극이 서로 인접하고 상기 장치의 회전축과 평행한 선을 따라 하나 씩 줄지어 위치되도록 배치된다. 본 실시예의 버전 중 하나에서, 회전자 극은 반대되는 자극성(magnetic polarity)의 회전자 극을 형성하도록 배열된 인접한 영구자석 절편 쌍으로 형성된 회전자 극의 쌍이다. 영구자석 절편의 각 쌍은, 두개의 영구자석 절편을 서로 인접에 위치시키고 상기 장치의 회전축과 평행한 선을 따라 서로 정열 함으로써, 회전자가 장치의 회전축 주위를 회전할 때, 상기 두개의 영구자석 절편들이 그 장치의 회전축 주위의 두 인접한 원형 경로를 결정짓도록 배치된다. 각각의 두 인접 원형 경로는 각 전자석 어셈블리 고정자 극의 상응하는 고정자 극 하나와 마주한다. 이 버전에서, 회전자 배열은 적어도 36쌍의 인접 회전자 극을 포함하고, 고정자 배열은 적어도 48개의 전자석 어셈블리를 포함한다. 고정자 극은 장치의 회전축 쪽으로 안쪽을 향하도록 배열되거나, 혹은 선택적으로 장치의 회전축으로부터 바깥쪽을 향하도록 배열될 수 있다.

본 명세서에는, 연질 박막 자기재료가 기술되어 있다. 당업자들은 자기재료와 관련한 "박막(thin film)" 및 "연질(soft)"이라는 용어의 의미를 매우 잘 알고 있다. 현재 Honeywell사에 의하여 시판되고 있는, 브랜드 명 METGLASS™은 연질 박막 자기재료에 대한 상표명이다. "박막"이란 용어는 전통적으로 약 5.08 x 10^-3 cm 이하의 두께(즉, 약 2/1000 인치 두께 이하)의 품목(item)을 가리킨다. 그러나 이것은 단순히 근사값일 뿐이며, 좀더 두꺼운 연질 자기재료도 역시 고려된다. "연질"이란 용어는 자극이 고정되어 있는 경질 자기재료와는 반대로 자극(magnetic poles)이 조절(manipulated) 또는 절환(switched) 가능한 재료를 가리킨다.

본 발명에 따른 특징은 첨부한 도면과 함께 바람직한 현 실시예에 관한 하기 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다.

도 1은 도식화한 복수개의 회전자 배열과 전자석 어셈블리를 갖는 고정자 배열을 포함하는 본 발명에 따라 설계된 장치의 횡단면도(cross-sectional plan view)이다.

도 2는 도 1에 따른 장치에 있어서 도 1의 절단선 2-2를 통과하는 횡단면도이다.

도 3은 도식화한 복수개의 회전자 배열과 전자석 어셈블리를 갖는 고정자 배열을 포함하는 본 발명에 따라 설계된 장치의 다른 실시예의 횡단면도이다.

도 4는 도 3에 따른 장치에 있어서 도 3의 절단선 4-4를 통과하는 횡단면도이다.

도 4는 도식화한 본 발명에 따른 단일편 자기코어를 형성시키기 위하여 사용된 연질 박막 자기재료 권취(winding)의 측면도이다.

도면을 참조하면, 이 도면들에서 유사한 요소들은 다양한 도형들 곳곳에 유사 참조 번호로 표시되는데, 먼저 도 1 및 도 2에 주목하게 된다. 도 1은 본 발명에 따라 설계된 장치 100의 횡단면도를 설명하고 있다. 본 명세서를 통하여 수차례 장치 100을 전기모터 또는 전기 제너레이터라고 부르겠지만, 장치 100은 그 장치가 사용되는 적용 분야의 요구에 따라 모터, 제너레이터, 교류 발전기(alternator), 또는 재생모터의 형태를 취할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 본 설명의 목적상, 재생모터라는 용어는 전기모터나 전기 제너레이터 중 어느 것으로도 가동될 수 있는 장치를 가리킨다.

또한, 장치100은 대부분의 경우 직류(DC) 브러쉬리스 모터로서 설명되겠지만, 모터 및/또는 제너레이트의 다른 유형의 갖가지 폭넓은 형태를 취할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 이들 다른 유형의 모터 및/또는 제너레이터는 직류 동기 장치(DC synchronous devices), VR 또는 SR 장치(variable reluctance or switched reluctance devices), 및 유도형 모터(induction type motor)포함하며, 여기에 한정되지는 않는다. 이들 다른 유형의 장치들 사이의 특정 차이는 당업자에게 잘 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 예컨대, 장치100은 대부분의 경우 회전자 극으로서 영구자석을 사용한 직류(DC) 브러쉬리스 모터로서 설명되겠지만, SR 장치 또는 유도형 장치에 있어서의 회전자 극은 영구자석이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 그 대신, 이런 유형의 장치에 사용되는 회전자 극은 철과 같은 재료나 바람직하게는 본 발명의 고정자 코어 재료와 관련하여 하기에 기술될 것들과 같은 연질 박막 자기재료의 적층체로 이루어진 다른 자기재료의 돌출체로 제공될 가능성이 가장 높다.

도 1에 가장 잘 나타나 있듯이, 장치100은 회전자 배열 102 및 고정자 배열 104를 포함한다. 이 실시예에서, 장치100은 장치100의 바깥 둘레(outer perimeter)를 둘러싸고 배치되어 있는 회전자 배열 102를 갖는 허브(hub) 모터/제너레이터의 형태를 취한다. 고정자 배열 104는 회전자 배열 102의 내부에 위치하 고 있다. 도 1의 절단선 2-2의 표시에 따른 장치100의 부분 횡단면도인, 도 2에서 가장 잘 나타나 있듯이, 회전재 배열 102는 베어링 110에 의하여 지지됨으로써 회전자 배열 102가 고정자 배열 104 주위를 회전할 수 있다. 공극(air gap)108은 회전자 배열 102를 고정자 배열 104로부터 분리한다.

장치100은 고정자 배열 104 및 축 106의 주위를 회전하도록 회전자 배열 102를 지지하기 위하여 베어링 110을 사용하는 것으로 도해되어 있지만, 이것이 필수 조건은 아니다. 대신에, 회전자 배열 102를 지지하기에 적합하고 쉽게 제공될 수 있는 다른 어떠한 배열도 이용될 수 있고 이것도 본 발명의 범주에 포함된다고 이해되어야 한다. 또한, 장치100은 허브 모터/제너레이터로서 설명하였지만, 이것도 본 발명에서 필수 조건은 아니다. 오히려, 이후에 보다 상세히 설명되는 것처럼, 상기 장치는, 연질 박막 자기재료로 이루어진 자기코어가 있으며, 본 발명에 따라 구성된, 복수개의 전자석을 갖는 고정자 배열을 포함하는 한 어떠한 유형의 전기모터, 제너레이터, 또는 재생모터라도 가능하다.

도 1 및 도 2 모두를 참조하여, 이제는 회전자 배열 102를 보다 상세히 설명한다. 본 실시예에서, 장치100은 반경방향 간극형 장치이고 회전자 배열 102는 방사상으로 인접한 48쌍의 영구자석 절편 112를 포함한다. 상기 48쌍의 영구자석 절편은 회전자 N극(north rotor pole) 112a를 형성하도록 배향된 첫 번째 자석 절편과 회전자 S극(south rotor pole) 112b를 형성하도록 배향된 두 번째 자석 절편을 포함한다. 도 2에 도해되어 있듯이, 회전자 N극 112a는 회전자 S극 112b와 인접하여 배치시킴으로써 두 영구자석 절편들은 장치의 회전축과 평행한 선을 따라 서로 정렬되도록 한다. 이 배향으로 인하여, 각 영구자석 절편 112의 상기 두개의 영구자석 절편 112a 및 112b는, 상기 회전자 배열이 장치의 회전축 주위를 회전할 때 장치100의 회전축 106 주위의 두 인접한 원형 경로를 결정짓게 된다. 도1에 가장 잘 나타나 있듯이, 48개의 자석 쌍은, 자석 절편 쌍 112에 의하여 결정된 원형 경로 양쪽의 전체 회전자 배열 주위를 인접한 모든 자석 절편들이 N극에서 S극까지 교대로 되도록 각 연속 쌍을 유지하면서 공극 108과 마주하고 있는 회전자 배열 102의 내부 원주 주위에 배치된다.

자석 112는 슈퍼 영구자석(permanent super magnets)으로서 설명하였지만, 이것이 필수 조건은 아니다. 대신, 다른 자석 재료이거나, 또는, 경우에 따라 전자석도 무방하다. 또한, 회전자는 48개 자석 쌍을 포함하는 것으로 설명하였지만, 상기 회전자는 자석 쌍을 임의의 숫자로 포함할 수 있으며 이것도 본 발명의 범주에 속한다. 또한 끝으로, 회전자 배열은 자석을 포함하는 것으로 설명하였지만, 이것이 필수 조건은 아니다. 예컨대, SR 모터나 유도형 모터의 경우, 회전자 배열 102는 자석을 전혀 포함하지 않을 것이다. 대신, 당업자라면 알고 있듯이, 회전자 배열 102는 철 기재의 재료 혹은 고정자 배열의 절환(switching)에 의해 생성되는 회전 자기장(rotating magnetic field)에 의하여 구동되는 자기 회전자 코어를 형성할 수 있는 연질 박막 자기재료와 같은 기타 자석 재료를 이용하여 제작될 것이다.

본 실시예에서, 고정자 배열 104는 48개의 독립 기동 전자석 어셈블리 114를 포함한다. 각 전자석 어셈블리 114는 나노-결정, 연질 박막 자기재료로 성형된 단일편 자기코어 조합 116 및 한 쌍의 코일 118을 포함한다. 도2에서 가장 잘 나타나 있듯이, 각 단일편 자기코어 116은, U자형 자기코어 116의 지주 주위에 자리 잡고 있는 코일 118을 갖는 U자형이다. 이 구성으로 인하여, 각 독립 기동 전자석 어셈블리는 단일편 자기코어의 반대편 끝단에 위치하고 있는 두개의 고정자극 120a 및 120b를 결정짓는다. 상기 전자석 어셈블리 114는 도1에 나타낸 것처럼 회전자 극의 원형 경로를 따라 배치된다. 도 2에 가장 잘 나타나 있듯이, 각 전자석 어셈블리 114는, 각 전자석 어셈블리의 두 고정자 극 120a 및 120b가 서로 인접에 위치하고 장치의 회전축과 평행한 선을 따라 서로 정렬하도록 배치된다. 이것은 각 전자석 어셈블리의 두 고정자 극이 공극 108과 마주하고 자석 절편 쌍 112a 및 112b와 대향 관계를 갖도록 위치시킨다.

자기코어 116은 나노-결정, 연질 박막 자기재료로 만들어지는 것으로 설명하였지만, 이것이 본 발명에서 필수 조건은 아니다. 대신, 어떠한 연질 박막 자기재료도 사용 가능하다. 이들 재료는 일반적으로 비정질 금속으로 불리는 재료, 재료의 결정 구조의 사이즈를 더 작게 하기 위하여 모종의 방법으로 처리된 나노-결정 재료와 원소 합금 조성물(elemental alloy composition)이 유사한 재료, 및 재료의 사이즈와 분자 구조의 배향(orientation)을 조절하기 위해 사용된 특정 공정과 상관없이, 비정질 금속 및 나노-결정 재료와 유사한 분자 구조를 갖는 기타 박막 재료를 포함하며, 이들에 한정되는 것은 아니다.

또한, 전자석 어셈블리 114는 U자형 자기코어 116의 지주에 위치한 한 쌍의 코일을 포함하는 것으로 설명하였지만, 이것이 본 발명의 필수조건은 아니다. 대 신, 그 코일은 U자형 자기코어의 기부(base)에 위치한 단일 코일(single coil), 상기 코어의 전체 구간을 따라 움직이는 단일 코일, 혹은 하나 또는 그 이상의 코일을 사용하는 기타 소망하는 구성일 수 있다. 도1에 도해한 바와 같이, 상기 코일은 U자형 코어의 각 지주 한쪽 끝단에 더 많이 감은 테이퍼상의 코일(tapered coils)일 수도 있다. 이 구성은 한쪽 끝단에 더 많은 횟수의 권취를 허용함으로써 회전축으로부터 더 멀리 떨어진 부위에 있는 자기코어들 사이에 남겨진 한층 큰 공간을 보다 더 완전히 채울 수 있게 한다. 더욱이, 이들 코일은 코어편 위로 직접 감거나, 또는 선택적으로, 코어편으로부터 따로 만들어, 절연체 혹은 기타 절연물질로 감싼 다음, 전자석 어셈블리를 조립하는 동안 코어 위를 덮어씌울 수도 있다.

본 발명의 한 관점에 따라, 각 단일편 자기 코어 116은 각 독립 전자기 어셈블리 114와 관련한 두개의 대향 자석 고정자 극 120a 및 120b에 대한 전체 자기 복귀 경로를 제공한다. 이 구성은 자기코어 재료에 있어서 자기적으로 모든 고정자 극들을 서로 연결시키는 전통 방식의 백아이언(back iron)이 필요 없게 한다. 모든 고정자 극에 일반적인 백아이언의 필요성을 없앰으로써, 고정자 극들 상호간 연결을 위한 통상의 백아이언을 포함하는 보다 전형적인 구성을 이용하는, 비슷한 크기의 장치 무게에 비하여 장치의 무게를 줄일 수 있다.

전자석 어셈블리 114는 요소들을 제 위치에 고정하기 위한 전통적인 임의의 방법을 사용하여 기계적으로 배치시킬 수 있다. 예컨대, 전자석 어셈블리 114는 열 전도성이 있는, 유전체 에폭시와 같은 봉입 재료를 사용하여 하나의 완전한 전체 고정자 속에 담거나 봉입(potted or encapsulated)될 수 있다. 그러나 각 전자 석 어셈블리는 도1에 나타낸 쐐기형 단편(wedge shaped piece) 122와 같은 쐐기형 단편에 개별적으로 봉입될 수 있다. 그런 다음 이들 쐐기형 단편은 상기 전자석 어셈블리의 각 면에 위치하여 단편 122를 지지하고 있는 도2의 요소 124와 같은 원판형 구조의 요소를 사용하여 전체 고정자 속으로 조립될 수 있다. 대안으로서, 쐐기형 단편을 지지하기에 적합하고 쉽게 구할 수 있는 다른 기타 배열도 사용될 수 있으며 이것도 역시 본 발명의 범주에 포함된다.

각 전자석 어셈블리 114는 그 전자석 어셈블리의 고정자 극 조합에 대한 전체 복귀 경로를 제공하는 자체의 단일편 자기코어를 갖는 독립적 어셈블리로서 제공될 수 있기 때문에, 이들 어셈블리로 구성되면 이들은 비교적 쉽게 제거되거나 교체될 수 있게 된다. 예컨대, 전술한 바와 같이, 각 전자석 어셈블리는 독립적으로 봉입된 다음 전체 고정자 속으로 조립될 수 있다. 이렇게 함으로써 주어진 임의의 전자석 어셈블리가 비교적 쉽게 제거되고 교체될 수 있게 된다. 개별적 전자석 어셈블리를 상대적으로 용이게 교체하는 이러한 능력은 장치의 유용성(serviceability)을 향상시킨다. 또한, 이 모듈의 접근은 특정 전자석 어셈블리 구성이 다양한 특정 장치 설계에 사용됨으로써 이 접근법의 이용에 의해 얻어질 수 있는 정도의 경제성을 잠재적으로 개선할 수 있게 한다.

전자석 어셈블리는 봉입되는 것으로 설명하였지만, 이것이 본 발명의 필수조건은 아니다. 대신, 전자석 어셈블리는 조립된 후 봉입하지 않고 단순히 제 위치에 죄어 넣을 수 있다. 따라서, 전자석 어셈블리를 각각의 위치에서 지지하기 위해서는 알려진 어떤 방법이라도 사용될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.

전술한 바와 같이, 장치100은 48쌍의 고정자 극을 결정짓는 48개의 전자석 어셈블리를 포함한다. 또한 장치100은 상응하는 48쌍의 회전자 극을 결정하는 48쌍의 자석 절편을 포함한다. 본 실시예에서, 고정자 배열 104는 단상 장치(single-phase device)로서 묶인다. 즉, 모든 전자석 어셈블리는, 도1에 나타낸 봐와 같이, 와이어 126에 의해 직렬로 함께 묶인다. 또한, 이 장치는 1:1의 고정자 극 대 회전자 극의 비를 갖는다. 본 실시예는 고정자 극 대 회전자 극의 비가 1:1인 장치에 관하여 설명하고 있지만, 이것이 필수 조건은 아니다. 대신, 상기 장치는 다상 장치(multiple-phase device), 또는 소망하는 고정자 극 대 회전자 극의 비를 갖는 장치일 수 있다.

장치 100은 그 장치의 바깥 둘레를 둘러싼 회전자 배열과 그 회전자 배열의 내부에 위치한 고정자 배열을 갖는 것으로 설명하였지만, 이것이 필수 조건은 아니다. 대신, 도3 및 도4에 도해된 바와 같이 고정자 배열의 내부에 회전자 배열을 갖는 장치의 바깥 둘레를 따라 고정자 배열이 위치할 수 있다. 이들 도면은 회전자 배열 304 및 고정자 배열 302를 갖는 장치 300을 나타낸다. 고정자 배열 302는 자기코어 116을 사용하는 48개의 전자석 어셈블리 306을 포함하는데, 자기코어 116은 도4에서 가장 잘 나타낸 바와 같이 반대 방향을 향하고 있는 것 외에는 장치 100에서 사용된 것과 동일하다. 각 전자석 어셈블리 306은 또한 코일 308을 포함한다. 코일 308은 반대 방향으로 쐐기형을 이루고 있어서 U자형 자기코어 116의 기부에 더 많이 감겨 있는 것 외에는 장치 100의 코일 118과 유사하다. 이것은 권취가 안쪽으로 향하는 배향으로 인하여 U자형 코어의 끝단에 비하여 U자형 지주의 기부에 여분으로 있는 보다 큰 공간을 더욱 완전히 채울 수 있게 한다. 설명의 목적상, 장치 300은 4:3의 고정자 극 대 회전자 극의 비를 갖는 4-상(4-phase) 장치로서 설치된다. 도3에 나타낸 바와 같이, 와이어 310은 매 4번째 전자석 어셈블리 마다 직렬로 연결하여 12개의 전자석 어셈블리로부터 4개 그룹을 생성함으로써 그 장치를 4-상 장치로 만든다. 또한 회전자 배열 304는 장치 100에 대하여 설명된 48쌍과는 달리 단지 36쌍의 회전자 자석 절편을 포함한다. 당해 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 이러한 유형의 구성은 단상 장치에서 자주 발생하는 디텐트 효과(detent effect)를 감소시키며, 단상 장치에 비하여 장치의 회전 중에 토크(torque)를 보다 일정하게 전달한다.

이제 도5를 참조하여, 도1-4에서 나타낸 특정 실시예에 대한 자기코어 116의 특정 구성이 보다 상세히 설명될 것이다. 개별적인 각 단일편 자기코어 116은 연질 박막 자기재료의 연속 리본을 소망하는 형상으로 권취시켜 이루어진다. 코어 116의 경우, 그 형상은 도5에서 권취 500으로 나타낸 바와 같이 일반적으로 타원형(oval shape)이다. 비정질 금속 또는 나노 결정 재료와 같은 연질 박막 자기재료는 전형적으로 매우 얇은 테이프 형(예컨대, 두께 1 밀리 미만)으로 제공되기 때문에, 권취 500은 재료를 수백번 감아서 만들어진다. 일단 소망하는 형상으로 감기면, 권취 500은 소망하는 자성을 나타내도록 담금질(annealing)한 다음 숙성시켜 얇은 층의 접착 재료와 함께 봉입할 수 있다. 일단 담금질이 이루어지면, 이들 재료는 매우 단단해지고 전형적으로 매우 부스러지기 쉬워져서 기계 가공이 다소 어렵게 된다. 그런 다음, 도5에 나타낸 실시예에서, 권취 500은 두개의 U자형 단편 으로 절단되고 그 각각은 전술한 단일편 자기코어 116 중 하나를 제공한다.

전술한 바와 같이, 이 구성의 이점 하나는, 전술한 바와 같이 전자석 어셈블리로 조립될 때, 각 단일편 자기코어는 U자형 자기코어의 지주에 의해 형성된 두개의 고정자 극에 대한 전체 복귀 경로를 제공한다. 이것은 자기적으로 각 고정자 극들을 서로 연결시키는 백아이언(back iron)이 필요 없게 한다. 이 구성의 또 하나의 이점은 단일편 자기코어 내에 기생 간극이 없다는 것이다. 또한, 이 구성은 자기코어를 통과하는 자속의 방향 부여를 위하여 연질 박막 자기재료 층이 적절한 배향을 갖도록 방위를 맞춘다.

비록 코어 단편은 연질 박막 자기재료의 연속 리본을 권취하여 된 것으로 설명하였으나, 이것이 필수 조건은 아니다. 대신, 자기코어는 개별적으로 형성된 스트립형 재료를 소망하는 형태의 자기코어를 형성하도록 적층시켜 만들 수 있다. 나아가, 상기 개별 스트립은 크기와 형태가 다른 다양한 개별 단편을 서로 나란히 적층시킬 수 있다. 이러한 다양한 접근 방법은 매우 다양한 특정 형상이 성형될 수 있게 한다.

당업자에게 알려진 바와 같이, 연질 박막 자기재료가 담금질되어지면, 그 재료는 자속이 가장 효율적으로 향하게 될 특정한 방향성을 가질 수 있다. 연질 박막 자기재료 리본의 경우, 이러한 방향성은 전형적으로 그 리본의 길이 방향이거나 리본의 넓이를 횡단하는 방향 중 어느 쪽이나 가능하다. 각 자기코어를 성형하기 위하여 전술한 적합한 접근 방법을 사용함으로써, 그 자기코어를 성형하여, 자속을 가장 효율적으로 지향하게 하는 재료의 방향을 따라 위치하고 있는 단편을 자속이 통과하도록, 재료를 항상 일정 방향으로 배향시킬 수 있다.

장치 100 및 300은 또한, 극성을 바꿈으로써 코일 118과 코일 308을 각각 활성화시키거나 비활성화시키기 위하여, 도 1 및 3에 나타낸 스위칭 배열 550을 포함한다. 스위칭 배열 550은, 전자석 어셈블리 114 및 306을 다이나믹하게 활성화 및 비활성화할 수 있는, 적합하고 용이하게 입수할 수 있는 조절기이면 어떤 것도 무방하다. 바람직하게는, 스위칭 배열 550은 전형적인 전기모터 및 제너레이터가 통상 할 수 있는 것보다 훨씬 높은 속도로 전자석 어셈블리를 활성화 및 비활성화시킬 수 있는 프로그램 가능한 조절기이다. 그 이유는 연질 박막 자기코어내에서 자장이 절환될 수 있는 고유의 속도 때문이다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 장치 100 및 300은 매우 높은 극수(pole count)의 고정자 및 회전자 배열을 포함한다. 곧 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 높은 극수의 이 구성은 연질 박막 자기재료로 만든 자기코어를 사용하는 공지 기술의 모터/제너레이터에 비하여 몇 가지 충분하고 예기치 못한 이점을 제공한다. 본 발명의 배경기술에서 인용한 선행기술 특허에서 지적한 바와 같이, 비정질 금속 필름으로 만든 자기코어를 이용하는 공지의 장치가 기술되어져 있다. 그러나 이들 모터는 비정질 금속 재료의 매우 높은 회전 속도의 모터를 제공하기 위하여 고주파 특성을 이용하는 낮은 극수의 모터로서 기술되어져 있다. 본 발명은 고주파 특성을 새로운 방법으로 이용한다. 높은 회전 속도를 얻기 위해 고주파를 이용하는 대신, 본 발명은 연질 박막 자기재료로 만든 자기코어의 고주파 특성을 현저히 높은 극수와 조합한다. 이 조합은 충분히 제어가 가능한 회전 속도를 유지하면서 매우 높은 출력 밀도(power densities)를 발휘할 수 있는 장치를 얻을 수 있게 한다.

비록 선행기술의 장치도 본 발명에 따른 장치와 비교하여 비교적 견줄만한 전체 출력 밀도를 달성할 수 있겠지만, 이들은 매우 높은 회전 속도의 장치를 통하여 높은 출력을 얻는다. 이 의미는 높은 회전 속도가 바람직하지 않는 많은 응용분야를 위해서는, 감속기어(reduction gear)가 반드시 사용되어야 하며, 감속기어를 사용하는 전체 시스템의 효율 저하를 초래한다는 뜻이다. 많은 경우에 있어서, 본 발명의 이 관점에 따라 설계된 장치는 감속기어의 필요성이 전혀 없으므로 당해 장치를 사용하는 시스템의 전체 효율을 향상시킨다. 더욱이, 본 발명에 따른 장치는 바로 전에 언급한 것보다 훨씬 낮은 회전 속도로 작동되는 동안 높은 출력 밀도를 전달할 수 있기 때문에, 이들 장치는 훨씬 높은 회전속도의 장치에 의해 생성되는 심한 원심력을 겪지 않는다. 이 점이 본 발명에 따른 장치를 높은 회전 속도의 장치와 비교할 때 훨씬 더 신뢰할 수 있고 경제적이게 한다.

상대적으로 낮은 회전 속도에서 매우 높은 출력 밀도를 제공하는 이점에 더하여, 본 발명에 따라 설계된 장치는 또 하나의 예기치 못한 이점을 제공한다. 결합 부위(linkage area)가 일정하게 유지된다고 가정할 때, 즉, 고정자 극과 회전자 극 사이에 존재하는 실질적인 물리적 범위가 일정하게 유지된다고 가정할 때, 극수를 증가시키면 전체 전자석 어셈블리를 만드는데 필요한 재료의 양이 실제로 감소한다. 이 점에 관하여, 서로 다른 두개의 고정자 극 구성에 관한 평면도를 나타내는 도해인, 도6에 나타나 있다. 좌측에서, 정사각형 고정자 극 배열 600은 고정자극 602와 고정자 극 주위를 감싸고 있는 권취 604를 포함한다. 도6의 우측에, 고 정자 배열 606은 4개의 좀더 좁은 직사각형 고정자 극들 608a-d 및 각 고정자 극 주위를 감싸고 있는 권취 610a-d 조합을 포함한다. 이 예에서, 고정자 극 602의 면적은 고정자 극들 608a-d의 전체 면적과 동일하다. 그러나, 고정자 극 배열 600이 어떤 전체 자속 결합(overall flux linkage)을 제공하기 위한 권취 604와 비교하여 볼 때, 각 권취 610a-d는 단지 상기 자속 결합의 1/4만 생성하면 되기 때문에 배열 606의 각 권취 610a-d는 단지 그 권취의 1/4만 가지면 된다.

도6에서 나타낸 바와 같이, 배열 600 및 606 양쪽의 전체 넓이 W는 동일하다. 또한, 두 배열의 고정자 극 측면을 따라 감겨 있는 권취들의 면적, 및 그에 따른 부피, 는 두 배열의 권취에 대한 파단부(cross hatched portion)가 가리키는 것과 동일하다. 그러나, 도6에서 명백히 나타나 있듯이, 배열 606에 있는 고정자 극 상부와 하부 권취의 두께 T2, 및 그에 따른 면적과 부피, 는 배열 600의 두께 T1의 1/4로 감소되어 있다. 이것은 그 장치와 관련한 전체 재료비의 부담을 현저히 감소시킨다. 또한, 만약 그 장치가 자속에 대한 복귀 경로를 제공하기 위하여 고정자 극들을 자기적으로 서로 연결시키는 백아이언을 포함하는 장치라면, 각 고정자 극의 면적이 인자 4에 의하여 감소될 것이므로 백아이언에 요구되는 두께도 또한 인자 4에 의하여 감소될 것이다. 이들 고극수(high pole count)의 장치는 동일한 결합 면적을 갖는 저극수(low pole count)의 장치와 동일한 토크를 제공하기 때문에, 요구되는 재료의 양적 감소는 보다 높은 극수의 장치에 관한 무게, 크기, 및 재료비를 현저히 절감시킬 가능성을 보유한다.

본 발명에 따른 고주파수/고극수의 장치를 설계함에 있어서의 일반적인 접근 방법을 설명하였는데, 이하 이 접근 방법의 장점을 보다 명확히 도출해내기 위하여 이에 관한 특정 실시예들이 기술될 것이다. 첫 번째 실시예에서, 도1 및 2를 참조하여 전술한 구성을 갖는 영구자석 모터를 설명한다. 이 구성은 회전자를 장치의 바깥 둘레 가까이에 위치시키는데, 이렇게 함으로써 주어진 크기의 장치에 대하여 최대로 가능한 토크 암(torque arm)을 제공한다.

이 첫째 실시예에서, 모터는 전체 직경이 약 8 인치 및 전체 폭이 약 4 인치가 되도록 설계된다. 또한 회전자 극을 형성하기 위하여 48쌍의 자석 절편이 사용되고 전자석 어셈블리가 사용된다. 테이프 폭이 0.150 인치인 나노-결정 재료를 사용함으로써 전체 두께가 약 0.150인치의 단일편, U자형 자기코어를 얻도록 각 U자형 자기코어가 성형된다. 이 실시예의 경우, 전체 U자형 자기코어는 폭이 약 2 1/4인치이고높이가 1 3/4인치이고, U자형 코어의 기부로부터 3/4인치 정도 도출된 U자형 코어의 각 지주와 U자형 코어의 두 지주 사이에 약 1/4인치의 공간을 가진다. 이 구성의 결과 약 1 인치 넓이 X 0.150 인치 두께의 고정자 극 전면부(face area)를 갖고 길이가 3/4 인치인 두개의 고정자 극이 만들어진다. 이 실시예에서, 코일은 U자형 코어의 각 지주 상에 3/4인치 길이의 전체 지주를 따라 각 지주 전면에 걸쳐 18게이지 와이어를 두개 층으로 권취함으로써 형성된다. 이 결과, 권취 두께가 약 1/16 인치로 된다. 각 자석 절편은 두께가 약 3/16 인치이고 넓이가 1 인치이며 회전자의 회전 경로 방향을 따라 약 1/3 인치의 자석 스팬(magnet span)을 갖게 하면서 회전자 극을 형성시키기 위하여 슈퍼 자석을 사용한다. 이 결과, 3 1/2 인치 토크 암을 가지며 약 20파운드 밖에 무게가 나가지 않는 전체 장치가 만들어진다.

전술한 장치는 고정자 코어를 형성시키기 위하여 연질 박막 자기재료를 사용하기 때문에, 그 장치는 적어도 1500Hz까지의 주파수에서 매우 효율적으로 작동되도록 설계된다. 또한, 극성이 N극에서 S극까지 번갈아 변하는 48개 자석 절편을 갖는 각 원형 경로와 함께 48쌍의 자석이 사용되기 때문에, 그 장치는 회전자의 각 회전에 대하여 24 주기를 수행하게 된다. 따라서, 초당 1500사이클로 가동할 경우, 장치는 초당 62 1/2 회전, 즉, 3750 RPM의 속도로 회전하게 된다. 이 결과 0.4의 매우 높은 주파수(1500Hz) 대 RPM 비율을 달성하게 되는데, 이것은 공지 기술의 장치에 비하여 충분히 큰 비율이다. 이 주파수 대 RPM 비율은 용이하게 결정되는 비율이며 본 발명에 따라 설계된 장치를 공지 기술의 장치와 차별화하기 위해 사용될 수 있는 비율이다.

입증된 자기 모델링 방법 및 본 발명에 의거하여 제작된 특정의 구성요소(components)와 장치로부터 얻어진 테스트에 기초하여 볼 때, 전술한 명세서에 따라 제작된 임의의 모터는 하기의 작업 특성(performance characteristics)을 제공할 것으로 예상된다. 위에서 언급하였듯이, 상기 모터는 0-1500Hz의 주파수 범위로 가동되며 0-3750RPM 범위의 속도로 회전한다. 또한, 상기 모터는 무게가 20파운드에 불과하다. 최대 토크는 약 70 foot-pounds이고 약 50 foot-pounds를 연속 토크를 유지할 것으로 예상된다. 최대 마력(horsepower; HP)은 3750RPM에서 약 53 HP일 것으로 예상되며, 상기 장치는 3750RPM에서 연속 마력 약 35 HP의 출력을 생산할 것으로 예상된다. 이들 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 설계된 장 치는 매우 높은 출력 밀도가 가능하다.

비록 전술한 장치는 48개 자석 쌍과 48개의 전자석 어셈블리를 갖는 것으로 설명하였지만, 이것이 필수 조건은 아니다. 사실상, 어떤 경우의 응용에 대한 본 발명의 바람직한 실시예는 보다 큰 직경의 장치에서 훨씬 높은 극수를 이용하는 것이다. 예컨대, 본 발명에 따라 설계되고 차량의 바퀴를 직접 구동시키기 위한 허브 모터(hub motor)로서 사용되도록 설계된 모터의 경우, 모터의 전체 직경은 충분히 더 클 수 있고 자석 및 전자석의 숫자도 훨씬 많을 수 있다. 이러한 요점을 설명하기 위하여, 차량 바퀴를 구동시키기 위한 허브 모터에 관한 바람직한 실시예를 간략히 설명한다.

이 실시예에서, 허브 모터는, 통상의 차량 바퀴 사이즈인, 15인치의 전체 직경을 갖도록 설계될 것이다. 바퀴 사이즈에 기초할 때, 이 실시예에 따른 직접 구동용 허브 모터는 약 1500RPM에서 가동하도록 설계될 것인데, 그 이유는 이 RPM이 주어진 상기 바퀴 사이즈의 차량에 대하여 적절한 최고 속도를 제공할 것이기 때문이다. 또한, 전술하였듯이, 상기 모터는0-1500Hz 주파수 범위 내에서 가동되도록 설계될 것이다. 이들 변수(parameters)가 주어지면, 상기 모터는 1 대 1의 주파수 대 RPM 비율을 갖게 된다. 다시 말하면, 주파수 대 회전 속도의 이 비율은 전형적인 모터에 비해 훨씬 높다. 또한, 이 장치에 대한 주파수 대 RPM의 비율이 1 대 1이므로, 그 장치는 회전당 60 사이클를 수행할 필요가 있고 120 회전자 극의 극수와, 단순화 목적상 이 장치는 단상 장치로서 설명될 것이기 때문에 이 경우에는 120 전자석 어셈블리가 요구될 것이다. 8-인치 모터 및 도1의 장치 100에 대하여 전술한 바와 같은 동일한 기초 설계를 사용하면, 120 자석 쌍이 상기 모터의 바깥 둘레에 분배될 것이고 120 전자석 어셈블리가 회전자 자석을 바라보고 바깥쪽으로 향하는 배향으로 배치될 것이다. 이 구성은 8-인치 모터에 대하여 설명한 것의 2배인 약 7 인치의 토크 암을 제공할 것이다. 또한, 각 전자석 어셈블리의 두께는 1/3 인치보다 작고 회전자와 고정자 사이의 공극에서 장치의 원주는 약 44 인치이므로, 120개의 전자석 어셈블리에 대한 여유 공간이 있는데, 이것은 8-인치 모터에 대하여 전술한 것과 정확히 동일한 사이즈 및 구성이다.

전술한 설계를 스케일-업 함으로써, 보다 큰 15-인치 장치는 다음과 같은 작업 특성을 제공할 것이다. 전술한 바와 같이, 모터는 0-1500 Hz의 주파수 범위에서 가동되며 0-150 RPM 범위의 속도로 회전한다. 또한, 상기 모터의 무게는 약 50 파운드일 것이다. 토크는 8-인치 모터 토크의 약 5 배일 것인데, 이것은 250 foot-pounds의 연속 토크와 함께 350 foot-pounds의 최대 토크를 제공할 것이다. 이 이유는 토크 암이 3 1/2 인치에서 7 인치까지 두배이고 전자석의 숫자가 48부터 120까지에 이르기 때문이다. 따라서, 2 X 120/48의 인자(이 값은 5 이다)에 의하여 토크는 증가된다. 최대 마력은 1500 RPM에서 약 100 HP일 것이고 상기 모터는 1500 RPM에서 연속 마력 약 71 HP의 출력을 생산할 것이다.

본 발명에 따라 설계된 장치를 비교할 때, 주파수 대 RPM의 비율은 쉽게 식별되는 특성을 제공한다. 예컨대, 현재 이용가능한 모터의 대다수는 50 내지 60Hz에서 작동되도록 설계되어 있다. 이러한 주된 이유는 이들이 교류 전력망(AC electric power grids) 상에서 이용가능한 주파수이기 때문이다. 그러나 이 주파 수에서 교류 전력이 공급된다는 하나의 이유와 더불어, 이러한 또 다른 이유는, 전형적인 철 코어 모터의 주파수 특성 범위 내에서는 이들 주파수가 유리하기 때문이다. 이들 모터는 또한 1800 RPM 부근의 회전 속도로 작동되도록 설계되는 경우가 가장 많다. 이런 유형의 모터에 60 대 1800, 즉, 0.003의 주파수 대 RPM 비율을 제공한다.

심지어 특수철(specialty iron) 코어 모터의 경우에서 조차, 주파수는 전형적으로 400Hz 이하를 유지한다. 그 이유는 단지 철 코어 재료가 열의 형태로 나타나는 매우 큰 손실을 유발하지 않고 자기장 변화에 이만큼 신속히 반응할 수 없기 때문이다. 따라서, 전통적인 모터 및 제너레이터의 주파수를 낮게 유지하기 위하여, 이들 장치는 역사적으로 비교적 낮은 극수를 갖도록 설계되어 왔다. 비정질 금속 등과 같이, 높은 주파수대에서 작동될 수 있는 새로운 재료가 개발됨에 따라, 전형적인 모터 설계에 새로운 재료를 사용하는 경향이었다. 이 덕분에 새로운 고주파수 재료를 사용한 이들 장치들은 보다 높은 RPM으로 작동될 수 있었다. 그러나, 본 발명은 고주파수 재료를 사용하는 장치를 설계하는데 대한 새로운 접근 방법을 제공한다. 보다 높은 속도의 장치를 가능케 하기 위해 고주파수 재료를 사용하는 대신에, 본 발명은 공지 기술의 장치보다 더 높은 주파수 대 회전 속도 비율을 갖는 장치를 제공하기 위해 고주파 특성을 극적으로 높은 극수와 유기적으로 결합하였다. 예컨대, 본 발명에 따라 설계된 장치들은, 주파수는 초당 주기로 측정하고 회전속도는 RPM으로 측정했을 때, 1 대 4 보다 큰 주파수 대 회전 속도 비를 갖게 될 것이다. 0.25보다 큰 이처럼 높은 주파수 대 회전 속도 비는 매우 제어하 기 쉬운 회전 속도로 작동시키면서도 매우 높은 출력 밀도가 가능한 스톨 토크(stall torque) 높은 장치를 제공한다.

요약하면, 본 명세서는 복수개의 독립 기동 전자석 어셈블리를 포함하는 전기모터, 전기 제너레이터, 및/또는 재생 전기모터 등과 같은 장치를 개시한다. 각 독립 기동 전자석 어셈블리는 연질 박막 자기재료로 만든 단일편 자기 코어 조합을 포함한다. 각 독립 기동 전자석 어셈블리는 단일편 자기코어의 반대쪽 끝단에 위치한 두개의 고정자 극을 결정짓는다. 각 단일편 자기코어는 두개의 독립 기동 전자석 어셈블리와 관련한 대향 자기 고정자 극에 대하여 전체 자기 복귀 경로를 제공한다.

비록 전술한 실시예는 각각 특정 배향을 갖는 다양한 구성요소들로서 설명하였지만, 본 발명은 폭넓게 다양한 위치 및 상호 배향을 갖고서 배치되는 여러 가지 구성 요소를 갖는 갖가지 폭넓은 특정 구성을 취할 수 있는 것으로 이해되어야 하며, 이들도 역시 본 발명의 범주에 포함된다. 예컨대, 각 고정자 배열은 고정자 극을 임의의 수로 포함하고 회전자는 회전자 극을 임의의 수로 포함하는 것으로 설명하였지만, 이것이 필수 조건은 아니다. 대신, 고정자 배열은 고정자 극을 소망하는 어떠한 수로도 가질 수 있으며 회전자 배열은 회전자 극과 회전자를 소망하는 어떠한 수로도 가질 수 있으며, 이들도 역시 본 발명의 범주에 포함된다.

또한, 지금까지 설명된 장치는, 고정자 배열이 복수개의 전자석 어셈블리를 포함하며, 각 어셈블리는 그 어셈블리의 고정자 극에 대하여 전체 복귀 경로를 제공하는 연질 박막 자기재료로 만든 단일편 코어를 갖는 한, 갖가지 폭넓은 전기모터 및 제너레이터에 동일하게 적용될 수 있다. 혹은, 대안으로서, 상기 장치는, 상기 장치가 연질 박막 자기재료로 만들어진 고정자 배열을 포함하고 1 대 4보다 큰 주파수 대 회전 속도 비로 작동되는 한 매우 다양한 전기모터 및 제너레이터에 동일하게 적용될 수 있다. 이들 다양한 제너레이터 및 모터는 DC 브러쉬리스형, DC 동기형, VR 또는 SR 형, 유도형, 및 기타 많은 유형의 제너레이터, 모터, 및 교류 발전기를 포함하며, 여기에 한정되는 것은 아니다. 이들 다양한 장치들은 또한 단상 장치 및 다상 장치를 포함한다. 따라서, 본 실시예들은 설명하기 위한 것으로 간주되어야 하고 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 따라서, 본 발명은 이상에서 주어진 상세한 설명에 한정되어서는 아니 되며, 첨부된 특허청구범위의 범위 내에서 변형될 수 있다.

Claims (63)

1. 전기모터, 전기 제너레이터 및 재생 전기모터로 구성된 장치들 그룹에서 선택된 하나의 장치에 있어서, 상기 장치는 고정자 배열을 적어도 하나 포함하며, 고정자 배열은 복수개의 독립 기동 전자석 어셈블리(independent energizable electromagnetic assemblies)로 구성되고, 각 독립 기동 전자석 어셈블리는 연질 박막 자기재료로 만들어진 단일편 자기코어 조합을 포함하며, 각 독립 기동 전자석 어셈블리는 단일편 자기코어의 반대쪽 끝단에 위치한 두개의 고정자극을 결정짓고, 각 단일편 자기코어는 두개의 독립 기동 전자석 어셈블리와 관련한 대향 자기 고정자 극에 대하여 전체 자기 복귀 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 장치.
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3. 제 1 항에 있어서, 상기 각 단일편 자기코어는 U자형이고, U자형 자기코어의 지주 끝단에 고정자 극이 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
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5. 제 1 항에 있어서, 각 독립 기동 전자석 어셈블리는 독립적으로 제거 및 교체 가능한 것을 특징으로 하는 장치.
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7. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 회전 장치이고 특정 범위의 정상 작동 회전 속도에서 주어진 회전축 주위의 회전을 지지하는 회전자 배열을 포함하며, 상기 회전자 배열은 고정자 극과 자기적으로 상호 반응하기 위한 복수개의 회전자 극을 포함하고, 상기 회전자 극은 원형 경로를 따라 회전축 주위를 회전하도록 지지되는 것을 특징으로 하는 장치.
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17. 전기모터, 전기 제너레이터 및 재생 전기모터로 구성된 장치들 그룹에서 선택되는 하나의 장치이고, 상기 장치는 고정자 배열을 적어도 하나 포함하며, 고정자 배열은 복수개의 독립 기동 전자석 어셈블리(independent energizable electromagnetic assemblies)로 구성되고, 각 독립 기동 전자석 어셈블리는 연질 박막 자기재료로 만들어진 단일편 자기코어 조합을 포함하며, 각 독립 기동 전자석 어셈블리는 단일편 자기코어의 반대쪽 끝단에 위치한 두개의 고정자극을 결정짓고, 각 단일편 자기코어는 두개의 독립 기동 전자석 어셈블리와 관련한 대향 자기 고정자 극에 대하여 전체 자기 복귀 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 장치에 사용하기 위한 고정자 배열.
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21. 전기모터, 전기 제너레이터 및 재생 전기모터로 구성된 장치들 그룹에서 선택된 하나의 장치를 제조하는 방법에 있어서,

    a) 복수개의 독립 기동 전자석 어셈블리(energizable electromagnetic assemblies)를 제공하는 단계(여기서, 각각의 독립 기동 전자석 어셈블리는 연질 박막 자기재료로 만든 단일편 자기코어 조합을 갖고, 각각의 독립 기동 전자석 어셈블리는 단일편 자기코어의 반대편 끝단에 위치하는 두개의 고정자 극(stator poles)을 결정짓는다);

    b) 각 단일편 자기코어는 각 독립 기동 전자석 어셈블리와 관련한 두개의 대향 자기 고정자 극에 대하여 전체 자기 복귀 경로를 제공하는 방법으로 독립 기동 전자석 어셈블리를 적어도 하나의 고정자 배열 내로 조립하는 단계;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치 제조방법.
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23. 제 21 항에 있어서, 각 단일편 자기코어는 U자형이고, U자형 자기코어의 지주 끝단에 고정자 극이 위치하는 것을 특징으로 하는 장치 제조방법.
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25. 제 21 항에 있어서, 각 독립 기동 전자석 어셈블리는 독립적으로 제거 및 교체 가능한 것을 특징으로 하는 장치 제조방법.
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27. 제 21 항에 있어서, 상기 장치는 회전 장치이고 특정 범위의 정상 작동 회전 속도에서 주어진 회전축 주위의 회전을 지지하는 회전자 배열을 조립하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치 제조방법(단, 상기 회전자 배열은 고정자 극과 자기적으로 상호 반응하기 위한 복수개의 회전자 극을 포함하고, 상기 회전자 극은 원형 경로를 따라 회전축 주위를 회전하도록 지지된다).
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37. 전기모터, 전기 제너레이터 및 재생 전기모터로 구성된 장치들 그룹에서 선택된 하나의 장치에 있어서,

    상기 장치는

    복수개의 전자석 어셈블리를 갖는 적어도 하나의 고정자 배열(단, 각 전자석 어셈블리는 연질 박막 자기재료로 만들어진 자기코어 조합을 적어도 일부분 포함하며, 전자석 어셈블리는 복수개의 고정자 극을 갖는 것이 특징이다)과, 그리고

    특정 범위의 정상 작동 회전속도로 주어진 회전축 주위를 회전할 수 있게 지지되는 적어도 하나의 회전자 배열(단, 상기 회전자 배열은 고정자 극과 자기적으로 상호 작용하는 복수개의 회전자 극을 포함하고, 회전자 극은 원형 경로를 따라 회전축 주위를 회전할 수 있게 지지된다), 및

    전자석 어셈블리를 제어하기 위한 스위칭 배열(단, 상기 스위칭 배열은 전자석 어셈블리의 고정자 극이 특정 주파수 범위 내에서 회전자 배열의 회전자 극과 자기적으로 상호 작용하게 만들 수 있도록 구성되며, 회전자 극의 수는 상기 스위칭 배열이 전자석 어셈블리의 고정자 극과 회전자 배열의 회전자 극을 자기적으로 상호 작용하게 유도할 수 있을 정도이고, 상기 장치의 분당 회전수에 대하여 초당 주기로 표시되는 상기 장치의 주파수의 비는 장치가 작동되는 동안 1 대 4 보다 크다)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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40. 제 1 항 또는 제 37 항에 있어서, 상기 장치는 반경방향 간극 장치임을 특징으로 하는 장치.
41. 제 1 항 또는 제 37 항에 있어서, 연질 박막 자기재료는 나노-결정 재료임을 특징으로 하는 장치.
42. 제 1 항 또는 제 37 항에 있어서, 상기 장치는 SR 장치, 유도형 장치, 또는 영구 자석 장치로 구성된 그룹에서 선택된 장치임을 특징으로 하는 장치.
43. 제 1 항 또는 제 37 항에 있어서, 상기 장치는 다상 장치임을 특징으로 하는 장치.
44. 제 7 항 또는 제 37 항에 있어서,

    상기 장치는 반경방향 간극 장치이고,

    상기 전자석 어셈블리는 독립 U자형 단일편 자기코어를 포함하며, 각 전자석 어셈블리는 단일편 자기코어의 반대편 끝단에 위치한 두개의 고정자 극을 결정짓고, 각 단일편 자기코어는 각 전자석 어셈블리와 관련한 두개의 대향 자기 고정자 극을 위한 전체 자기 복귀 경로를 제공하며, 상기 전자석 어셈블리들은 회전자 극의 원형 경로 주위에 배치되고, 각 전자석 어셈블리는 각 전자석 어셈블리의 두개의 고정자 극이 서로 인접하여 위치하고 장치의 회전축과 평행한 선을 따라 서로 정렬되도록 배치된 것을 특징으로 하는 장치.
45. 제 44 항에 있어서, 회전자 극은 대향 자기 극성의 회전자 극을 형성하도록 배열된 인접한 영구자석 절편 쌍으로 이루어진 회전자 극의 쌍이고, 영구자석 절편의 각 쌍은, 두개의 영구자석 절편은 서로 인접하게 위치시키고 장치의 회전축과 평행한 선을 따라 서로 정렬되며, 회전자가 장치의 회전축 주위를 회전할 때, 상기 두개의 영구자석 절편들이 그 장치의 회전축 주위의 두 인접한 원형 경로를 결정짓도록 영구자석 절편의 각 쌍이 배치되고, 각각의 두 인접 원형 경로는 각 전자석 어셈블리 고정자 극 중 상응하는 하나와 마주하는 것을 특징으로 하는 장치.
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50. 전기모터, 전기 제너레이터 및 재생 전기모터로 구성된 장치들 그룹에서 선택된 하나의 장치를 작동하는 방법에 있어서,

    상기 작동 방법은

    a) 복수개의 전자석 어셈블리를 갖는 적어도 하나의 고정자 배열을 제공하는 단계(단, 각 전자석 어셈블리는 연질 박막 자기재료로 만들어진 자기코어 조합을 적어도 일부분 포함하며, 전자석 어셈블리는 복수개의 고정자 극을 갖는 것이 특징이다)와, 그리고

    b) 특정 범위의 정상 작동 회전속도로 주어진 회전축 주위를 회전할 수 있게 지지되는 적어도 하나의 회전자 배열을 제공하는 단계(단, 상기 회전자 배열은 고정자 극과 자기적으로 상호 작용하는 복수개의 회전자 극을 포함하고, 회전자 극은 원형 경로를 따라 회전축 주위를 회전할 수 있게 지지된다), 및

    c) 전자석 어셈블리를 제어하기 위한 스위칭 배열을 사용하는 단계(단, 상기 스위칭 배열은 전자석 어셈블리의 고정자 극이 특정 주파수 범위 내에서 회전자 배열의 회전자 극과 자기적으로 상호 작용하게 만들 수 있도록 구성되며, 회전자 극의 수는 상기 스위칭 배열이 전자석 어셈블리의 고정자 극과 회전자 배열의 회전자 극을 자기적으로 상호 작용하게 유도할 수 있을 정도이고, 상기 장치의 분당 회전수에 대하여 초당 주기로 표시되는 상기 장치의 주파수의 비는 장치가 작동되는 동안 1 대 4 보다 크다)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치의 작동방법.
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53. 제 50 항에 있어서, 상기 장치는 반경방향 간극 장치임을 특징으로 하는 장치의 작동방법.
54. 제 50 항에 있어서, 연질 박막 자기재료는 나노-결정 재료임을 특징으로 하는 장치의 작동방법.
55. 제 50 항에 있어서, 상기 장치는 SR 장치, 유도형 장치, 또는 영구 자석 장치로 구성된 그룹에서 선택된 장치임을 특징으로 하는 장치의 작동방법.
56. 제 50 항에 있어서, 상기 장치는 다상 장치임을 특징으로 하는 장치의 작동방법.
57. 제 50 항에 있어서,

    상기 장치는 반경방향 간극 장치이고,

    상기 전자석 어셈블리는 독립 U자형 단일편 자기코어를 포함하며, 각 전자석 어셈블리는 단일편 자기코어의 반대편 끝단에 위치한 두개의 고정자 극을 결정짓고, 각 단일편 자기코어는 각 전자석 어셈블리와 관련한 두개의 대향 자기 고정자 극을 위한 전체 자기 복귀 경로를 제공하며, 상기 전자석 어셈블리들은 회전자 극의 원형 경로 주위에 배치되고, 각 전자석 어셈블리는 각 전자석 어셈블리의 두개의 고정자 극이 서로 인접하여 위치하고 장치의 회전축과 평행한 선을 따라 서로 정렬되도록 배치된 것을 특징으로 하는 장치의 작동방법.
58. 제 57 항에 있어서, 회전자 극은 대향 자기 극성의 회전자 극을 형성하도록 배열된 인접한 영구자석 절편 쌍으로 이루어진 회전자 극의 쌍이고, 영구자석 절편의 각 쌍은, 두개의 영구자석 절편은 서로 인접하게 위치시키고 장치의 회전축과 평행한 선을 따라 서로 정렬되며, 회전자가 장치의 회전축 주위를 회전할 때, 상기 두개의 영구자석 절편들이 그 장치의 회전축 주위의 두 인접한 원형 경로를 결정짓도록 영구자석 절편의 각 쌍이 배치되고, 각각의 두 인접 원형 경로는 각 전자석 어셈블리 고정자 극 중 상응하는 하나와 마주하는 것을 특징으로 하는 장치의 작동방법.
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