KR101023044B1 - 저손실 재료를 이용한 효율적인 고속 전기 장치 - Google Patents

저손실 재료를 이용한 효율적인 고속 전기 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일반적으로 전기 전동기, 발전기 또는 재생 전동기와 같은 개량된 저손실 재료로 제작된 권취된 고정자 코일 을 갖는 전기 장치에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 상기 전기 장치는 축상 공극형 구성이다. 본 발명은 고효율과 고 토크 및 출력 밀도를 갖고 높은 정류 주파수에서 동작하는 높은 폴 수를 갖는 전기 장치를 제공한다. 본 발명에 의해 발현된 개량된 저손실 재료는 미정질 금속, 나노크리스탈라인 금속 및 최적화 Fe계 합금을 포함한다.

Description

저손실 재료를 이용한 효율적인 고속 전기 장치{EFFICIENT HIGH-SPEED ELECTRIC DEVICE USING LOW-LOSS MATERIALS}
[관련 출원의 교차 참조]
본 출원은 2004년 1월 30일 출원된 미국 출원 번호 제10/769,094호의 일부 계속 출원이며, 2003년 1월 31일 및 2003년 10월 21일 각각 출원되었으며, 본 명세서에서 원용되는 미국 가특허 출원 제60/444,271호 및 제60/513,892호의 우선권을 주장한다.
[기술 분야]
본 발명은 전기 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고효율로 그리고 높은 출력 및 높은 토크 밀도로 높은 정류 주파수에서 동작할 수 있는 회전 발전 기기(rotating dynamoelectric machine)에 관한 것이다.
전기 전동기 및 발전기 분야는 증가된 효율과 출력 밀도를 갖는 전동기 및 발전기를 제공하기 위한 방법을 계속적으로 탐구하고 있다. 전기-자기 장치의 출력은 장치의 여기 주파수(exciting frequency, 종종 정류 또는 전기 주파수로 칭해진다)와 관련되어 장치의 여기 주파수에서의 증가는 출력을 증가시킨다. 따라서, 증가된 출력이 요구될 때 더 높은 여기 주파수를 갖는 기계가 가끔 요구된다. 동 기 전기 기계의 동기 주파수는 일반적으로 f = N·P/2로 표현되며, 여기에서, f는 Hz 단위의 기계의 여기 주파수이며, N은 초당 회전수 단위의 속도이며, P는 기계의 폴(pole) 수이다. 이로부터, 기계의 속도가 증가할 때, 주파수는 증가하고 출력이 증가한다는 것을 알 수 있다. 유사하게, 폴 수가 증가할 때, 동일한 회전 속도 증가를 얻기 위해 필요한 여기 주파수가 증가한다. 그러나, 폴 수가 증가할 때, 주어진 회전 속도에 대한 기계 부품의 자속에서의 시간 변화율도 증가하여, 증가된 코어 손실로부터의 폐열(waste heat)이 발생한다. 자기 손실도 변화하는 자기장에 노출된 회전자 자석 및 다른 전도성 요소에서 발생하지만, 종래 장치에서 내부적으로 생성된 열의 실질적인 부분은 고정자에서 사용된 연성 자기 재료에서의 히스테리시스로부터 주로 발생하는 코어 손실이다.
고주파수 전기 기계(즉, 400 Hz보다 더 큰 주파수를 갖는 전기 기계)를 제조하려는 종래의 시도는 일반적으로 허용가능한 한계 내에 손실을 유지시키기 위하여 고속에서 낮은 폴 수를 포함한다. 현재의 대부분의 기계들은 실리콘 중량의 대략 3½% 이하를 함유하는 종래의 실리콘-철 합금(Si-Fe)을 이용한다. 특히, 종래의 Si-Fe계 재료에서 대략 400 Hz보다 더 큰 주파수에서 변화하는 자기장으로부터 발생하는 손실은 장치가 어떤 허용가능한 수단에 의해도 냉각될 수 없는 지점까지 재료를 가열시킨다. 따라서, 고출력을 얻기 위하여 고주파수 여기를 이용하는 기계는 가상적으로 구축하기가 불가능하여 상업적으로 실용적이지 않는 것으로 간주되어 왔다. 그럼에도, 높은 여기 주파수에서 동작하면서도 고효율과 고출력 밀도를 정교한 냉각 스킴에 대한 어떠한 요구도 없이 제공하는 조합을 제공하려는 계속적 인 요구가 있다.
비정질 금속 및 다른 개량된 자성 재료의 개발은 이러한 재료의 자기 코어로 제조된 전동기 및 발전기가 종래의 전동기 및 발전기에서 허용가능한 것보더도 실질적으로 더 높은 효율과 출력 밀도를 잠재적으로 제공할 것을 많은 사람들이 신뢰하도록 하였다. 특히, 비정질 금속은 기대되는 저손실 특성을 나타내며, 비정질 금속의 자기 코어로 제작된 고정자가 증가된 효율을 갖는 전기 기계를 가져다 주는 것으로 제안되었다. 그러나, 대부분이 단순히 저주파수 전기 기계의 종래의 자기 코어에서 실리콘-철을 비정질 재료로 치환하는 것만을 포함하였기 때문에 종래 기계로 비정질 재료를 포함하는 이전의 시도는 상업적으로 성공적이지 않았다. 이러한 전기 기계의 일부가 증가된 효율과 더 낮은 손실을 적당히 제공하지만, 비정질 금속의 더 낮은 포화 유도(자속 밀도)는 전력 출력을 유해하게 감소시킨다. 더욱이, 비정질 금속 특유의 기계적 특성은 종래의 기계를 구축하는데 일반적으로 사용된 기술을 처리하는 것을 불가능하지는 않더라도 상당히 더욱 어렵게 한다. 따라서, 용인할 수없을 만큼의 발생할 수 있는 높은 유지 및 형성 비용에 따라, 이를 대체하는 것은 실현 가능성이 없는 것으로 보인다.
예를 들어, 미국 등록 특허 4,578,610호는 비정질 금속 테이프의 스트립을 간단히 코일링하여 제작되는 고정자를 구비한 고효율 전동기를 개시하며, 여기서 비정질 스트립은 권취되고 그 다음 슬롯이 형성되고 그 다음 적절한 고정자 권선이 슬롯 내에 놓인다.
미국 등록 특허 4,187,441호는 고정자 권선을 수용하는 슬롯을 가지며 비정 질 금속 리본으로 이루어진 나선형으로 권취된 박층 자기 코어를 구비하는 고 출력 밀도 장치를 개시한다. 상기 특허는 또한 비정질 금속 리본에 슬롯을 가공하기 위해 레이저 빔을 사용하는 방법을 개시한다.
전기 기계에서 비정질 금속의 사용에 관한 상당한 연구에도 불구하고, 지금까지 저손실 재료의 이점을 갖는 용이하게 제조가능한 전기 장치를 비용 효율적으로 제공하는 것은 매우 어렵다고 증명되었다. 비정질 금속의 자기 코어를 갖는 상업적으로 실용적인 전기 기계를 개발하려는 많은 시도가 포기되었다. 따라서, 저손실 재료와 관련된 특정 특성을 충분히 이용하는 고효율 전기 기계를 제공하는 종래 기술과 관련된 문제점들을 제거하는 것이 바람직하다.
본 발명은 일반적으로 전기 전동기, 발전기, 또는 재생 전동기(본 명세서에서 집합적으로 "전기 장치(electric device)", "전기-자기 장치(electro-magnetic device)", "전기 기계(electric machine)"라 한다)를 포함하지만 이에 한정되지 않은 회전하는 발전 장치(dynamoelectric device)에 관한 것이다. 재생 전동기(regenerative motor)라는 용어는 본 명세서에서 전기 전동기 또는 발전기 중 어느 하나로 동작될 수 있는 장치를 말한다. 일부 구현예에서, 전기 장치는 복합 장치에서의 한 부품이다. 이러한 복합 장치의 일례는 적어도 하나의 팬에 완전하게 연결된 하나 또는 그 이상의 전기 전동기를 포함하는 컴프레셔이다. 바람직하게는, 본 발명은 개선된 특성을 갖는 고효율 전기 장치에 관한 것이다. 더욱 바람직하게는, 본 발명은 고주파수로 동작할 수 있는 고효율 전기 장치에 관한 것이다.
본 장치를 포함하는 회전 기계는 일반적으로 고정자로 알려진 고정 부품과 회전자로 알려진 동심으로(concentrically) 배치된 회전 부품을 포함한다. 회전자와 고정자의 인접한 면은 회전자와 고정자를 연결하는 자속이 가로지르는 작은 공극(airgap)에 의해 분리된다. 화전 기계는 복수의 기계적으로 연결된 회전자 및/또는 복수의 고정자를 포함할 수 있다는 것은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해될 것이다. 가상적으로 모든 회전 기기는 전통적으로 방사상(radial) 또는 축상(axial) 공극형으로 분류된다. 방사상 공극형은 회전자 및 고정자가 방사상으로 분리되어 가로지르는 자속이 회전자의 회전축에 주로 수직으로 향하는 것이다. 축상 공극 장치에서, 회전자와 고정자는 축상으로 분리되며, 자속 횡단이 회전축에 주로 평행하다. 본 발명의 원리는 양 형식의 장치에 적용가능하며, 또한 일반에게 공지된 2004년 6월 9일 출원되고 "방사상 공극, 가로축 자속 전동기(Radial Airgap, Transverse Flux Motor)"의 발명의 명칭을 갖는 미국 특허 출원 제10/864,040호에 의해 서술된 구성과 같은 다른 기계 종류에도 적용가능하다. 이 특허 출원은 본 명세서에서 원용된다. 소정의 특정 종류를 제외하고는, 전동기 및 발전기는 일반적으로 하나 또는 그 이상의 종류의 연자성 재료를 사용한다. "연자성 재료(soft magnetic material)"는 용이하고 효율적으로 자화되고 소자(demagnetize)되는 페로마그네틱(ferromagnetic) 재료를 의미한다. 각 자화 주기 동안 자성 재료 내에서 불가피하게 소산되는 에너지는 히스테리시스 손실 또는 코어 손실이라 불린다. 히스테리시스 손실의 크기는 여기 진폭 및 주파수 둘 다의 함수이다. 또한, 연자성 재료는 높은 투자율 및 낮은 보자력을 나타낸다. 또한, 전동기 및 발전기는 하나 이상의 영구자석 또는 전류가 흐르는 권선에 의해 둘러싼 추가적인 연자성 재료에 의해 공급 가능한 동자력(magnetomotive force) 소스를 구비한다. "경자성 재료(hard magnetic material)"라 불리는 "영구 자석 재료"는 높은 보자력을 가지고, 소자에 저항하여 자화 상태를 강하게 유지하는 자성체를 말한다. 전동기의 타입에 따라서, 영구자석 재료 및 연자성 재료가 회전자 또는 고정자에 배치될 수 있다.
최근 생산되는 전동기의 주류는 연자성 재료로서 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 전동기 강을 사용한다. 가장 많이 사용되는 것은 Si 합금 요소이며 무방향성이다. 개량된 영구자석 재료로 제작된 회전자 및 비정질 금속 등의 개량된 저손실 연자성 재료로 제작된 코어를 갖는 고정자를 구비하는 전동기 및 발전기는 종래의 방사상 공극 전동기 및 발전기에 비해 높은 효율 및 출력 밀도를 발휘할 수 있는 잠재성이 있지만, 그러한 축상 공극 또는 방사상 공극형 장치를 성공적으로 조립한 경우는 거의 없었다.
본 장치의 고정자 조립체는 저손실 고주파수 재료로부터 제작된 자기 코어를 구비한다. 바람직하게는, 고정자의 자기 코어는 소정의 비정질 재료, 나노크리스탈라인 금속, 및 최적화 Fe계 합금을 포함한다. 후자는 방향성 또는 무방향성 재료 중 하나일 수 있는 크리스탈라인 재료이다. 바람직하고, 계량된 저손실 연자성 재료는 "L"보다 낮은 코어 손실을 특징으로 하며, L은 수식 L = 12·f·B1.5 + 30·f2 .3·B2.3으로부터 주어지는 것으로, 여기서, L은 W/kg 단위의 손실이고, f는 KHz 단위의 주파수이고, B는 테슬라(Tesla) 단위의 피크 자속 밀도이다. 하나 또는 그 이상의 이러한 재료의 사용은 종래 기계에서 보인 큰 증가에 비하여 코어 손실에서 단지 상대적으로 작은 증가를 가지면서 장치 여기 주파수가 400 Hz 이상으로 증가되게 한다. 결과에 따른 장치는 매우 효율적이며, 증가된 출력을 제공할 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 증가된 출력 밀도, 개선된 효율 및 직사각형에 더 가까운 토크-속도 곡선을 제공할 수 있는 고주파수, 높은 폴 수(pole count)의 전기 장치를 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 다수의 슬롯을 갖는 단일 자기 코어를 포함하는 적어도 하나의 고정자 조립체를 구비한 축상 공극 구성을 채용한다. 슬롯은 고정자 권선으로 권취된다. 또한, 전기 자기 장치는 복수의 회전자 폴을 갖는 적어도 하나의 회전자 조립체를 포함한다. 회전자 조립체는 적어도 하나의 고정자와의 자기 상호 작용을 위하여 마련되어 배치된다. 바람직하게는 전기 자기 장치는 400 Hz 보다 더 높은 주파수에서의 여기 하에 계속적으로 동작할 수 있다.
본 발명은 아래의 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명과 첨부된 도면에 의해 더욱 충분히 이해될 수 있고, 본 발명의 다른 장점들 또한 분명해질 것이며, 여러 도면 전체에 걸쳐 유사한 도면 부호는 유사한 구성 요소를 나타낸다.
도 1A 및 1B는 본 발명의 고정자의 평면도 및 측면도를 각각 도시한다;
도 2는 본 발명에 따른 고정자 권선을 포함하는 고정자 권선을 포함하는 고정자 구조의 평면도이다;
도 3A 및 3B는 자석의 위치 및 극성을 나타내는 본 발명의 회전자 구조의 평면도 및 측면도를 각각 도시한다;
도 4는 본 발명의 축상 공극형 전동기 구조를 위한 고정자/회전자 배치의 평면도이다;
도 5A 및 5B는 종래 전동기의 성능을 본 발명의 전동기와 비교하는 토크-속도 곡선을 도시하는 그래프이다;
도 6은 0.4 kHz에서의 자속 밀도에 대한 다양한 연자성 재료의 코어 손실을 나타내는 그래프이다;
도 7은 1.0 kHz에서의 자속 밀도에 대한 다양한 연자성 재료의 코어 손실을 나타내는 그래프이다;
도 8은 2.0 kHz에서의 자속 밀도에 대한 다양한 연자성 재료의 코어 손실을 나타내는 그래프이다;
도 9는 0.5 T의 자속밀도에서의 주파수에 대한 다양한 연자성 재료의 코어 손실을 나타내는 그래프이다;
도 10은 1.0 T의 자속밀도에서의 주파수에 대한 다양한 연자성 재료의 코어 손실을 나타내는 그래프이다;
도 11은 1.5 T의 자속밀도에서의 주파수에 대한 다양한 연자성 재료의 코어 손실을 나타내는 그래프이다;
도 12는 본 발명에 따른 저손실 재료를 이용한 효율적인 고속 축상 공극 전지 장치를 설계하는 방법의 구현을 나타내는 플로우차트이다;
도 13은 도 2에 의해 표현된 본 발명의 설계 방법의 구현에 이용되는 소정의 코어 치수를 나타내는 고정자 코일의 일부에 대한 사시도이다;
도 14는 본 발명에 따라 설계된 기계를 위한 소정의 고정자 치수와 토크 사이의 관계를 나타내는 표면도 형태의 그래프이다; 그리고,
도 15는 본 발명의 방사상 공극 기계에서 사용하기에 적합한 고정자 형성에 대한 평명도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 본 발명의 양태는 저손실(low-loss) 재료로 이루어진 권선형 고정자 코어(wound stator core)를 구비한 브러시리스(brushless) 전동기 등과 같은 전기 장치의 설계 및/또는 제조를 포함한다. 바람직하게는, 상기 고정자 코어는 비정질(amorphous) 금속, 나노크리스탈라인(nanocrystalline) 금속, 방향성(grain-oriented) 및 무방향성(non-grain-oriented) 재료를 포함하는 최적화 Fe계 합금으로 이루어진 재료 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 개량된 저손실 자기 재료를 포함한다. 다음은 이러한 개량된 자기 재료의 예와 각 예에 관련된 간단한 논의가 제공된다. 이러한 개량된 저손실 재료에 대한 공통 정의는 다음과 같다.
개량된 저손실 재료
바람직한 전기 장치에서 비정질, 나노크리스탈라인 또는 최적화 Fe계 재료를 포함하는 것은, Si-Fe계 합금과 같은 종래의 자기 코어 재료를 이용한 종래의 기계에서 볼 수 있는 큰 증가와 비교하여 코어 손실에서 상대적으로 작은 증가를 가지면서 기계 주파수가 일반적인 선로 주파수(50-60Hz) 이상으로 400Hz 이상까지 증가될 수 있게 한다. 고정자 코어에서 저손실 재료를 이용하는 것은 증가된 출력 밀도, 개선된 효율 및 직사각형에 더 가까운 토크-속도 곡선을 제공할 수 있는 고주파수, 높은 폴 수(pole count)의 전기 장치의 개발을 가능하게 한다. 바람직하게는, 고정자 조립체는 비정질, 나노크리스탈라인 또는 최적화된 Fe계 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함한다.
비정질 금속
금속 유리(metallic glass)라고도 알려진 비정질 금속은 본 장치에 사용 적합한 다양한 조성으로 존재한다. 금속 유리는 일반적으로 예를 들어 적어도 대략 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-선 회절 패턴을 갖는다. 첸(Chen) 등에 허여된 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. 나라심한(Narasimhan)에 허여된 미국특허 4,142,571호에는 무한 길이의 금속 유리 스트립의 형성에 유용한 공정이 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 연자성 재료와는 달리, 비정질 금속('금속 유리'라고도 함)은 매우 얇으며 경도가 높고 깨지기 쉬운데, 특히 비정질 금속의 연성 자기 특성을 최적화하기 위해 일반적으로 필요한 열 처리 후에는 더욱 그러하다. 그 결과, 발전 기기에 사용 목적으로 종래의 연자성 재료를 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.
알려진 비정질 금속은 종래의 Si-Fe 합금보다 낮은 포화 자속 밀도(또는 유도, induction)을 나타낸다. 종래의 Si-Fe 합금에 대한 더 낮은 자속 밀도 비정질 금속의 단순한 대체는 감소된 출력 밀도를 갖는 기계를 초래하여, 일반적으로 구성이 변경되어야 한다. 또한, 비정질 금속은 종래의 Si-Fe 합금보다 더 낮은 열전도 성과 열전달 계수를 가지고 있다. 열 전도도는 온도가 높은 위치에서 낮은 위치로 재료를 통해 열이 얼마나 쉽게 전달되는지 여부를 결정하기 때문에, 열 전도도가 낮은 경우에는 자성체 내의 코어 손실, 권선에서의 저항 손실, 마찰 손실, 공기 마찰(windage) 손실 및 다른 손실 원으로부터 야기되는 폐열을 적절히 제거할 수 있도록 전동기 설계에 있어서 주의가 필요하다. 즉, 폐열을 적절히 제거하지 못하면 전동기의 온도가 허용할 수 없는 정도까지 상승할 수 있다. 과도한 온도는 전기 절연체 또는 다른 전동기의 구성요소의 조기 파손을 쉽게 야기한다. 일정한 경우, 과-온도는 쇼크 위험, 화재 등의 건강 및 안전에 심각하게 위험한 것들을 일으킨다.
종래의 Si-Fe 합금은 비정질 금속보다 더 낮은 자기변형(magnetostriction) 계수를 나타낸다. 더 낮은 자기변형 계수를 갖는 재료는 자기장 하에서 더 작은 치수 변경을 받으며, 이에 따라 더 조용한 기계가 되게 하는 경향이 있다.
상기와 같은 문제에도 불구하고, 본 발명의 일 측면은 개량된 연자성 재료를 성공적으로 적용하여 고주파수 여기(excitation), 예를 들어 400 Hz 보다 큰 정류 주파수로 작동 가능한 장치를 제공한다. 또한 상기 장치의 제조기술이 제공된다. 개량된 재료, 특히 비정질 금속의 사용 및 구성의 결과, 본 장치는 높은 폴 수로 고주파수(정류 주파수가 400 Hz 보다 큰 경우로 정의)에서 동작한다. 비정질 금속은 고주파수에서 훨씬 더 낮은 히스테리시스(hysteresis) 손실을 나타내므로, 코어 손실이 훨씬 더 낮아진다. Si-Fe 합금과 비교해서, 비정질 금속은 전기 전도도가 훨씬 낮고, 흔히 200 ㎛ 이상의 두께를 가지는 Si-Fe 합금보다 일반적으로 훨씬 얇 다. 이러한 특성 모두는 와전류 코어 손실을 낮추도록 촉진한다. 본 발명은 상기와 같은 하나 이상의 유익한 특징으로부터 장점을 갖는 기계를 제공하고, 이에 의해 전동기는 코어 손실이 낮은 등의 비정질 금속의 유익성을 발휘할 수 있는 구조를 사용함으로써 전술한 바와 같은 문제를 극복하면서 고주파수에서 효율적으로 작동된다.
나노크리스탈라인 금속
나노크리스탈라인 재료는 약 100 나노미터 이하의 크기의 입자를 갖는 폴리크리스탈라인 재료를 말한다. 종래의 거친 입자를 가지는 금속과 비교해서 나노크리스탈라인 금속은 강도와 경도의 증가, 열확산율의 향상, 연성과 인성의 향상, 밀도의 감소, 높은 전기 저항, 비열의 증가, 높은 열 팽창계수, 낮은 열 전도도, 및 저코어 손실을 포함하는 월등한 연자성 재료 특성을 갖는다.
나노크리스탈라인 금속은 다양한 기술로 형성될 수 있다. 한가지 바람직한 방법으로는, 앞서 제공된 기술을 사용하여 무한 길이의 비정질 금속 리본으로 필수 조성을 주조하고, 상기 리본을 권취 형상 등의 요구되는 구조로 형성하는 것이 있다. 그 다음, 초기의 비정질 금속을 내부에 나노크리스탈라인 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 코어 손실 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 나노크리스탈라인 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, 나노크리스탈라인 금속은 Fe계 재료이다. 그러나 나노크리스탈라인 금속은 또한 코발트 또는 니켈 등의 다른 강자성체로 이루질 수도 있다. 본 장치를 위한 자기 요소를 제작하는데 사용 적합한 대표적인 나노크리스탈라인 합금으로 알려진 것이 야시자와(Yoshizawa)에게 부여된 미국특허 제4,881,989호 및 스즈키(Suzuki) 등에 부여된 미국특허 제5,935,347호에 개시되어 있다. 이러한 재료는 Hitachi Metals, Vacuumschmelze 및 Alps Electric 으로부터 구입할 수 있다. 저손실 특성을 갖는 나노크리스탈라인 금속의 예로서 Hitach Finemet FT-3M이 있다. 다른 예의 저손실 특성을 갖는 나노크리스탈라인 금속으로 Vacuumschmelze Vitroperm 500Z이 있다.
최적화 Fe 계 합금
본 장치는 또한 최적화, 저손실의 Fe계 크리스탈라인 합금 재료로 제작되는 것이 가능하다. 바람직하게, 상기와 같은 재료는 전동기에 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 재료(oriented material)"라는 용어는 구성 크리스탈라인 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. 입자 방향은 일반적으로 가장 일반적으로는 압연(rolling)을 포함하는 본 발명의 기술 분야에서 알려진 방법에 의한 적합한 열기계 처리에 의해 일반적으로 얻어진다. 입자의 자화 및 자기 도메인은 이에 의해 압연 처리 방향으로 배향된다. 이 도메인 방향은 배향 방향에서 내부 자화가 더욱 용이하게 반전될 수 있게 하여, 바람직한 방향으로 더 낮은 코어 손실을 생산한다. 그러나, 코어 손실은 바람직한 방향에 수직인 방향으로 증가하고, 전기 장치 애플리케이션에서는 문제라는 것이 증명될 수 있다. 본 기계에서 사용된다면, 방향성 재료는 바람직하게는 자속 밀도의 주 방향과 실질적으로 일치하는 자화가 용이한 방향으로 배치된다.
"무방향 재료(non-oriented material)"에서, 입자는 전술한 성분 입자의 결정 순서를 갖지 않는다. 따라서, 무방향 재료는 자속 밀도에 대하여 임의의 특정 방향으로 배치될 필요가 없다.
여기서 사용되는 종래의 Si-Fe는 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. 대략 400 Hz 이상의 주파수를 갖는 자기장에서 작동시 야기되는 종래의 Si-Fe 합금 등급의 코어 손실은 저손실 재료보다 실질적으로 높다. 예를 들어, 본 기계가 만족스럽게 동작하는 주파수 및 자속 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 적합하게 낮은 손실을 가지며 고주파수 장치를 생산하는데 직접 적용가능하다.
본 발명의 실시예에 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, 합금은 약 6.5% 규소 함유량을 가지며 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 코어 손실을 포함해서 향상된 자기 특성을 갖는 합금을 얻는 것이다. 적절한 제조방법에 의해 만들어진 규소 함 유량이 증가된 일부 합금에서 이러한 특성을 얻을 수 있다. 일부 경우에 있어, 상기와 같은 최적화 Si-Fe 합금은 비정질 금속과 비슷한 코어 손실 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 연자성 재료의 손실 거동
본 발명의 기계에 바람직한 재료에서의 향상된 손실은 주로 히스테리시스 손실의 상당한 감소에 의한 것이다. 당해 기술분야에서 알려진 바와 같이, 히스테리시스 손실은 모든 연자성 재료가 자화하는 동안 자기-구역벽(domain-wall) 움직임이 방해받는 것으로부터 기인한다. 이러한 손실은 일반적으로 본 장치에 바람직하 게 사용되는 상기와 같은 향상된 재료에서보다 종래의 방향성 Si-Fe 합금과 무방향성 전동기 및 전기 강 등의 종래에 사용되는 자성체에서 높게 나타난다. 높은 손실은 코어를 과열시키는 원인이 될 수 있다.
더욱 상세하게는, 연자성 재료의 코어 손실은 일반적으로 아래의 수정된 Steinmetz 방정식에 의해 표현될 수 있다.
L = a·f·Bb + c·fd·Be
여기에서,
L : 손실 (W/kg)
f : 주파수 (kHz)
B : 자기 플럭스 밀도 (피크 테슬라, peak Tesla)
a, b, c, d 및 e : 임의의 특정 연자성 재료에 대한 경험적인 손실 계수
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "개량된 저손실 재료(advanced low loss materials)"라는 용어는 수식 L = 12·f·B1.5 + 30·f2 .3·B2.3으로 주어지는 L 보다 다 낮은 코어 손실을 특징으로 하며, "L", "f", 및 "B"는 앞에서 정의된 바와 같다.
도 6 내지 11은 자속 밀도 또는 주파수 중 어느 하나에 대한 다양한 연자성 재료의 코어 손실 거동(L = a·f·Bb + c·fd·Be로 정의된 바와 같은)을 도시하는 그래프 를 제공하며, 주파수는 0.4 kHz에서 2.0 kHz의 범위에 있고, 자속 밀도는 0.5 Tesla에서 1.5 Tesla 사이의 범위에 있다. 도 6 내지 11에 도시된 각 재료에 대한 손실 계수는 아래의 표 I에서 도시된다.
표 I
연자성 재료의 손실 계수
손실 계수 등방성 분말, Hoeganes Somalloy 500 +.05% Kenolube 일반적인 26 게이지 M19, 무방향성 방향성.
0.014" Orthosil M6 29 게이지 E1 1/2, Thomas & Skinner		 "개량된 재료" 정의된 손실 한계
a 40.27 11.39 38.13 12.00
b 2.15 1.62 2.37 1.50
c 141.24 112.43 14.19 30.00
d 1.15 1.72 3.66 2.30
e 1.46 2.01 2.14 2.30
표 I
(계속)
손실 계수 기상 증착된 6.5% Si, JFE Super E,0.10mm 비정질,
Metglas
2605SA1,
광고 문구		 나노크리스탈라인,
VAC Vitroperm 500 Z		 나노크리스탈라인,
Hitachi Finemet FT-3M
a 10.77 0 0 0.00
b 1.85 0 0 0
c 7.83 6.5 0.84 1.05
d 1.93 1.51 1.5 1.15
e 1.85 1.74 1 2.32
상기 재료 각각은 주로 철계 합급으로 이루어진 연자성 개료이다. 표에 나타난 계수 각각은 재료의 제조자로부터 구할 수 있거나, 재료의 제조자에게서 구한 재료 사양으로부터 유도될 수 있다; 이러한 계수들은 재료의 사양 시트에 종종 포함된다. 이러한 목적으로, 연자성 재료의 각 제조자는 Steinmetz 방정식을 위한 계수가 유도될 수 있는 재료 사양을 생성하는 산업 표준 ASTM 시험 절차에 종종 참여한다.
도 6 내지 11에서 알 수 있듯이, 문턱값 라인 세그먼트가 "개량된 저손실 재료"에 대한 손실 문턱값을 정의하는 손실 방정식을 나타내도록 그려진다. 이러한 문턱값 위의 손실 방정식을 갖는 재료는 "개량된 저손실 재료"가 아니다. 이러한 문턱값에 또는 그 아래에 그려진 손실 방정식을 갖는 재료는 본 명세서에서 "개량된 저손실 재료" 또는 "개량된 재료"로 정의된다. 도 6 내지 11로부터 알 수 있듯이, 개선된 저손실 재료는 비정질 금속, 나노크리스탈라인 합금 및 최적화 Fe계 합금을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 본 장치의 동작 조건 하에서 유사한 저손실을 나타내는 다른 연자성 재료도 적합하다. 바람직하게는, 본 기계에 사용된 개선된 저손실 연자성 재료는 적어도 대략 1.2 T, 더욱 바람직하게는 적어도 1.5 T의 포화 자속 밀도를 갖는다. 다음의 개시 내용에서, 이러한 개량된 저손실 재료로부터 구축된 고효율의 전자기 기계에 대한 상세한 설명이 제공된다. 도 6 내지 11에 제공된 그래프는 0.4 kHz 내지 2.0 kHz의 범위의 주파수 및 0.5 T 내지 1.5 T의 범위의 자속 밀도에 대하여 도시되며, 그 이유는 본 명세서에서 설명되는 전기 기기의 일반적인 동작 범위이기 때문이다. 그러나,본 명세서에서 설명되는 전기 기기는 이러한 범위 내의 동작에 한정되지 않는다.
일반적인 장치 구조
본 발명은 하나 또는 그 이상의 고정자와 하나 또는 그 이상의 회전자와 같은 자기장 조립체를 포함하는 전기 장치이다. 하나 또는 그 이상의 고정자는 비정형 금속, 나노크리스탈라인 금속 또는 최적화 Fe계 합금과 같은 개량된 저손실 재료로 형성된다. 본 발전 기기는 축에 대한 회전을 위하여 지지되고 고정자 조립체와 동심으로 배열되어 회전자와 자기적으로 상호작용하도록 배치된 회전자 조립체를 포함한다. 축상 또는 방사상 공극 구성이 모두 고려된다. 본 기계는 하나 또는 그 이상의 회전자 조립체 및 하나 또는 그 이상의 고정자 조립체를 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 전기 기계를 참조하여 사용된 "회전자" 및 "고정자"라는 용어는 하나로부터 3 또는 그 이상의 범위의 회전자 및 고정자 개수를 의미한다. 바람직한 실시예에서, 본 기계는 축상 공극 구성을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 기계는 원주 방향으로 이격된 복수의 영구 자석을 포함하는 디스크 형성의 회전자 조립체를 사용한 축상 공극 DC 브러쉬리스 장치이다.
도 1A 및 1B는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자의 평면도 및 측면도를 각각 도시한다. 개량된 저손실 재료의 리본은 고정자 금속 코어(20)를 형성하기 위하여 대형 토로이드(toroid)로 권취된다. 이러한 리본은 일반적으로 0.10 mm(0.004") 이하의 두께를 갖는다. 리본으로부터 권취된 토로이드는 축방향으로 볼 때 내경과 외경을 가지며, 내경과 외경은 전체 영역(TA, total area)으로 알려진 표면 영역을 갖는다. 그 다음, 금속 코어는 고정자 단일 자기 코어(이에 대하 여는 아래에서 더욱 상세히 논의된다)를 형성하기 위하여 슬롯(23)으로 기계 가공된다. 슬롯은 금속 코어의 표면 영역을 감소시킨다.
도 1A는 고정자 코어(20)의 내경(d) 및 외경(D)을 도시하며, 고정자를 형성하기 위하여 금속 코어(20)로 기계 가공된 외부 폭(W)을 갖는 슬롯(23)도 도시한다. 슬롯의 제거 후에 남겨진 표면 영역은 저손실 금속 영역이라 한다. 저손실 재료가 비정질 금속인 바람직한 실시예에서, 저손실 금속 영역은 비정질 금속 영역(AMA, amorphous metal area)이라고도 한다. 금속 코어는 내경(d)을 정의하는 내부 원주를 갖는다. 내부 원주는 슬롯이 형성된 부분에서 연속적이지 않다. 이 대신에, 슬롯을 가로지르는 내부 원주는 슬롯이 위치하는 공간(gap)을 갖는다. 이러한 슬롯은 고정자 권선을 유지하도록 설계된다. 코어의 내부 원주의 잔여 부분 각각은 톱니(21)라 한다.
도 1B는 톱니(21)의 높이(T)를 고정자(20)의 전체 높이(H)와 비교하여 도시한다. 전체 높이는 백아이언(backiron, 24)의 높이와 톱니(21)의 높이를 더한 것이다. 동일한 개수의 톱니(21)와 슬롯(23)이 있다. 바람직한 실시예에서, 톱니의 가장 좁은 부분은 0.100 인치보다 더 작다. 고정자가 슬롯 가공될 때 제거된 영역은 포팅 화합물(potting compound) 및/또는 도장용 화합물(varnishing compound), 또는 얇은 유기 절연 재료로 전도성 고정자 권선을 따라 본 발명의 기술분야에서 공지된 바와 같이 채워질 수 있다.
앞에서 언급된 바와 같이, 고정자 코어는 개량된 저손실 재료를 포함하며, 일 실시예에서 "단일(unitary)" 구조이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "단 일" 구조인 고정자 코어는 고정자 코어를 완성하기 위하여 2 또는 그 이상의 하부 구성요소를 필요로 하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 개시된 단일 고정자 코어는 "단일체(uni-body)" 고정자 코어이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "단일체"라는 용어는 기본 형상을 형성하기 위하여 얇은 연자성 재료 리본이 적층되고 고정자 코어를 형성하기 위하여 재료가 기본 형상으로부터 제거된(예를 들어, 기본 형상이 고정자 코어 상에 톱니를 형성하도록 슬롯 가공된다) 고정자 코어를 말한다. 불행하게도, 개량된 저손실 재료는 매우 깨어지기 쉽고, 단일체 고정자 코어를 제조하는 것은 어려운 것으로 증명되었다. 그럼에도, 개량된 저손실 재료의 일부 제조사를 포함하는 여러 회사는 와이어 전기 방전 가공, 레이저 절단, 전기화학 및 종래의 연마와 같은 다양한 공정을 이용하여 개량된 저손실 재료로 제조된 고정자를 생산한다. 한가지 적합한 구현 기술은 본 명세서에서 원용되는 공동 양도된 미국 등록 특허 제7,018,498호에 의해 제공된다.
본 명세서에서 설명된 일부 고정자 코어가 단일체 및 단일 구성이지만, 다양한 종류의 비단일 및 비단일체 고정자 코일가 본 전기 기계에서의 사용을 위하여 고려된다. 예를 들어, "단일체" 고정자 코어는 여러 세그먼트로 연속적으로 절단되어 그 결과에 따라 "단일"이 아닌 고정자 코일이 될 수 있다. 유사하게, "단일" 고정자 코일은 개량된 재료를 임의의 톱니를 포함하는 고정자 코일 형태로 성형(molding)함으로써 형성될 수 있지만, 고정자 코일이 기본 형상으로부터 이어지는 재료 제거를 이용하여 기본 형상을 형성하기 위하여 얇은 리본으로부터 권취되지 않기 때문에, 결과에 따른 고정자 코일은 "단일체"가 아닐 수 있다.
본 장치의 일부 구현에서의 고정자 코일은 복수의 서브 조립체로부터 조립된다. 예를 들어, 도 1A 및 1B에 도시된 축상 고정자(20)의 톱니(21) 및 도넛형(toroidal) 백아이언부(24)는 분리되어 형성되어 최종 형태를 제공하기 위하여 결합될 수 있다. 개별 구성 요소는 기계적 완결성을 제공하고 마무리된 장치에서 구성 요소들의 상대적 위치를 유지하도록 고정된다.
고정은 접착, 클램핑(clamping), 포팅(potting) 또는 이와 유사한 것의 임의의 조합을 포함할 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 작업 온도 수용력 및 높은 유전 강도를 가지는 것이 바람직하다. 에폭시는 경화가 화학적으로 활성화되는 다중 부분이나 경화가 열적으로 또는 자외선 조사에 대한 노출에 의해 활성화되는 단일 부분 중 하나일 수 있다. 바람직하게는, 접착제는 1000 cps 이하의 점도, 금속의 열팽창 계수와 대략 동일하거나 대략 10 ppm의 팽창 계수를 갖는다.
도 2는 고정자 권선(22)으로 권취된 단일의 단일체 고정자 코일(20)을 도시한다. 고정자 권선(22)으로 권취된 고정자(20)는 도넛형 하우징 내에 배치되어 적합한 유기 유전체로 포팅된다. 다수의 비접촉 슬롯을 대략 0.5의 SPP(slot per phase per pole) 값에 대응하는 공통 자기부로 와이어링하는 것도 가능하며, 여기에서, SPP 비는 고정자 코일의 슬롯의 개수를 고정자 권선 내의 상의 개수와 DC 폴 의 개수로 나누어서 결정된다(SPP = 슬롯/상/폴). 권선에 의해 차지되지 않은 슬롯 가공된 영역, 즉, 포팅, 니스, 및 절연 재료 영역은 낭비 영역(WA, waste area)이다. 전체 영역과 낭비 영역 사이의 차는 유효 영역(usefule area)이라 한다. SPP = 0.5인 일부 바람직한 실시예에서, 유효 영역의 대략 35% ± 10%를 전도성 권선에 할당하는 것이 기계의 출력 밀도(세제곱 센티미터당 와트 출력, W/㎤)를 최적화하는 경향이 있는 것으로 알려졌다. 이러한 퍼센티지 값은 기초 주파수, 각 고정자 톱니에 인가되는 암페어-턴(ampere-turns)이 일정하다는 가정 하에서 얻어진다. 동일한 계산 및 동일한 가정 하에서 유효 재료(active material)의 단위 질량 당 토크를 최적화시키는데 약 50% ± 10% 의 다른 퍼센티지가 나온다.
고정자 배열을 적절히 지지할 수 있는 임의의 적합한 재료가 도넛형 하우징 용으로 이용될 수 있다. 바람직하게는 도넛형 하우징은 비자성이지만, 도넛형 하우징 재료의 전도도에 대하여는 제한이 없다. 또한, 다른 인자는 기계적 강도의 요구 조건과 같은 도넛형 하우징 재료의 선택에 영향을 미칠 수 있다. 특정 실시예에서, 도넛형 하우징은 알루미늄으로 형성된다.
자기장 조립체는 종래 기술에서 일반적인 바와 같이 고정자와의 자기적 상호 작용을 위하여 마련되고 배치된 고정자 본체에 인접하게 위치된다. 도 3A 및 3B는 축상 공극 장치를 위한 회전자(30) 형상의 자기장 조립체의 평면도 및 측면도를 도시한다. 회전자(30)는 고정자와의 공통 축(31)에 대하여 중심을 갖는다. 도 3A는 회전자에 대하여 배치된 변경하는 극성을 갖는 복수의 자석(32)을 도시한다. 다른 실시예에서, 자석(32)의 위치 및 극성은 전동기 설계에 요구되는 바에 따라 가변할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 전동기는 복수의 영구 자석을 포함한다. 도 3B는 도 3A의 선 A를 따른 회전자의 측면도를 도시한다. 도 3B에 도시된 회전자의 실시예에서, 자석(32)은 회전자(30)의 두께부로 연장한다. 다른 실시예에서, 자석(32)은 회전자(30)의 두께부로 연장하지 않는다. 바람직하게는, 회전자 배치는 원주방향으로 이격된 고에너지 생성 영구자석(예를 들어, 코발트 희토(rare earth) 자석 또는 NdFeB와 같은 희토 자석)을 포함하는 디스크형 또는 축형 회전자이다. 자석은 N극과 S극을 정의하는 대향하는 단부를 가지며, 이에 의해, 일반적으로 디스크 표면에 수직으로 그리고 대면하는 고정자 조립체를 향하여 방사하는 자속 밀도를 생성한다. 자석(32)은 공통축(31)을 따라 샤프트(미도시)의 축 또는 변경하는 극성의 자석의 극이 고정자 배치에 인접하는 기설정된 경로를 따라 접근가능하도록 하는 다른 적합한 배치에 대한 회전을 위하여 지지된다. 회전자(30)의 자석 영역은 외경과 내부 캐비티(34)를 형성하는 내경을 가지며, 회전자가 회전자 캐리어 구조와 일체로 형성될 수도 있는 예를 들어 샤프트에 부착되도록 한다. 회전자 및 고정자의 축상형 배치를 포함하는 바람직한 실시예에서, 회전자(30)의 외경 및 내경은 고정자(20)의 외경 및 내경과 실질적으로 동일하다. 회전자(30)의 외경이 고정자(20)의 외경보다 더 크다면, 회전자의 외부는 성능에 기여하지 않으며, 단지 무게와 관성만을 증가시킨다. 회전자의 외경이 고정자의 외경보다 더 작다면, 결과는 성능에서의 감소이다.
다른 실시예에서, 자석은 회전자에 장착되거나 설치된다. 자석은, 교대하는 자석 사이에서 원주방향으로 여유가 없도록 이격된다. 자석 사이의 공간은 최적값 을 유지하는 것이 바람직하며, 이는 토크 코깅(cogging)의 발생을 최소화한다. 토크 코깅은 입력 전류가 크게 감소된 후에, 그리고 샤프트가 0 또는 매우 낮은 rpm에 있는 동안 위치에 대한 토크의 변동이다. 상당한 토크 코깅을 갖는 임의의 기계는 바람직하지 않은 성능 및 음향적 문제에 노출될 수 있다. 최적 간격은 각 단일 금속 코어 톱니의 영역을 얻기 위하여 고정자(20)의 저손실 금속 영역을 고정자 슬롯의 개수로 나누어서 유도된다. 자석 사이의 최적 간격이 각 자석의 전체 영역이 코어 톱니 영역의 175% ± 20%와 같도록 될 것이다.
자석이 영구 자석으로서 설명되었지만, 이는 필요 사항이 아니다. 자석은 다른 종류의 자성 재료일 수 있으며, 또는 다른 실시예에서 전자석, 유도 자석 등일 수 있다. 또한, 장치가 일반적으로 디스크형 또는 축상형 실시예와 연계하여 설명되었지만, 본 발명의 전기 장치는 축상형 장치에 한정되지 않는다. 오히려, 이는 방사상 전동기의 외주에 회전자 자석이 배치된 배럴(barrel) 또는 방사상형 전동기와 같은 다양한 구성을 가질 수 있다. 또한, 회전자 배열을 가로질러 이격된 자석의 개수도 가변될 수 있으며, 이는 여전히 본 발명의 범위에 속한다.
도 4는 2개의 고정자(20)에 기능하는 단일 회전자(30)의 공통 중심축(31)의 일측 상에 또는 이를 따른 축상형 배치에 배치된 2개의 고정자 코어(20)를 포함하는 전기 장치의 일 실시예에 대한 측면도이다. 바람직하게는, 회전자(30)는 2개의 고정자와 상호 작용하기 위하여 회전자 폴을 제공하는 원주방향으로 배치된 복수의 영구 자석을 포함한다. 권선(22)은 고정자(20)에 권취된다. 특정 실시예에서, 단일 회전자의 일측 상에 Metglass® 합금을 포함하는 고정자 코어를 포함하는 전기 장치는 높은 출력 밀도를 나타내는 것으로 밝혀진다. 개별 구성 요소의 치수의 선택 또는 심지어 본 명세서에서 설명된 설계 원리에 따른 주어진 구성 요소의 부재를 포함하는 설계 변경이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하며, 이는 본 발명의 범위에 여전히 속한다.
도 4의 실시예는 2개의 고정자 코어와 그 사이의 1개의 회전자 배치를 포함한다. 그러나, 본 발명의 전기 기계는 의도된 애플리케이션의 필요사항을 만족하는데 필요한 만큼 교대하는 많은 고정자 및 회전자 배치를 적층하는 것을 허용한다. 고정자 하우징은 일반적으로 서로에 대하여 서로 거울상이며, 이에 따라 단지 하나의 고정자 코어만이 상세히 설명된다.
또한, 다른 구성이 본 기계에 대하여 적합하다. 예를 들어, 도 15는 백아이언(63)으로부터 내부로 방사상으로 연장하는 슬롯(61)과 톱니(62)를 갖는 고정자(60)를 도시한다. 이러한 고정자는 일반적으로 개량된 저손실 연자성 재료의 복수의 얇은 평면형 적층을 스택된 레지스트리에서 쌓아서 형성된다. 본 기계의 방사상 공극 실시예는 도시된 바와 같은 16개의 톱니와 슬롯 및 관련된 고정자 권선(미도시)을 갖는 고정자를 사용할 수 있다. 이러한 고정자는 4상 방사상 공극 장치를 생산하기 위하여 적합하게 구성된 12 자석 회전자와 함께 이용될 수 있다. 본 장치의 방사상 자속 실시예는 다른 개수의 슬롯 및 상으로 구축될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 본 명세서에서 설명된 원리에 따라 설계된 고효율 발전 기계와 이 기계와 동작가능하게 연결된 파워 일렉트로닉스 수단을 포함하는 발전 기계가 제공된다. 전동 애플리케이션에 대하여, 기계는 파워 일렉트로닉 스 수단을 통해, 전력망, 전기 화학 배터리, 연료 전지, 태양 전지, 또는 임의의 적합한 전기 에너지원과 같은 에너지원에 인터페이스 된다. 임의의 필수적인 종류의 부하가 기계 샤프트에 연결될 수 있다.
전동 기계는 AC 전력으로 직접 또는 DC 전력의 정류에 의해 공급되어야만 한다. 기계적 정류가 브러쉬형 기계와 함께 이용되었지만, 고전력 반도체 장치는 전자 정류를 제공하기 위한 회로를 포함하는 파워 일렉트로닉스 수단의 설계를 가능하게 한다. 따라서, 많은 현대의 영구 자석 전동기는 브러쉬 또는 기계적 정류에 대한 필요성이 없다.
일반적인 형태에서, 기계 샤프트는 임의의 회전 기계 에너지원일 수 있는 주된 원동기(mover)에 기계적으로 연결된다. 본 시스템은 임의의 전기 기구 또는 전기 에너지 저장기를 포함할 수 있는 전기 부하에 파워 일렉트로닉스 수단을 통해 더 연결된다. 또한, 기계 시스템은 예를 들어, 차량의 구동 휠에 연결된 시스템과 같은 재생 전동기 시스템으로서 사용될 수 있어, 차량에 기계적 추진력을 제공하고 제동을 효과적으로 하기 위하여 차량의 운동 에너지를 다시 배터리 또는 이와 유사한 것에 저장된 전기 에너지로 다시 변환한다.
많은 수의 전동 및 발전 기계는 동기식으로 동작한다고 하며, 이것은 AC 입력 또는 출력 전력이 회전 주파수 및 폴의 개수와 균형잡힌 주파수를 갖는다는 것을 의미한다. 전력 회사에 의해 일반적으로 제공된 50 또는 60 Hz 망 또는 선박이나 항공 시스템에 가끔 이용되는 400 Hz 망인 전력망에 직접 연결된 동기 전동기는 폴 수를 변경함으로써만 얻을 수 있는 동기된 속도에서의 변동을 가지면서 특정 속 도로 동작한다. 동기 생성을 위해서 주 원동기의 회전 속도는 안정적이고 상응하는 출력 주파수를 공급하도록 제어되어야 한다. 일부 주 원동기는 알려진 장치 설계에 대한 실제 제한 내의 폴 수를 갖는 전동기에 의해 적응되기에는 본질적으로 너무 높거나 낮은 회전 속도를 생성한다. 이러한 경우, 회전 기계는 주 원동기의 기계적 샤프트에 직접 연결될 수 없으므로, 복잡성이 더해지고 효율이 떨어짐에도 기어박스가 사용되어야 한다. 오버드라이브 기어박스(즉, 출력 속도가 입력 속도보다 더 높은 기어박스)는 특히 신뢰성이 없는 것으로 알려진다. 예를 들어, 윈드 터빈(wind turbines)은 매우 천천히 회전하기 때문에, 바람직하지 않은 오버드라이브 기어박스 또는 지나치게 많은 폴 수를 갖는 종래 설계된 발전기가 요구된다. 반면에, 요구되는 기계적 효율로 적절한 작동을 얻기 위해서, 일반적으로 가스 터빈 엔진은 너무 빨리 회전하기 때문에, 심지어 낮은 폴 수로도 직접 구동된 발전기에 의해 출력된 주파수가 생성 주파수가 허용할수 없을 만큼 높다. 전동기 및 발전기 애플리케이션에 모두에 대한 대체물은 능동 출력 변환이다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "파워 일렉트로닉스(power electronics)"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 구성 요소를 사용한다. 종종 적합한 전압 및 전류 제어와 정류는 제어 회로 내에 포함된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제작된 기계는 종래의 장치보다 훨씬 더 넓은 회전 속도 범위에 걸쳐 전동기 또는 발전기로 작동 가능하다. 또한, 적합한 파워 일렉트로닉스는 유사하게 넓은 범위에 대하여 다양한 속도의 동작을 용이하게 한다. 많은 경우에 있어, 전동기 및 발전기 적용 모두에 지금까지 요구되었던 기어박스를 제외할 수 있게 된다. 그러나 이러한 장점은 종래의 기계에서 사용되는 것보다 더 넓은 주파수 범위에 걸쳐 작동 가능한 파워 일렉트로닉스의 사용이 일반적으로 요구된다.
본 기계 및 그 관련 파워 일렉트로닉스의 성능 특성은 기계 시스템의 원하는 성능에 따라 서로 가장 최적화된다. 원하는 성능 특성의 예는 고주파수에서의 정류, 낮은 인덕턴스의 유지, 및 허용가능한 저속 제어의 유지를 포함한다. 적합한 파워 일렉트로닉스는 전기 장치로부터의 최대 가능 성능을 얻기 위한 주요 요소이다. 열악한 파워 일렉트로닉스는 성능에 역효과를 미치는 전기 장치의 동작 동안의 바람직하지 않은 토크 변동인 파워 일렉트로닉스(PE) 리플을 발생시킨다.
저손실 재료를 사용한 높은 폴 수 및 고주파수 설계
본 구조 및 방법은 낮은 폴 수에서 높은 폴 수까지의 발전 기계에 적용 가능하다. 그러나 본 구성의 장점은 특히 고정자 내에 저손실 재료의 사용이 일반적인 선로 주파수 이상의 주파수에서 동작과 조합하여 높은 폴 수의 사용을 허용하는 것 이다. 예를 들어, 소정의 실시예에서, 본 발명은 적어도 200 Hz의 정류 주파수로 동작하는 높은 폴 수를 갖는 브러쉬리스 영구 자석 전기 장치를 제공한다. 더욱 바람직하게는, 기계는 대략 500 Hz 보다 더 높은 정류 주파수에서, 더욱 더 바람직하게는 대략 500 Hz로부터 3 kHz 이상의 범위의 정류 주파수에서 연속적으로 동작하게 된다. 더욱 바람직하게는, 기계는 대략 600 Hz로부터 1200 Hz의 주파수 범위, 예를 들어 1000 Hz 에서의 여기 하에 동작한다.
Si-Fe와 같은 종래의 고정자 코어 재료가 높은 극수에 의해 필수적인 비례적으로 더 높은 주파수에서 동작할 수 없기 때문에, 설계자는 전통적으로 고속 기계를 위하여 높은 폴 수를 피해왔다. 특히, 특히, Si-Fe를 사용하는 종래의 장치는 재료 내의 자속 밀도의 변화로 야기되는 코어 손실 때문 400 Hz 이상의 자기 주파수에서는 스위칭될 수 없다. 이러한 제한을 넘어서는 경우, 코어 손실로 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, 나노크리스탈라인 및 최적화 Fe계 금속의 저손실 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 전동기 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 폴 수의 범위가 훨씬 더 넓어지도록 본 장치를 설계하는 것을 가능하게 한다. 본 장치 내의 폴 수는 허용할 수 있는 장치 크기(물리적인 제한) 및 기대되는 성능 범위에 기초하여 변한다. 허용가능한 여기 주파수 제한을 조건으로, 폴 수는 자속 누설이 바람직하지 않은 값까지 증가하거나 또는 성능이 감소하기 시작할 때까지 증가할 수 있다.
더 높은 여기 주파수를 이용할 수 있는 능력은 본 기계가 훨씬 더 넓은 범위의 가능한 폴 수를 가지면서 설계될 수 있게 한다. 본 장치에서의 폴의 개수는 실제로 생산할 수 있는 자석의 최소 크기, 허용가능한 기계 크기(물리적 제한) 및 예상되는 성능 범위에 따라 가변된다. 허용 가능한 여기 주파수 범위가 가해질 때, 폴의 개수는 자속 밀도 누출이 원하지 않는 값까지 증가하거나 또는 성능이 감소하기 시작할 때까지 증가한다.
바람직한 기계에서 폴과 슬롯 수는 96 이상일 수 있다. 풍력 발전기와 같은 소정의 저속 장치에서, 훨씬 더 높은 값(2배 이상)이 바람직하다. 제공된 기계는 동일한 속도로 동작할 때 보통 업계의 일반적인 장치보다 더 효율적이며, 그 결과, 더 큰 범위의 가능 속도를 제공한다. 본 구성은 매우 넓은 속도, 출력 및 정격 토크 범위를 갖는 기계 구성에 대하여 특히 매력적이며, 높은 에너지 효율, 높은 출력 밀도, 조립의 용이성, 비싼 연자성 재료 및 경자성 재료의 효율적인 사용을 결합된다. 실제로, 고정자 슬롯은 회전자 자석과 일치해야 하기 때문에, 회전자 폴의 개수도 고정자 구성이 수반하는 기계적 한계에 의해 제한된다. 이러한 기계적 및 전자기적 구속으로 인해 주어진 프레임 크기에 대하여 고정자 내에 구비될 수 있는 슬롯의 수가 제한된다. 구리(copper) 및 연자성 재료의 적절한 균형을 제공하는 주어진 고정자 프레임에 대한 슬롯의 수에 대한 상한을 결정하도록 일부 경계가 설정될 수 있다. 상기 균형의 조정은 우수한 성능을 가진 축상 공극 장치를 제작하는데 하나의 파라미터로 사용될 수 있다. 본 발명은 동일한 물리적 크기를 갖는 종래의 장치에 일반적인 폴 수에 최적으로 대략 4배 또는 5배인 전동기를 제공한다.
예를 들어, 6 내지 8의 폴을 가지며 대략 800 ~ 3600 rpm 속도에서 작동되는 종래 일반적인 전동기의 경우, 정류 주파수는 대략 100 ~ 400 Hz 이다. 대략 16 폴보다 더 큰 높은 폴 수이지만 1000 rpm 보다 작은 속도가 업계에서 사용가능하며, 이는 여전히 300 Hz 이하의 주파수에 대응한다. 이 대신에, 전동기는 상대적으로 낮은 폴 수(대략 6 폴보다 작은)와 3000 rpm 까지의 속도로 사용가능하며, 이는 400 Hz 보다 작은 정류 주파수에 대응한다. 다른 실시예에서, 본 발명은 1000 Hz에서 96 폴 및 1250 rpm; 1080 Hz에서 54 폴 및 3600 rpm; 1000 Hz에서 4폴 및 30,000 rpm; 및 1000 Hz에서 2 폴 및 60,000 rpm인 장치를 제공한다. 따라서, 본 발명의 전동기는 "표준" 전동기에 비교될 때 대략 4 ~ 5배 높은 주파수를 제공한다. 본 발명의 전동기는 동일한 속도 범위에서 작동할 때 업계의 일반적인 전동기 보다 더욱 효율적이며, 그 결과, 더 많은 속도 선택을 제공하게 된다.
슬롯/상/폴 비율
전기 기계의 슬롯/상/폴(a slot per phase per pole, SPP) 값은 고정자 슬롯 의 수를 고정자 권선 내의 상의 수 및 DC 폴 수로 나누는 것에 의해 결정된다(SPP = 슬롯/상/폴). 본 설명 및 SPP 값의 계산에서, 폴은 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 장착되는 영구 자석은 DC 장 및 그에 의한 DC 폴을 의미하는 시불변 폴 수를 제공한다. 다른 실시예에서, DC 전자석은 회전자 DC 장을 제공할 수 있다. 고정자 권선의 전자석은 변화하는 자기장, 즉 시간과 위치 모두에 대하여 변화하는 자기장을 제공한다. 슬롯은 본 장치의 고정자의 교대하는 톱니 사이의 간격을 말한다. 폴의 개수는 회전자의 각 회전 동안 각 고정자 톱니가 만나는 폴 쌍의 개수의 2배이다.
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 못하지만, 여전히 어떠한 장점도 없이 요구되는 배선(wire)의 양을 증가시키고 장치에서 발생하는 저항 손실의 원인이 된다. 또한, 종래의 구성에서의 낮은 SPP 값은 파워 일렉트로닉스 리플(power electronics ripple) 레벨, 수반하는 해로운 토크 변동을 상승시키는 경향이 있다. 그러므로, 기계 설계자의 목표는 처리 가능한 노이즈 및 코 깅(cogging)과 낮은 파워 일렉트로닉스 리플을 갖는 전동기를 여전히 제공하면서도 단부 감김을 최소화하는 것이다.
그러나, 개량된 저손실 재료의 사용은 슬롯 및 폴 수와 정류 주파수를 부수적으로 증가시킬수 있게 하여, 노이즈 및 코깅이 허용가능한 레벨로 유지될 수 있다. 따라서, 본 기계는 바람직하게든 대략 0.25 내지 4.0의 범위의 SPP 비로 구현된다.
예를 들어, 4상 구성은 48 슬롯 및 36 폴을 가질 수 있으며, 이는 SPP = 0.33이 되며, 반면, 3상의 실시예는 SPP = 0.25에 대하여 48 슬롯 및 64 폴을 가질 수 있다. 상이한 실시예에서, SPP 비는 0.25, 0.33, 0.5, 0.75, 1.0 또는 1.0보다 더 클 수 있다. 더욱 바람직하게는 SPP 비는 대략 0.25 내지 1 사이의 범위이다. 더욱 더 바람직한 실시예에서, SPP 비는 0.5 이다.
다수의 슬롯이 공통 자기부(common magnetic section)로 배선으로 연결된 실시예는 0.5 보다 큰 SPP 값을 갖는다. 이것은 회전자 폴보다 고정자 슬롯이 더 많이 있어, 분배된(distributed) 권선이 되는 결과이다. 반면, 0,5 이하의 SPP 값은 분포된 권선이 없다는 것을 나타낸다. 업계에서의 종래 기술은 고정자에 분포된 권선을 포함한다. 그러나, 분포된 권선은 SPP 값을 증가시켜 주파수를 감소시킨다.
일부 실시예에서, 작은 SPP 비와 분포된 권선을 갖는 기계는 규격 코일을 유익하게 사용한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "분포된 권선(distributed winding)"이라는 용어는 전술한 바와 같이 권선이 단일 톱니 대신에 복수의 톱니를 둘러싸는 고정자 코일을 나타낸다. 본 기계에 선택적으로 사용된 규격 코일은 사전에 형성될 수 있으며, 그 다음 테이퍼지지 않은 톱니 부분위로 활주된다. 3상의 wye 연결 구성이 종래 기술이지만, delta 연결도 고려된다. 또한, 본 기계는 일반에게 공지된 미국 특허 출원 제10/979,336호에 개시된 바와 같이 적층된 구성으로 배치된다. 그러나, 본 발명의 기술 분야에 공지된 임의의 권선 배열이 적용가능하다. 권선은 톱니 주위의 위치에 형성될 수 있으며, 또는 조립체로서 별도로 준비되어 톱니 단부 위로 활주될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 제공된 전기 기계의 상대적으로 높은 폴 수와 0.5 이하여 SPP 비를 이용하여, 회전자(및 일반적으로 회전자 구조)의 자석은 더 얇고 덜 비싸게 제작될 수 있다.
결선/권선 설계의 유연성
본 발명의 바람직한 실시예는 유익하게는 제조자가 다른 결선 구조를 사용하는 것을 허용하는 것이다. 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. 단일 톱니 코일은 주어진 애플리케이션에 의해 요구된는 임의의 전압을 제공하도록 용이하게 쉽 게 변경되고 재연결될 수 있다. 따라서, 단일 세트의 전동기 하드웨어는 단순히 코일을 변경함으로써 넓은 범위의 해결책을 제공할 수 있다. 일반적으로 코일은 전자기 회로에서 변형이 가장 용이한 부품이다.
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 독립적인 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 애플리케이션에서만 성공적이었다. 본 발명은 권선에 있어서 이러한 유연성을 가능하게 하는 SPP = 0.5 의 시스템을 성공적으로 제공한다.
열적 성질 및 효율
폐열을 충분히 소산시키는 능력은 가상적으로 모든 전기 기계의 출력 등급을 제한하는 인자이다. 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. 폐열이 회전 속도에 대하여 증가하지만, 종래 기계의 "연속 출력 한계(continuous power limit)"는 종종 허용될 수 없는 온도 상승을 방지하기 위하여 폐열을 충분히 소산하면서도 기계가 연속적으로 동작할 수 있는 최대 속도에 의해 정의된다. 또한, 연속 출력 한계는 저항(줄) 손실 때문에 전류에 대한 함수이다. 소정의 매우 높은 속도의 전동기를 제외하고, 본 명세서에서의 권선 보정은 종래의 교과서에 있는 수식을 이용한 전체 손실에 대한 편류 보정을 포함한다.
종종 기계 설계는 연속 동작을 위해 허용가능한 것으로 간주되는 단위 능동 표면적당 열 소산 비율상의 사전에 선택되고 고정된 한계의 제한을 이용하여 수행된다. 열 추출의 정밀 모드에 따라 상이한 값이 인가된다. 대류하는 열의 제거를 효과적으로 하기 위하여 장치 샤프트에 장착된 팬을 일반적으로 이용하여 주변 공기가 순환되는 개방 프레임을 포함한다. 외부 장치 표면만이 열을 발산하는데 사용가능한 폐쇄 프레임의 공냉 설계는 더 낮은 소산을 가정하여야만 한다. 특히 고속 전동기에 대한 더욱 많은 것을 요구하는 애플리케이션은 추출 속도를 개선하는 액체 순환, 상 변경 냉각, 열 파이프, 또는 다른 유사한 수단을 포함하는 더욱 이색적인 기술에 의존할 수 있다. 허용가능한 열 소산을 증가시켜, 주어진 기계 설계의 명백한 출력 및 토크 등급이 증가될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 최적으로 적용 가능한 고주파수, 높은 폴 수의 전기장치에서는, 비정질, 나노크리스탈라인 및 최적화 Fe계 금속 합금이 종래의 Si-Fe 합금보다 낮은 손실을 갖기 때문에, 발생하는 폐열이 적다. 개량된 연자성 재료를 사용하려는 이전의 시도는 일반적으로 기본 기계 구성을 변경하지 않고 가능성있게는 증가된 동작 주파수를 가지는 직접적인 대체를 포함하였다. 그러나, 설계자가 주파수, 속도 및 출력을 증가시키고, 저코어 손실과 옴 손실을 올바르게 균형 및 "교환"시킴으로써 상기 재료의 저 손실 특성을 유익하게 활용할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 전체적으로, 동일한 출력에 대해 본 발명에 최적으로 적용 가능한 고주파 수, 높은 폴 수의 전기장치는 종래의 장치보다 낮은 손실을 나타내며, 그로 인해 토크 및 속도가 높아지고, 따라서 종래의 장치보다 높은 연속 속도 제한을 얻을 수 있다.
통상적으로, 장치 효율은 유효 출력을 입력 전력으로 나눈 것으로 정의된다. 본 발명의 바람직한 구현은 높은 출력 효율을 보인다. 이것은 400 Hz의 표준 고주파수 제한을 넘어서는 것으로, 지금까지는 이러한 제한을 넘는 것은 거의 없었다.
본 발명의 소정의 바람직한 실시예는 높은 폴 및 슬롯 수를 사용하며, 종래에 이용된 400 Hz의 최대값보다 더 높은 동기 주파수로 동작한다. 이러한 높은 주파수는 보통 전체 회전자 손실을 허용될 수 없는 값까지 증가시키는 것으로 기대될 수 있다. 본 설계가 종래 기계에 사용된 것보다 훨씬 얇은 회전자 자석을 제공할 수 있다는 것은 놀랍고 예상치 못한 것이다. 어떠한 이론에 의해 구속되지 않으면서, 자석의 두께에서의 감소는 아마도 2가지 인가에 의해 이루어진 것으로 여겨진다. 먼저, 저손실 고정자 재료는 폴 수가 증가될 수 있게 하여, 각 폴 자석의 가로 크기를 감소시킨다. 따라서, 실질적으로 일정한 종횡비(즉, 상응하는 가로 치수에 대한 두께의 비)를 유지하면서도 자석의 두께가 감소될 수 있다. 다음므로 감소된 두께는 더 낮은 전체 자석 부피를 결과로서 제공하며, 이에 의해 자석의 손실 및 재료비를 감소시킨다. 다음으로, 고정자 면의 구리 마찰을 상수에 가깝게 유지하기 위하여, 높은 슬롯 수의 기계는 낮은 슬롯 수의 기계에 비하여 더 좁은 슬롯을 제공받는다. 이러한 좁은 슬롯은 회전자에 회전자의 운동 동안 넓은 슬롯에 비하여 회로 투자도(permeance)에서 더 작은 주기 변동을 제공한다. 이러한 양 인자는 회전자에서 자속 동요의 감소에 기여한다. 더 낮은 회전자 자속 동요는 더 낮은 회전자 와류 손실을 결과로서 제공한다. 이러한 실시예에 의해 사용된 얇은 자석의 결과로, 필요한 전체 자석의 중량은 종래 설계에서 사용된 중량 보다 실질적으로 더 낮다. 일반적으로 단위당 중량에 기초하여, 영구 자석은 전기 기계에서 가장 비싼 구성 요소이다. 유익하게는, 종래에 이용되는 최대 400 Hz보다 더 높은 동기 주파수로 동작하는 높은 폴 및 슬롯 수의 사용은 기계의 전체 크기 및 비용을 상당히 감소시키고, 그 효율을 두드러지게 개선한다.
그러나, 본 발명에서 적용 가능한 바람직한 고주파, 높은 폴 수의 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 전동기로 가공처리하는 비용과 함께, 상기와 같은 초기의 성능 실패는 업계의 연구 노력을 단념하게 한다.
본 바람직한 전기장치는 비정질, 나노크리스탈라인, 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. 본 기계의 바람직한 구현은 높은 폴 수, 높은 효율 및 높은 출력밀도로 400 Hz 이상의 정류 주파 수에서 동작에 대한 유익한 품질을 조합하여 갖는다. 종래의 방법이 4개의 특성 중 많아야 하나 또는 둘을 가지는 전동기를 제공하는 것이 가능한 반면에, 본 명세서서 제공되는 실시예에서의 고주파수, 높은 폴 수 전기장치는 4개의 특성 중 일부, 바람직하게는 모두를 동시에 나타낸다.
이상적인 직사각형 토크-속도 곡선
본 발명의 일 양태에서, 종래의 기계보다 더욱 직사각형에 가까운 토크-곡선으로 동작하는 전기 기계가 제공된다.
임의의 기계의 속도 및 토크 성능은 토크-속도 평면의 허용가능한 범위에 있는 영역으로서 그래프적으로 묘사될 수 있다. 이상적인 회전 기계는 각각에 대한 소정의 제한값까지 토크 및 속도의 임의의 조합으로 동작가능하다. 이러한 성능을 갖는 기계는 직사각형 토크-속도 곡선을 갖는 것으로 언급된다. 즉, 기계는 전체 정격 토크가 최대 정격 속도까지 가능하면서, 각각에 대한 허용가능한 한계까지 토크 및 속도의 임의의 조합으로 동작할 수 있다. 직사각형 토크-속도 곡선은 토크-속도 평면에서의 장치의 동작 영역의 최대 토크 및 속도를 정의하는 선의 일반적으로 수직인 교선 때문에 종종 스퀘어(square) 토크-속도 곡선이라 종종 불린다.
도 5A는 이상적인 직사각형 토크-속도 곡선에 대한 근사를 도시한다. 이것은, 케이스 1로서, 본 발명에 따라 설계된 전동기와 종래 전동기의 토크-속도 곡선을 포함하며, 속도는 수평축 상에 도시되며, 토크는 수직축 상에 도시된다. 임의의 폴 수가 비교 수단으로서 선택될 수 있지만, 양 기계에 대해 선택된 폴 수는 8 이었다.
실제로, 종래 기계의 직사각형 토크-속도 곡선은 상당히 제한된다. 소정의 상대적으로 낮은 속도 이상으로, 허용가능한 토크(수직축)는 빠르게 감소하여, 전체 열 생산에 대한 저항 기여의 지배에 의해 제한된다. 또한, 속도(수평축)는 증가하는 주파수에서 고정자 코일 손실의 증가에 의해 제한된다. 이 거동은 도 5A에서 개략적으로 도시된다. 비교하여, 본 발명의 전동기는 유사한 토크를 제공하지만, 훨씬 더 낮은 주파수 관련 손실 때문에 그 속도 범위는 매우 확장된다.
따라서, 종래의 전동기는 고속 범위에 대하여 낮은 토크를 제공하거나(낮은 전력) 저속 범위에 대하여 높은 토크를 제공하는데 있어서 제한된다. 본 발명은 그 양자를 제공할 수 있는, 즉 고속 성능과 결합된 높은 토크를 제공할 수 있는 전동기를 성공적으로 제공한다.
도 5B는 케이스 2를 도시하며, 36개의 폴을 갖도록 재설계된 본 발명의 바람직한 기계의 거동을 더 나타낸다. 코어 손실은 기계가 종래 기계와 유사한 속도 한계를 수반하도록 한다. 그러나, 고주파수에 의해 생성된 EMF의 결과, 주어진 토크에 대한 대응하는 저항 손실은 종래 기계에서 보다 본 발명에서 더욱 더 낮으며, 따라서, 본 발명이 열 한계를 초과하지 않으면서 전동기 토크를 증가시키도록 한다. 따라서, 저손실 재료의 특성을 발현한 결과로, 본 기계의 바람직한 구현은 신규의 재료와 상응하여 설계된 기계 구성의 결합 없이 종래의 장치의 임의의 최적화를 이용하여 얻을 수 없는 확장된 속도 및 토크 범위의 조합과 개선된 성능은 놀랍고 예측하지 못할 정도로 종래의 전동기보다 성능이 뛰어나다.
더욱 상세하게는, 본 발명의 전기 장치는 토크-속도 곡선에 종래 장치에 비교하여 곡선 아래의 영역의 영에 대한 상당한 증가를 제공한다. 증가된 곡선 아래의 영역은 주어진 설계를 위해 도달되는 훨씬 더 넓은 범위의 애플리케이션을 나타낸다. 출력이 속도에 대하여 선형으로 증가한다고 알려져 있다. 본 발명의 의해 제공된 바와 같이 증가된 장치 속도와 일정한 토크로, 장치는 허용가능한 열적 한계를 초과하지 않으면서 더 큰 출력 밀도, 즉, 고정된 크기에 대한 더 많은 출력을 가진다. 앞에서 제공된 케이스 1 및 2 모두에서, 본 발명의 전동기는 종래의 전동기보다 성능이 뛰어나다.
고속 기계 도구, 컴프레셔 전동기, 항공기 전동기 및 액추에이터, 및 데이터 저장을 위하여 컴퓨터와 다른 마이크로 전자기기 장치에 사용되는 자기 및 광학 디스크 드라이브용 스핀들 구동 전동기와 같은 넓고 다양한 영역을 포함하는 현재 기술에서의 다수의 애플리케이션은 주로 15,000 ~ 20,000 rmp을 초과하고 일부 경우에 100,000 rpm까지 가는 높은 속도로 동작가능한 전기 전동기를 요구한다.
전고조파 왜곡(Total Harmonic Distortion)
본 기계의 바람직한 실시예의 다른 이점은 부수하는 깨끗한 정형파 back EMF곡선이다. 이러한 곡선은 전고조파 왜곡(THD)의 낮은 값을 특징으로 한다. 높은 THD는 바람직하지 않으며, 부가적이고 비생산적인 전류 흐름을 나타내며, 부가적인 가열을 야기한다. 바람직한 설계는 5% 보다 작은 THD 값을 산출한다. 대략 1%보다 작은 THD 값이 더욱 바람직하다. 중요하게는, 일부 정규 대리점은 필요한 문턱 값 아래의 THD 값을 갖는 장치만을 보증할 것이다. 예를 들어, 소정은 THD 값이 유럽 CE 마크를 획득하기 위하여 충족되어여 한다.
0.5의 SPP 비는 더 정현파에 유사한 back EMF를 생성하는 경향이 있으며, 이 출력은 전자 기기에 의해 더 개선될 수 있다. 개량된 저손실 재료를 이용하는 것은 바람직한 SPP = 0.5 구성을 가능하게 하여, 바람직하게는 낮은 THD 값이 쉽게 얻어진다.
바람직한 설계 방법
본 발명의 다양한 바람직한 실시예들에 대한 적합한 설계를 결정하기 위한 방법이 도 12에서 설명된다. 여기에서 설계 방법은 주요 설계 방정식의 적절한 해석에 의해 기계는 상대적으로 적은 파라미터로 정의될 수 있다. 기계를 가능한한 적은 파라미터로 특정함으로써, 소정의 변수가 최대화될 수 있으며, 전기 기계는 주어진 속도에서 최적화될 수 있다. 도 12의 방법은 주어진 속도에서 최적화된 토크 및 이에 의한 최적화된 출력을 갖는 축상 공극 기계의 설계를 허용한다. 필적할만한 설계 방법이 다른 기계 구성에 적용된다는 것이 인식될 것이다.
이러한 기계를 설계하기 위하여, 기계는 먼저 가능한 한 적은 파라미터로 기계의 토크를 표한하는 단일 방정식으로 감소되어야 한다. 본 방법에서, 축상 공극 기계의 토크는 다음의 방정식에 따라 표현될 수 있다.
Figure 112008089502185-pct00001
여기에서,
τ = 전기 기계의 출력 토크(N·m);
j = 전류 밀도(A/mm2);
D = 고정자의 외경(mm);
h = 내경에서의 코어 포인트 톱니 폭(mm);
t = 고정자당 전체 슬롯;
x = 고정자에서의 절연으로부터 전체 낭비된 슬롯 폭(mm);
pf = 퍼센트 슬롯 충전으로서의 포장 인자;
L = 코어의 축길이(mm);
B = 피크 자속 밀도(T);
λ = 고정자 내경/고정자 외경 비
이다.
상기 변수 중 일부는 도 13에서 그래프 형태로 참조된다.
상기 식으로부터 알 수 있듯이, 적어도 9개의 중요한 설계 파라미터가 있다. 그러나, 어떤 설계 경우에서도 이들 변수들은 실제의 고려 사항에 의해 적어도 다소 제한된다. 예를 들어, 상기 식에서, 설계되는 기계의 종류에 따라, j, x, pf, L 및 B는 진정으로 변경되지 않는다. 이것은 λ, D, h 및 t만을 자유로운 파라미터로 남겨둔다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 설계자는 설계 유용성에 따라 D 및 t 값을 선택한다. 이는 h 및 λ에만 종속하는 토크 τ에 대한 식을 남긴다. 이러한 식의 그래프는 도 14에 도시된 바와 같은 표면 그래프를 결과로서 제공할 것이다. 토크 방정식을 λ에 관하여 미분하고 결과에 따른 식을 0으로 설정함으로써, 설계자는 모든 주어진 입력에 대한 최적 토크를 제공하는 λ 값을 풀이할 수 있다. 물론, 해는 0 < λ <1이라는 내재적인 기하학적 제한을 만족하는 경우에만 유효하다.
상기 설계 방법은 도 12에 도시된 플로우차트에 의해 요약된다. 기계의 설계자는 개량된 저손실 재료를 포함하는 고정자를 갖는 축상 공극 기계를 가정하고 원하는 높은 목표 속도를 선택한다. 다음으로, 대략 800 - 1200의 범위의 주파수, 예를 들어 1000 Hz의 주파수와 같은, 기계의 동기 주파수가 선택되고 폴 수는 f = N·P/2의 식에 따라 계산되며, 여기에서 계산된 폴 수를 사용하고 앞에서 논의된 바와 같이 바람직한 것으로서 SPP = 0.5라고 가정하여, 고정자 슬롯의 개수가 계산될 수 있다. 원하는 애플리케이션과 제한에 따라, 기계의 외경이 선택된다. 이것은 앞에서 제공된 토크 방정식에 따라 결정을 위하여 h 및 λ만을 남겨둔다. 그 다음, 토크 방정식은 λ에 대하여 미분되고, 결과에 따른 방정식은 0으로 설정된다. 이 방정식은 λ에 대하여 풀이된다. 0과 1 사이의 λ를 산출한 해가 모든 주어진 입력에 대한 최적 토크를 제공한다. 원한다면, 상기 과정은 반복적으로 적용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 설계 방법은 개량된 저손실 재료를 이용하는 효율적이고 높은 출력의 전기 장치의 바람직한 실시예를 제공한다. 물론, 바람직한 실시예 외의 다른 실시예 및 설계가 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 고려될 수 있다.
전력 및 토크 밀도
바람직한 실시예에서, 본 발명은 체적 또는 중량에 기초하여 측정된 높은 출력 및 토크 밀도를 갖는 기계를 제공한다. 즉, 기계는 유효 중량 및 유효 체적당 높은 값의 가용 토크 및 출력과 낮은 값의 폐열을 나타낸다.
비교를 위하여, 회전 기계의 "유효 재료(active material)"라는 용어는 예를 들어, 회전자 및 고정자에 사용된 연자성 및 경자성 재료와 절연제를 포함하는 도전성 와이어(보통 구리 또는 알루미늄)와 같은 토크를 발생시킬 목적으로 전류 또는 자속을 운반하는 모든 물질을 포함한다는 것을 알 수 있다. "유효 중량(active mass)"이라는 용어는 기계에서의 유효 재료의 전체 중량인 것을 알 수 있다. 회전 기계의 "유효 체적(active volume)" 및 "유효 면적(active area)"이라는 용어는 각각 기계에서의 유료 재료의 최외각 지름 및 길이 정도에 의해 정의되는 지름과 길이를 갖는 직원기둥의 체적과 표면적을 의미한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 유효 체적 및 면적은 기계의 외부 케이스나 냉각 팬의 구조를 포함하지 않는다. 현재의 기계는 특히 열 추출이 큰 문제가 되는 폐쇄형 프레임에서 열 전달을 최소화하기 위하여 이러한 구조를 종종 포함한다. 실제 기계 설계에서 이러한 부분과 관 련된 면적 및 체적의 양은 크게 변한다. 이들을 배제하는 것은 본 기계에 의해 가능한 효율에서의 기본적인 개선을 반영하지 않는 명백하지만 실체가 없는 이점에 의해 왜곡되지 않는 공정한 비교를 가능하게 한다.
전술한 바와 같이, 회전 기계의 설계는 많은 수의 치수 및 동작 파리미터의 선택 및 적합한 자성 재료의 선택을 수반한다. 따라서, 상이한 설계 사이의 성능 비교는 예를 들어, 단위 중량당, 단위 체적당 또는 단위 표면적당 등과 같은 정규화된 기준 상에서 가용 출력 및 토크와 폐열 출력과 같은 중료한 정량적 파라미터를 참조함으로써 용이해진다. 이러한 비교는 실제 개선이 아닌 부적합한 비교로부터 발생하는 명백하지만 실제가 아닌 이점을 갖는 설계를 검토하는 것을 방지하는데 도움을 준다. 예를 들어, 과도 설계되고 과도한 크기의 유닛의 효율은 더 작은 기준 설계보다도 더 크게 나타날 것이다. 또한, 특히 자성 재료가 종종 기계의 가장 비싼 구성 요소이기 때문에 추가 크기는 비용을 바꿀 수 없게 증가시킨다. 또한, 유효하기 위하여, 비교는 동일한 듀티 사이클에 대하여 의도된 기계를 포함하여야만 한다. 주어진 기계가 짧은 지속 시간 동안 또는 단속적인 듀티 동안에 동일한 조건에서 연장되거나 연속적인 동작 동안보다도 훨씬 더 높은 출력을 전달할 수 있다. 부하 하에서 연장된 기간 동안의 짧은 듀티 사이클만을 위하여 설계된 기계를 동작시키는 것은 그 가용 수명을 단축시키는 것이 거의 확실하고, 과열시켜 거의 즉시로 태우게 할 것이다.
회전 기계 기술 분야에서 일반적인 바와 같이, 영구 자석 기계의 손실은 발전기로서 기계를 동작시킴으로서, 특히 토크를 발생시키는 주 원동기를 기계 샤프 트에 연결시키고 각 상의 권선을 순저항성 전기 부하에 연결시킴으로써 확인될 수 있다. 손실은 기계적 출력 입력(2πτN/60, 여기에서, N은 rpm 단위로 측정)에서 발전기에 의해 생성된 유효 출력(저항성 부하에서의 전체 i2R 소비)을 빼서 결정된다. 이러한 특성은 기계 자체의 거동이 전동기 모드에서의 기계의 시험 및 동작을 위해 필요할 수 있는 특정 파워 일렉트로닉스의 거동과 분리되어 연구되도록 한다.
과열을 방지하기 위하여 열이 추출되어야만 하는 전기 및 전자 설비의 설계는 단위 표면적당 열 추출의 가능성 있는 속도의 가정된 값에 가끔 전제된다. 일반적으로, 충분한 열이 기계 내의 과도한 내부 온도 상승을 방지하기 위하여 소산되어야만 한다. 온도 상승은 전기적 절연의 고장, 되돌릴 수 없는 회전자 자화 손실 및 다른 심각한 결과를 방지하기 위하여 제한되어야만 한다. 예를 들어, 경험에 의해, 다양한 종류의 전기 및 전자 부품의 표면은 대략 100℃ 이상으로 온도를 상승시키지 않고서 정체된 실내 공기에서 대략 0.2W/cm2를 연속적으로 소산할 수 있다. 열 파이프와 같은 더욱 이색적인 수단이 하는 바와 같이, 흐르는 공기 또는 액체를 이용하여 부품을 강제 냉각시키는 것은 더 높은 한계를 허용한다. 회전 기계 설계에서, 0.4 W/cm2의 연속적인 소산이 예를 들어 송풍기를 갖는 개방형 프레임을 이용하는 강제 공기 냉각으로서 종종 간주되며, 0.6 W/cm2는 액체 냉각을 필요로 할 것이다.
다양한 구현에서, 본 장치는 연속 동작 동안 폐열이 추출되게 하기에 충분히 낮은 높은 효율과 손실을 유지하면서 높은 출력 및 토크 밀도를 제공한다. 특히, 폐열은 예를 들어, 액체 냉각, 열 파이프, 상 변경 매체, 또는 이와 유사한 것과 같은 더 높은 열 전달을 제공하는 장치뿐만 아니라 개방형 및 폐쇄형 공기 냉각 장치에 적합한 상이한 실시예에서 추출될 수 있다.
예를 들어, 구현은 적어도 대략 2.5 N-m/kg의 토크 밀도와 최대 대략 0.2 W/cm2의 손실 밀도를 갖는 기계를 제공하며, 이 값들은 저항성 부하에 연결된 발전기로서의 기계의 연속 동작 동안 적어도 대략 500 Hz의 주파수에서 전기 출력을 제공하는 회전 속도에서 측정된다. 다른 구현에서, 기계는 연속적인 750 Hz 동작 동안 적어도 대략 3.4 N-m/kg의 토크 밀도 및 최대 대략 0.4 W/cm2의 손실 밀도를 제공한다. 또 다른 기계는 연속적인 1000 Hz 동작 동안 적어도 대략 3.8 N-m/kg의 토크 밀도 및 최대 대략 0.6 W/cm2의 손실 밀도를 제공한다. 더욱 바람직하게는, 기계는 기계는 연속적인 750 Hz 동작 동안 적어도 대략 6.0 N-m/kg의 토크 밀도 및 최대 대략 0.4 W/cm2의 손실 밀도를 제공한다. 가장 바람직하게는, 연속적인 1000 Hz 동작 동안 적어도 대략 8.0 N-m/kg의 토크 밀도 및 최대 대략 0.6 W/cm2의 손실 밀도를 제공한다.
다음의 실시예들은 본 발명의 더욱 완전한 이해를 제공하기 위하여 제공된다. 본 발명의 원리 및 실시를 예시하기 위하여 설명된 특정 기술, 조건, 재료, 비율 및 보고된 데이터는 예시적이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어 서는 안된다.
실시예
비교예 1 - 2 및 실시예 1 - 3
회전 기계의 구성 및 성질
아래의 표 II는 종래 기술의 소정의 발전 기계와 본 발명에 따른 기계의 특성을 설명한다. 비교예 1 - 2는 각각 IEEE IAS(2002. 7. 2)에서 기에라스(Gieras) 등에 의해 발행된 10 kW, 750 rpm 비철(ironless) 디스크형 영구 자성 브러쉬리스 전동기, 및 종래의 고정자 및 회전자 코어를 갖는 동일한 10 kW, 750 rpm 이다. 실시예 1 - 3은 본 발명에 의한 전동기의 실시예이다.
<표 II>
설계 파라미터 및 성능의 비교
파라미터 단위 비교예 1
코어를 갖는 원1 		비교예 2
비철 디스크형2 		실시예 1 실시예 2 실시예 3
전력 kW 10 10 10 12.4 10
속도 rpm 750 750 750 750 750
토크 N-m 133 131 131 158 128
효율 % 91.4% 92.5% 92.3% 92.1% 93.5%
전류 밀도 A/mm2(rms) 4.2 4.2 9 10 6.3
영구 자석 재료 kg 1.57 12.4 2 1.9 1.8
전체 유효 재료3 kg 35.3 17.0 23 13.8 17.5
유효 재료비4 $ 121 859 527 244 266
출력 밀도 W/kg 283 588 435 899 571
토크 밀도 N-m/kg 3.8 7.7 5.7 11.4 7.3
주파수 Hz 100 100 225 400 488
권선 OD mm 360 360 300 360 360
단위 유효 면적당 열소산 자연 냉각 자연 냉각 1 W/in2 = 0.16 W/cm2 1 W/in2 = 0.16 W/cm2 1.3 W/in2 = 0.20 W/cm2
1 종래의 철 코어 전동기 (기에라스 등에 의해 제공된 데이터)
2 기에라스 등의 비철 디스크형 설계
3 샤프트 중량을 제외하기 위하여 보정된 기에라스 등으로부터의 유효 재료 중량 데이터
4 기에라스 등에 의해 제공된 FeNdB 영구 자석, 구리 권선 및 종래의 연자성 재료에 대한 각각 $65, 5.50 및 1.25의 kg당 비용, 및 실시예 1-3에서 사용된 개량된 연자성 재료의 kg 5.50에 바탕을 둔 유효 재료비
표 II에 나타낸 바와 같이, 본 명세서에 개시된 본 발명에 따라 설계된 실시예 1 - 3은 전동기 모드에서 동일하거나 더 큰 전력, 동일한 속도, 동일하거나 더 큰 토크, 거의 동일한 효율, 및 더 큰 전류 밀도를 (저코어 손실의 결과로서) 제공한다. 놀랍게도, 본 발명의 전동기는 기에라스 등의 전동기 또는 종래의 전동기보다 영구 자석 재료 및 유효 재료를 전반적으로 덜 사용한다. 또한, 표 II는 적합한 파워 일렉트로닉스를 이용하는 전동기 모드에서 본 발명은 기에라스 등의 기계 보다 유효 재료의 kg 당 동일하거나 더 나은 토크를 갖고, 덜 비싸고, 유사한 열적 등급을 가지면서 더 훨씬 더 높은 주파수(2배 또는 그 이상)에서 동작하는 기계를 제공한다. 이것은 본 실시예에 대한 비정형 금속의 유익한 특성 발현을 통해 달성된다.
비교예 3 - 6 및 실시예 4 - 5
회전 기계의 구성 및 성질
표 III은 본 발명의 전동기(실시예 4 - 5)의 설계 파라미터 및 성능의 비교예 3 - 6와의 비교를 제공하며, 비교례 3 - 6은, 각각 IEEE IAS(2002. 7. 2)에서 쿠(Qu) 등에 의해 발행된 바와 같은 듀얼 회전자, 방사상 자속, 도넛형 권취 및 영구 자석 기계(RFTPM), 내부 영구 자석 기계(IPM), 및 축상 자속 도넛형 권취 영구 자석 기계(AFTPM)이다. 실시예 4 - 5는 510 Hz의 주파수에서 동작한다. 표 III은 본 발명의 전동기가 주어진 속도에 대하여 더 큰 토크를 제공하고 적합한 파워 일렉트로닉스를 이용한 전동기 모드에서의 동작 동안에 더 높은 효율을 제공한다.
표 III
설계 파라미터 및 성능의 비교
비교예 3
IMa 		비교예 4
IPMc
(NdFeB)		 비교예 5
AFTPMd
(페라이트)		 비교예 6
RTFTPMe
(페라이트)		 실시예 4 실시예 5
출력 hp 3 4.96 1.18 2.98
전력 kW 2.2 3.7 0.9 2.2 2.6 2.6
토크 N-m 12.18 20.2 3 11.78 14 14
속도 rpm 1755 1750 2800 1800 1800 1800
부피 cm3 8092b 10391 1272 2730 1484 1903
무게 kg 35.4 48 5.5 11.76 5.5 7.8
토크 밀도 N-m/kg 0.34 0.42 0.55 1.00 2.55 1.79
토크 밀도 N-m/cm3 0.0015 0.0019 0.0024 0.0043 0.0094 0.0074
효율 % 82.5% 88.0% 83.0% 87.1% 86.6% 90.4%
손실 W 475 505 180 329 402 276
유효 면적 cm2 2442 2884 712 1184 789 931
손실 밀도 W/cm2 0.19 0.17 0.25 0.28 0.51 0.30
a GE 모델 #5K182BC218A 전동기, 쿠 등에 의해 제공된 데이터
b 팬과 열 싱크를 위한 여유 배제
c 야사카와 전기 Co. 전동기, 쿠 등에 의해 제공된 데이터
d 레테리코 카리치 설계, 쿠 등에 의해 제공된 데이터
e 쿠 등에 의해 설계된 방사상 자속, 도넛형 권취, 영구 자석 기계
실시예 6
본 발명의 회전 기계의 구성과 특성
3상 축상 공극 전동기(실시예 6)가 전술한 개념에 따라 설계된다. 전동기의 자기 고정자 코어는 Metglas® 합금 2605SA1이며, 동일한 간격으로 이격된 54의 톱 니로 슬롯가공된다. 고정자 권선은 실온에서 대략 0.011Ω의 저항을 갖는 코일의 26±1 회전수의 단일 층이다. 회전자 조립체는 36 MGOe 보다 더 큰 최대 에너지 곱(energy product) 및 21 kOe보다 더 큰 본질적인 보자력장(intrinsic coercive field)을 갖는 희토-철-보론 자석 합금으로 이루어진 36 회전자 자석를 이용하여 구축된다. 자석은 대략 65×14×8mm의 크기이며, 8mm 치수를 따라 자화된다. 이들은 회전자 플레이트에서 교번하는 극성을 갖도록 배열된다. 적합한 파워 일렉트로닉스를 이용한 전동기 모드에서 본 전기 기계의 대표적인 성능 특성은 아래의 표 IV에서 설명된다.
표 IV
본 발명의 회전 기계의 예시적인 성능
특성 단위
인버터 Vrms 라인 320
실제 출력 전력 kW 80.9
샤프트 토크 N-m 214
속도 rpm 3600
효율 94%
기계 냉각 액체
폴 쌍 18
고정자당 슬롯 54
SPP 0.5
유효 기계 크기
외경 mm 290
길이 mm 72
전기적 특성
Ke Vrms/krpm 라인 66
Ke의 THD 2.9%
상(phase)당 저항 mΩ 11.8
상당 인덕턴스 μH 85.8
유효 재료 중량
NdFeB 자석 kg 2.0
구리 kg 3.7
비정질 금속 kg 19.1
토크 밀도
단위 유효 중량당 N-m/kg 8.0
단위 유효 체적당 N-m/cm3 0.045
실시예 6의 기계는 전동기 모드로 동작될 때 예를 들어 높은 출력 토크 밀도, 높은 전기 효율 및 자성 재료의 효율적 사용과 같은 특징의 유익한 조합을 나타낸다.
비교예 7
종래 기계의 구성 및 특성
대표적인 전기 기계(비교예 7)가 종래 기술에 따라 설계된다. 본 기계는 축상 공극, 12 폴 및 18 슬롯을 갖는 3상 구성을 가지며, 360 Hz 여기에서 3600 rpm의 회전 속도를 산출한다. 기계의 유효 체적은 고정자의 290 mm의 외경과 150 mm의 축상 길이에 의해 정의된다. 사용된 자성 재료 26 게이지 M19 SiFe, 무방향성 연자성 전기 강판 및 공칭 39 MGOe FeFdB 영구 자석이다.
발전기 모드에서의 비교예 7 기계의 손실은 각 상의 권선을 순 저항성 부하에 연결하고 외부 주 원동기로부터 인가된 토크에 의한 필수 회전 속도에서 기계 사프트를 회전시킴으로써 결정된다. 여기에서 스핀 손실(spinning loss)은 전기 부하가 끊어진 상태에서 원하는 속도로 샤프트를 회전시키는데 필요한 토크를 측정함으로써 결정된다. 아래의 표 V는 스핀 손실 밀도를 설명하며, 각 상에서 500 Hz, 750 Hz 및 1000 Hz에서의 상 출력에 대응하는 5000, 7500 및 10,000의 속도로 회전하는 비교예 7에 대하여 단위 유효 면적당 와트 단위(W/cm2)로 표현된다.
표 V
비교예 7의 스핀 손실 밀도
회전 속도
(rpm)		 전기 주파수 (Hz) 스핀 손실 밀도
(W/cm2)		 라운딩된(rounded)
스핀 손실 밀도
(W/cm2)
5000 500 0.28 0.2
7500 750 0.51 0.4
10000 1000 0.77 0.6
비교의 기준을 제공하기 위하여, 스핀 손실 밀도는 표 7의 마지막 칼럼에 도시된 바와 같이 기계 구성의 최적화를 위한 임의의 가능성을 설명하는 약간 낮은 값으로 라운딩된다. 라운딩된 값은 본 발명의 기술 분야에서 일반적인 표준 자성 재료 및 구성을 사용한 기계 설계로 어떤 것이 알맞게 획득되는가를 나타낸다. 예를 들어, 리츠(Litz) 와이어로 종래의 도전성 와이어 권선을 대체하는 것은 AC 저항 손실을 실질적으로 제거할 수 있으며, 회전자 손실은 세그먼트화에 의해 최소화될 수 있다. 양 가정은 이상적인 기계 거동을 나타내어, 이들을 채용하는 것은 임의의 실제 동작 기계의 실제 손실을 줄이는 것으로 알려진다. 따라서, 라운딩된 손실을 이용한 비교는 실제 실현되는 것보다 훨씬 더 유리한 점에서 비교예 7 기계 와 같은 기계의 특성을 제공한다.
또한, 결과에 따른 0.2, 0.4 및 0.6 W/cm2 값도 다양한 냉각 방법에서의 일반적으로 허용되는 한계의 관점에서 검토되어야만 한다. 특히, 외부로 부과된 공기 순환이 없는 폐쇄형 프레임 기계는 주면 공기의 대류에 의해 대략 0.2 W/cm2을 연속적으로 소산하는 것으로 기대된다. 개방형 프레임 기계에서 송풍기로 공기를 강제로 순환시키기나 냉각 액체를 순환시키는 능동 냉각 기술이 각각 대략 0.5 및 0.8 W/cm2의 소산을 유지할 수 있는 것으로 간주된다.
실시예 7 - 13
본 발명의 회전 기계의 설계 및 특성
본 발명에 따라 설계된 여러 가지 예시적인 전기 기계가 아래의 표 VI에서 비교예 7의 기계와 함께 설명된다. 이들 기계 각각은 5번째 칼럼에 기재된 슬롯 수와 SPP = 0.5을 갖는 축상 공극 3상 구성을 갖는다. 동기 주파수비는 두번째 칼럼에 나열된 바와 같다. 전체 유효 재료 반지름 및 축상 길이는 칼럼 3 및 4에 도시된다. 각 기계에 사용된 FeNdB 자성 재료는 공칭 39 MGOe 에너지 곱을 갖는다. 비교예 7 기계는 종래의 M19 SiFe 전동기 라미네이션을 이용하지만, 실시예 7은 본 명세서에서 설명된 개량된 연자성 재료를 이용한다.
표 VI
회전 기계 구성
실시예 Kf
(1000 rpm당 Hz)		 유효 반지름(mm) 유효 길이(mm) 고정자당 슬롯 유효 재료 중량(kg) 유효 표면적(cm2) λ
(IR/OR)
비교예 7 100 144.2 149.2 18 34 2659 0.60
7 300 97.8 80.2 54 8 1094 0.64
8 267 105.8 71.2 48 9 1176 0.60
9 300 144.8 77.2 54 21 2020 0.53
10 167 186.7 119.0 30 59 3586 0.51
11 500 215.7 94.4 90 47 4203 0.61
12 400 217.2 74.0 72 37 3974 0.65
13 400 286.7 97.0 72 100 6912 0.55
본 발명의 기계의 실시예 7 내지 13에 대한 스핀 손실 밀도(유효 재료 면적당 스핀 손실)는 무부하에서 테스트된다. 비교예 7 기계에 대한 비교값은 표 5로부터 반복되어 표시된다. 임의의 이러한 기계가 전동기로서 동작할 때, 스핀 손실을 극복하기에 필요한 값 이상의 전류 흐름은 사용가능한 토크 출력을 결과로서 제공한다. 그러나, 전류 흐름은 고정자 권선에서 부가적인 저항 손실을 생성하여, 추출되어야만하는 부가적인 열을 제공한다. 표 VII은 500, 750 및 1000 Hz에서, 3개의 해당하는 주파수에서 0.2, 0.4 및 0.6 W/cm2의 임계 전체 손실 밀도를 초과하지 않는 상 여기(phase excitation)에 대응하는 회전 속도에 대한 이러한 기계 각각에서 사용가능한 토크 밀도의 양(단위 유효 재료 중량당 사용가능한 토크)의 계산을 설명한다. 이러한 전체 손실 밀도는 0의 전달 토크 및 사용가능한 토크를 제공하는 데 필요한 초과 전류로부터의 초과 저항 손실 모두를 포함한다. 비교예 7에 대하여, 스핀 손실 혼자서는 선택된 임계 손실 밀도값에 도달할 수 없기 때문에, 500, 750 및 1000 Hz 중 어디에서도 알맞은 토크가 사용가능하지 않다. 비교 로써, 본 발명의 실시예 7 - 13의 기계 모두는 특정 손실 밀도를 초과하지 않으면서 사용가능한 소정의 토크 양을 제공한다.
표 VII
스핀 손실 및 사용 가능한 토크 밀도
실시예 스핀 손실 밀도
(W/cm2)		 사용 가능한 토크 밀도
(N-m/kg)
1000 Hz 750 Hz 500 Hz 1000 Hz 750 Hz 500 Hz
비교예 7 1.09 0.69 0.37 * * *
7 0.10 0.06 0.04 3.8 3.4 2.6
8 0.10 0.06 0.04 5.1 4.3 3.2
9 0.14 0.09 0.05 5.8 4.9 3.5
10 0.30 0.19 0.10 4.1 3.5 2.5
11 0.16 0.10 0.06 7.1 6.6 5.1
12 0.13 0.08 0.05 9.8 8.4 6.1
13 0.19 0.13 0.07 8.3 7.0 5.0
* 사용 가능한 토크 없음
전술한 예는 본 발명을 구현하는 바람직한 기계에서 고속에서 개선된 손실 효율과 알맞은 토크의 사용가능성을 나타낸다. 반면, 종래 기술에 따라 설계되고 구성된 기계는, 예측 가능한 최적화를 이용하더라도, 유용한 토크를 제공하기 위하여 설명된 고속 영역에서 동작할 수 없다. 즉, 종래의 기계는 지속된 동작이 가능하지 않은 지점까지 과열되지 않고서는 전술한 유익한 특성들의 조합을 제공할 수 없다. 따라서, 전기 기계적 요구 사항은 더 작고, 전력 소모에 있어서 더욱 효율적이며, 이전에 가능하였던 것보다 더 신뢰성있는 본 명세서에서 설명된 방법에 따라 설계된 기계에 의해 충족될 수 있다.
표 VIII
500 Hz 여기에 대한 스핀 손실 및 사용가능한 토크 밀도
실시예
 스핀 손실 밀도
(W/cm2)
500 Hz		 사용 가능한 토크 밀도
(N-m/kg)
0.6 W/cm2 0.4 W/cm2 0.2 W/cm2
비교예 7 0.37 2.3 0.9 *
7 0.04 3.7 3.4 2.6
8 0.04 5.1 4.4 3.2
9 0.05 6.0 5.1 3.5
10 0.10 4.8 4.0 2.5
11 0.06 6.9 6.7 5.1
12 0.05 10.1 8.6 6.1
13 0.07 9.0 7.5 5.0
* 사용 가능한 토크 없음
표 VIII은 비교예 7 및 실시예 7 - 13의 기계의 토크 성능을 나타낸다. 500 Hz에서의 각 기계의 스핀 손실 밀도는 표 VII로부터 반복된다. 또한, 3개의 상이한 허용가능한 열 소산, 즉, 표 VII의 500Hz에 대하여 사용된 0.2 W/cm2 및 0.4 W/cm2와 0.4 W/cm2의 증가된 값에 대하여 허용가능한 토크 밀도가 설명된다. 표 VIII의 모든 데이터는 500 Hz의 동기 전기 주파수에 대응하는 회전 속도에서 동작하기 위한 것이다. 더 높은 열 소산을 허용함으로써, 더 많은 전류가 각 경우에 있어서 상 권선을 통과할 수 있으며, 이에 의해 사용가능한 토크를 증가시킨다. 전술한 바와 같이, 비교예 7의 기계는 500 Hz에서 스핀 손실 밀도 혼자서만 0.28 W/cm2로 소산하며, 따라서, 이 소산 레벨에서 유용한 토크를 제공할 수 없다. 한계 를 0.4 또는 0.6 W/cm2로 완화하는 것은 비교예 7의 장치가 일부 유용한 토크를 생성하도록 하지만, 사용가능한 양은 실시예 7 - 13으로 수반가능한 것보더 단위 중량 비교에서 여전히 훨씬 더 낮다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예로 상세히 설명하였지만, 현재의 대표적인 바람직한 실시예로서 본 명세서에 설명된 전기 장치는 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 한정하려고 의도되지 않는다. 이에 대한 변경 및 다른 실시가 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발생할 것이며, 이는 첨부된 특허 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 기술적 사상 내에 포함된다.
다양한 대체물 및 수정물이 본 발명의 범위 및 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 본 명세서에 기재된 본 발명에 이루어질 수 있다는 것은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 예를 들어, 축상 공극 전기 기계가 본 명세서에서 일반적으로 설명되었지만, (i) 방사상 공극 기계; (ii) 방사상 공극 가로 자속; 및 (iii) 선형 기계와 같은 다른 종류의 전기 기계가 본 명세서에 개시된 원리에 따라 설계될 수 있다. 또한, 전기 기계는 유도 기계, 동기 기계, 동기 저항 기기, 스위치 저항 기기 및 dc 전자석 기기 등과 같은 영구 자석 기계가 아닌 다수의 전기 기계를 포함할 수 있다. 또한, 다른 종류의 회전자 및/또는 고정자 권선 스킴도 모두 본 발명의 범위 내에 있다. 따라서, 이러한 추가적인 실시예도 본 발명 및 다음의 특허청구범위 내에 있다.
구성 요소 또는 한정이 그 구성 요소 또는 한정과 관련된 다양한 상이한 개수 및 치수로 설명되지만, 추가적인 실시예에서, 그 구성 요소 또는 한정은 범위의 종점(endpoint)으로서 제공된 특정 값들 중 임의의 2개를 선택하여 특정된 범위 내에 있다. 이 범위는 이와 반대로 분명하게 설명된 바가 없다면 종점을 포함한다.

Claims (43)

  1. (a) 저손실 연자성 재료로 이루어진 자기 코어를 포함하고 적어도 하나의 전기 상에 연결되는 고정자 권선으로 권취된 복수의 슬롯을 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체; 및
    (b) 복수의 회전자 폴을 포함하고, 복수의 영구 자석을 구비하며 상기 적어도 하나의 고정자 조립체와의 자기적 상호 작용을 위해 마련되고 배치된 적어도 하나의 자기장 조립체;
    를 포함하고,
    토크 밀도는 적어도 2.5 N-m/kg이고 손실 밀도는 최대 0.2 W/cm2 이며, 상기 토크 밀도의 값과 상기 손실 밀도의 값은 저항성 부하에 연결되고 적어도 500 Hz의 주파수에서 전기 출력을 제공하는 회전 속도에서 발전기로서 연속 동작 동안에 측정된,
    고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토크 밀도는 3.4 N-m/kg이고 상기 손실 밀도는 최대 0.4 W/cm2이며, 상기 토크 밀도와 상기 손실 밀도의 값은 저항성 부하에 연결되고 적어도 750 Hz의 주파수에서 전기 출력을 제공하는 회전 속도에서 발전기로서 연속 동작 동안에 측정된 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토크 밀도는 3.8 N-m/kg이고 상기 손실 밀도는 최대 0.6 W/cm2이며, 상기 토크 밀도와 상기 손실 밀도의 값은 저항성 부하에 연결되고 적어도 1000 Hz의 주파수에서 전기 출력을 제공하는 회전 속도에서 발전기로서 연속 동작 동안에 측정된 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 토크 밀도는 6.0 N-m/kg이고 상기 손실 밀도는 최대 0.4 W/cm2이며, 상기 토크 밀도와 상기 손실 밀도의 값은 저항성 부하에 연결되고 적어도 750 Hz의 주파수에서 전기 출력을 제공하는 회전 속도에서 발전기로서 연속 동작 동안에 측정된 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 토크 밀도는 8.0 N-m/kg이고 상기 손실 밀도는 최대 0.6 W/cm2이며, 상기 토크 밀도와 상기 손실 밀도의 값은 저항성 부하에 연결되고 적어도 1000 Hz의 주파수에서 전기 출력을 제공하는 회전 속도에서 발전기로서 연속 동작 동안에 측정된 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연자성 재료는,
    L이 W/kg 단위의 손실이고,
    f는 kHz 단위의 주파수이고,
    B는 테슬라(Tesla) 단위의 피크 자속 밀도일 때,
    L = 12·f·B1.5 + 30·f2.3·B2.3의 수학식으로 주어지는 "L" 보다 더 작은 코어 손실에 의해 특정되는 개량된 저손실 재료인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 개량된 저손실 재료는 비정질 금속, 나노크리스탈라인 금속 및 최적화 Fe계 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 저손실 연자성 재료는 비정질 금속인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 저손실 연자성 재료는 나노크리스탈라인 금속인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 저손실 연자성 재료는 최적화 Fe계 합금인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 영구 자석 전자기 장치는 축상 공극 장치인 것을 특징으로 하는 것을 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 영구 자석 전자기 장치는 2개의 고정자 조립체 및 상기 2개의 고정자 조립체 사이에 있는 1개의 자기장 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 자기 코어는 단일 자기 코어인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단일 자기 코어는 단일체 자기 코어인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 영구 자석 전자기 장치는 방사상 공극 장치인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 영구 자석 전자기 장치는 500 Hz보다 더 큰 정류 주파수에서 연속적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 영구 자석 전자기 장치는 500 Hz 내지 3 kHz 사이의 범위의 정류 주파수에서 연속적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 영구 자석 전자기 장치는 600 Hz 내지 1200 Hz 사이의 범위의 정류 주파수에서 연속적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 영구 자석 전자기 장치는 5000 Hz의 정류 주파수에서 연속적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 영구 자석 전자기 장치는 주변 공기 냉각의 폐쇄형 프레임 설계이며, 주변 위로 최대 100℃의 온도 상승을 가지면서 적어도 500 Hz의 동기 주파수에 대응하는 회전 속도로 연속적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  21. 제4항에 있어서,
    상기 영구 자석 전자기 장치는 강제 공기 냉각 설계이며, 주변 위로 최대 100℃의 온도 상승을 가지면서 적어도 750 Hz의 동기 주파수에 대응하는 회전 속도로 연속적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  22. 제5항에 있어서,
    상기 영구 자석 전자기 장치는 액체 냉각 설계이며, 주변 위로 최대 100℃의 온도 상승을 가지면서 적어도 1000 Hz의 동기 주파수에 대응하는 회전 속도로 연속적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  23. 제1항에 있어서,
    슬롯/상/폴 비는 0.25 내지 4.0의 범위인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 슬롯/상/폴 비는 0.25 내지 1.0의 범위인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  25. 제24에 있어서,
    상기 슬롯/상/폴 비는 0.5인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 회전자 폴은 12,000 rpm 보다 더 큰 속도에서 적어도 4인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 회전자 폴은 적어도 16 폴인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 회전자 폴은 적어도 32 폴인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 권선은 3상 전기에 연결된 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 조립체는 회전자인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 영구 자석 전자기 장치는 브러쉬리스 영구 자석 DC 기계인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치.
  32. 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) L이 W/kg 단위의 손실이고,
    f는 kHz 단위의 주파수이고,
    B는 테슬라(Tesla) 단위의 피크 자속 밀도일 때,
    L = 12·f·B1.5 + 30·f2.3·B2.3의 수학식으로 주어지는 "L" 보다 더 작은 코어 손실에 의해 특정되는 개량된 저손실 재료를 선택하는 단계;
    (b) 상기 저손실 연자성 재료로 이루어진 자기 코어를 포함하고 복수의 슬롯을 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체를 제공하는 단계;
    (c) 상기 슬롯에 적어도 하나의 전기 상에 연결된 고정자 권선을 제공하는 단계; 및
    (d) 복수의 회전자 폴을 포함하고, 복수의 영구 자석을 구비하며 상기 적어도 하나의 고정자 조립체와의 자기적 상호 작용을 위해 마련되고 배치된 적어도 하나의 자기장 조립체를 제공하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 장치는 토크 밀도는 적어도 2.5 N-m/kg이고 손실 밀도는 최대 0.2 W/cm2 이며, 상기 토크 밀도의 값과 상기 손실 밀도의 값은 저항성 부하에 연결되고 적어도 500 Hz의 주파수에서 전기 출력을 제공하는 회전 속도에서 발전기로서 연속 동작 동안에 측정된, 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치 제조 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 전자기 장치는 축상 공극 장치인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치 제조 방법.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 복수의 회전자 폴은 12,000 rpm 보다 더 큰 속도에서 적어도 4인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치 제조 방법.
  35. 제32항에 있어서,
    상기 복수의 회전자 폴은 적어도 16 폴인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치 제조 방법.
  36. 제32항에 있어서,
    상기 복수의 회전자 폴은 적어도 32 폴인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치 제조 방법.
  37. 제32항에 있어서,
    슬롯/상/폴 비는 0.25 내지 4.0의 범위인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치 제조 방법.
  38. 제32항에 있어서,
    상기 저손실 연자성 재료는 비정질 금속인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치 제조 방법.
  39. 제32항에 있어서,
    상기 저손실 연자성 재료는 나노크리스탈라인 금속인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치 제조 방법.
  40. 제32항에 있어서,
    상기 저손실 연자성 재료는 최적화 Fe계 금속인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치 제조 방법.
  41. 제32항에 있어서,
    상기 자기 코어는 단일 자기 코어인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치 제조 방법.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 단일 자기 코어는 단일체 자기 코어인 것을 특징으로 하는 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치 제조 방법.
  43. 고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치; 및
    상기 장치와 인터페이스하고 상기 장치를 제어하는 파워 일렉스트로닉스 수단;
    을 포함하며,
    상기 전자기 장치는,
    (a) 저손실 연자성 재료로 이루어진 자기 코어를 포함하고 적어도 하나의 전기 상에 연결되는 고정자 권선으로 권취된 복수의 슬롯을 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체; 및
    (b) 복수의 회전자 폴을 포함하고, 복수의 영구 자석을 구비하며 상기 적어도 하나의 고정자 조립체와의 자기적 상호 작용을 위해 마련되고 배치된 적어도 하나의 자기장 조립체;
    를 포함하고,
    상기 전자기 장치의 토크 밀도는 적어도 2.5 N-m/kg이고 손실 밀도는 최대 0.2 W/cm2 이며, 상기 토크 밀도의 값과 상기 손실 밀도의 값은 저항성 부하에 연결되고 적어도 500 Hz의 주파수에서 전기 출력을 제공하는 회전 속도에서 발전기로서 연속 동작 동안에 측정된,
    고효율 및 고출력 밀도의 영구 자석 전자기 장치 시스템.
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