KR102225323B1 - 전기 기계 - Google Patents

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제임스 브렌트 클라센
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Abstract

단부 아이언(end iron)들 사이에서 부분적으로 또는 완전히 연장되는 포스트(post)들을 갖는 전기 기계를 위한 로터가 제공된다. 각각의 단부 아이언은, 포스트가 그들 사이에서 완전히 연장되는 다른 단부 아이언을 포함하여, 그로부터 연장되는 포스트와 함께 단일 피스(piece)의 자성 재료로 형성된다. 자석은 포스트들 사이에 배열되며, 이때 자극은 포스트를 향하여 플럭스를 집중시킨다. 너무 많은 플럭스가 단부 아이언을 통해 플럭스 경로 내로 인출되는 것을 방지하기 위해, 총 자속은 플럭스 경로의 적어도 일부분의 포화 플럭스를 초과하도록 된다. 이는 플럭스 경로 내에 갭을 제공하기 위해 단부 아이언들 사이에서 단지 부분적으로만 연장되는 상호맞물린 포스트들을 사용함으로써, 총 플럭스 미만으로 포화 플럭스를 감소시키기 위해 단부 아이언 내에 플럭스 저항기를 제공함으로써, 또는 자속이 포스트 또는 단부 아이언의 포화 플럭스를 초과하도록 높은 종횡비의 자석 또는 포스트를 사용함으로써 달성될 수 있다.

Description

전기 기계
전기 기계(electric machine).
집중형 플럭스 로터(concentrated flux rotor)는 교번 극성의 접선방향으로 분극된 자석들을 사용하고, 동일한 자석들이 정렬된 PM 구성으로 사용된 경우에 가능한 것보다 더 높은, 공기 갭(air gap)에서의 로터 포스트(rotor post)들 내의 플럭스 밀도에 대한 잠재력을 제공하는 것으로서, 당업자에게 알려져 있다.
집중형 플럭스 로터가 갖는 알려진 난제는 로터 포스트들 사이에 임의의 연자성 연결을 갖는 것이 토크에 대체적으로 불리하다는 것인데, 이는 이러한 연결을 통하여 발생할, 하나의 자석의 N 면으로부터 동일한 또는 인접한 자석의 S 면으로의 플럭스 누설 때문이다. 다시 말하면, 자석의 N 극과 S 극을 연결하는 강(steel) 또는 철(iron)과 같은 연자성 재료의 사용이 정렬된 PM 로터에 의한 토크 생성에 도움이 되지만, 집중형 플럭스 로터의 로터 포스트들 사이의 임의의 연자성 재료 연결은 토크 생성에 불리하다. 이러한 문제를 다루기 위한 알려진 옵션은 인접한 포스트들 사이에 플럭스 연결이 없도록 그들 사이에 연자성 재료 연결이 없이 접착제를 사용하여 PM과 연자성 로터 포스트의 조립체를 함께 접착시키는 것이다. 이는 높은 비율의 PM 플럭스를 효율적으로 사용하게 할 수 있지만, 조립이 매우 어려운데, 이는 자석들이 서로 반발하고 또한 그의 형상을 유지하기 위한 접합의 강도에 의존하여야 하기 때문이다. 더 높은 온도 및 작은 공기 갭에서, 중합체 접착제의 크리프 속도(creep rate)는 긴 사용 수명 동안 로터의 요구되는 형상을 유지하는 것을 매우 어렵게 만들 것이다.
본 발명자는 단부 아이언(end iron)에 연결된 포스트 및 영구 자석의 집중형 플럭스 배열체를 사용하는 전기 기계를 제안하였다. 전기 기계는 단부 아이언을 통한 플럭스 경로의 포화 플럭스를 초과하는 공기 갭에서의 총 플럭스를 제공하도록 배열된다.
일 실시예에서, 전기 모터를 위한 영구 자석 캐리어가 제공되는데, 영구 자석 캐리어는 제1 단부 아이언; 제2 단부 아이언; 제1 단부 아이언 및 제2 단부 아이언 중 적어도 하나로부터 제1 단부 아이언 및 제2 단부 아이언 중 다른 하나를 향하여 각각 연장되는 포스트들의 어레이 - 제1 단부 아이언 및 단부 아이언으로부터 연장되는 포스트들은 제1 단일 피스(piece)의 자성 재료로 형성되고, 제2 단부 아이언 및 제2 단부 아이언으로부터 연장되는 포스트들은 제1 단일 피스의 자성 재료 또는 제2 단일 피스의 자성 재료로 형성됨 -; 및 포스트들의 어레이의 포스트들 사이에 배열된 영구 자석들의 어레이 - 각각의 영구 자석은 자석에 인접한 포스트들의 어레이의 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향으로 자화됨 - 을 갖는다. 지지 구조물은 제1 단부 아이언, 제2 단부 아이언, 및 포스트들을 포함한다. 지지 구조물은 제1 단부 아이언을 통하는 각각의 각자 쌍의 포스트들 사이의 제1 각자의 플럭스 경로, 및 제2 단부 아이언을 통하는 각각의 각자 쌍의 포스트들 사이의 제2 각자의 플럭스 경로를 한정한다. 제1 각자의 플럭스 경로는 제1 갭 또는 제1 포화 부분을 갖고, 제2 각자의 플럭스 경로는 제2 갭 또는 제2 포화 플럭스 부분을 갖고, 각자의 자석은 제1 갭 또는 포화 부분의 포화 플럭스와 제2 갭 또는 제2 포화 부분의 포화 플럭스의 합을 초과하는 총 자속(magnetic flux)을 각자 쌍의 포스트들과 함께 생성한다.
다양한 실시예에서, 하기의 특징들 중 임의의 하나 이상이 포함될 수 있다: 포스트들의 어레이의 연속적인 포스트들은 상호 교대로 배치되도록 제1 및 제2 단부 아이언들로부터 교번으로 연장될 수 있고, 각각의 각자 쌍의 포스트들의 제1 갭 또는 포화 부분은 제1 단부 아이언과 제2 단부 아이언으로부터 연장된 쌍의 포스트 사이의 갭이고 각각의 각자 쌍의 포스트들의 제2 갭 또는 포화 부분은 제2 단부 아이언과 제1 단부 아이언으로부터 연장된 쌍의 포스트 사이의 갭이다. 제2 단부 아이언에 대해 제1 단부 아이언을 지지하는 지지 요소가 있을 수 있다. 지지 요소는 포스트들을 수용하기 위한 홈들을 한정하는 지지 링을 포함할 수 있다. 포스트들의 어레이의 연속적인 포스트들은 상호 교대로 배치되도록 제1 및 제2 단부 아이언들로부터 교번으로 연장될 수 있고, 각각의 포스트는 단부 아이언에 연결되고 이는 포스트보다 단면이 더 작은 연결 부분으로부터 연장되지 않고, 각각의 각자 쌍의 포스트들의 제1 포화 부분 및 제2 포화 부분은 각자 쌍의 포스트들의 포스트들에 연결된 연결 부분들이다. 포스트들은 제1 단부 아이언과 제2 단부 아이언을 연결할 수 있고, 단부 아이언들은 구멍들을 한정하고, 구멍들 주위의 단부 아이언들의 부분들은 포화 부분들이다. 포스트들은 제1 단부 아이언과 제2 단부 아이언을 연결할 수 있고, 영구 자석들은 포스트들 사이를 연결하는 단부 아이언들의 부분들이 포화 부분들로서 작용하도록 단부 아이언들의 포화 플럭스를 초과하는 플럭스를 발생시키기에 충분한, 포스트들과 정렬된 방향으로의 길이를 갖는다. 포스트들은 제1 단부 아이언과 제2 단부 아이언을 연결할 수 있고, 영구 자석들은 포스트들이 포화 부분들로서 작용하도록 포스트들의 포화 플럭스를 초과하는 플럭스를 발생시키기에 충분한, 포스트들과 정렬된 방향으로의 길이를 갖는다. 자석들은 포스트들과 정렬된 방향으로의 자석 길이 대 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향으로의 자석 폭의 비가 4/1, 5/1, 6/1, 7/1, 8/1, 9/1, 10/1, 11/1, 12/1, 13/1, 14/1, 15/1, 또는 16/1보다 크다. 포스트들은 포스트 길이 대 포스트 폭의 비가 4/1, 5/1, 6/1, 7/1, 8/1, 9/1, 10/1, 11/1, 12/1, 13/1, 14/1, 15/1, 또는 16/1보다 클 수 있다. 포스트들의 어레이의 각각의 포스트는 각자의 단면을 가질 수 있고, 제1 단부 아이언은 제1 단부 아이언 단면을 가질 수 있고, 각각의 포스트는 제1 단부 아이언에 연결될 수 있는데, 연결부의 어떠한 부분도 각자의 단면 및 제1 단부 아이언 단면 중 가장 작은 것보다 실질적으로 더 작은 단면을 갖지 않는다. 제1 단부 아이언 단면은 포스트들의 어레이의 포스트들의 각각의 각자 단면과 동일하거나 그보다 클 수 있다. 제2 단부 아이언은 제2 단부 아이언 단면을 가질 수 있고, 포스트들의 어레이의 각각의 포스트는 제2 단부 아이언에 연결될 수 있는데, 연결부의 어떠한 부분도 각자의 단면 및 제2 단부 아이언 단면 중 가장 작은 것보다 실질적으로 더 작은 단면을 갖지 않는다. 제2 단부 아이언 단면은 포스트들의 어레이의 포스트들의 각각의 각자 단면보다 크거나 그와 동일할 수 있다. 각각의 자석은 연속적인 포스트들 사이의 공간의 전체 길이로 실질적으로 연장될 수 있다. 영구 자석들을 보유하기 위해 제1 단부 아이언 및 제2 단부 아이언 상의 탭(tab)들이 있을 수 있다.
전술된 바와 같은 영구 자석 캐리어를 포함하는 축방향 플럭스 모터가 또한 제공되는데, 포스트들은 반경방향으로 연장되고, 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향은 원주 방향이다. 전술된 바와 같은 영구 자석 캐리어를 포함하는 반경방향 플럭스 모터가 추가로 제공되는데, 포스트들은 축방향으로 연장되고, 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향은 원주 방향이다. 전술된 바와 같은 영구 자석 캐리어를 포함하는 선형 모터(linear motor)가 또한 추가로 제공되는데, 포스트들은 모터의 모션(motion) 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 그리고 영구 자석 캐리어와 전자석 캐리어 사이의 공기 갭에 수직인 방향으로 연장되고, 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향은 모터의 모션 방향이다.
전기 모터를 위한 영구 자석 캐리어가 또한 제공되는데, 영구 자석 캐리어는 제1 단부 아이언; 제2 단부 아이언; 제1 단부 아이언 및 제2 단부 아이언 중 하나로부터 제1 단부 아이언 및 제2 단부 아이언 중 다른 하나를 향하여 각각 연장되는 포스트들의 어레이 - 포스트들의 어레이의 연속적인 포스트들은 상호 교대로 배치되도록 제1 및 제2 단부 아이언들로부터 교번으로 연장되고, 제1 단부 아이언 및 단부 아이언으로부터 연장되는 포스트들은 제1 단일 피스의 자성 재료로 형성되고, 제2 단부 아이언 및 제2 단부 아이언으로부터 연장되는 포스트들은 제2 단일 피스의 자성 재료로 형성됨 -; 및 포스트들의 어레이의 포스트들 사이에 배열된 영구 자석들의 어레이 - 각각의 영구 자석은 자석에 인접한 포스트들의 어레이의 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향으로 자화됨 - 를 갖고, 각각의 포스트는 단부 아이언에 연결되고 이는 연결 부분으로부터 연장되지 않는다.
장치 및 방법의 이들 및 다른 태양은 청구범위에 기재된다.
이제 도면들을 참조하여 실시예들이 예로서 설명될 것이며, 도면에서 유사한 도면 부호들은 유사한 요소들을 지시한다.
도 1은 완전한 예시적인 액추에이터 프로토타입의 CAD 모델이다.
도 2는 도 1의 예시적인 액추에이터의 단면도이다.
도 3은 도 1의 예시적인 액추에이터의 스테이터(stator) 및 로터의 상세 측면도를 도시한다.
도 4는 도 1의 예시적인 액추에이터의 전체 스테이터 및 로터의 개략도를 도시한다.
도 5는 포스트 상에 개략적인 CAD 모델 코일을 갖는, 도 1의 예시적인 액추에이터의 스테이터 및 로터의 간략화된 개략 단면도를 도시한다.
도 6은 선형 전기 기계의 스테이터의 비제한적인 간략화된 예시적인 실시예를 도시한다.
도 7은 도 6의 스테이터의 등각 투상도를 도시한다.
도 8은 상부 절연체 층이 제거된 도 6 및 도 7의 스테이터의 평면도를 도시한다.
도 9는 2개의 상부 위상 회로가 제거된 도 8의 스테이터의 평면도를 도시한다.
도 10은 도 6 내지 도 9의 스테이터의 단면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 단면의 상세도이다.
도 12는 비제한적인 예시적인 선형 전기 기계의 등각 투상도를 도시한다.
도 13은 내부 라인을 갖는 도 12의 전기 기계를 도시한다.
도 14는 상부 영구 자석 캐리어 백 아이언이 제거된 도 12의 전기 기계를 도시한다.
도 15는 상부 영구 자석 캐리어 플레이트 및 상부 영구 자석의 대부분이 제거된 도 14의 전기 기계를 도시한다.
도 16은 모든 영구 자석이 제거되고 상부 절연 플레이트가 제거된 도 15의 전기 기계를 도시한다.
도 17은 전기 커넥터가 제거되고 상부 스페이서 층이 제거된 도 16의 전기 기계를 도시한다.
도 18은 상부 위상 회로 전도체가 제거되고 제2 절연체 층이 제거된 도 17의 전기 기계를 도시한다.
도 19는 제2 스페이서 층이 제거되고 포스트의 대부분이 제거된 도 18의 전기 기계를 도시한다.
도 20은 상부 공기 코어 센서, 제2 위상 회로, 구조적 원통형 스페이서, 및 포스트의 나머지가 제거된 도 19의 전기 기계를 도시한다.
도 21은 제3 위상 회로 및 하부 스페이서 층이 제거된 도 20의 전기 기계를 도시한다.
도 22는 축방향 플럭스 회전 스테이터 전기 기계의 비제한적인 예시적인 실시예에 대한 전도체 회로, 포스트, 및 포팅 화합물 링(potting compound ring)을 도시한다.
도 23은 도 22의 스테이터의 상세도를 도시한다.
도 24는 포팅 화합물 링이 제거된, 3개의 위상 및 위상당 하나의 전도체 회로를 갖는 축방향 플럭스 회전 스테이터를 도시한다.
도 25는 조립 동안 알루미늄 회로에 의해 위치설정되는 연자성 재료 포스트를 갖는 3개의 위상 회로의 등각 투상도이다.
도 26은 도 25의 분해도이다.
도 27은 도 25 및 도 26의 실시예의 개별 층의 확대도이다.
도 28은 도 25 및 도 26의 실시예의 개별 층의 확대도이다.
도 29는 단일 스테이터 회로의 상세 평면도이다.
도 30은 축방향 플럭스 전기 기계의 단면을 도시한다.
도 31은 공기 갭을 가로질러 전자기 요소(여기서는, 영구 자석)를 향하는 선형 전기 기계 내의 전자기 요소(여기서는, 코일)의 어레이를 도시한다.
도 32는 로드 아암(load arm)을 갖는 절개된 축방향 플럭스 전기 기계를 도시한다.
도 33은 축방향 플럭스 전기 기계의 스테이터를 도시한다.
도 34는 도 33의 스테이터의 상세도이다.
도 35는 도 33의 스테이터에 사용하기 위한 전기 전도체 층의 상세도이다.
도 36은 도 33의 스테이터에 사용하기 위한 전기 전도체 층의 추가 상세도이다.
도 37은 도 33의 스테이터에 사용하기 위한 전기 전도체 층의 추가 상세도이다.
도 38은 도 33의 스테이터의 전기 전도체 층을 도시한다.
도 39는 도 33의 스테이터의 전기 전도체 층을 도시한다.
도 40은 개시된 전기 기계의 일 실시예로 조인트에 설치될 수 있는 로봇 아암의 일 실시예를 도시한다.
도 41은 개시된 전기 기계의 일 실시예로 조인트에 설치될 수 있는 로봇 아암의 일 실시예를 도시한다.
도 42는 개시된 전기 기계의 일 실시예에 대한 자석 구성을 도시한다.
도 43은 선형 전기 기계의 연속적인 층들을 도시하는 상세도의 제1 도면이다.
도 44는 선형 전기 기계의 연속적인 층들을 도시하는 상세도의 제2 도면이다.
도 45는 선형 전기 기계의 연속적인 층들을 도시하는 상세도의 제3 도면이다.
도 46은 선형 전기 기계의 연속적인 층들을 도시하는 상세도의 제4 도면이다.
도 47은 선형 전기 기계의 층을 전기 여기(excitation)의 다상 소스(multiphase source)에 연결하기 위한 연결부의 상세도를 도시한다.
도 48은 선형 전기 기계의 층을 전기 여기의 다상 소스에 연결하기 위한 연결부의 상세도를 도시한다.
도 49는 선형 전기 기계의 일 실시예의 연속적인 층들을 도시하는 제1 도면이다.
도 50은 선형 전기 기계의 일 실시예의 연속적인 층들을 도시하는 제2 도면이다.
도 51은 선형 전기 기계의 일 실시예의 연속적인 층들을 도시하는 제3 도면이다.
도 52는 선형 전기 기계의 일 실시예의 연속적인 층들을 도시하는 제4 도면이다.
도 53은 로터 및 스테이터 둘 모두에서 코일을 갖는 전기 기계의 일 실시예를 도시한다.
도 54는 로터 및 스테이터 둘 모두에서 코일을 갖는 전기 기계의 일 실시예를 도시한다.
도 55는 자석의 할바흐(Hallbach) 어레이를 갖는 전기 기계의 일 실시예를 도시한다.
도 56은 2-부분 스테이터, 3개의 위상 및 3:2 스테이터 포스트:영구 자석 비를 갖는 예시적인 액추에이터 조립체의 단면을 도시한다.
도 57은 도 56으로부터의 실시예의 상세 단면도를 도시한다.
도 58은 3:2 비 또는 스테이터 포스트:영구 자석에 대한 로터 위치의 함수로서 플롯팅된 토크를 도시하는데, 이는 하나의 스테이터를 다른 하나의 스테이터에 대해 회전시키는 효과를 입증한다.
도 59는 도 56의 예시적인 실시예의 분해도를 도시한다.
도 60은 도 56의 예시적인 실시예의 부분 분해도의 단면을 도시한다.
도 61은 도 56의 예시적인 실시예의 하우징의 상세 단면도를 도시한다.
도 62는 도 56의 예시적인 실시예의 조립된 하우징과 스테이터의 단면을 도시한다.
도 63은 스테이터 상에 제1 전도체 층을 갖는 도 56의 예시적인 실시예의 조립된 하우징과 스테이터의 단면을 도시한다.
도 64는 도 63의 섹션의 평면도를 도시한다.
도 65는 도 56의 예시적인 실시예로부터의 동일한 위상의 4개의 전도체 층을 도시한다.
도 66은 도 56의 예시적인 실시예와는 상이한 위상들로부터의 3개의 인접한 전도체 층의 배열을 도시한다.
도 67은 전도체들 사이의 반경방향 유체 유동 채널들이 표시된, 도 56의 예시적인 실시예로부터의 조립된 하우징과 스테이터의 단면을 도시한다.
도 68은 도 56의 예시적인 실시예의 전도체들 사이의 유체를 냉각하기 위한 반경방향, 축방향 및 원주방향 유체 유동 경로들의 평면도를 도시한다.
도 69는 냉각 유체 유동 경로를 도시하는 도 68의 스테이터를 통한 단면도를 도시한다.
도 70은 2개의 스테이터 및 로터를 갖는 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다.
도 71은 전도체가 하나의 섹션에 도시된 도 70의 예시적인 실시예로부터의 스테이터를 도시한다.
도 72는 전도체를 갖는 간략화된 스테이터의 단면도를 도시한다.
도 73은 전도체가 슬롯을 건너뛰지 않는 스테이터 상의 전도체의 예시적인 구성을 도시한다.
도 74는 일부 전도체가 가변 전도체 폭을 갖는 스테이터 상의 전도체의 예시적인 구성을 도시한다.
도 75는 도 74로부터의 전도체의 4개의 층의 분해도를 도시한다.
도 76은 다층 두께의 유체 유동 갭을 갖는 전도체의 예시적인 구성을 도시한다.
도 77은 예시적인 조립 방법에서의 전도체 층의 구성을 도시한다.
도 78은 반경방향 유체 유동 갭이 없는 전도체의 예시적인 구성을 도시한다.
도 79는 만곡된 가변 폭 포스트를 갖는 스테이터의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 80은 접선방향으로 배향된 영구 자석 및 반경방향으로 연장된 플럭스 경로 부재를 갖는 로터의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 81은 도 80의 로터의 상세도를 도시한다.
도 82는 도 80의 로터의 내측 부분과 내향 부재들 사이의 구조적 연결을 도시한다.
도 83은 도 80의 로터의 외측 부분과 외향 부재들 사이의 구조적 연결을 도시한다.
도 84는 자석이 제거된 도 80의 로터의 상세도를 도시한다.
도 85는 예시적인 조립 방법을 반영한 도 80의 로터의 분해도를 도시한다.
도 86은 검정색으로 도시된 내측 로터 링 및 외향 돌출 플럭스 부재를 갖는 도 60의 로터의 도면을 도시한다.
도 87은 2개의 축방향 반부 및 테이퍼진 자석을 포함하는 로터의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 88은 도 87의 로터의 단면도를 도시한다.
도 89는 도 87의 로터의 분해도를 도시한다.
도 90은 자석의 극성을 도시하는, 도 87의 로터 내의 자석들의 평면도를 도시한다.
도 91은 도 87의 로터의 외측 부분과 외향 부재들 사이의 구조적 연결을 도시한다.
도 92는 로터 반부들을 함께 유지하는 외측 링을 갖는 도 87의 로터를 도시한다.
도 93은 2개의 로터 반부 및 2개의 스테이터 반부를 포함하는 예시적인 실시예의 분해도를 도시한다.
도 94는 도 93의 실시예의 단면도를 도시한다.
도 95는 도 93에 도시된 실시예의 스테이터를 도시한다.
도 96은 도 93의 실시예의 스테이터들 및 베이스플레이트의 분해도를 도시한다.
도 97은 도 93의 로터의 단면도를 도시한다.
도 98은 2개의 로터 반부 및 하나의 스테이터를 갖는 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다.
도 99는 도 98의 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다.
도 100은 액추에이터로서 작용하고 아암을 따라 이격된 전기 기계의 시리즈를 갖는 로봇 아암의 예시적인 구성을 도시한다.
도 101은 로봇 아암 상의 전기 기계에 대한 장착 구성을 도시한다.
도 102는 로터 구성의 일 실시예를 도시한다.
도 103은 라미네이팅된 포스트 스테이터의 예시적인 구성을 도시한다.
도 104는 반경방향으로 정렬된 포스트 라미네이션을 갖는 스테이터의 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다.
도 105는 기계적 풀아웃 정지부(pull-out stop)로서 테이퍼진 바브(barb)를 갖는, 백 아이언을 통해 연장되는 포스트를 갖는 라미네이팅된 포스트 구성의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 106은 도 105에 도시된 실시예의 단면도이다.
도 107은 라미네이션들 사이의 절연 패턴 및 생성된 자속 경로의 일부분을 도시하는, 도 105에 도시된 실시예의 단면도이다.
도 108은 날카로운 에지를 애노다이징(anodizing)하는 효과를 보여주는 개략도이다.
도 109는 둥근 에지를 갖는 전도체를 포함하는 스테이터 섹션의 개략도이다.
도 110은 날카로운 에지를 갖는 전도체를 포함하는 스테이터 섹션의 개략도이다.
도 111a는 조립 전의 적층가능한 평탄한 전도체들의 제1 층의 사시도이다.
도 111b는 조립 전의 적층가능한 평탄한 전도체들의 제2 층의 사시도이다.
도 112는 애노다이징된 전도체의 표면 위에 유전체 코팅을 갖는, 코팅된 전도체의 예를 도시하는 개략도이다.
도 113은 도 112의 전도체의 코너의 확대도이다.
도 114는 전도체 쌍이 스테이터 포스트들 사이에 적층되어 있는 층으로 서로 적층된 전도체들을 도시하는 사시도이다.
도 115는 날카로운 에지에서의 갭의 완전한 커버리지(coverage)를 갖는, 코팅된 전도체의 예를 도시하는 개략도이다.
도 116은 날카로운 에지에서의 갭의 더 완전한 커버리지를 갖는, 코팅된 전도체의 예를 도시하는 개략도이다.
도 117은 추가의 중합체 층으로 코팅된, 도 115의 코팅된 전도체의 예를 도시하는 개략도이다.
도 118은 하나 이상의 슬롯에서 하나 이상의 전도체 층들 사이에 스페이서를 갖는 조립된 스테이터와 전도체의 단면도를 도시한다.
도 119는 분말 에지 코팅이 전도체를 각각에 그리고/또는 포스트 측벽에 접촉 및 접착시키는, 스페이서 제거 전의 전도체 및 스페이서의 단면도를 도시한다.
도 120은 스페이서 구성요소가 제거된 스테이터의 간략화된 섹션을 도시한다.
도 121은 애노다이징된 전도체의 제조 방법을 도시한다.
도 122는 애노다이징된 전도체의 제조 방법의 추가 상세 사항을 도시한다.
도 123은 원추형 로터의 일 실시예의 단면을 도시한다.
도 124는 도 123의 실시예의 확대 단면도를 도시한다.
도 125는 도 123의 실시예의 확대 단면도를 도시한다.
도 126은 도 123의 실시예의 확대 단면도를 도시한다.
도 127은 도 123의 실시예의 확대 단면도를 도시한다.
도 128은 전력 및 인코더 커넥터를 포함하는 조립된 액추에이터의 일 실시예의 축방향 도면이다.
도 129는 2개의 스테이터들 사이의 중심 평면을 따른 내부 로터를 도시하는, 도 128의 액추에이터의 단면도이다.
도 130은 층상(layered) 전도체들의 부분 섹션을 갖는 도 128의 액추에이터의 스테이터 및 하우징 조립체의 등각 투상 단면도이다.
도 131은 도 128 또는 액추에이터의 스테이터, 내측 하우징, 외측 하우징, 및 층상 전도체의 축방향 도면이다.
도 132는 도 128의 실시예의 로터 구성요소의 등각 투상도이다.
도 133은 인접한 자석들이 접선방향으로 반대로 분극된 예시적인 자석 배열을 갖는 로터 및 스테이터의 측면도이다.
도 134는 2개의 스테이터들을 분리하기 위한 분리 부재를 포함하는 액추에이터의 사시도이다.
도 135는 냉각 핀(cooling fin)을 통한 자속 경로를 도시하는, 도 128의 액추에이터를 위한 스테이터의 다른 단면도이다.
도 136은 포스트들 사이의 대각선으로의 플럭스 연결을 위한 단면 영역을 도시하는 냉각 핀을 갖는 스테이터의 단면도이다.
도 137은 원주방향 냉각 핀을 갖는 스테이터의 간략화된 단면도이다.
도 138은 내측 베어링들 상의 프리로드(preload)를 감소시키도록 구성된 분리 부재를 포함하는 액추에이터의 단면도이다.
도 139는 내측 베어링들 상의 프리로드를 증강시키도록 구성된 분리 부재를 포함하는 액추에이터의 단면도이다.
도 140은 밀봉된 냉각 채널을 갖는 액추에이터의 단면도이다.
도 140a는 반원형 냉각 채널을 갖는 일 실시예의 사시도이다.
도 140b는 하우징이 내경 강성 연결부에 의해 연결된, 2개의 스테이터 및 로터를 갖는 일 실시예의 단면도이다.
도 140c는 도 140b에 도시된 실시예의 확대 단면도이다.
도 141은 집중형 플럭스 로터의 선형 실시예의 간략화된 단면도이다.
도 142는 자속 라인을 도시하는, 백 아이언을 갖는 집중형 플럭스 로터의 모델이다.
도 143은 구성요소 길이를 추가로 도시하는, 자속 라인을 도시하는, 백 아이언을 갖는 집중형 플럭스 로터의 모델이다.
도 144는 테이퍼진 자석과 플럭스 경로 제한부를 갖춘 축방향 플럭스 집중형 플럭스 로터의 세그먼트를 통한 단면도이다.
도 145는 연장된 길이의 자석을 갖춘 축방향 플럭스 집중형 플럭스 로터의 일부분의 확대 단면도이다.
도 146은 스테이터를 갖는 반경방향 플럭스 집중형 플럭스 로터의 일 실시예의 간략화된 경사형 단면이다.
도 147은 도 146에 도시된 반경방향 플럭스 집중형 플럭스 로터 및 스테이터의 간략화된 단면도이다.
도 148은 밀(mill)을 추가로 도시하는, 도 146에 도시된 집중형 플럭스 로터의 간략화된 경사형 단면도이다.
도 149는 가변 기하학적 구조를 갖고 자속 라인을 도시하는, 백 아이언을 갖는 집중형 플럭스 로터의 모델이다.
도 150은 로터 릴리프 및 테이퍼진 로터 단부를 갖는 반경방향 플럭스 집중형 플럭스 로터의 일 실시예의 간략화된 경사형 단면이다.
도 151은 단부 아이언을 갖춘 집중형 플럭스 로터의 축방향 플럭스 스테이터-로터-스테이터 구성의 일 실시예의 간략화된 분해 단면도이다.
도 152는 백 아이언, 단부 아이언 및 플럭스 경로 제한부(restriction)를 갖춘 집중형 플럭스 로터의 축방향 플럭스 스테이터-로터-스테이터 구성의 일 실시예의 간략화된 분해 단면도이다.
도 153은 단부 아이언과 플럭스 경로 제한부를 갖춘 집중형 플럭스 로터의 축방향 플럭스 로터-스테이터-로터 구성의 일 실시예의 간략화된 분해 단면도이다.
도 154는 단부 아이언, 플럭스 경로 제한부 및 백 아이언을 갖춘 집중형 플럭스 로터의 축방향 플럭스 로터-스테이터-로터 구성의 일 실시예의 간략화된 분해 단면도이다.
도 155는 백 아이언 및 단부 아이언을 갖춘 집중형 플럭스 로터의 사다리꼴 스테이터-로터-스테이터 구성의 일 실시예의 간략화된 분해 단면도이다.
도 156은 백 아이언이 없는, 도 155에 도시된 실시예의 간략화된 분해 단면도이다.
도 157은 단부 아이언을 갖춘 집중형 플럭스 로터의 사다리꼴 로터-스테이터-로터 구성의 일 실시예의 간략화된 분해 단면도이다.
도 158은 백 아이언이 있고 단부 아이언은 없는, 도 157에 도시된 실시예의 간략화된 분해 단면도이다.
도 159는 백 아이언 및 단부 아이언을 갖는 로터-스테이터-로터 구성의 선형 플럭스 기계의 일 실시예의 간략화된 사시도이다.
도 160은 백 아이언이 없는, 도 159에 도시된 실시예의 간략화된 사시도이다.
도 161은 백 아이언을 갖춘 선형 플럭스 기계의 스테이터-로터-스테이터 구성의 일 실시예의 간략화된 사시도이다.
도 162는 로터의 경사형 단면을 도시하는, 단부 아이언을 갖춘 선형 플럭스 기계의 스테이터-로터-스테이터 구성의 일 실시예의 간략화된 사시도이다.
도 163은 단속된(interrupted) 로터 포스트들을 갖는 축방향 모터 집중형 플럭스 로터의 모델이다.
도 164는 자속 라인이 도시된, 도 164에 도시된 축방향 모터 집중형 플럭스 로터의 모델이다.
도 165는 플럭스가 반경방향으로 공기 갭을 가로질러 연결하는 횡방향 플럭스 기계의 일 실시예의 단면도이다.
도 166a는 도 165에 도시된 횡방향 플럭스 기계의 실시예의 스테이터의 사시도이다.
도 166b는 도 165에 도시된 횡방향 플럭스 기계의 실시예의 로터의 상부 부분의 사시도이다.
도 167은 플럭스가 축방향으로 공기 갭을 가로질러 연결하는 횡방향 플럭스 기계의 일 실시예의 단면도이다.
도 168은 도 167에 도시된 횡방향 플럭스 기계의 실시예의 스테이터 섹션의 사시도이다.
도 169는 도 168에 도시된 횡방향 플럭스 기계의 실시예의 로터의 상부 부분의 단면도이다.
도 170a는 슬롯 피치(slot pitch)와 포스트 높이가 상이한 모터의 시뮬레이션된 시리즈에 대한 일정한 전류 밀도에서의 토크의 그래프를 도시한다.
도 170b는 슬롯 피치와 포스트 높이가 상이한 모터의 시뮬레이션된 시리즈에 대한 주어진 온도에서 가능한 최고 스테이터 전류 밀도를 도시한다.
도 170c는 전기 기계의 시리즈에 대한 슬롯 피치와 포스트 높이의 함수로서 일정한 온도 토크를 도시한다.
도 170d는 슬롯 피치와 포스트 높이가 상이한 모터의 시뮬레이션된 시리즈에 대한 주어진 온도에서 가능한 최고 스테이터 전류 밀도에 대한 가중 함수의 값을 도시한다.
도 170e는 고정된 전류 밀도에 대해, 슬롯 피치 및 포스트 높이가 상이한 모터의 시뮬레이션된 시리즈에 대한 Km"을 도시한다.
도 170f는 고정된 전류 밀도에 대해, 슬롯 피치 및 포스트 높이가 상이한 모터의 시뮬레이션된 시리즈에 대한 KR"을 도시한다.
도 171은 KR" > 1.3에 대한 경계선과 200 mm 크기를 갖는 기계의 경우에, 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해, KR"에 대한 이득(benefit)의 영역을 도시한다.
도 172는 KR" > 1.5에 대한 경계선과 200 mm 크기를 갖는 기계의 경우에, 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해, KR"에 대한 이득(benefit)의 영역을 도시한다.
도 173은 KR" > 1.8에 대한 경계선과 200 mm 크기를 갖는 기계의 경우에, 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해, KR"에 대한 이득(benefit)의 영역을 도시한다.
도 174는 KR" > 1.5에 대한 경계선과 100 mm 크기를 갖는 기계의 경우에, 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해, KR"에 대한 이득(benefit)의 영역을 도시한다.
도 175는 KR" > 1.7에 대한 경계선과 100 mm 크기를 갖는 기계의 경우에, 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해, KR"에 대한 이득(benefit)의 영역을 도시한다.
도 176은 KR" > 1.9에 대한 경계선과 100 mm 크기를 갖는 기계의 경우에, 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해, KR"에 대한 이득(benefit)의 영역을 도시한다.
도 177은 KR" > 2.2에 대한 경계선과 50 mm 크기를 갖는 기계의 경우에, 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해, KR"에 대한 이득(benefit)의 영역을 도시한다.
도 178은 KR" > 2.5에 대한 경계선과 50 mm 크기를 갖는 기계의 경우에, 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해, KR"에 대한 이득(benefit)의 영역을 도시한다.
도 179는 KR" > 2.9에 대한 경계선과 50 mm 크기를 갖는 기계의 경우에, 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해, KR"에 대한 이득(benefit)의 영역을 도시한다.
도 180은 KR" > 3.3에 대한 경계선과 25 mm 크기를 갖는 기계의 경우에, 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해, KR"에 대한 이득(benefit)의 영역을 도시한다.
도 181은 KR" > 3.4에 대한 경계선과 25 mm 크기를 갖는 기계의 경우에, 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해, KR"에 대한 이득(benefit)의 영역을 도시한다.
도 182는 KR" > 3.6에 대한 경계선과 25 mm 크기를 갖는 기계의 경우에, 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해, KR"에 대한 이득(benefit)의 영역을 도시한다.
도 183은 전류가 인가되지 않은 상태에서 200 rpm의 로터 속도에서 슬롯 피치의 일정 범위에 걸친 모터 시리즈에 대한 와전류 및 히스테리시스(hysteresis) 손실의 합을 도시하는 그래프이다.
도 184는 인가된 전류 밀도가 6 A/㎟인, 24개 슬롯의 라미네이팅된 M-19 및 솔리드(solid) M-19 스테이터들에 대한 토크를 도시하는 그래프이다.
도 185는 24개 슬롯의 솔리드 M-19 스테이터에 대한 개별 및 총 스테이터 손실을 도시한 그래프이다.
도 186은 108개 슬롯의 솔리드 M-19 스테이터에 대한 개별 및 총 스테이터 손실을 도시한 그래프이다.
도 187은 인가된 전류 밀도가 19.7 A/㎟인, 108개 슬롯의 듀라바(durabar), 라미네이팅된 M-19 및 솔리드 M-19 스테이터들에 대한 토크를 도시하는 그래프이다.
도 188은 매우 강한 NdFeB N52 영구 자석이 로터에 사용된 시뮬레이션에서 다양한 모터에 대한 토크-대-중량 비교를 도시하는 그래프이다.
도 189는 다양한 모터에 대한 토크 비교를 도시하는 그래프이다.
도 190은 다양한 모터에 대한 스테이터 손실 비교를 도시하는 그래프이다.
도 191은 유동 채널을 통해 액추에이터를 냉각시키는 방법을 도시한다.
도 192는 액추에이터 조립체의 일 실시예의 단면도이다.
도 193a는 도 192의 액추에이터 조립체의 확대 단면도이다.
도 193b는 도 193a의 액추에이터 조립체의 단면도에서 부싱 또는 저마찰 코팅의 추가 확대도이다.
도 194는 도 192의 액추에이터 조립체의 스테이터 및 고정 링의 단면도이다.
도 195는 도 192의 액추에이터 조립체를 위한 스테이터의 일 실시예의 확대도로서, 화살표는 전도체가 어떻게 연장부의 상부 위의 포스트 상에 배치될 수 있는지를 나타낸다.
도 196은 하나의 스테이터 및 대응하는 부싱 또는 저마찰 코팅이 제거된, 도 192의 액추에이터 조립체의 확대 단면도이다.
도 197은 도 192의 액추에이터 조립체를 위한 영구 자석 캐리어의 단면도이다.
도 198은 도 192의 액추에이터 조립체의 로터 및 스테이터의 확대 단면도이다.
도 199a는 도 192의 액추에이터 조립체의 스테이터 및 로터 포스트의 축방향 등각 투상도이다.
도 199b는 도 199a의 액추에이터 조립체의 스테이터 및 로터 포스트의 추가의 확대도이다.
도 200은 프레임 없는 모터/액추에이터를 사용하는 로봇 아암의 조인트를 도시한다.
도 201은 프레임 없는 모터/액추에이터 및 로봇 아암의 단면도를 표시한다.
도 202는 프레임 없는 모터/액추에이터 스테이터, 로터 및 하우징 조립체의 확대 단면도를 도시한다.
도 203은 프레임 없는 모터/액추에이터 로봇 아암 조립체의 분해도를 도시한다.
도 204는 로터 상의 탭 특징부 및 스테이터를 관찰하기 위한 하우징을 통한 단면도를 표시한다.
도 205는 로터를 고정시키기 위해 탭 특징부들과 함께 사용되는 위로 넘어서 내려가는(up, over and down) 조립체 운동의 개요를 도시한다.
도 206은 로터를 고정시키기 위해 사용되는 탭 특징부를 보여주는 확대 단면도를 도시한다.
도 207은 스테이터를 고정시키기 위해 스테이터 상에 사용되는 탭 특징부를 보여주기 위한 하우징을 통한 단면도를 도시한다.
도 208은 2개의 분리된 몸체로 분리되고 상호맞물린 자극을 사용하는 예시적인 집중형 플럭스 모터의 등각 투상도이다.
도 209는 도 208의 집중형 플럭스 모터의 분해도를 도시한다.
도 210은 도 208의 실시예의 분리된 몸체들 중 하나의 등각 투상도이다.
도 211은 도 208의 실시예의 분리된 몸체를 지지하기 위한 스페이서 요소의 등각 투상도이다.
도 212는 도 208의 실시예의 분리된 몸체들이 그들 사이의 자석과 조립된 것을 도시하는 등각 투상도이다.
도 213은 상호맞물린 링들을 갖고 스페이서 링이 없는 로터의 등각 투상도이다.
도 214는 보유 탭이 없는, 도 213의 로터의 상이한 형태를 도시한다.
도 215는 자기 민감성 지지 구조물에 장착된 낮은 종횡비 자석을 갖는 집중형 플럭스 로터의 일부분의 공기 갭 방향으로부터의 뷰(view)를 도시하는 개략도이다.
도 216은 자기 민감성 지지 구조물에 장착된 높은 종횡비 자석을 갖는 집중형 플럭스 로터의 일부분의 공기 갭 방향으로부터의 뷰를 도시하는 개략도이다.
도 217은 조립된 2피스 로터의 등각 투상도이다.
도 218은 자석 및 둘 모두의 로터 구성요소들이 분리된, 도 217의 로터의 등각 투상 분해도이다.
도 219는 조립을 허용하도록 열 팽창/수축을 생성하기 위해 외측 링이 가열되고 내측 링이 냉각되는 상태에서의 도 217의 로터의 정면도이다.
도 220은 온도 평형 상태에 있는 도 217의 로터의 정면도이다.
도 221은 수축 끼워맞춤 조립 공정의 상태에 있는 도 217의 로터의 일부분의 등각 투상도이다.
도 222는 내측 치형부(tooth)의 기하학적 구조를 도시하는, 도 217의 로터의 일부분의 등각 투상 단면도이다.
도 223은 외측 치형부의 기하학적 구조를 도시하는, 도 217의 로터의 일부분의 등각 투상 단면도이다.
도 224는 하나의 링으로부터 연장되는 포스트 상에만 탭을 갖는 2피스 로터의 일부분을 도시한 등각 투상도이다.
도 225는 도 224의 실시예의 분해된 조립체의 등각 투상도이다.
도 226은 도 224의 실시예의 완전한 로터의 등각 투상도이다.
청구범위에 의해 커버되는 것으로부터 벗어남이 없이 여기에서 설명되는 실시예에 대해 무형의 변경이 이루어질 수 있다. 청구범위에서, 단어 "포함하는"은 그것의 포괄적인 의미로 사용되며, 다른 요소가 존재하는 것을 배제하지 않는다. 청구항 특징부 앞의 부정 관사("a" 및 "an")는 하나 초과의 특징부가 존재하는 것을 배제하지 않는다. 여기에 설명된 개별 특징부들 중 각각의 특징부는 하나 이상의 실시예에서 사용될 수 있으며, 여기서 설명된 것만으로 인해, 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 모든 실시예에 필수적인 것으로 해석되어서는 안 된다.
정의
본 명세서 전반에 걸쳐 사용될 여러 용어가 우선 정의될 것이다.
캐리어는 전기 기계의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 회전 기계를 지칭할 때 스테이터 또는 로터를 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 로터는 원형일 수 있다. 로터는 또한 선형 모터의 전기자(armature) 또는 리액션 레일(reaction rail)을 지칭할 수 있다. 스테이터는 원형일 수 있다. 그것은 또한 선형 모터의 전기자 또는 리액션 레일을 지칭할 수 있다.
치형부는 포스트로 지칭될 수 있다.
전기 모터에서, 스테이터 또는 로터 중 어느 하나는 포스트 주위에 권취되는 코일에 의하여 한정되는 정류된 전자석 어레이(commutated electromagnet array)를 구비할 수 있는 한편, 스테이터 또는 로터 중 다른 하나는 영구 자석 또는 코일 또는 영구 자석 및 코일 둘 모두에 의해 한정되는 자극을 구비할 수 있다.
영구 자석은 시스템에 플럭스를 부가하기 위해 로터 및/또는 스테이터 상의 전자석과 조합하여 사용될 수 있다. PM은 영구 자석을 의미한다. EM은 전자석을 의미한다.
전자기 요소는 영구 자석, 포스트(치형부), 연자성 포스트일 수 있는 자기 포스트에 의해 한정되는 슬롯, 및 전기 전도체를 포함할 수 있다. 하나의 캐리어가 슬롯과 포스트를 구비하는 임의의 실시예에서, 다른 캐리어는 전자기 요소를 위한 영구 자석을 구비할 수 있고, 임의의 그러한 실시예에 대해, 용어 전자기 요소는 용어 영구 자석에 의해 대체될 수 있다. 자극은 몇몇 경우에, 예를 들어 집중형 플럭스 로터 실시예에서, 자기장이 영구 자석에 의해 확립되는 인접 포스트와 함께 영구 자석에 의해 한정될 수 있다.
달리 명시되지 않는 한, "플럭스"는 자속을 지칭한다.
임의의 특정 자성 재료에서, 플럭스 밀도가 상승함에 따라 그것이 포화에 점근적으로 접근하지만, 포화 미만에서, 그것은 선형으로 근사될 수 있고, 그것이 본질적으로 완전히 포화되는 높은 수준의 플럭스 밀도에서, 그것은 또한 자유 공간에서와 동일한 투과성을 갖는 대략 선형일 것이다. 포화 플럭스 밀도는 그러한 선들을 외삽함으로써 얻어진 교차점에서의 플럭스 밀도로서 정의된다. 플럭스 경로의 일부분의 포화 플럭스는 플럭스 경로의 그 부분에서의 포화 플럭스 밀도에 도달하기에 충분한 플럭스 경로를 통한 플럭스이다. 갭의 경우에, 이는 0이다.
분수 슬롯 모터(fractional slot motor)는 위상마다 자극당 분수 개의 슬롯을 갖춘 모터이다. 슬롯의 개수를 자석의 개수로 나누고 다시 위상의 수로 나누어 그 결과가 정수가 아니면, 모터는 분수 슬롯 모터이다.
캐리어는 프레임 또는 베어링에 의해 다른 캐리어에 대한 운동을 위해 지지될 수 있고, 베어링은 슬라이딩, 롤러, 유체, 공기 또는 자기 베어링일 수 있다. 축방향 전기 기계는 자속 연결이 축방향 공기 갭을 가로질러 발생하고 캐리어가 동축으로 나란히 장착되는 디스크의 형태인 전기 기계이다. 제1 캐리어는 어느 하나의 캐리어가 프레임, 하우징 또는 다른 요소에 의해 지지됨으로써 다른 캐리어에 대해 이동하도록 배열될 수 있는 한편, 다른 하나의 캐리어는 제1 캐리어에 대해 이동한다.
반경방향 전기 기계는 자속이 반경방향으로 배향되도록 공기 갭이 배향되고 캐리어가 하나가 다른 하나 외부에 동심으로 장착되는 전기 기계이다. 선형 액추에이터는 모션 방향이 만곡된 경로보다는 직선인 축방향 플럭스 또는 반경방향 플럭스 회전 모터의 섹션과 구성이 유사하다.
사다리꼴 전기 기계는 축방향 및 반경방향 플럭스 기계 둘 모두의 조합인 전기 기계이며, 여기서 공기 갭의 평면이 축방향 및 반경방향 구성의 공기 갭에 의해 형성되는 평면들 사이의 도중에 비스듬히 놓인다.
회전 기계에 대한 공기 갭 직경은 공기 갭 표면의 중심에서의 회전축에 수직한 직경으로 정의된다. 반경방향 플럭스 모터에서, 모든 공기 갭은 동일한 직경에 있다. 공기 갭 표면이 축방향 플럭스 모터에서와 같이 디스크-형상의 슬라이스(disc-shaped slice)이면, 평균 공기 갭 직경은 내경과 외경의 평균이다. 대각선 또는 만곡된 표면과 같은 다른 공기 갭 표면에 대해, 평균 공기 갭 직경은 단면 공기 갭 뷰의 평균 공기 갭 직경으로 확인될 수 있다.
반경방향 플럭스 모터에 대해, 공기 갭 직경은 (외측 로터 반경방향 플럭스 모터에 대해) 로터 내경과 스테이터 외경의 평균을 또는 (내측 로터 반경방향 플럭스 모터에 대해) 로터 공기 갭 외경과 스테이터 공기 갭 내경의 평균을 지칭한다. 반경방향 플럭스 모터의 공기 갭 직경의 유사물이 다른 유형의 회전 모터에 사용될 수 있다. 축방향 플럭스 기계에 대해, 공기 갭 직경은 PM 내경과 PM 외경 및 EM 내경과 EM 외경의 평균으로 정의된다.
전기 기계의 크기는 본 명세서에 한정된 바와 같이 축방향 플럭스 기계 또는 반경방향 플럭스 기계의 공기 갭 직경 또는 선형 기계의 캐리어의 병진 방향으로의 길이를 의미한다. 하나의 캐리어가 다른 캐리어보다 긴 선형 기계의 경우, 길이는 더 짧은 캐리어의 길이이다. 경계의 불균등부(boundary inequality)를 참조하여 사용하기 위해, 회전 기계의 크기는 직경의 면에서 주어지지만, 선형 기계에 있어서 그것은 회전 기계의 원주에 대응하는 길이이다. 그러므로, 크기(Y)의 회전 모터에 식으로 대응하는 선형 모터의 크기(X)는 Y에 관련되고 X = pi *Y이다. 일반적인 원리로서 그리고 횡방향 플럭스 기계를 포함하는, 개시된 범위를 위한 임의의 회전 전기 기계의 이러한 크기는 회전축에 수직인 평면으로 투사될 때 자기 활성 공기 갭에 의하여 한정되는 최대 및 최소 직경의 평균으로서 정의된다.
스테이터의 후방 표면은 자기 활성 공기 갭에 있는 표면에 대해 스테이터의 반대 측부에 있는 표면으로 정의된다. 반경방향 플럭스 모터에서, 이는 외측 로터 구성에 대해 스테이터의 내측 표면에, 또는 내측 로터 구성에 대해 스테이터의 외경 표면에 대응할 것이다. 축방향 플럭스 모터에서, 스테이터의 후방 표면은 스테이터의 축방향 외측 표면이다.
Km은 모터의 전기 저항 손실의 제곱근으로 나눈 스톨 토크(stall torque)로서 정의된다. 본 특허 문헌에서, 모터의 활성 자성 질량으로 나눈 Km을 이용하여 모터 성능을 평가하는 것이 제안되며, 본 문헌에서 KR 또는 KR로서 지칭된다.활성 자성 질량은 프레임 없는 모터의 제조업자들에 의하여 통상 보고되는 바와 같이, 자석, 코일, 치형부, 및 백 아이언을 포함하는 로터와 스테이터 질량으로 이루어진다. KR 메트릭(metric)은, 로봇 공학과 같은, 작은 모터 질량이 전체 전력 소비에 유익한 응용에 대한 모터 성능을 평가하는 데 유용할 수 있다. 일부 경우에서, Km 및 KR의 크기-독립적 유사물, 즉, Km" 및 KR"이 명세서 전체에 걸쳐 사용된다. 크기-의존적 메트릭과 크기-독립적 메트릭 사이의 변환은 하기와 같다:
Figure 112019023026524-pct00001
및
Figure 112019023026524-pct00002
,
여기서, D는 평균 공기 갭 직경이고, L은 반경방향 치형부 길이이다. 모터의 주어진 크기에 대해, D 및 L은 분석 시에 고정된 값으로 간주되며, 따라서, KR 또는 Km 은
Figure 112019023026524-pct00003
또는
Figure 112019023026524-pct00004
에 비례할 것이다. 결과적으로, KR에서의 경향에 관한 진술은 대체적으로
Figure 112019023026524-pct00005
에도 마찬가지로 적용되도록 함축적으로 유지될 것이다.
슬롯 밀도는 평균 공기 갭 직경에서 기계의 원주방향 길이로 나눈 슬롯의 개수이다. 슬롯들의 피치가 변하면, 장치의 평균 슬롯 밀도가 사용될 것이다. 슬롯 밀도는 또한 슬롯 피치의 역수로 표시될 수 있다. 이는 공기 갭 직경(또는 그의 유사물)에서 공기 갭을 따라 원주 길이의 mm당 얼마나 많은 슬롯이 생성되는지의 측정치이다. 회전 모터의 경우, 이는 하기 식을 갖는다:
Figure 112019023026524-pct00006
여기서, Ns는 슬롯의 개수이고, DAG는 공기 갭의 직경이다. 선형 모터의 경우, 이러한 함수의 분모는 병진 방향을 따르는 캐리어의 길이로 대체될 것이다.
자극 밀도는 평균 공기 갭 직경에서 기계의 원주방향 길이로 나눈 자극의 개수이다. 자극들의 피치가 변하면, 장치의 평균 자극 밀도가 사용될 것이다. 자극 밀도는 또한 자극 피치의 역수로 표시될 수 있다. 자극 피치는 반대 극성을 갖는 동일한 캐리어 상의 한 극성의 PM 극의 중심과 다음 PM 극의 중심 사이의 평균 공기 갭에서의, 모션 방향을 따라 측정된, 평균 거리로서 정의된다. 회전 모터에서, 이러한 거리는 평균 공기 갭 직경(DAG)에서 측정된 원주방향 피치이다. 이는 공기 갭 직경(또는 그의 유사물)에서 공기 갭을 따라 원주 길이의 mm당 얼마나 많은 자극이 생성되는지의 측정치이다. 회전 모터의 경우, 이는 하기 식을 갖는다:
Figure 112019023026524-pct00007
여기서, Np는 자극의 개수이고, DAG는 공기 갭의 직경이다. 선형 모터의 경우, 이러한 함수의 분모는 병진 방향을 따르는 캐리어의 길이로 대체될 것이다.
분포 권선(distributed winding)에 대해, 슬롯의 개수는 N x 자극의 개수일 것이며, 여기서 N은 위상의 수의 배수이다. 따라서, 3상 기계(3 phase machine)에 대해, N은 3, 6, 9, 12 등일 수 있다. 집중 권선(concentrated winding)에 대해, 슬롯의 개수는 변할 수 있지만, 위상의 수의 배수이어야 한다. 슬롯과 자극의 소정 조합이 더 큰 토크와 더욱 우수한 노이즈-감소(noise-reduction) 또는 코깅-감소(cogging-reduction) 특성을 산출할 것임을 제외하고는, 그것은 자극의 개수에 의존하지 않는다. 주어진 개수의 자극에 대한 슬롯의 최소 개수는 적절한 토크를 얻기 위해 50% 미만이어서는 안 된다.
전도체 체적은 단일 스테이터의 길이당 슬롯 면적을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 슬롯 면적은 치형부에 직교하지만 캐리어의 상대 운동의 평면에 평행하지 않은 평면 내에서의 슬롯의 단면의 면적이다. 축방향 모터에서, 이러한 평면은 슬롯을 통과하는 반경부에 수직할 것이다. 슬롯 면적은 스테이터 설계 내에 통합될 수 있는 최대 전도체 체적을 효과적으로 한정하고, 전도체를 위한 모든 가용 공간을 이용하기 위해 최대한 높은 충전율(fill factor)을 갖는 것이 일반적으로 모터 설계자의 목표이다.
스테이터에서의 최대 전도체 체적이 슬롯 면적의 면에서 한정되기 때문에, 최대 전도체 체적 또는 슬롯 면적을 갖는 것으로 지칭되는 임의의 스테이터는 슬롯과 슬롯을 한정하기 위한 치형부를 구비하여야 한다. 이러한 파라미터는 회전 모터에 대해 다음과 같이 정의된다:
Figure 112019023026524-pct00008
여기서, As는 단일 슬롯의 단면적, 또는 변하는 슬롯 면적을 갖는 스테이터 설계에 대해 단일 슬롯의 평균 면적이다.
비교적 정확한 근사치로서, As는 치형부의 높이 ht에 슬롯의 평균 폭 ws를 곱한 것으로 계산될 수 있으며, 따라서 위의 식은 다음과 같이 된다:
Figure 112019023026524-pct00009
이들 정의는 크기-독립적이다. 이들은 어떠한 모터도 특징지어지는 데 사용될 수 있다.
자극 피치 및 치형부 높이는 특정 스테이터 또는 로터의 기하학적 구조를 한정하는 데 사용될 수 있다. 파라미터들이 크기-독립적이기 때문에, 면적당 힘 및 질량당 힘으로 기재되는, 본 명세서에 개시된 이득의 측정치는 유사하게 크기-독립적인데, 여기서 질량은 임의의 자석 및 코일을 포함하는 스테이터 및 로터의 질량을 지칭하여, 임의의 크기의 회전 모터의 토크 및 질량당 토크가 공기 갭에서의 반경을 포함하는 적절한 증배 계수(multiplication factor)에 의하여 알아 낼 수 있게 한다. 동일한 공기 갭 직경의 임의의 2개의 모터의 경우, 그래프는 힘/면적의 경우 토크에 대해, 그리고 힘/질량의 경우 토크 밀도에 대해 동일한 윤곽을 가질 것이다.
냉각 채널은, 핀들에 의해 한정되는 통로, 또는 슬롯 내의 점유되지 않은 공간, 또는 구조물을 통한 또는 그 주위의 도관과 같은, 기체 유동 또는 액체 유동을 포함하는, 냉각 유체를 위한 유동 경로를 한정하는 임의의 구조물이다.
슬롯 깊이 또는 포스트 높이는 또한 전도체 체적에 대한 대용물로서 사용될 수 있다. 또한 치형부 높이 또는 슬롯 깊이로 알려진 포스트 높이는 전도체가 차지할 수 있는 슬롯의 단면적 양에 대한 대용물이다. 슬롯이 만곡된 또는 테이퍼진 프로파일과 같은 다양한 형상을 가질 수 있지만, 슬롯 높이는 전도체에 의해 차지될 수 있는 슬롯의 총 면적을 가장 잘 나타내는 최근접 직사각형 근사(closest rectangular approximation)에 기초한다. 이러한 치수는 실질적으로 슬롯 면적에 추가함이 없이 치형부의 높이에 추가되는 자극편(pole shoe)과 같은 특징부를 포함하지 않는다. 횡방향 플럭스 모터에 대해, 포스트 높이는 코일 권선 방향에 수직한, 전도체 코일에 바로 인접한 포스트의 부분으로 정의된다.
모터 시리즈는, 동일한 구성 및 권선을 갖지만 일정 범위의 자극 피치, 또는 일정 범위의 포스트 높이와 같은 한 가지 또는 두 가지의 차이를 갖는, 분석에 의하여 표현되는 모터 기하학적 구조의 세트이다.
로터 자극의 개수는 공기 갭을 가로지른 교번 극성 자속의 영역들의 수와 동일하다. 예를 들어, 표면 영구 자석 로터에서, 자극의 개수는 교번 극성 영구 자석의 개수에 의해 결정된다. 그러나, 자극은 또한 예컨대 할바흐 어레이에서와 같은 자석들의 그룹에 의해, 전자석에 의해, 또는 전자석과 영구 자석의 조합에 의해 생성될 수 있다. 전도체 층은 전도체를 평면도로 볼 때 자신과 교차하지 않는 전도성 경로를 확립하는 유닛으로서 형성된 전기 전도체이다. 따라서, 전도체 층은 층의 소성 변형이 최소이거나 전혀 없이 포스트 주위에 직접 배치될 수 있다. 각각의 전도체 층은, 예를 들어, 축방향 플럭스 기계에서의 상이한 축방향 위치들 또는 반경방향 플럭스 기계에서의 상이한 반경방향 위치들에 대응하는, 슬롯들의 상이한 수준들에서의 슬롯들의 상이한 부분을 점유한다. 일부 실시예에서, 전도체 층은, 포스트에 개별적으로 나선형으로 권취되지 않고서, 유닛으로서 슬롯 내에 그리고 포스트 위에 배치될 수 있는 충분한 강성을 갖는 재료로 제조될 수 있다.
직접 구동 모터의 연속 스톨 토크는, 생성된 열 및 방출된 열이 최대 허용가능한 전기 전도체 온도에 있는 주어진 냉각 수단에 대해 평형에 도달하는 0인 속도에서 출력되는 연속 토크이다.
집중 권선은 개별적으로 권취된 포스트 또는 통전시 인접 포스트의 교번 극성을 생성하는 임의의 권선 구성을 포함한다. 모든 포스트가 항상 두 인접 포스트의 반대 극성은 아닐 것이 이해되어야 한다. 그러나, 집중 권선 구성은 모터가 통전될 때 대부분의 포스트가 대부분의 시간 동안 하나의 포스트 또는 두 인접 포스트와 반대 극성인 결과를 가져올 것이다. 집중 권선은 위상마다 자극당 슬롯의 비가 1 미만인 분수 슬롯 권선의 형태이다.
용어 "솔리드 스테이터"는 전기 기계의 스테이터로서 기능하는 동질적 자기 민감성 지지 구조물을 지칭한다.
예시적인 반경방향 플럭스 전기 기계
도 1은 외측 하우징(1012) 및 내측 하우징(1014)을 갖는 완전한 예시적인 액추에이터(1010) 프로토타입의 CAD 모델을 도시한다. 내측 하우징(1014)은 고정 (또는 기준) 부재이고, 외측 하우징(1012)은 회전 부재이다. 하우징은 알루미늄, 강 또는 플라스틱과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는, 임의의 강성 재료로 제조될 수 있다. 예시적인 액추에이터(1010)는 베어링/시일(1016) 및 출력 장착 구멍(1018)을 포함한다. 도 1에 도시된 프로토타입은 높은 토크 대 중량 비를 생성하였다. 이는 로봇 공학과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는, 응용에 중요하다. 도 1에 도시된 설계는, KR의 면에서 이득을 제공하는 것으로 여겨지는 슬롯 밀도 및 포스트 높이의 정의 내에 있는 슬롯 밀도 및 포스트 높이를 가져서, 그에 따라서 로봇 공학 응용에 사용하기에 특히 적합하다.
도 2는 내측 하우징(1014)에 부착된 내부 스테이터(1020) 및 외측 하우징(1012)에 부착된 외부 로터(1022)를 갖는 동일한 예시적인 액추에이터(1010)의 단면도를 도시한다. 로터(1022)는 로터 요크(1026)에 부착된 영구 자석(1024)을 포함한다. 스테이터(1020)는 스테이터 요크(1030)에 부착된 스테이터 치형부(1028)를 포함한다. 스테이터(1020)는 라미네이팅된 전기강과 같은 그러나 이로 제한되지 않는 연자성 재료로 제조된다. 감소된 와전류 및/또는 감소된 히스테리시스를 나타내는 분말형 연자성 재료와 같은 그러나 이로 제한되지 않는 솔리드 재료가 스테이터(1020)에 사용될 수 있다. 와전류 손실을 감소시킬 이러한 장치의 통상적이지 않은 얇은 플럭스 경로 단면으로 인해, 소정의 더 낮은 속도 응용에서 허용가능한 성능을 갖는 솔리드 강 또는 철이 스테이터(1020)에 사용될 수 있다. 도 2의 단면도는 간략화된 베어링(1016)을 도시하고 스테이터(1020) 상의 코일은 도시하고 있지 않다.
도 3은 스테이터(1020) 및 로터(1022)의 상세 측면도를 도시한다(예시의 명료함을 위해 이 도면에 코일은 도시되지 않음). 도 4는 로터(1022) 상에 영구 자석(1024)이 있지만 스테이터(2010) 상에 코일이 없는 전체 스테이터(1020) 및 로터(1022)의 개략도를 도시한다.
예를 들어, 0.16 내지 0.5 이상의 범위 내의 슬롯 밀도의 경우에, 그리고 슬롯이 대략 치형부만큼 넓은 것이 특이하지 않음을 고려할 때, 치형부 폭은 200 mm 폭 기계에 대해 대략 2 mm일 수 있다. 더 넓거나 더 좁은 치형부가 사용될 수 있다. 더 얇은 치형부의 이점은 치형부가 정상 모터 라미네이션의 두께에 더 가까움으로 인해 솔리드 재료가 최소 와전류와 함께 사용될 수 있다는 것이다. 일반적인 모터 라미네이션은 0.015" 내지 0.025"의 범위 내에 있을 수 있다. 이러한 프로토타입은 열간 압연 강 코어에 의해 만족스럽게 수행되었다. 이는 저비용 제조에 이점을 갖는다. 솔리드 코어를 사용하는 다른 이점은 철과 같은 재료에서 더 높은 플럭스 밀도의 가능성을 포함한다. 영구 자석(1024)은 연자성 재료 로터(1022)에 접착될 수 있다. 도 3에 도시된 스페이서(1025)는, 로터(1022)에서, 필요하지 않지만, 자석(1024)이 정확한 간격으로 조립되는 것을 보장하는 데 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 5는 4상 구성에 대해 여기서 개시된 원리에 따른 4:3의 포스트(1028) 대 PM(1024) 비의 비제한적인 예를 도시한다. 대체적으로, n개의 위상에 대해, n:n-1의 포스트 대 자극의 비가 있을 수 있는데, 여기서, 자극의 개수는 영구 자석의 개수일 수 있다. 3:2의 비(3개의 위상을 가짐), 또는 가능하게는 2:1의 비(2개의 위상을 가짐) 또는 5:4의 비(5개의 위상을 가짐) 또는 6:5의 비(6개의 위상을 가짐) 또는 7:6의 비(7개의 위상을 가짐) 등이 사용될 수 있다. 4:3이 높은 토크를 생성하는 비인 것으로 도시되었고 여기서 비제한적인 예로서 사용된다. 또는, n개의 위상이 있을 수 있으며, 이때 포스트 대 자극의 비는 n:n+1이다. 많은 다른 포스트-대-PM 비 및 조합이 가능하며, 이러한 장치의 원리에 따라 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 5의 실시예는 172개의 포스트를 갖지만, 제안된 슬롯 밀도를 갖는 전기 기계는 더 많거나 더 적은 개수의 포스트를 가질 수 있다. 최소 개수의 포스트는 100개의 포스트일 수 있어서, 일부 로봇 응용에 대해 충분한 토크 밀도를 얻을 수 있다. 도 5는 포스트 상에 개략적인 CAD 모델 코일(1032)을 갖는, 스테이터(1020) 및 로터(1022)의 간략화된 개략 단면도를 도시한다.
개시된 바와 같은 전기 기계의 4상 구성의 경우, 포스트의 개수는 8로 나뉘어질 수 있고, 이때 4개의 포스트 대 3개의 영구 자석의 비를 갖는다. 영구 자석들은 반경방향 교번 극성으로 배열될 수 있다.
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예시적인 축방향 플럭스 전기 기계
일 실시예는 개별적으로 제어되는 스테이터 섹터를 포함할 수 있는데, 여기서 토크를 생성하는 것 외에 상기 스테이터 섹터에 대한 제어기의 2차 목적은 상기 섹터와의 로터 정렬을 유지하는 것, 및 가능하게는 롤링 및/또는 슬라이딩 접촉 베어링의 필요성을 완전히 없애는 것일 것이다. 각각의 섹션은 개별 다상 BLDC 모터 구동기를 포함할 수 있다. 도 30에 도시된 다중 섹션형 액추에이터(1082)와 같은 중공 디스크 형상을 갖는 실시예를 고려하면, 어느 정도까지는 모든 아크 섹터(1074)가 거의 선형 액추에이터(도 31에 도시됨)처럼 작용해야 한다고 주장할 수 있고, 모든 선형 액추에이터가 그의 선형 (이 경우에 원주방향) 운동 또는 위치를 유지하는 한, 주어진 순간에 로터의 각각의 대응하는 섹션은 원주방향으로 위치되어 스테이터와 로터가 동축으로 유지되게 할 것이다. 도면으로부터, 모든 스테이터 섹터(1076)가 로터의 대응하는 섹터(78)를 접선방향으로 전후로 이동시키게 할 수 있는 주된 접선방향 힘에만 원인이 있다는 것이 명백하다. 스테이터 및 로터가 베어링과 기계적으로 커플링되지 않더라도, 개별 섹터(1074)를 적절하게 정류함으로써 축방향 정렬을 유지하는 가능성은 실재한다. 제안된 아이디어는 어느 정도는 토크 생성 장치와 자가-정렬형 동적 자기 베어링의 조합이라고 말할 수 있다.
전기 기계의 일 실시예는, 도 32에 도시된 바와 같이 액추에이터(1082)의 회전 부분 상에 수평으로 장착된, 단부에 중량을 갖는 로봇 아암과 같은 긴 레버와 함께 사용될 수 있다. 액추에이터가 수직으로, 즉 수평축을 갖고서 장착된 경우, 로터 조립체는 하향력(downward force)(1080)을 겪을 것이고, 수평축 상에서 정반대되는 개별 섹터들(1084, 1086)은 약간의 수직 하향 변위를 겪을 것이다. 스테이터 섹터들 각각에 있는 인코더는 이러한 변위를 등록할 것이고, 모터 구동기 및 제어기는 그들 섹터의 정확한 스테이터-로터 접선방향 정렬을 유지하도록 그들 섹터로 입력되는 전력을 시프트시킬 것이다. 이는 아암 상의 수직 하향력에 대항하는 수직 승강력(lifting force)(1088)을 생성할 것이고, 따라서, 로터는 개별 섹터의 능동 제어에 의해 미리결정된 공차 내에서 동축으로 유지될 것이다. 이는 도 32에서 입증된다. 모든 다른 섹션들은 그들이 정상적으로 작동할 것이기 때문에 토크를 생성하고 있다. 제어기에 대해 그것은 단순히 2개의 가능한 방향 중 한 방향으로의 힘(토크)의 증가이고, 이는 2개 중 단지 하나이기 때문에, 이는 임의의 기존의 모터 구동부에 대한 구동 알고리즘에의 복잡한 추가가 아닐 것이다.
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전기 기계를 위한 예시적인 자석 구성
도 42는 포스트(1136)가 절연 층(1134) 내에 안착된 상태의 전기 전도체 층(1140 내지 1143)의 층상 배열체의 양 면 상에서의 교번 극성 자석들(1050)의 일 실시예를 도시한다. 이러한 예시는 회전 또는 선형일 수 있는 축방향 플럭스 실시예를 도시한다.
도 42의 층상 액추에이터는 PCB 제조 기술의 이용 또는 미리제조된 구성요소들의 조립과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는, 본 발명의 방법들 중 임의의 방법에 의해 제조될 수 있다. 주어진 선형 힘을 생성하는 데 필요한 전류를 감소시키기 위해, 전기 전도체의 하나 초과의 층들이 사용될 수 있다. 각각의 층(1140 내지 1143)은 그 층과 다음 층 사이에 별개의 절연체 층을 가질 수 있거나, 전도체 층들 사이에 별개의 절연 층이 필요하지 않도록 각각의 전도체 층이 조립 공정 전에 또는 조립 공정 동안 개별적으로 (종래의 와이어 절연과 유사하게) 절연될 수 있다.
단일 위상 장치에 의해, 비제한적인 예로서, 도 42에 도시된 바와 같이, EM 포스트들은 정류되지 않는다. 양 또는 음의 전류가 단일 위상에 인가되어 한 방향 또는 다른 방향으로 PM 캐리어의 힘 및/또는 이동을 생성한다. 그러므로, 출력의 대략적인 총 이동은 포스트 피치일 것이다. 이러한 장치의 이점은 스테이터에 대한 PM 캐리어의 이동 또는 힘을 생성하기 위해 가변 양 및/또는 음의 전류만을 제공하면 되는 모터 제어기의 감소된 복잡도이다.
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층상 구성을 갖는 예시적인 축방향 플럭스 전기 기계
도 59 및 도 60에 도시된 실시예에서, 접선방향으로 자화된 영구 자석들(2124)의 어레이는 순서 NSSNNSSNNSSNNS…로 접선방향으로 자화된다. 그에 따라서, 로터(2110) 상의 모든 제1 반경방향 플럭스 경로 부재(2128)가 양 축방향 단부에서 N 극성이고, 모든 제2 플럭스 경로 부재(2130)는 양 축방향 단부에서 S 극성이다. 로터(2110)는 모터 제어기에 대한 로터(2110)의 반경방향 위치를 제공하기 위해 와전류 센서, 광학 센서, 또는 다른 센서와 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 인코더와 함께 사용될 수 있는 사인곡선형 표면(2116)을 포함한다. 많은 다른 유형의 인코더가 이러한 장치의 실시예와 함께 사용될 수 있다. 로터(2110)의 원통형 섹션(2118)은 로터(2110)로부터 로봇 아암과 같은 출력부까지 부착 표면을 제공하고 로터(2110)에 강직성을 제공하는 역할을 한다. 이러한 원통형 부재(2118)는 로터(2110)와 하나의 피스일 수 있거나, 또는 그것은 열 팽창에 의해 디스크에 조립되고/되거나 그렇지 않으면 로터(2110)의 디스크 섹션에 부착되는 알루미늄 링과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 별개의 구성요소일 수 있다. 분리기 디스크(2120)가 스테이터 포스트들(2114) 사이의 슬롯 내에 전도체(2122)를 밀봉 및 수용하는 데 사용될 수 있다. 분리기 디스크(2120)가 사용되는 경우, 이는 와전류를 방지하기 위해 Torlon™(폴리아미드-이미드) 또는 다른 비금속 재료와 같은 전기 비전도성 재료로 제조될 수 있다. 전도체(2122)는 와이어를 포함하는 임의의 구성을 가질 수 있지만, 여기에 도시된 바와 같이 층상 구성일 수 있다. 전도체는 구리 또는 알루미늄을 포함하는 임의의 재료로 제조될 수 있다.
도 60은 하우징(2102)과 스테이터(2106) 조립체가 분해되고, 로터(2110)와 자석(2124)이 분해되고, 하우징(2104)과 스테이터(2108)가 조립되어 있는, 도 56으로부터의 장치의 단면도를 도시한다. 기류 입구(2132)가 하우징(2104) 상에 도시되어 있는데, 분리기 디스크(2120) 및 로터(2110) 내의 교차-유동 개구(2134, 2136)와 함께 액추에이터(2100)의 일 측으로부터 반대편 스테이터로의 냉각 유체 유동을 허용한다.
도 61은 하우징(2102)의 상세 단면도이다. 하우징(2102)의 내부 표면은 스테이터(2106)의 후방 표면 상의 핀(2139)들의 어레이를 위한 수용 슬롯(2138)들의 어레이를 갖는다. 이러한 수용 슬롯(2138)은 스테이터(2106)의 후방 표면을 하우징(2102)에 고정시키고 또한 스테이터(2106)의 후방 표면으로부터 하우징(2102)으로 열을 전도에 의해 전달하는 역할을 한다. 스테이터(2106)와 하우징(2102) 사이의, 그리고 수용 슬롯(2138)들 사이의 체적은 스테이터(2106)의 후방 표면 및 하우징의 내부 표면으로부터 멀리 열을 인출하기 위해 유체 유동 챔버로서 사용될 수 있다. 기체 또는 액체는 펌프 또는 압축기(도시되지 않음)에 의해 이러한 챔버를 통해 순환될 수 있다. 개시된 슬롯 기하학적 구조의 냉각 효율성은 많은 응용에서 냉각 유체로서 공기에 의해 높은 성능이 달성되게 한다. 액체 대신에 공기의 사용은 더 낮은 비용 및 중량 그리고 많은 응용에서 누설에 대한 우려의 제거를 포함하는 많은 잠재적인 이점을 갖는다.
도 62는 하우징(2102)에 조립된 스테이터(2106)를 도시한다. 이러한 예시적인 실시예에서, 스테이터(2106)는 개시된 범위 내의 슬롯 밀도 및 전도체 체적을 갖는 축방향으로 연장되고 반경방향으로 정렬된 포스트(2114)들의 어레이를 포함한다. 유체 포트(2140)들의 어레이가, 스테이터(2106)와 하우징(2102, 2104) 사이의 챔버 내에 유체를 위한 입구 또는 출구를 제공하도록 스테이터(2106) 상에 도시되어 있다.
도 63은 전기 기계의 일 실시예의 3:2 층형 전도체 구성의 위상 A의 제1 전도체 층(2142)과 함께 하우징(2102)에 조립된 스테이터(2106)를 도시한다. 전도체의 이러한 실시예의 위상의 각각의 층은 스테이터(2106) 상에서 단일 축방향 층을 점유하는데, 이때 그 동일한 층 상에 다른 위상으로부터의 다른 전도체는 없다. 층 상의 전도체(2142)는 2개의 슬롯(2143, 2145)을 순차적으로 점유하고, 이어서 슬롯(2147)을 스킵하여, 층 상의 제1 슬롯(2143)이 일정 반경방향으로 전류 흐름을 제공하는 위상으로부터의 전도체(2142)를 갖게 하고, 그 층 상의 제2 슬롯(2145)이 반대 반경 방향으로 전류 흐름을 제공하는 그 위상으로부터의 전도체(2142)를 갖게 하고, 그 층 상의 제3 슬롯(2147)이 전도체를 갖지 않게 한다. 하나의 위상 내의 하나의 전도체 층(2142)의 이러한 전도체 형상 및 순서가 도 64에 도시되어 있다.
도 65는 동일한 위상의 전도체(2142)의 4개의 층을, 명료함을 위해 다른 위상으로부터의 스테이터(2106) 및 전도체가 제거된 상태로, 도시한다. 축방향 삽입체(2148)는 일정 층 상의 위상으로부터의 각각의 전도체(2142)의 단부를 상이한 층 상의 동일한 위상으로부터의 다른 전도체(2142)의 시작부와 연결한다.
도 66은 각각의 위상으로부터의 하나의 전도체 층(2142)을 갖는 예시적인 실시예(2100)에서의 전도체 배열을 도시한다. 하나의 전도체 층(2142)의 단부 턴은 슬롯 내의 층들 사이에서 반경방향으로 (본 예에서는 외향이지만 유체는 어느 방향으로든 유동할 수 있음) 유체 유동 통로(2150)를 제공하는 바와 같은 방식으로 다음의 전도체 층(2144)의 단부 턴과 중첩된다. 스테이터 포스트가 이러한 도 66에는 도시되어 있지 않다. 도 67에서, 동일한 층 상의 모든 제3 슬롯(2147) 내의 유체 유동 채널은 3개의 예시적인 슬롯에서 파선 화살표 라인으로 도시되어 있다. 스테이터(2106) 상의 모든 제1 포스트(2250)는 양측의 접선방향 측부 상에 위상 A로부터의 전도체(2142)를 갖는다. 스테이터(2106) 상의 모든 제2 포스트(2252)는 양측의 접선방향 측부 상에 위상 B로부터의 전도체(2144)를 갖는다. 그리고, 스테이터(2106) 상의 모든 제3 포스트(2254)는 양측의 접선방향 측부 상에 위상 C로부터의 전도체(2146)를 갖는다.
이러한 층형 권선 구성은 포스트들 사이의 전도체들 사이의 공간 내의 반경방향 냉각 유체 유동을 허용하지만, 단부 턴은 슬롯 내의 채널들에 대한 반경방향 접근으로부터 슬롯을 밀봉한다. 반경방향 채널(2150)에 유동을 제공하기 위해, 전도체(2142)에는 도 68에 도시된 바와 같이 포스트(2114) 각각의 단부에서 축방향 유동 경로(2152)가 사전형성된다. 이러한 축방향 유동 경로(2152)는 슬롯(2147) 내의 채널(2150)에서의 반경방향 유체 유동이 포스트(2114)의 단부에서 원주방향으로 그리고 이어서 축방향 유체 경로(2152) 내에서 축방향으로 그리고 이어서 상이한 층 상의 반경방향 유동 채널(2150) 내에서 반경방향 외향으로 (또는 냉각제 유동 방향에 따라 내향으로) 유동하는 것을 허용한다.
이러한 유동 경로는 도 68에 도시되어 있는데, 여기서 두꺼운 화살표는 포스트(2114)와 반경방향으로 정렬되는 입구 채널(2154)까지의 기류를 도시한다. 두꺼운 파선 화살표는 입구 채널(2154)에서의 반경방향 유동을 도시한다. 가는 파선은 포스트(2114)의 단부를 가로지르는 접선방향 유동 및 이어서 포스트(2114)의 단부에서의 공간(2152) 내의 축방향 유동을 나타낸다. 긴 파선은 전도체(2142)들 사이의 채널(2150) 내의 반경방향 외향의 유동을 나타낸다. 이러한 방식으로 포스트(2114)의 단부에서 축방향 유동 경로(2152)를 생성함으로써, 냉각 유체는 입구 및 배출 공기를 반경방향 유동 채널(2150)에 연결하도록 접선방향으로 그리고 축방향으로 유동할 수 있는 다수의 경로를 갖는다.
도 69는 유사한 화살표로 동일한 유동 경로를 도시한다. 포스트 단부 공간(2152)이 냉각 유체가 하나의 층 상에 진입하게 하고 상이한 층 상의 채널(2150) 내에서 반경방향으로 유동하게 하는 것에 주목하는 것이 중요하다.
층형 전도체 시스템의 실시예는, 더 높은 슬롯 충전 비율을 달성하기 위한 반경방향으로 테이퍼진 슬롯 내의 반경방향으로 테이퍼진 전도체, 제조의 용이함을 위해 전도체를 스탬핑하는 능력, 조립을 단순화하고 조립의 정밀도를 증가시키기 위한 층상 구성, 더 큰 제조 일관성을 달성하는 능력, 균일한 냉각을 위한 일관된 유체 유동 채널을 달성하는 능력, 및 능동 냉각 수단을 통한 더 효과적인 냉각을 위해 전도체의 체적에 대한 전도체와 냉각제 접촉의 큰 표면적을 생성하는 능력을 포함할 수 있다.
도 63 및 다른 도면에 도시된 바와 같은 층형 전도체 시스템의 실시예는 층의 대부분에 대해 동일한 두께의 전도체에 의해, 그리고 전류 흐름 방향에 수직인 더 큰 단면을 갖는 단부 턴에서의 더 넓은 섹션을 포함하는 가변 폭으로 특징지어진다. 단부 턴에서의 더 넓은 단면은, 그것이 제곱 효과(squared effect)에 의해 단부 턴의 저항 및 열 생성을 감소시켜 단부 턴이 슬롯 내의 더 좁은 전도체보다 낮은 온도에서 작동하게 하기 때문에 유리하다. 슬롯 턴과 단부 턴 사이의 매우 낮은 열 유동 저항은, 단부 턴의 더 큰 단면적과 함께, 슬롯 내에서 발생되는 열에 대한 매우 효과적인 히트 싱크를 제공한다. (단부 턴이 슬롯 내의 전도체의 최대 폭과 비교하여 동일한 폭 또는 더 작은 폭인 경우와 비교하여) 단부 턴의 더 큰 표면적은, 단부 턴이 능동적으로 냉각되는 경우 냉각 유체 상호작용을 위해 그리고/또는 전기 전도체 단부 턴의 연속적인 층들을 통하여 축방향으로 하우징으로의 전도성 열 전달을 위해 증가된 표면적을 제공한다.
임의의 개수의 층들이 이러한 층형 전도체 시스템과 함께 사용될 수 있다. 임의의 개수의 위상이 이러한 전도체 시스템과 함께 사용될 수 있다. 모든 수의 위상에 대해, 전도체는, 예를 들어, 2개의 인접한 슬롯을 이들 슬롯 내에서 반대 방향의 전류 흐름으로 충전하고, 이어서 X - 2개의 슬롯을 스킵하는데, 이때 "X"는 위상의 수이다. 예를 들어, 4개의 위상에 대해, 층 상의 각각의 전도체는 3개의 위상에서와 같이 하나의 슬롯을 스킵하기보다는 2개의 슬롯을 스킵할 것이다. 5개의 위상에 대해, 각각의 전도체는 3개의 슬롯을 스킵하는 등일 것이다.
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전기 기계 내의 예시적인 플럭스 제어 구조물
도 79에 도시된 권선은 만곡된 또는 가변 폭 포스트(2226)와 같은 비직선형 포스트 형상을 허용한다.
로터와 스테이터 사이의 공기 갭을 가로질러 영구 자석으로부터의 플럭스를 증가시키기 위해, 영구 자석의 N 측으로부터 영구 자석의 S 측으로의 플럭스 연결 경로가 감소될 수 있다. 축방향으로 정렬된 영구 자석 로터에서, 이는, 도 102에 도시된 바와 같이, 강과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 연자성 재료로 제조된 솔리드 백 아이언에 의해 행해질 수 있다.이러한 경우에, 영구 자석(2370)으로부터의 플럭스는 백 아이언(2372)을 통해 인접 영구 자석(2370)에 그리고/또는 백 아이언(2372)의 반대 축방향 면 상의 반대편 영구 자석(2370)의 반대 극성 면에 연결될 것이다.
축방향 플럭스 영구 자석(AFPM) 기계에 의해 발생되는 토크는, 무엇보다도, 로터와 스테이터 사이에서 상호작용하는 플럭스의 밀도에 의해 영향을 받는다. 로터/스테이터 계면에서의 플럭스 밀도를 최대화하고, 그에 의해, 발생될 수 있는 토크를 최대화하기 위해, 로터는 로터의 양 단부 상의 스테이터 계면으로 플럭스를 채널링하기 위해 영구 자석(PM)의 접선방향으로 배향된 자극 면들 사이에 밀착하여 끼워맞춤되는 연자성 재료를 사용할 수 있다. PM의 축방향 치수가 그에 이용가능한 가용 접선방향 공간보다 훨씬 더 클 수 있고 연자성 재료가 PM보다 더 높은 포화도 값을 갖기 때문에, 스테이터와 상호작용하는 플럭스 밀도는 증가된다. PM들은 동일 극성의 자극들 중 2개가 접선방향으로 서로 향하고 있도록 접선방향으로 NSSNNSSNNS 등으로 배열된다. PM들의 교번 배향은 이들 사이의 연자성 재료의 내향 및 외향 연장부들이 SNSN 등으로 교번하게 분극된다는 것을 의미하는데, 이때 각각의 반경방향으로 연장되는 플럭스 경로 부재는 양 축방향 단부들에서 극성이 동일하다. PM의 축방향 치수의 크기는 그의 강도에 적합하도록 변경될 수 있어서, 상대적으로 높은 토크가 더 낮은 강도의 자석을 사용하여 생성될 수 있게 한다. 축방향 치수는 PM이 교번 극성의 축방향 면을 지나 돌출되지 않도록 되어 있다.
외부 로딩으로 인한 상대 각이동(angular movement) 및 편향을 수용하기 위해, 통상적으로는 스테이터와 로터의 축방향 면들 사이에, 공기 갭으로 지칭되는 축방향 갭이 있을 것이다. PM들로부터의 플럭스는 그들 사이의 연자성 반경방향 부재 재료 내에 교번 자극들을 생성하고, 스테이터의 전자석들의 자극들은, EM들에 전력이 공급되지 않는 경우에도, 이러한 교번 자극들을 연결하기 위해 플럭스 경로를 제공한다. 이는 로터와 스테이터들 사이에 인력을 야기한다. 로터와 스테이터 사이의 인력은 공기 갭이 더 작은 경우에 더 높아서, 로터의 양 단부 상에서의 동일한 공기 갭에 의해 스테이터를 향한 인력이 동일하고 반대가 될 것이지만, 임의의 각위치에서의 공기 갭의 임의의 변동이 변위를 증대시킬 순수한 힘을 야기하게 할 것이다. 이러한 경향은 작동 중에 스테이터와 로터 사이의 접촉을 피하기 위해 베어링 및 적절한 로터 강직성을 필요로 한다.
후술되는 설계는 1피스의 로터 구조물을 포함하는데, 여기서 강 또는 철과 같은 연자성 재료, 또는 플럭스를 운반하는 데 사용되는 코발트 또는 다른 연자성 재료 또는 합금이 또한 구조적 강직성을 제공한다. 예비 로딩된 한 쌍의 각접촉 베어링(angular contact bearing)과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 베어링은, 편향을 제어하고 공진을 회피하는 데 필요한 정적 구조물과 로터 사이에 모멘트 강직성을 제공한다.
일 실시예에서, 도 80 내지 도 86에 도시된 바와 같은 로터(2228)는 동일 극성의 자극들 중 2개가 접선방향으로 서로를 향하도록 NSSNNSSNNS 등으로 배열된 접선방향으로 분극된 영구 자석(2230)들을 갖는다. 로터(2228)의 외측 영역(2234)은 내향으로 돌출되고 규칙적으로 또는 동일하게 이격된 반경방향 플럭스 경로 부재(2232)들의 어레이를 포함하는데, 이는 로터의 내측 영역(2238) 상에서 동일한 개수의 규칙적으로 또는 동일하게 이격된 외향 돌출 반경방향 플럭스 경로 부재(2236)들과 상호맞물리고 영구 자석(2230)을 위한 플럭스 경로를 제공한다. 반경방향 부재(2232, 2236)의 상호맞물림은 로터(2228)를 매우 강성으로 만드는 것을 돕는다. 상호맞물림은 자석(2230)을 단락(short-circuit)시킬 플럭스 연결 경로를 생성하지 않고서 1피스(또는 2피스)의 페라이트 구조물을 제공하는 난제를 극복한다. 로터(2228)는 로터(2228)의 작동 동안 휘어지는 것이 공기 갭 길이의 일부이도록 충분히 강성이어야 한다.
영구 자석(2230)의 접선방향으로 교번하는 배향의 결과로서, 로터(2234)의 외측 영역과 하나의 피스인 그의 내향 돌출 반경방향 플럭스 부재(2232) 모두는 하나의 극성을 가질 것이고, 로터의 내측 영역(2238)과 하나의 피스인 외향 돌출 반경방향 플럭스 경로 부재(2236)는 반대 극성을 가질 것이다. 이러한 예시적인 실시예에서, 로터(2228)의 내측 영역(2238)만이, 예를 들어 베어링(도시되지 않음)에 의해, 스테이터 하우징(도시되지 않음)에 지지되지만, 추가의 베어링이 사용될 수 있다. 단지 로터의 ID 상에서의 베어링의 사용은, 제조 비용, 및 모터/액추에이터 중량을 감소시킬 수 있고, 로터의 높은 강도 및 강직성에 의해 가능하게 된다. 일 실시예에서, 로터(2228)의 내측 및 외측 영역은 도 82 및 도 83에 도시된 작은 탭(2240, 2242)에 의해 일체로 연결된다. 도 82는 내향 부재(2232)와 로터(2238)의 내측 부분과 외향 부재 사이의 구조적 연결이 감소된 축방향 폭의 탭(2240)을 통해 그리고/또는 영구 자석(도시되지 않음)을 통해 될 수 있음을 도시한다. 도 83은 감소된 축방향 폭의 탭(2242)을 통한 외향 부재(2236)의 최외측 단부와 로터(2228)의 외측 부분(2234) 사이의 구조적 연결을 도시한다. 이러한 탭은 내측 또는 외측 로터 링(2238, 2234) 중 하나 상의 N 자석 면으로부터 내측 또는 외측 로터 링(2238, 2234) 중 다른 하나 상의 자석의 S 면으로의 플럭스 복귀 경로를 생성할 것이다. 이러한 플럭스 복귀 경로는 로터(2228)와 스테이터(도시되지 않음) 사이의 공기 갭 내의 공기 갭 플럭스 밀도를 감소시킬 것이지만, 내측 로터 부재(2238)와 외측 로터 부재(2234) 사이의 연결 강도 및 강직성은 단지 작은 비율의 영구 자석(PM) 플럭스가 손실되게 하기에 충분히 작은 단면을 갖는 탭들(2240, 2242)의 어레이에 의해 적절히 달성된다는 것이 FEA 및 FEMM 분석뿐만 아니라 프로토타입 시험에 의해 나타났다.
도 84는 자석 리테이너(2244)를 보여주기 위해 자석(2230)이 없는 상태의 로터(2228)의 예시적인 실시예를 도시한다. 이들은 자석(2230)들을 축방향으로 위치시키는 데 사용되고, 슬롯(2248)들의 교번하는 단부들에 위치되어, 도 85에 도시된 바와 같이, 조립 동안 자석(2230)들의 절반이 로터(2228)의 일 측부로부터 삽입되고 자석(2230)들의 다른 절반이 로터(2228)의 다른 측부로부터 삽입되는 것을 요구한다. 자석(2230)들의 각각의 절반 세트는 조립체에 대한 안정성을 개선하는 동일한 접선방향 배향으로 그들의 극성들을 가질 것이다. 자석(2230)들은 접착제를 사용하여 제위치에 고정될 수 있고, 예컨대, 국부적 슬롯 폭을 자석(2230)의 두께 미만으로 감소시키도록 보유 탭(2244)들과 유사한 반경방향 위치들 중 2개의 위치들에서, 개방 슬롯 단부들의 피이닝(peening)에 의해 추가로 고정될 수 있다. 로터(2228)를 관통하는 구멍(2245)은 로터(2228)의 양 측부 상의 스테이터 전자석(도시되지 않음)의 냉각이 하우징 구조물(도시되지 않음)의 일 측부만을 통해 공기 또는 다른 유체를 유동시킴으로써 달성될 수 있도록 공기가 유동하게 할 수 있다. 로터(2228)를 관통하는 카운터 보어형 구멍(2246)은 제조 동안 클램핑을 위한 것이다. 도 86은, 내향 및 외향 연장 플럭스 경로 부재(2232, 2236)가 모두 1피스 구성으로 제조될 수 있지만 내향 및 외향 연장 부재(2232, 2236)가, 이 실시예에서 포스트 또는 단부 아이언보다 작은 단면을 갖는 탭(2240, 2242)으로서 형성되는, 부재(포스트)를 다른 링(단부 아이언)에 연결하는 연결 부분으로부터 멀리 서로로부터 자기적으로 격리되는 것을 더욱 명확하게 예시하기 위해, 내측 로터 링(2238) 및 외향 돌출 플럭스 부재(2236)의 축방향 표면이 검정색으로 도시되어 있다. 탭(2240, 2242)은, 반경방향 연장 플럭스 경로 부재(2232, 2236)에 비해, 그들이 PM 플럭스로부터 포화될 그리고 그에 따라서 그러한 플럭스 수준을 넘어서 상당한 추가 플럭스 연결을 허용하지 않을 만큼 단면이 충분히 작을 수 있다.
다른 변형예는 탭에 대한 다른 비자성 재료의 삽입체, 연결 탭이 없는 상태로 본 명세서에 도시된 바와 같은 반경방향 연장 플럭스 경로 부재를 갖는 내측 및 외측 부재를 포함한다. 이 경우에, 자석을 갖는 본체는 내측 로터 링과 외측 로터 링 사이의 주 구조적 연결부일 것이다.
예를 들어, 플럭스 경로 부재의 플럭스 집속 효과와 조합된 희토류 자석에 의해 발생되는 자력은 엄청난 축방향 힘을 생성할 수 있다. 여기에 도시된 예에서, 대략 9"의 외경은 1500lb 만큼 높은 스테이터에 대한 축방향 인력을 발생시킬 수 있다. 적합하게 강하고 강성인 구조물이 사용 중에 손상 및 문제가 되는 진동을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 상호맞물린 부재들을 갖는 로터는 구조적 강성 및 플럭스 집속 기능 둘 모두를 동일한 반경방향 연장 부재로 제공한다. 이들 내향 및 외향 부재의 상호맞물림은 유효 플럭스 사용 및 높은 강도 및 강직성을 위해 부재 접표면(tangential surface)과 자석 사이의 높은 표면적 접촉을 제공한다.
축방향 플럭스 전기 기계에 대한 예시적인 로터
로터는 여기에 도시된 바와 같은 단일 피스 구성으로, 또는 함께 개재되는 둘 이상의 피스들로 제조될 수 있다. 자석은 플럭스 경로 효과 및 구조적 효과를 위해 임의의 방향으로 테이퍼진 것을 포함하는 임의의 형상을 가질 수 있다. 임의의 유형의 자석이 사용될 수 있다. 임의의 개수의 자석이 사용될 수 있다. 임의의 폭의 자석이 사용될 수 있다. 로터의 하나 또는 둘 모두의 축방향 면이 스테이터와 조합하여 사용될 수 있다. 다수의 로터가 사용될 수 있다. 자석들의 다수의 원형 어레이가 2개 이상의 어레이로 된 상이한 개수의 자석과 함께 사용될 수 있다. 이러한 로터는 임의의 개수의 위상 또는 자극을 갖는 액추에이터 또는 모터 또는 임의의 자기 기계 또는 장치와 함께 사용될 수 있다.
후술되는 설계는 강 또는 철과 같은 연자성 재료, 또는 플럭스를 운반하는 데 사용되는 코발트 또는 다른 연자성 재료 또는 합금이 또한 구조적 강직성을 제공하여 이러한 장치에 의해 매우 높을 수 있는 자력에 대항하여 로터를 위치시키고 액추에이터 상의 출력 부하를 지지하는 2피스의 로터 구조물을 포함한다. 예비 로딩된 한 쌍의 각접촉 베어링과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 베어링은, 편향을 제어하고 공진을 회피하는 데 필요한 정적 구조물과 로터 사이에 모멘트 강직성을 제공한다.
도 87 내지 도 92는, 이후에 함께 볼트체결되거나 달리 체결 또는 연결되는 2개의 다소 미러 이미지인 반부(2262, 2264)로 구성된 로터(2260)의 일 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 테이퍼진 자석(2266)은 자석(2266)에 대한 기계적 고정을 제공하기 위해 그리고 또한 플럭스 경로 부재(2268, 2269)의 플럭스 밀도가 더 낮은, 로터(2260)의 중심 평면에 더 가까운 더 넓은 접선방향 자석 섹션을 허용하도록 테이퍼진 로터 부재(2268, 2269)와 조합될 수 있다. 이는 영구 자석(2266)에 이용가능한 공간 및 연자성 재료에 이용가능한 공간을 더 잘 사용하게 한다. 도 90은 영구 자석(2266)이 로터(2260)에 설치되는 경우와 동일한 상대 위치에 있는 영구 자석(2266)을 도시한다. 이는 동일 극성의 자극들 중 2개가 접선방향으로 서로 향하고 있도록 영구 자석(2266)들이 교번하는 접선방향 극성, NSSNNSSNNS 등으로 어떻게 배열되는지를 도시한다.
로터(2262, 2264)의 양 반부 모두는, 앞서 논의된 로터(2228)의 실시예와 유사하게, 내향 돌출 및 외향 돌출 반경방향 플럭스 경로 부재(2268, 2269)를 포함한다. 도 87에 도시된 예시적인 실시예(2260)에서, 로터(2260)의 내측 영역(2272)만이, 예를 들어 베어링(도시되지 않음)에 의해, 스테이터 하우징(도시되지 않음)에 지지되지만, 추가의 베어링이 예를 들어 로터의 ID 또는 OD 상에 사용될 수 있다. 단지 로터의 ID 상에서의 베어링의 사용은, 제조 비용, 및 모터/액추에이터 중량을 감소시킬 수 있고, 많은 응용의 경우에 추가 베어링을 불필요하게 만드는 로터의 높은 강도 및 강직성에 의해 가능하게 된다.
일 실시예에서, 로터(2260)의 내측 및 외측 영역은 도 86의 탭(2240, 2242)과 유사한 작은 탭에 의해 일체로 연결된다.
도 91은 외향 돌출 반경방향 플럭스 부재(2269)와 로터(2274)의 외측 부분 사이의 연결 탭(2270)의 축방향 범위를 도시하는, 로터 반부(2262, 2264) 둘 모두를 관통해 접선방향으로 취해진 단면도이다. 이러한 탭(2270)은 내향 돌출 반경방향 플럭스 경로 부재(2268) 상의 자석 면으로부터 반대 자극의 외향 돌출 반경방향 플럭스 경로 부재(2269)로의 플럭스 복귀 경로를 생성할 것이다. 이러한 플럭스 복귀 경로는 로터(2260)와 스테이터(도시되지 않음) 사이의 공기 갭 내의 플럭스 밀도를 감소시킬 것이지만, 내측 로터 부재(2272)와 외측 로터 부재(2274) 사이의 연결 강도 및 강직성은 단지 작은 비율의 영구 자석 플럭스가 손실되게 하기에 충분히 작은 단면을 갖는 탭들(2270)의 어레이에 의해 적절히 달성된다는 것이 FEA 및 FEMM 분석뿐만 아니라 프로토타입 시험에 의해 나타났다. 자석(2266)은 그의 테이퍼진 기하학적 구조에 의해 확실히 보유되고, 접착제를 사용하여 제위치에 추가로 고정될 수 있다. 로터(2260)를 관통하는 구멍(2275)은 로터(2260)의 양 측부 상의 스테이터 전자석(도시되지 않음)의 냉각이 하우징 구조물(도시되지 않음)의 일 측부만을 통해 공기 또는 다른 유체를 유동시킴으로써 달성될 수 있도록 공기가 유동하게 할 수 있다. 로터(2260)를 관통하는 카운터 보어형 구멍(2276)은 제조 동안 클램핑을 위한 것이다.
내향 및 외향 연장 플럭스 경로 부재(2268, 2269)가 모두 1피스 구성으로 제조될 수 있지만, 그 내향 및 외향 연장 부재(2268, 2269)는 로터(2260)의 내측 부분 상의 감소된 단면 탭(2270) 및 유사한 탭으로부터 멀리 서로로부터 자기적으로 격리되며; 이들 탭은, 반경방향 연장 플럭스 경로 부재(2268, 2269)에 비해, 그들이 PM 플럭스로부터 포화될 그리고 그에 따라서 그러한 플럭스 수준을 넘어서 상당한 추가 플럭스 연결을 허용하지 않을 만큼 단면이 충분히 작을 수 있다.
다른 곳에서 설명된 바와 같이, 볼트, 리벳, 또는 유사한 것이 로터(2260)의 2개의 반부(2262, 2264)를 함께 보유하는 데 사용될 수 있지만, 추가의 또는 대안의 보유 방법은 도 92에 도시된 바와 같이 하나 또는 2개의 테이퍼진 내부 면(2280)을 갖는 외측 링(2278)을 사용하는 것이다. 외측 링의 내경부는 로터의 2개의 반부(2262, 2264)들 사이의 동심성을 보장하는 데 사용될 수 있다. 이러한 외측 링(2278)은 그와 로터의 2개의 반부(2262, 2264) 사이에 열적(thermal) 차이를 생성함으로써 설치될 수 있다. 알루미늄 합금과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 링(2278)을 위한 고팽창 재료의 사용은 링(2278)을 설치하는 데 필요한 온도 차이를 감소시킬 것이다.
다양한 실시예는 하기를 포함할 수 있다: 하나의 로터가 하나의 스테이터에 인접해 있음, 로터가 하나의 스테이터의 각각의 측부 상에 있음, 로터가 한 쌍의 후면-대-후면(back-to-back) 스테이터의 각각의 측부 상에 있음, 또는 이들 구성의 조합.
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솔리드 및 라미네이팅된 스테이터 또는 로터 구성
일부 실시예에서, 라미네이팅된 스테이터 또는 로터가 사용될 수 있다. 도 103에서, 라미네이팅된 포스트 스테이터 구성이 도시된다. 이러한 예시적인 실시예는 라미네이팅된 포스트(2382)들의 어레이를 수용하기 위한 슬롯(2380)들의 어레이를 갖는다. 백 아이언 디스크(2384)는 여기에 도시된 바와 같이 라미네이팅된 구성 또는 소결된 구성 또는 솔리드 구성일 수 있다. 플럭스의 라인은 축방향 플럭스 모터에서 대체로 접선방향으로 이동하여, 유효 라미네이트 구조물이 각각의 포스트 및 백 아이언에 대한 라미네이트를 접선방향으로 정렬할 필요가 있게 할 것이다. 이러한 정렬을 달성하는 한 가지 방법은 각각의 라미네이트 층 사이에 접착제 층이 있는 상태로, 테이프 롤과 같은 밀착된 나선형으로 라미네이트의 스트립(strip)을 코일링하는 것이다. 코일이 경화된 후에, 재료는 기계가공 공정에 의해 제거되어 반경방향 포스트 및 슬롯을 형성한다.
개시된 범위 내의 특징부를 갖는 전기 기계의 일 실시예의 많은 수의 비교적 작은 포스트는 스테이터의 구성에서 가능한 한 적은 부품을 사용하는 것을 바람직하게 한다. 라미네이트가 사용되는 경우, 라미네이팅된 부품의 개수는 도 104에 도시된 바와 같은 반경방향으로 정렬된 라미네이트들의 사용에 의해 감소될 수 있다. 이러한 실시예 구성의 단점은 도 104에서 백 아이언(2384)과 라미네이팅된 포스트(2382)의 접합부에서 개략적으로 도시되어 있는데, 여기서 백 아이언(2384)을 통하여 포스트와 포스트를 연결하는 플럭스(2386)가 라미네이션 층(2390)들 사이의 하나 이상의 절연 층(2388)을 통과해야 한다. 절연 층(굵은 선으로 포스트(2382)에 개략적으로 도시됨)은 와전류의 감소에 유용하고 가능하게는 필요하지만, 이는 토크 및 효율의 결과적인 손실과 함께 플럭스 경로의 자기저항(reluctance)을 증가시키는 공기 갭으로서 작용한다. 이러한 구성의 기하학적 구조의 다른 단점은 개시된 범위 내의 특징부를 갖는 전기 기계의 매우 얇은 백 아이언(2384)에 기인하는 최소 접착 라인(2392)이다. 전기 기계의 일 실시예의 포스트(2382) 상의 매우 높은 축방향 하중을 고려하면, 일부 응용의 경우 이러한 접착 라인(2392)에 의존하는 것은 구조적으로 적절하지 않을 수 있다.
스테이터 포스트가 그의 슬롯 외부로 당겨지는 것을 방지하는 것을 돕는 동시에 포스트와 백 아이언 사이의 금속간 접촉을 제공하여 플럭스가 임의의 절연 층을 통해 교차하는 것이 강제되지 않도록 하는 구성이 제안된다. 도 105 및 도 106은 적절한 풀아웃 강도뿐만 아니라 백 아이언(2400)과 포스트(2402) 사이의 플럭스 연결의 대부분에 대한 금속간 접촉을 제공하는 스테이터(2398) 및 하우징 또는 커버 부재(2412)의 라미네이팅된 포스트 구성의 비제한적인 예시적인 실시예를 도시한다. 필요한 구조적 완전성을 달성하기 위해, 포스트(2402)는 다수의 기능을 제공하기에 충분히 백 아이언(2400)을 통해 연장된다. 연장된 재료는 테이퍼진 바브(2404)의 사용을 허용하여, 조립의 용이함을 허용하고 기계적 풀아웃 정지부를 제공한다. 이러한 비제한적인 예시적인 실시예에서, 바브(2404)는 조립 동안 포스트(2402)의 탄성 변형을 허용하기에 충분히 긴 슬릿(2406)에 대해 근위에 있다. 다른 기계적 수단이 기계적 풀아웃 정지부로서 작용하도록 사용될 수 있어서, 일 측부로부터의 포스트의 삽입을 허용하고 이어서 그 측부로부터의 포스트의 추출에 대한 저항을 제공할 수 있다. 예를 들어, 백 아이언과 포스트들의 접촉 표면들이 표면들에 대한 압력의 인가 하에서 추출 방향으로 서로를 지나 활주하는 것을 방지하는 방식으로 형상화된 상태로, 포스트를 스테이터 내로 삽입한 후에 활성화되는, 그렇게 하도록 구성된 스프링에 의해 또는 다른 기계적 수단에 의해, 래칫-유사 설계가 사용될 수 있다.
백 아이언(2400)의 후방 표면을 지나는 포스트(2402)의 돌출 섹션(2408)은 커버 부재(2412) 내의 유사한 폭의 슬롯(2410) 내로 삽입된다. 일 실시예에서, 이러한 커버(2412)는 알루미늄과 같은 경량 재료 또는 탄소 섬유와 같은 복합재로 제조된다. 포스트(2402)의 돌출 섹션(2408)의 표면적은, 개시된 범위 내의 특징부를 갖는 전기 기계의 일 실시예의 높은 자력을 견디기 위해 조립체에 필요한 강성을 부가하도록 커버 슬롯(2410)과의 접합을 허용하기에 적절하다. 도시된 실시예는 포스트마다 돌출 섹션(2408)을 갖는 하나의 중심 라미네이트(2409)를 포함하지만; 돌출 섹션을 갖는 하나 초과의 라미네이트가 포스트마다 사용될 수 있다.
커버 부재(2412)의 내측 표면 상의 슬롯(2410)들 사이의 반경방향 공간(2414)이 중량 감소 및 냉각 유체의 유동을 위해 사용될 수 있다. 또한 도 106에는, 축방향으로 더 짧은 라미네이트(2418)가 바브(2404)를 포함하지 않더라도, 돌출 중심 라미네이트(2409)뿐만 아니라 포스트(2402) 상의 더 짧은 라미네이트(2418)를 통과하는 포스트(2402) 내의 슬릿(2416)의 사용이 도시되어 있다. 이는 돌출 라미네이트(들) 상의 바브(2404)가 조립 동안 휘어지는 것을 허용하기 위한 것이다.
이러한 예시적인 실시예에서의 각각의 포스트(2402)는 스테이터 슬롯(2420) 내로의 삽입 전에 서브-조립체로 함께 접착된다. 이어서, 전도체(도시되지 않음)가 포스트(2402) 주위에 권취되거나 배치되고, 이어서 전도체는 포팅 화합물로 포팅된다. 커버 부재 슬롯(2410)의 안정화 효과에 더하여, 포팅 화합물은 라미네이팅된 포스트(2402)에 원주방향 강도 및 강성을 제공하는 역할을 할 것이다.
분말형 금속 또는 솔리드 재료가 라미네이팅된 포스트에 대해 여기에 도시된 바와 같은 유사한 보유 특징부와 함께 사용될 수 있음에 유의하여야 한다. 솔리드 또는 분말형 금속이 포스트에 대해 사용되는 경우, 이는 단일 구성의 포스트 및 백 아이언을 제조하기 위해 기계적으로 더 강할 뿐만 아니라 덜 복잡하고 덜 고가인 것으로 여겨진다.
자속 경로 완전성은, 이러한 예시적인 실시예에서, 도 107에서 입증되는 바와 같이, 백 아이언(2400)을 통해 돌출되는 부분(2408)을 갖는 더 긴 라미네이트(2409)의 측부 상에서의 축방향으로 더 짧은 라미네이트(2418)의 사용에 의해 달성된다. 낮은 자기저항 플럭스 연결(2424)을 위한 스테이터 백 아이언(2400)과 포스트(2402) 사이의 적절한 금속간 접촉을 달성하기 위해, 도 107에 도시된 바와 같이, 백 아이언(2400)과 라미네이트(2409) 사이의 접합부(2426) 및 백 아이언(2400)과 라미네이트(2418) 사이의 접합부(2428)에서의 모든 절연체가 제거되었다. 나머지 절연체(2430)는 포스트(2402)들 중 하나에서 굵은 선으로 개략적으로 도시되어 있다. 도 104의 예시적인 실시예의 플럭스 경로로부터의 절연체(2388)의 제거와 달리, 도 107에서의 절연체(2426, 2428)의 제거는 낮은 자기저항 플럭스 연결(2424)을 위한 라미네이트(2409)와 백 아이언(2400) 사이 및 라미네이트(2418)와 백 아이언(2400) 사이 양측 모두의 금속간 접촉을 야기한다.
도 107에 도시된 예시적인 실시예에서, 솔리드 백 아이언 디스크(2400)의 사용은, 플럭스 경로(도시되지 않음)의 비교적 작은 부분인 백 아이언으로 인해 그리고 백 아이언 디스크(2400)가 포스트(2402) 내의 플럭스 밀도와 비교하여 플럭스 밀도를 감소시키기에 축방향으로 충분히 두꺼울 수 있기 때문에, 100% 솔리드 스테이터 및 포스트와 실질적으로 비교하여 와전류들을 감소시키는 것으로 여겨진다. 와전류 및 히스테리시스 손실이 플럭스 밀도에 따라 증가하여, 라미네이팅된 포스트의 이득이 가치 있는 것으로 여겨지는 소정 응용의 경우, 철 또는 코발트 또는 니켈 합금과 같은 솔리드 금속으로 제조된 백 아이언 디스크의 사용은 적절한 효율 및 필요한 구조적 완전성을 제공할 수 있다. 백 아이언에 사용되는 솔리드 재료에 의해, 낮은 전기 전도성 (및 높은 열 전도성) 및 높은 플럭스 밀도를 갖는 합금이 사용될 수 있다.
돌출 포스트 섹션을 커버의 슬롯에 접착시키는 것은 에폭시 또는 다른 접착제 또는 솔더 또는 브레이징(brazing) 또는 초음파 용접 등에 의해 행해질 수 있다. 고강도 솔더는 냉각에 도움이 되는 양호한 열 전달을 제공하는 이점을 갖는다.
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예시적인 집중형 플럭스 로터 구성:
도 146 및 도 147을 참조하면, 반경방향 플럭스 구성의 집중형 플럭스 로터의 일 실시예의 경사형 단면도가 도시되어 있다. 로터 포스트(3304)는 자석(3302)이 로터 슬롯(3306) 외부로 반경방향으로 이동하는 것을 방지하는 로터 릴리프(relief)(3320)를 포함한다. 로터 포스트(3304)들은 측부 아이언(side iron)(3312)(도 146에 도시되어 있지 않지만, 도 147 참조)에 의해 연결된다. 측부 아이언(3312)은 자속이 측부 아이언(3312)을 통과하게 하고 영구 자석(3302)과 측부 아이언(3312) 사이에 자기 인력을 생성하게 하는 플럭스 연결 경로를 생성한다. 측부 아이언(3312)과 로터 릴리프(3320)의 조합은 로터(3300)에 영구 자석(3302)을 확실히 보유한다. 이 실시예에서, 로터 포스트(3304)의 일부는 슬롯의 하부 내에 자석들을 (이 경우에는 반경방향 외향으로) 보유하는 것 및 자석 고정을 돕기 위해 릴리프된다.
도 148은 연자성 재료와 같은 재료의 단일 블록으로부터 포스트 및 측부 아이언 구조를 형성하는 데 사용될 수 있는 밀과 조합된 집중형 플럭스 로터 포스트(3304) 및 측부 아이언(3312)의 경사형 단면을 도시한다. 통상의 엔드 밀(3370)이 로터의 외주연으로부터 작업해 들어가서, 블록 내로 넓은 리세스를 절삭하는 데 사용될 수 있다. 더 작은 직경의 엔드 밀(3372)이 영구 자석(3302)이 삽입될 수 있는 리세스를 형성하는 데 사용될 수 있다. 이어서, 릴리프된 샤프트 엔드 밀(3374)이 로터 포스트(3304)를 밀링하여 로터 릴리프(3320)를 형성하는 데 사용될 수 있다. 더 작은 직경의 엔드 밀(3372) 및 릴리프된 샤프트 엔드 밀(3374)은 로터(3300)의 내주연으로부터 작업해 들어갈 수 있다. 하나 이상의 벽이 재료의 블록의 축방향 단부에 남겨져 측부 아이언(3312)을 형성할 수 있다.
도 146 내지 도 148이 반경방향 플럭스 구성을 도시하지만, 이러한 설계의 축방향 플럭스 구성 변형예가 동등한 구조 및 방법으로 제조될 수 있다.
이제 도 149를 참조하면, 도 146 내지 도 148에 도시된 실시예의 로터의 선형 표현의 개략적인 FEMM 분석에서의 슬롯 기하학적 구조가 도시되어 있다. 도 149는 로터의 2개의 슬롯 기하학적 구조의 플럭스 경로를 도시한다. 개략도의 좌측의 4개의 영구 자석(3302)은 직사각형이다. 개략도의 우측의 4개의 영구 자석(3302)은 슬롯 내에 영구 자석(3302)을 보유하는 자력을 증가시키는 테이퍼진 단부(3316)를 갖는다. 이는 영구 자석을 슬롯 내에 고정시키는 다른 방법에 대한 필요성을 감소시키는 이점을 가질 수 있다.
도 150은 단부 아이언(3314)을 갖는 반경방향 플럭스 구성의 로터(3300)의 실시예의 경사형 단면도를 도시한다. 이러한 실시예에서, 로터 포스트(3304)는 로터 릴리프(3320), 및 테이퍼진 로터 포스트 단부(3318)를 포함한다. 테이퍼진 로터 포스트 단부(3318)는 로터(3300)의 중량을 감소시키는 역할을 할 수 있다. 로터 릴리프(3320)는 영구 자석(3302)을 보유하는 것을 도울 수 있고, 일부 변형예에서, 슬롯을 가로질러 완전히 연장되어 백 아이언(3310)을 형성할 수 있는데, 이때 추가의 강성을 제공하고 자력에 의해 슬롯 내에 영구 자석(3302)을 보유하는 것을 돕는 효과가 있다.
도 151을 참조하면, 단부 아이언(3314)을 갖춘 스테이터-로터-스테이터 구성이 도시된다. 단부 아이언(3314)과 로터 포스트(3304)는 등축 연질 금속성 재료의 단일 피스로부터 형성될 수 있으며, 이때 영구 자석(3302)의 단일 어레이가 로터 포스트들(3304) 사이에 끼워맞춰진다. 단부 아이언(3314)은 로터(3304)의 양 단부에 형성된다. 이 실시예에서, 플럭스 경로 제한부(3328)가 도 152에 도시된 바와 같이 포함될 수 있다.
도 152는 백 아이언(3310), 단부 아이언(3314) 및 플럭스 경로 제한부(3328)를 갖춘 스테이터-로터-스테이터 구성의 일 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 영구 자석(3302)의 2개의 어레이가 백 아이언(3310)에 의해 분리된다. 플럭스 경로 제한부(3328)는 단부 아이언(3314)에서 플럭스 누설을 감소시키기 위해 영구 자석(3304)의 단부에 보어(bore)로서 형성된다.
도 153은 로터-스테이터-로터 구성의 일 실시예를 도시한다. 2개의 집중형 플럭스 로터(3300)가 중심 스테이터(3330)와 맞물린다. 로터(3300)는 각각 단부 아이언(3314)과 플럭스 경로 제한부(3328)를 포함한다. 많은 응용에서, 단부 아이언만이 또는 백 아이언만이 집중형 플럭스 로터(3300)에 적절한 강성을 제공하기에 충분할 것이다.
도 154는 로터-스테이터-로터 구성의 일 실시예를 도시한다. 이러한 실시예는 각각의 로터(3300) 상에 두꺼운 백 아이언(3310)을 추가하면 도 153에 도시된 것과 본질적으로 동일하다.
도 155는 사다리꼴 스테이터-로터-스테이터 구성의 일 실시예를 도시한다. 스테이터(3330)가 전도체 층(3334) 없이 도시되어 있다. 로터(3300)는 백 아이언(3310) 및 단부 아이언(3314)을 포함하고, 원통형 축방향을 따른 단면에서 대략 사다리꼴 형상을 갖는다. 로터는 2개의 로터 반부로 구성되고, 백 아이언(3310) 및 단부 아이언(3314) 둘 모두와의 조합은 로터에 높은 기계적 강성을 제공한다. 도 156은 단부 아이언(3314)만을 갖고 백 아이언(3310)은 없는, 도 155에 도시된 스테이터-로터-스테이터 구성의 실시예의 변형예를 도시한다.
도 157은 사다리꼴 로터-스테이터-로터 구성의 일 실시예를 도시한다. 스테이터(3330)가 전도체 층(3334) 없이 도시되어 있다. 로터(3300)는 영구 자석(3302)의 내경 및 외경 단부에 도시된 단부 아이언(3314)을 포함한다. 본 실시예에서, 로터(3300)의 후방 표면은 저밀도 하우징 구성요소와 상호로킹된다(interlocked). 도 158은 백 아이언(3310)을 갖고 단부 아이언(3314)은 없는, 도 157에 도시된 사다리꼴 로터-스테이터-로터 구성의 일 실시예를 도시한다.
도 159는 선형 플럭스 기계의 로터-스테이터-로터 구성의 일 실시예를 도시한다. 스테이터(3330)는 포스트(3332)들의 어레이를 갖고, 어떠한 전도체(3334)도 도시되어 있지 않다. 로터는 스테이터를 둘러싸고, 재료, 예를 들어 연자성 등방성 재료의 하나 이상의 피스로 제조된다. 로터 하우징(3300)의 내부 구조 상의 영구 자석(3302)을 위한 수용 슬롯이 로터 포스트(3304), 로터 백 아이언(3310) 및 로터 단부 아이언(3314)으로서의 역할을 한다. 선형 모터를 위한 많은 구성이 본 발명자에 의해 고려된다. 로터(3330)의 측부 섹션은, 예를 들어, 상부 및 하부 로터 부분과는 상이한 재료로 제조될 수 있다. 도 160은 로터(3300) 상에 백 아이언(3310)이 없는, 도 159에 도시된 선형 플럭스 기계의 로터-스테이터-로터 구성의 일 실시예를 도시한다.
도 161은 로터(3300)가 로터 포스트(3304) 및 백 아이언(3310)에 의해 분리되는 자석들(3302)의 2개의 어레이로 형성되는 선형 플럭스 기계의 스테이터-로터-스테이터 구성의 일 실시예를 도시한다. 다른 집중형 플럭스 로터에서와 같이, 영구 자석들은 선형 방향으로 극성이 교번하고, 백 아이언의 다른 측부 상의 반대편 자석과 동일 극성일 수 있거나, 백 아이언의 다른 측부 상의 반대편 자석과 반대 극성일 수 있다. 이러한 실시예에서의 트래블러(traveller)는 등방성 연자성 재료로 제조될 수 있다. 도 162는 로터(3300)가 단부 아이언(3314)을 갖고 백 아이언(3310)을 갖지 않는 선형 플럭스 기계의 스테이터-로터-스테이터 구성의 부분 조립된 실시예를 도시한다. 이러한 배열에서, 영구 자석 정지부는 자석을 슬롯 내의 정밀한 위치에 위치시키는 데 사용된다. 로터의 상부 및 하부에 있는 영구 자석은 동일 극성 또는 반대 극성을 가질 수 있지만, 바람직하게는 로터 포스트를 통한 상부 자석으로부터 하부 자석으로의 플럭스 연결을 감소시키기 위해 동일 극성을 갖는다. 로터 포스트(3304) 및 단부 아이언(3314)은 단일 피스의 등방성 연자성 재료로 제조될 수 있다.
로터 포스트의 측부의 일부분으로부터 재료를 제거하는 것이 로터 질량을 감소시키는 추가 이득과 함께 영구 자석에 대한 확실한 보유력을 야기할 수 있다는 것이 FEMM 분석에 의해 나타났다.
도 163 및 도 164는 로터 포스트 벽 상의 릴리프(3322) 및 단속된 백 아이언(3310)이 로터의 중심 평면을 향하는 상태의 등방성 로터 포스트 어레이를 도시한다. 이 실시예에서, 영구 자석은 원주방향으로 분극되고 축방향으로 정렬된 상대물(counterpart)에 대해 반대 극성이다. 이것의 효과는 영구 자석으로부터의 플럭스 라인의 50% 초과가 공기 갭을 가로질러 연결되고 있더라도, 영구 자석을 수동 상태(passive state)에서 상당한 힘으로 슬롯의 하부 내로 보유하는 것이다. 여기서 도시된 바와 같이, 단속된 백 아이언을 갖는 일 실시예에 대해 적절하게 강하고 강직성인 등방성 포스트 및 커넥터 부재를 제공하기 위해, 로터 포스트(도시되지 않음)의 적어도 하나의 단부 상에 단부 아이언 커넥터가 있을 필요가 있을 것이다. (도 163의 Z 축으로) 영구 자석이 더 길수록, 단부 아이언이 공기 갭 내의 플럭스 및 생성될 수 있는 토크(또는 선형 모터의 경우 힘)에 미치는 영향은 더 적어진다.
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일부 실시예에 대한 일반 원리
개시된 구조 중 임의의 것이 포스트와 포스트들 사이의 슬롯을 포함하는 전자기 요소를 구비하는 전기 기계와 함께 사용될 수 있으며, 여기서 포스트는 적어도 스테이터 또는 로터 중 어느 하나 상에 자극을 생성하도록 권취되며, 여기서 자극 밀도는 본 특허 문헌에 명시된 식에 의해 한정되는 자극 밀도의 범위 내에 있고, 포스트 높이는 본 특허 문헌에 명시된 식에 의해 한정되는 포스트 높이의 범위 내에 있다. 이들 식 각각은 경계 영역(bounded area)을 한정한다. 경계 영역은 전기 기계의 크기에 의존하며, 여기서 크기는 기계의 반경에 의해 한정된다. 경계 영역은 자극 밀도, 포스트 높이 및 기계의 크기에 의해 한정되는 공간에서 경계 표면(bounded surface)을 함께 한정한다. 전기 기계의 각각의 반경에 대해, 경계 영역은 본 발명자들에 의해 신규하고 분명하지 않은 것으로 여겨진다.
모델링 연구와 FEMM 분석에 기초하여, 본 발명자는 적어도 특정 자극 밀도를 넘어 그리고 모터의 주어진 직경에 대한 특정 전도체 체적 또는 포스트 높이에 대해, 하기 내용을 믿는다: 1) 개시된 바와 같은 자극 밀도와 전도체 체적 또는 포스트 높이를 갖는 전기 기계는 더 낮은 자극 밀도 및/또는 더 높은 전도체 체적을 갖는 그 외에는 동등한 기계에 비해 주어진 토크 또는 힘에 대해 증가된 열 생성(및 따라서 더 낮은 효율)을 갖지만, 대응하는 유효 열 방출을 갖고; 2) 증가된 자극 밀도와 더 낮은 전도체 체적 또는 포스트 높이는 또한 전체적으로 증가된 토크 대 질량비(토크 밀도)와 함께, 더 낮은 자극 밀도 및/또는 더 높은 전도체 체적을 갖는 그 외에는 동등한 기계에 비해 질량을 감소시키는 효과를 갖는다.
증가된 토크 대 질량비를 갖는 전기 기계는 전기 기계 중 몇몇이 로봇 아암과 같은 아암을 따라 이격될 때 특히 유용한데, 왜냐하면 하나의 전기 기계가 하나 이상의 다른 전기 기계를 들어올리거나 가속시킬 필요에 비해 효율이 덜 중요하기 때문이다. 본 발명자는 개시된 바와 같은 자극 밀도 및 전도체 체적 또는 포스트 높이를 갖는 전기 기계의 개선된 성능이 적어도 부분적으로 1) 최고온 전도체로부터 포스트로의 더 짧은 열 유동 경로를 갖는 더 좁은 슬롯 및 2) 포스트의 상부로부터 열 방출 표면으로의 더 짧은 열 유동 경로에 기인하는 것으로 생각한다.
예를 들어, 개시된 각각의 전기 기계 실시예는 KR 면에서 이득을 제공하는 것으로 여겨지는 자극 밀도와 포스트 높이의 한정(definition) 내에 있는 자극 밀도와 포스트 높이를 갖는 것으로 도시된다.
예를 들어 0.5 이상의 범위 내의 자극 밀도의 경우에, 그리고 슬롯이 대략 치형부만큼 넓은 것이 특이하지 않음을 고려할 때, 치형부 폭은 25 mm 폭 기계에 대해 대략 1 mm일 수 있다. 보다 좁은 치형부가 사용될 수 있다. 보다 얇은 치형부의 이점은 강 또는 철 또는 자성 금속 합금과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 솔리드 재료가 치형부가 정상 모터 라미네이션의 두께에 더 근사함으로 인해 최소 와전류와 함께 사용될 수 있다는 것이다. 모터의 이러한 크기에 대한 일반적인 모터 라미네이션은 0.015" 내지 0.025"의 범위 내에 있을 수 있다. 제안된 자극 밀도와 치형부 기하학적 구조(많은 짧은 포스트)는 또한 제1 캐리어(스테이터)에서 와전류를 회피하는 데 도움을 준다. 예를 들어, 144개의 슬롯을 갖춘 전기 기계에 대해, 와전류 손실은 200 rpm 및 70 A/㎟에서 권선의 총 저항 손실의 단지 7%로 밝혀졌다. 솔리드(비-라미네이팅된) 재료의 사용은 강도, 강직성 및 신뢰성에 있어 이점을 제공한다.
개시된 기계의 실시예는 분수 권선(fractional winding)을 사용할 수 있다. 일부 실시예는 분포 권선을 사용할 수 있고; 다른 실시예는 집중 권선을 사용한다. 분포 권선은 단부 턴에서의 더 많은 구리와 더 낮은 전력으로 인해 더 무겁다(더 큰 모터를 요구함). 그것들은 또한 플럭스가 분수 권선의 경우에서와 같이 다음 포스트로 이동하기보다는 적어도 3개의 포스트를 이동하여야 하기 때문에 더 두꺼운 백 아이언을 필요로 한다. 분포 권선은 더 긴 전도체(단부 턴이 그 사이를 연결하여야 하는 더 긴 거리의 결과)로 인해 더욱 많은 열을 생성한다.
제안된 자극 밀도를 갖는 전기 기계의 일 실시예는 임의의 적합한 개수의 포스트를 구비할 수 있다. 최소 개수의 포스트는 100개의 포스트일 수 있다. 많은 개수의 포스트는 포스트당 더 적은 권선을 허용한다. 비제한적인 예시적인 실시예에서, 각각의 포스트 상의 권선은 단지 하나의 층 두께이다(포스트로부터 원주방향 외향으로 측정됨). 이는 전도체로부터의 열이 스테이터 포스트로 열 전도에 의해 방출되도록 전도체를 통해 전도되는 공기 갭 및/또는 포팅 화합물 갭 및/또는 와이어 절연 층의 개수를 감소시킨다. 이는 열 용량에 대해(순간적인 고 전류 이벤트에 대해) 그리고 연속 작동 냉각에 대해 이득을 갖는다. 전도체와 직접 접촉하는 기체 또는 액체 냉각제에 의한 코일의 직접 냉각시, 높은 자극 밀도와 조합되는, 적은 개수의 원주방향 층, 및 예를 들어 포스트 상의 와이어의 단일 원주방향 층이 냉각 유체에 노출되는 전도체의 매우 큰 표면적을 생성한다(전도체의 체적에 비해). 이는 전도체의 냉각에 이롭고, 개시된 바와 같은 작은 전도체 체적을 이용하는 많은 예시적인 방식 중 하나이다. 포스트당 단일 행(또는 적은 개수의 행)의 코일은 또한 제조 복잡성을 감소시켜 더 낮은 비용의 제조를 허용한다. 다른 실시예에서, 각각의 포스트의 권선은 2개의 층 두께이다.
175 mm 이상의 평균 공기 갭의 전기 기계에 대해, 슬롯의 개수는 축방향 플럭스 전기 기계에 대해 60개 이상, 또는100개 이상일 수 있으며, 예를 들어 예시적인 175 mm 직경의 실시예에서 108개의 슬롯이 있을 수 있다. 또한, 그러한 전기 기계에 대해, 포스트의 평균 반경 길이-대-원주방향 폭은 4:1 초과, 예를 들어 약 8:1일 수 있지만, 10:1 이상에 달할 수 있다. 예시적인 108개 슬롯 실시예에 대해, 비는 약 8:1이다. 그러한 구성의 경우에, 열 방출이 개선된다. 보다 낮은 종횡비가 매우 작은 토크에 대해 많은 재료일 것이어서, 종횡비는 고 KR 및 로봇 공학에 유용한 토크를 달성하는 동시에 열 방출 효과를 이용하는 데 도움을 준다.
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자극 밀도 및 포스트 높이를 한정하는 식
KR 면에서, 또는 토크, 토크-대-중량, 및 Km(추가로 설명되는 바와 같음)을 조합하는 가중 함수 면에서 상당한 이득을 제공하는 자극 피치(또는 밀도)와 전도체 체적의 범위가 발견되었다. 가중 함수 면에서의 이득의 양은 냉각 및 다른 인자의 양에 의존하지만, 식은 지시된 바와 같은 이득을 제공하는 전기 기계의 신규한 구조를 한정한다. 이들 이득을 산출하는 전도체 체적과 자극 밀도의 범위에 의하여 결정되는 경계 영역을 한정하는 식이 제공된다.
일 실시예에서, 기계 크기, 자극 밀도 및 포스트 높이에 의해 한정되는 위상 공간의 영역 내에서 작동시킴으로써 이점이 얻어진다. 도 170a 내지 도 170f에 도시된 일련의 그래프는 옥타브(OCTAVE)™(수치 계산을 풀기 위한 프로그램임)에서 생성된 자동 솔버(automated solver)를 사용하는 FEMM 소프트웨어를 사용하여 생성되고 분석된, 선형 모터 섹션 기하학적 구조의 예시적인 시리즈에 대한 토크 밀도(z축) 대 슬롯 밀도(x축) 및 포스트 높이(y축)를 도시한다. 슬롯 밀도는 그것이 자극 밀도와 동일하기 때문에 이 예에 사용되었다.
하기의 규칙과 가정이 시리즈 내의 모터 모두에 적용되었다. 각각의 섹션은 144개의 전자석과 146개의 영구 자석으로 구성되었다. 로터는 NdFeB 52 자석 및 M-19 규소 강의 섹션을 포함하였다. 모든 영구 자석은 로터에 접선방향으로 배치되었고, 그것의 자기장 방향이 로터에 접선방향으로 정렬되고 그것의 인접 영구 자석에 대향하도록 배향되었다. M-19 규소 강 섹션은 영구 자석들 사이에 배치되었다. 스테이터는 M-19 규소 강으로부터 제조되었다. 전자석은 집중 권선 코일을 3-상 구성으로 사용하였다. 코일의 75% 충전율이 가정되어, 슬롯 면적의 75%로 구성되었다. 조사되었던 2가지 변수는 포스트 높이와 슬롯 밀도였다. 기하학적 구조 변수의 나머지는 하기의 관계에 따라 스케일링되었다(scaled): 모든 시뮬레이션에 걸친 1.25 인치의 일정한 모델 두께, 로터 영구 자석 폭은 영구 자석 피치의 50%로 설정됨, 로터 영구 자석 높이는 영구 자석 폭의 2.3배로 설정됨, 스테이터 슬롯 폭은 스테이터 전자석 피치의 50%임(포스트와 슬롯의 동일한 폭), 스테이터 백 아이언 높이는 스테이터 포스트 폭의 50%로 설정됨, 0.005 인치의 공기 갭 축방향 높이.
개시된 고유 기하학적 구조를 나타내는 경계 영역은 바람직한 실시예, 즉 최고의 토크-대-중량 및 KR을 산출할 실시예에 대해 모델링된다. 이 실시예에서 로터 내의 등급 N52 NdFeB 자석, 146:144의 로터 자극 대 스테이터 포스트 비, 및 백 아이언을 갖춘 플럭스 집중 로터의 선택과 같은 소정 설계 선택이 이루어졌다. 본 발명자의 지식이 미치는 한, 이러한 구성이 개시된 직경 내의 액추에이터의 크기에 대해 최고의 실용적인 토크-대-중량 구성 중 하나를 나타내면서 여전히 합리적인 수준의 제조성 및 구조적 안정성을 유지시킬 수 있다. 상이한 로터 유형(표면 영구 자석, 매립 영구 자석 등), 세라믹, 사마륨 코발트, 및 고온 NdFeB를 이에 제한됨이 없이 포함하는 상이한 자석 재료 및 등급, 상이한 로터 자극 대 스테이터 포스트 비, 상이한 스테이터 권선 구성, 상이한 스테이터 재료 등과 같은 많은 다른 구성이 가능하다. 많은 경우에, 이들 파라미터들에 대한 상이한 설계 선택이 바람직한 실시예와 동일한 자극 피치 및 포스트 높이에 대해 감소된 토크 또는 증가된 중량을 생성함으로써 바람직한 실시예에 비해 큰 KR 이득을 갖지 않을 것이다. 그러나, 대부분의 설계에 대해, 모든 다른 설계 변수 및 기하학적 관계가 일정하게 유지될 때 개시된 영역 외부의 기하학적 구조에 걸쳐 개시된 영역 내부의 자극 피치와 포스트 높이를 사용함으로써 KR에 대한 이득이 있다. 이러한 원리는 선형 모터, 축방향 플럭스 회전 모터, 반경방향 플럭스 회전 모터, 사다리꼴/환상(toroidal) 회전 모터, 및 횡방향 플럭스 선형 및 회전 모터에 대해, 집중 및 분포 권선 설계 둘 모두에 적용된다.
그들 모터 섹션 기하학적 구조 각각에 대해, 자기 시뮬레이션 및 열 시뮬레이션이 수행되었다. 모든 자기 시뮬레이션에 대해, 프로그램은 질량, 수평력, 및 전력 소비에 대한 값을 산출하였다. 코일 단면의 기하학적 외삽이 전체 시스템의 질량과 전력 소비를 더욱 정확하게 예측하기 위하여 단부 권선의 질량 및 전력 소비를 알아내기 위해 사용되었다. 스톨 토크 및 저속에서의 토크를 계산하기 위해, 저항 손실의 제곱근이 전력 소비의 지배적인 부분이며, 이때 승수(multiplier)가 단부 권선의 저항 손실을 고려하기 위해 슬롯 기하학적 구조에 기초한다. 이들 값은 각각의 시뮬레이션의 질량 힘 밀도(단위 질량당 힘) 및 면적-정규화 힘(area-normalized force)(공기 갭의 단위 면적당 힘)을 계산하기 위해 사용되었다. 모든 열 시뮬레이션에 대해, 프로그램은 코일 온도, 로터 온도 및 스테이터 온도에 대한 값을 산출하였다. 냉각제로서 물을 그리고 700 W/m2K의 대류 계수를 사용하여 스테이터 내측 표면에 설정된 냉각률이 적용되었다. 물의 온도는 15℃로 설정되었고, 그것은 6 내지 20 mm/s의 유량을 가졌다. 정상 상태 조건이 가정되었다.
일정한 전류 밀도 시뮬레이션에 대해, 고정된 전류 밀도가 전도체에 적용되었고, 결과적으로 생성된 힘, 질량, 전력 소비, 및 최대 스테이터 온도가 프로그램에 의해 계산되었다.
일정한 온도, 면적당 힘, 또는 힘 밀도 시뮬레이션에 대해, 전류 밀도가 관심 있는 파라미터가 목표값에 도달할 때까지 각각의 기하학적 구조 지점에서 조절되었고, 다른 파라미터가 그 지점에서 기록되었다. 일정한 온도, 면적당 힘, 및 힘 밀도 시뮬레이션에 대한 목표 오차는 각각 1도, 0.002 N/㎟, 및 1 N/㎏이다. 이러한 데이터는 면적-정규화 힘에 회전 모터 내의 공기 갭의 원주방향 면적을 곱하고 힘에 직경을 곱하여 결과적으로 생성된 토크를 산출함으로써 회전 모터의 임의의 크기에 직접 적용될 수 있다. 모터의 곡률 반경, 및 선형 구조와 만곡된 구조를 근사시키는 것과 관련된 오차로 인해 어느 정도의 작은 편차가 있을 것이지만, 본 출원인의 시뮬레이션은 회전 시뮬레이션된 토크가 전형적으로 선형 모델에 의해 예측된 것의 10% 내에 있음을 보여주었다.
높은 토크-대-중량이 몇몇 응용에서 유익하지만, 최소 수준의 토크가 아암이 높은 토크-대-중량 액추에이터로 인해 그것이 아무리 가벼워도 여전히 페이로드를 들어올리고 이동시키기에 충분한 토크를 가져야 하는 로봇 공학과 같은 응용에 필요할 수 있다. 본 특허 문헌에 개시된 범위 내의 자극 밀도와 전도체 체적을 갖는 전기 기계는 허용가능한 전력 소비 수준에서 높은 토크 및 토크-대-중량을 제공한다.
일정한 전류 밀도에서의 면적당 힘(2320)이 슬롯 피치와 포스트 높이의 함수로서 도 170a에 플롯팅된다. 가상 시리즈 내의 모든 모터에 인가되는 동일한 전류는 개시된 범위(2322)(파선에 의해 개략적으로 표시됨) 내에서 면적당 급격히 더 낮은 힘을 생성한다. 파선은 3D 표면 상에 투사된 각각의 크기(아래에서 식에 관하여 논의되는 바와 같은 25 mm, 50 mm, 100 mm 및 200 mm)로부터의 중간 경계에 대응한다. 이러한 중간 경계는 식들의 세트 A2, B2, C2 및 D2에 대응한다. 이 그래프에서, 일정한 전류 밀도에서의 면적당 힘(2320)은 주어진 3상 입력 전력에 대한 최고 토크 회전 위치를 알아내기 위해 옥타브(OCTAVE) 내의 스크립트(script)를 사용하여 FEMM에서 분석된 모터의 시리즈에 대해 도시된다. 이들 모터는 도시된 바와 같이 달라지는 전도체 체적과 슬롯 밀도를 제외하고는 모든 점에서 동일하다.
주어진 온도에서 가능한 최고 전류 밀도(2324)가 슬롯 피치와 포스트 높이의 함수로서 도 170b에 플롯팅된다. 개시된 범위(2322) 내에서의 지수적으로 더 높은 열 방출 특성은 주어진 온도에서 훨씬 더 높은 전류 밀도를 허용한다. 낮은 전도체 체적은 액추에이터 중량을 감소시키는 경향이 있지만, 낮은 전도체 체적은 또한 액추에이터 토크를 감소시키는 경향이 있다. 그러나, 전도체 체적과 슬롯 밀도가 개시된 범위 내에 있을 때, 전도체로부터 스테이터의 후면으로의 또는 냉각이 적용될 수 있는 임의의 다른 표면으로의 열 유동 저항의 급격한 감소가 있어, 액추에이터를 과열시킴이 없이 매우 높은 전류 밀도가 전도체에 인가되도록 허용한다.
도 170b에서, 도 170a에서와 동일한 모터의 시리즈가 사용되지만, 각각의 모터에 인가되는 일정한 전류 밀도 대신에, 전류 밀도는 전도체의 정상 상태 온도가 ~70℃일 때까지 달라졌다. 전형적인 물 냉각 효과의 합리적인 표현이 700 W/m2K의 대류 계수에서 스테이터의 외측 축방향 표면에 적용되었다. 물의 온도는 15℃로 설정되었다. 주위 온도는 15℃로 설정되었다. 간단함을 위해 공기 대류 냉각이 로터에 적용되지 않았는데, 왜냐하면 수냉식 표면이 냉각 면에서 매우 지배적이었고 로터가 그 자체의 열을 생성하지 않았기 때문이다. 정상 상태 조건이 가정되었다. 3D 그래프 상의 각각의 지점에 대해, 모터의 전류 밀도가 0으로부터 코일의 온도가 ~70℃에 도달할 때까지 증가되었다.
도 170c는 그것이 70℃의 일정한 온도와 대조적으로 6 A/㎟으로 일정한 전류를 갖는 것을 제외하고는 도 170d와 동일하다. 따라서, 짧은 포스트의 열 방출 이득이 도 170c의 예상 외의 이득의 개시된 범위를 어떻게 제공하는지를 입증하는 것은 하기의 가중치 관례, 즉 토크 - 1의 가중치, 토크-대-중량 - 3의 가중치, 전력 소비 - 2의 가중치를 사용하여 밝혀졌다. 토크-대-중량은 아암의 중량이 액추에이터의 중량에 의해 결정되기 때문에 그리고 아암의 중량이 전형적으로 페이로드의 중량보다 상당히 더 클 것이기 때문에 가장 크게 가중되었다. 토크는 그것을 중요한 고려 사항으로서 포함하도록 그러나 페이로드가 아암의 중량보다 상당히 더 작을 수 있음을 인식하여 1로 가중되었다. 전력 소비에는 그것이 중요한 고려 사항이기 때문에 중간 정도의 가중치가 주어졌지만, 전력 소비는 토크-대-중량에 대한 더 높은 가중치에 의해 달성되는 바와 같이, 더 작은 아암 중량으로부터 이득을 얻는 것으로 알려져 있으며, 따라서 전력 소비에 대한 더 큰 가중치는 잠재적으로 역효과를 낳는(counter-productive) 것으로 간주되었다.
일정한 전류 밀도를 모터의 시리즈에 인가하고, 위의 가중치와 결과를 조합함으로써, 도 170d의 표면(2328)은 슬롯(또는 자극) 밀도와 전도체 체적의 개시된 범위(2322)를 향해 그리고 그것을 통해 계속되는 더 낮은 전체 성능 쪽으로의 경향을 도시한다. 도 170d는 도 170b로부터 일정한 온도 전류 밀도가 인가될 때 개시된 범위 내에서의 이득을 보여준다.
모터 능력에 대한 산업 표준 측정 기준은 기본적으로 토크-대-전력 소비인 KM이다. KM은 주어진 전력에 대해 충분한 냉각을 가정한다. 그것은 단지 소정 수준의 토크를 생성하는 데 필요한 전력의 양을 고려한다. 슬롯 피치와 포스트 높이의 함수로서의
Figure 112019023026524-pct00011
표면(2330)이 도 170e에 플롯팅된다.
토크 대 중량 대 전력 소비는 도 170f의 슬롯 피치와 포스트 높이의 함수로서의
Figure 112019023026524-pct00012
표면(2332)의 그래프로부터 볼 수 있는 바와 같이 개시된 범위(2322) 내에서 가장 예기치 않은 급격한 이득을 보여준다. 높은 KR은 고정 응용에서 크게 유익하지 않을 수 있지만, 로봇 공학과 같은 응용에서, KR은 전력 소비 이득이 전체 시스템의 중량을 감소시킴으로써 달성될 수 있음을 보여준다.
Figure 112019023026524-pct00013
이 자극 밀도와 포스트 높이에 따라 달라지는 방식을 도시하는 그래프를 생성하는 방법은 하기와 같다. 작은 전도체 체적(낮은 포스트 높이)과 낮은 자극 밀도를 갖는 기하학적 구조 A를 갖는 모터 섹션을 고려한다. 기하학적 구조 A를 갖는 모터 섹션이 시뮬레이션되고, 냉각제로서 물을 그리고 700 W/m2K의 대류 계수를 사용하여 스테이터 내측 표면에 설정된 냉각률이 적용된다. 물의 온도는 15℃로 설정되고, 그것은 6 내지 20 mm/s의 유량을 갖는다. 정상 상태 조건이 가정된다. 이어서, 기하학적 구조 A의 전도체를 통과하는 전류가 전도체의 최대 온도가 70℃에 도달할 때까지 증가된다. 이어서, 이러한 시점에서의 기하학적 구조 A의 토크 밀도가 기록되고, 포스트 높이 및 자극 밀도의 대응하는 값에 대해 그래프에 플롯팅된다. 이러한 과정이 예를 들어 포스트 높이와 자극 밀도를 변화시키고 전술된 바와 같이 나머지 파라미터를 스케일링함으로써 얻어지는 다른 기하학적 구조에 대해 반복된다. 예를 들어, 기하학적 구조 B는 모든 다른 파라미터가 전술된 바와 같이 스케일링되는 상태에서, 포스트 높이를 증가시킴으로써 기하학적 구조 A로부터 얻어질 수 있다. 기하학적 구조 C는 기하학적 구조 A와 동일한 포스트 높이를 갖지만 더 큰 자극 밀도를 가질 수 있다. 기하학적 구조 D는 기하학적 구조 A에 비해 증가된 포스트 높이와 증가된 자극 밀도를 가질 수 있다. 토크 밀도를 플롯팅하는 것은 그래프에 표면을 생성한다.
자극 밀도가 증가하고 포스트 높이가 감소함에 따라 토크 밀도가 증가하는 것으로 밝혀졌다. 낮은 포스트 높이 또는 높은 자극 밀도 중 어느 하나를 갖는 기하학적 구조에 따라 토크 밀도의 그러한 증가가 발생하지 않는 것으로 도시되어 있고; 토크 밀도의 이득은 이들 2가지 인자를 조합하는 기하학적 구조에 대해서만 관찰된다. 그러나, 이러한 영역에서, 효율이 감소하고 있다. 그래프가 지시된 가정에 기초하여 생성되었지만, 본 발명자는 개시된 냉각 효과와 증가하는 자극 밀도 및 감소하는 전도체 체적 또는 포스트 높이의 플럭스 손실의 감소에 기초하여, 동일한 기하학적 구조가 시뮬레이션에 사용되었던 파라미터의 다른 값에서 이득을 가질 것으로 확고하게 예측한다. 포스트 높이 또는 자극 밀도에 영향을 미치지 않는 모터 설계 요소의 변화가 이득의 손실을 유발할 것으로 예상되지 않는다. 예를 들어, 접선방향으로 배향된 영구 자석을 갖는 로터를 포함하는 전기 기계 및 표면 장착형 영구 자석을 갖는 로터를 포함하는 유사한 전기 기계는 다소 상이한
Figure 112019023026524-pct00014
표면들을 가질 수 있고; 그럼에도 불구하고, 전술된 원리들은 여전히 적용될 것이고, 이전에 설명된 낮은 포스트 높이 및 높은 자극 밀도의 기하학적 구조의 영역 내에서 이득이 여전히 예측될 것이다. 현재 이해되는 바와 같이, 이러한 원리는 단지 축방향 플럭스 및 반경방향 플럭스 기계와 같은, 포스트를 갖춘 전기 기계에 적용된다.
개시된 식과 그래프에서, 파라미터
Figure 112019023026524-pct00015
은 크기-독립적이고, 토크 대신에 힘을 사용하도록 그리고 원주방향 길이 및 축방향 길이 둘 모두와 관계없도록 종래의 KR로부터 변환되었다. 따라서, 임의의 크기의 모터의 종래의 KR은
Figure 112019023026524-pct00016
값으로부터 알게 될 수 있다. 또한, 동일한 크기(공기 갭에서의 직경 및 축방향 길이)이지만 상이한 기하학적 구조(즉, 자극 밀도 및/또는 포스트 높이)의 2개의 모터에 대해, 배율 계수(multiplying factor)는 동일할 것이며, 따라서 더 높은
Figure 112019023026524-pct00017
을 갖는 모터가 더 높은 종래의 KR을 가질 것이다.
자극 밀도와 포스트 높이의 함수로서의
Figure 112019023026524-pct00018
은 종래의 KR을 도시하는 그래프의 표면과 크게 유사하다. 그러나, 토크 밀도에 대응하는 이러한 특정 표면은 상이한 온도가 분석에서 구속조건(constraint)으로서 사용될 때 상당히 변할 수 있다. 이와 대조적으로,
Figure 112019023026524-pct00019
은 실질적으로 변하지 않는다(전류가 시리즈 내의 모터가 포화되기 시작하기에 충분히 높아지지 않는다면; 3D 곡선 형상이 변할 것이다). 따라서, 이전에-논의된 이득을 생성하는 포스트 높이와 자극 밀도의 특정 범위를 한정하기 위해 사용되는 것은
Figure 112019023026524-pct00020
이다.
개시된 이득의 범위는 공기 갭에서의 결과적인 모터 직경에 의존한다. 모터의 물리적 크기가 더 낮은 슬롯 밀도가 사용되는 것을 방지하기 때문에 더 작은 모터가 더욱 구속된다. 200 mm 이상, 100 mm 이상, 50 mm 이상, 및 25 mm 이상에 해당하는 4가지 별개의 모터 직경 범위를 한정하였다. 각각의 직경 범위에 대해, 3가지
Figure 112019023026524-pct00021
수준을 기술한다. 제1 수준은
Figure 112019023026524-pct00022
에 대한 작은 이득이 시작되는 경우에 해당하고, 제2 수준은 중간 정도의
Figure 112019023026524-pct00023
이득에 해당하며, 제3 수준은 그러한 특정 직경 범위에 대해 높은
Figure 112019023026524-pct00024
이득에 해당한다. 더 높은
Figure 112019023026524-pct00025
값은 일반적으로 그러한 모터 크기 범위에 대해 더 낮은 전체 토크 값에 해당한다.
개시된 이들 모터 크기(25 mm 내지 최대 200 mm 직경 이상)는 소형 내지 대형 모터를 나타낸다. 시뮬레이션에 사용된 0.005 인치의 공기 갭은 모터의 이러한 범위에 대한 최소의 합리적인 공기 갭 크기로 여겨진다. 보다 작은 공기 갭은 제조 공차, 베어링 정밀도, 구성요소 편향, 및 열 팽창으로 인해 이러한 모터 범위에 대해 실용적이지 않다.
위의 식 내의 계수는 관심 있는 영역의 경계를 설정하고 결과적으로 생성된 관계를 거의 연속으로 만드는 방식으로 선택되었다.
포스트:슬롯 폭의 50:50 비가 이들 시뮬레이션에 대해 선택되었는데, 왜냐하면 분석이 이러한 비가 40:60 내지 60:40일 때 최고 이득이 얻어지는 것을 보여주었기 때문이다. 50:50 비는 전형적인 최선의 시나리오를 나타내고; 고정된 포스트 높이에서, 10:90의 슬롯:포스트 폭 비를 사용하는 것은 비교에 의해 상당히 열화된 성능을 가질 것이다. 분석은 일정한 포스트 높이에서, 일 실시예가 50% 슬롯 폭에서 토크 및 토크 밀도의 최대값을 그리고 40% 슬롯 폭에서 Km 및 Kr의 최대값을 나타내는 것을 보여준다. 그러나, Km 및 Kr의 최대 값은 50:50의 기하학적 구조에서 주어진 값의 5% 이내이고; 결과적으로, 시뮬레이션을 위해 파라미터를 스케일링하는 합리적인 선택으로서 50:50의 비가 관찰되었다. 포스트:슬롯 폭의 다른 비가 개시된 이득의 일부를 제공할 것이다.
상이한 실시예에 대해, KR 면에서, 또는 토크, 토크-대-중량, 및 Km을 조합하는 가중 함수 면에서 상당한 이득을 제공하는 전도체 체적과 자극 밀도의 범위를 보여주는 식과 그래프가 아래에서 논의된다. 전술된 식과 마찬가지로, 가중 함수 면에서의 이득의 영역은 냉각의 양에 의존한다.
전기 기계의 크기는 본 명세서에 한정된 바와 같이 축방향 플럭스 기계 또는 반경방향 플럭스 기계의 공기 갭 직경 또는 선형 기계의 캐리어의 병진 방향으로의 길이를 의미한다.
제1 경계 영역은 상당한 KR 이득이 도메인 내의 기하학적 구조의 나머지에 대해 발견되는 영역에 해당한다. 주어진 장치 크기에 대해, KR은 범위 밖의 어딘가에서보다 기하학적 구조의 개시된 범위 내에서 더 높은 값을 가져, 이들 기하학적 구조의 장치를 사용하는 소정 응용에 대해 전체 시스템 효율에 대한 잠재적인 이득을 나타낸다.
Figure 112019023026524-pct00026
의 그래프는 특정
Figure 112019023026524-pct00027
값에서 수평 평면을 배치함으로써 경계를 한정하기 위해 사용된다.
Figure 112019023026524-pct00028
의 4가지 값이 200 mm 이상, 100 mm 이상, 50 mm 이상, 및 25 mm 이상의 크기에 해당하는 4가지 상이한 액추에이터 크기 범위에 대한 이득의 영역을 한정하기 위해 사용된다.
하기의 표에서, 자극 피치는 변수 S에 의해 mm 단위로 표현된다. 포스트 높이가 또한 밀리미터 단위로 표현된다.
25 mm 크기를 갖는 기계에서,
Figure 112019023026524-pct00029
> 3.3에 대한 경계선이 표 1에 보인 값에 의해 한정되고, 대응하는 그래프는 도 180이다.
[표 1]
Figure 112019023026524-pct00030
25 mm 크기를 갖는 기계에서,
Figure 112019023026524-pct00031
> 3.4에 대한 경계선이 표 2에 보인 값에 의해 한정되고, 대응하는 그래프는 도 181이다.
[표 2]
Figure 112019023026524-pct00032
25 mm 크기를 갖는 기계에서,
Figure 112019023026524-pct00033
> 3.6에 대한 경계선이 표 3에 보인 값에 의해 한정되고, 대응하는 그래프는 도 182이다.
[표 3]
Figure 112019023026524-pct00034
50 mm 크기를 갖는 기계에서,
Figure 112019023026524-pct00035
> 2.2에 대한 경계선이 표 4의 값에 의해 한정되고, 대응하는 그래프는 도 177이다.
[표 4]
Figure 112019023026524-pct00036
50 mm 크기를 갖는 기계에서,
Figure 112019023026524-pct00037
> 2.5에 대한 경계선이 표 5의 값에 의해 한정되고, 대응하는 그래프는 도 178이다.
[표 5]
Figure 112019023026524-pct00038
50 mm 크기를 갖는 기계에서,
Figure 112019023026524-pct00039
> 2.9에 대한 경계선이 표 6의 값에 의해 한정되고, 대응하는 그래프는 도 179이다.
[표 6]
Figure 112019023026524-pct00040
100 mm 크기를 갖는 기계에서,
Figure 112019023123870-pct00041
> 1.5에 대한 경계선이 표 7의 값에 의해 한정되고, 대응하는 그래프는 도 174이다.
[표 7]
Figure 112019023026524-pct00042
100 mm 크기를 갖는 기계에서,
Figure 112019023123870-pct00043
> 1.7에 대한 경계선이 표 8의 값에 의해 한정되고, 대응하는 그래프는 도 175이다.
[표 8]
Figure 112019023026524-pct00044
100 mm 크기를 갖는 기계에서,
Figure 112019023123870-pct00045
> 1.9에 대한 경계선이 표 9의 값에 의해 한정되고, 대응하는 그래프는 도 176이다.
[표 9]
Figure 112019023026524-pct00046
200 mm 크기를 갖는 기계에서,
Figure 112019023026524-pct00047
> 1.3에 대한 경계선이 표 10의 값에 의해 한정되고, 대응하는 그래프는 도 171이다.
[표 10]
Figure 112019023026524-pct00048
200 mm 크기를 갖는 기계에서,
Figure 112019023026524-pct00049
> 1.5에 대한 경계선이 표 11의 값에 의해 한정되고, 대응하는 그래프는 도 172이다.
[표 11]
Figure 112019023026524-pct00050
200 mm 크기를 갖는 기계에서,
Figure 112019023026524-pct00051
> 1.8에 대한 경계선이 표 12의 값에 의해 한정되고, 대응하는 그래프는 도 173이다.
[표 12]
Figure 112019023026524-pct00052
각각의 기계 크기에서, 각각의 경계선이 주어진 K" 값에 대해 한정되며, 따라서 각각의 기계 크기에 대해, K" 값의 세트와 경계선의 대응하는 세트가 있다. 경계선의 쌍이 선택될 수 있으며, 여기서 하나의 경계선은 장치의 2가지 연속적인 크기, 즉 25 mm 및 50 mm, 50 mm 및 100 mm, 또는 100 mm 및 200 mm 각각으로부터 선택된다. 경계선은 크기, 자극 피치, 및 포스트 높이에 의해 한정되는 공간 또는 체적을 차지한다. 경계 표면이 제1 경계선 내의 임의의 지점과 제2 경계선 내의 임의의 지점을 연결하는 모든 선의 합집합(union)의 외부 표면인 공간 내의 2차원 중단되지 않는 표면으로 정의될 수 있다. 경계 표면은 이득 공간(benefit space)을 둘러싼다. 경계선의 각각의 쌍에 대해, 경계 표면은 이득 공간을 한정한다. 주어진 이득 공간 내에 있는 크기, 자극 피치 및 포스트 높이를 갖는 전기 기계가 그러한 크기의 기계에 대한 대응하는 경계선에 의해 한정되는 실시예 내에 속하는 것으로 고려된다.
최대 계산 크기보다 큰 기계 크기에 대해, 최대 계산 크기에 대해 계산된 경계선이 사용된다. 따라서, 최대 계산 크기를 넘어서는 이득 공간은 단순히, 그러한 크기 및 더 큰 크기에 대응하지만 표면 상의 지점과 동일한 자극 피치와 포스트 높이를 갖는 지점의 체적에 대해 계산된 경계선에 의해 한정되는 표면이다.
전기 기계의 주요 구성요소는 전자기 요소의 어레이를 갖춘 제1 캐리어(로터, 스테이터, 또는 선형 기계의 일부)와 자극을 한정하는 전자기 요소를 갖춘 제2 캐리어를 포함하며, 제2 캐리어는 예를 들어 자기 베어링일 수 있는 베어링에 의해 제1 캐리어에 대해 이동하도록 배열된다. 이러한 이동은 제1 캐리어와 제2 캐리어의 전자기 요소에 의해(모터 실시예) 또는 외부 소스(external source)에 의해 생성되는 자속의 상호작용에 의해 유발될 수 있으며, 이러한 경우에 이동은 기전력(electromotive force)이 전기 기계의 권선 내에 생성되게 한다(발전기 실시예). 공기 갭이 제1 캐리어와 제2 캐리어 사이에 제공된다. 제1 캐리어의 전자기 요소는 포스트와 함께, 포스트들 사이의 슬롯, 각각의 슬롯 내의 하나 이상의 전기 전도체를 포함하며, 제1 캐리어의 포스트는 mm 단위의 포스트 높이를 갖는다. 제1 캐리어와 제2 캐리어는 함께 전기 기계의 크기를 한정한다. 자극은 mm 단위의 자극 피치를 갖는다. 모터, 자극 피치, 및 포스트 높이의 크기는 크기, 자극 피치 및 포스트 높이에 의해 한정되는 공간 내의 영역 내에 속하도록 선택된다. 이러한 영역은 1) a) 제1 크기의 전기 기계에 대해 제1 불균등부 세트에 의해 한정되는 제1 표면, b) 제2 크기의 전기 기계에 대해 제2 불균등부 세트에 의해 한정되는 제2 표면; 및 c) 제1 표면 상의 제1 종점과 제2 표면 상의 제2 종점을 갖는 선분 상에 놓인 모든 지점을 포함하는 것으로 정의되는 세트의 합집합, 또는 2) 불균등부 세트 및 더 큰 크기에 대응하지만 표면 상의 지점에 대응하는 자극 피치와 포스트 높이를 갖는 모든 지점에 의해 한정되는 표면에 의해 한정된다.
제1 불균등부 세트와 제2 불균등부 세트는 각각 불균등부 세트 A 및 B, 또는 B 및 C, 또는 C 및 D이며, 여기서 A는 표 1, 2 및 3에 기재된 식으로 구성되는 불균등부 세트(각각 균등부(equality) 세트 A1, A2 및 A3)의 군으로부터 선택되고, B는 표 4, 5 및 6에 기재된 식으로 구성되는 불균등부 세트(각각 균등부 세트 B1, B2 및 B3)의 군으로부터 선택되며, C는 표 7, 8 및 9에 기재된 식으로 구성되는 불균등부 세트(각각 불균등부 세트 C1, C2 및 C3)의 군으로부터 선택되고, D는 표 10, 11 및 12에 기재된 불균등부로 구성되는 불균등부 세트(각각 불균등부 세트 D1, D2 및 D3)의 군으로부터 선택된다.
전기 기계가 특징지어지는 공간은 인접 크기에 대한 불균등부 세트에 의해 한정되는 불균등부의 임의의 쌍, 예를 들어: A1 B1, A1 B2, A1 B3, A2 B1, A2 B2, A2 B3, A3 B1, A3 B2, A3 B3, B1 C1, B1 C2, B1 C3, B2 C1, B2 C2, B2 C3, B3 C1, B3 C2, B3 C3, C1 D1, C1 D2, C1 D3, C2 D1, C2 D2, C2 D3, C3 D1, C3 D2, C3 D3에 의해 형성될 수 있다. 그것은 또한 임의의 불균등부 세트 및 더 큰 크기에 대응하지만 불균등부 세트에 의해 한정되는 영역 내의 자극 피치와 포스트 높이를 갖는 모든 지점에 의해 형성될 수 있다.
본 출원에서 설명된 모든 장치는 이들 식에 의해 한정되는 영역과 공간 내에 속하는 크기, 자극 피치 및 포스트 높이를 가질 수 있다.
도 1 내지 도 5에 의해 표현되는 실시예의 기하학적 구조의 시뮬레이션에서, 0.005" 공기 갭을 사용하고 N52 자석을 사용하여, 시뮬레이션은 그 크기에 대한 이득 범위 내에 있는 1.53 Nm/㎏/W의 KR"을 산출한다. 도 128 및 도 129에 도시된 실시예의 기하학적 구조의 시뮬레이션은 그 크기에 대한 이득 범위 내에 또한 속하는 2.13 Nm/㎏/W의 KR" 을 산출하였다.
예시적인 상호 교대 배치형 로터
도 208 내지 도 214에 도시된 바와 같이, 두 자극을 2개의 별개의 몸체로 분리하여 N 극과 S 극 사이의 플럭스 누설을 감소시킴으로써 저비용의 제조 및 고성능을 가능하게 하는 집중형 플럭스 로터가 여기에서 설명된다.
이 설계는 반경방향 플럭스 모터에 이상적으로 적합하며, 여기서 기하학적 구조는 상호 교대 배치형 구성이 N 극 링(4114)과 S 극 링(4112) 사이의 누설을 감소시킬 수 있게 한다.
도 208은 예시적인 로터의 등각 투상도이다. 상호 교대로 배치된 포스트들을 갖는 2개의 링(단부 아이언)이 있다. 도 209의 분해도에 더욱 명확하게 도시된 바와 같이, 장치는 3개의 주요 구성요소, 즉, N 극 링(단부 아이언을 가짐)(4114), S 극 링(단부 아이언을 가짐)(4112), 및 스페이서 링(4116)을 포함한다. 영구 자석(4130)이 또한 포함되며, 이는 예를 들어 링(4114, 4112)이 스페이서 링(4116)과 조립된 후에 로터가 조립될 때 포스트들 사이에 배치된다. 이는 집중형 플럭스 로터이기 때문에, 자석(4130)은 모든 자석의 N 극이 N 극 링(4114)의 포스트들을 향하고 있고 모든 자석의 모든 S 극이 S 극 링(4112)의 포스트들을 향하고 있는 자화 방향을 갖는다.
N 극 링 및 S 극 링은 강 또는 철과 같은 연자성 재료로 제조되고, 강도 및 강성을 제공하는 단부 아이언 링, 및 이러한 반경방향 플럭스 실시예에서, 링으로부터 축방향으로 돌출되는 포스트(4112)의 어레이를 갖는 동일한 또는 유사한 기하학적 구조의 것일 수 있다. 각각의 링은 동일한 수의 포스트를 갖는다. 도 210은 N 극 링 또는 S 극 링 중 하나, 예컨대 S 극 링(4112)을 도시한다. 포스트는 2개의 링이 완전히 함께 있을 때 PM을 기계적으로 고정시키기 위해 자석 보유 탭(4122)을 포함할 수 있다.
도 211에 도시된 스페이서 링(4116)은 알루미늄과 같은 바람직하게는 경량의 비자성 재료로 제조될 수 있다. 스페이서 링은 홈(4124)을 한정하는 상승된 릴리프(4126)를 갖는 밴드 형상일 수 있다. 홈(4124)들은, 포스트들을 원주방향으로 정밀하게 이격시키고 반대 링들의 포스트들 사이의 공기 갭을 유지하는 방식으로 두 링들의 포스트들을 수용한다. 도시된 반경방향 플럭스 실시예에서, 스페이서 링 슬롯(4124)은 2개의 링이 축방향으로 함께 끼워지는 것을 허용하지만, 각각의 링 상의 포스트(4120)의 축방향 단부가 반대편 링의 단부 아이언의 내측 면과 접촉하는 것을 방지한다.
로터를 조립하기 위해, 2개의 링을 스페이서 링 내의 수용 슬롯 내로 부분적으로 함께 활주시킨다. 이어서, PM(4130)을 상호 교대로 배치된 포스트들 사이에 삽입하여 도 212의 좌측에 도시된 구성을 달성한다. PM은 스페이서 링의 상승된 릴리프 위에 배치될 수 있는데, 이는 포스트들 사이의 리세스를 한정하기 위해 N 극 링 및 S 극 링의 포스트들보다 반경방향으로 더 얇을 수 있다. 모든 PM이 설치된 경우, 2개의 링은 도 212에 도시된 바와 같이 서로에 대해 최종 축방향 위치로 활주되게 강제되거나 허용된다. 도 212에 도시된 바와 같이, 링의 최종 위치는 하나의 링의 포스트와 다른 링의 단부 아이언 사이에 공기 갭(4128)이 존재하도록 된다.
그 결과는 큰 절삭 공구 또는 성형/주조 특징부를 허용하는 링 상의 각각의 포스트들 사이의 공간으로 인해 구조물을 제조하는 것이 매우 용이하다는 것이다. 본 구성은 S 포스트로부터 N 포스트로의 강 또는 철 재료를 통한 플럭스 복귀 경로를 제공하지 않고서 높은 강도 및 강성을 제공한다.
여기에서 설명되는 로터는 전기 모터를 형성하기 위해, 로터의 영구 자석과 상호작용하는 전자석을 갖는 임의의 적합한 스테이터와 함께 사용될 수 있다.
도 213은 상호 교대로 배치된 포스트들을 갖는 링들(4112, 4114)을 갖고 스페이서 링이 없는 로터의 이미지를 도시한다. 자석들(4130)을 보유하는 자석 보유 탭(4122)이 외측 코너를 절단하는 대각선 요소로서 보인다. 상기 실시예에서와 같이, 갭(4128)은 포스트들을 반대 단부 아이언으로부터 분리시켜 단부 아이언을 통한 플럭스를 감소시킨다.
도 214는 보유 탭이 없는, 도 7의 로터의 상이한 형태를 도시한다. 둥근 코너가 반경방향으로 연장되는데, 이는 탭이 아니다.
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증폭된 자기 로터
전기 모터는 하나의 캐리어를 다른 캐리어에 대해 구동시키도록 자기적으로 상호작용하는 전자기 요소의 2개의 캐리어를 포함한다. 영구 자석 전기 모터에서, 영구 자석은 자속을 생성한다. 영구 자석은 포스트를 자화시키고 자속을 증폭시키기 위해 철과 같은 자성 재료로 만들어진 포스트와 함께 사용될 수 있다. 포스트는 포스트를 향하는 N 극 면으로 자화된 2개의 자석들 또는 포스트를 향하는 S 극 면으로 자화된 2개의 자석들 사이에 개재될 수 있다. 영구 자석의 플럭스를 증폭시키기 위한 포스트 및 자석의 이러한 배열은 본 명세서에서 "집중형 플럭스"로 지칭된다. 캐리어들 사이의 공기 갭을 가로지르도록 많은 양의 자속이 다른 캐리어의 전자기 요소들과 상호작용하는 것이 바람직하다.
포스트는 그를 지지하기 위한 지지 구조물을 필요로 한다. 강도 및 구성의 용이성을 위해, 포스트 및 지지 구조물을 단일 피스의 재료로서 함께 구성하는 것이 바람직할 것이다. 포스트들을 연결하는 재료의 부분은 "단부 아이언"으로 지칭된다. 그러나, 단부 아이언은 플럭스가 공기 갭에 진입하지 않고서 자석의 하나의 자극으로부터 다른 자극으로 원을 그리도록, 도 215 및 도 216의 곡선 화살표로 도시된 플럭스 연결 경로(4134)를 제공한다.
OD 및 ID 상의 모든 또는 모든 제2 로터 포스트의 단부에 있는 예를 들어 도 144에 도시된 바와 같은 플럭스 저항기는 인접한 포스트들 사이의 플럭스 연결을 감소시켜 그에 의해 출력 토크를 증가시킨다. 플럭스 저항기는, 포스트 또는 단부 아이언 중 어느 하나의 단면 아래로, N 로터 포스트와 S 로터 포스트 사이에 감소된 플럭스 경로 단면적의 영역이 존재하게 하는 공동 또는 갭이다. 플럭스 경로를 완전히 단속하는 갭의 경우에, 갭 내의 재료는 공기, 진공 등과 같은 비자성이고, 갭에서의 플럭스 경로의 단면적은 0으로 간주될 수 있지만(즉, 플럭스 경로 단면은 플럭스 경로 내의 연자성 재료의 단면으로서 정의됨), 일부 자기장 라인이 갭을 횡단할 것이다.
그러나, 플럭스 저항기는 또한 전자기 캐리어의 강도 및 구성의 용이성을 감소시킨다.
도 215 및 도 216에 도시된 예는 페이지에 평행한 것으로 도시된 2개의 치수에서 자석(4130)을 둘러싸는 자기 민감성 재료로 제조된 구조물(4140) 내에 지지되는 영구 자석(4130)을 갖는 전자기 캐리어(4144), 전형적으로 로터를 도시한다. 자기 민감성 재료가 단일 피스로 형성될 수 있지만, 이는 포스트(4120)로 지칭되는 자석들 사이의 부분, 및 단부 아이언(4142)으로 지칭되는, 포스트들을 서로 연결하는 자석(4139) 및 포스트(4120)의 위 및 아래에 있는 부분(위 및 아래는 실제 공간에서가 아닌 페이지 상에서의 방향을 지칭함)으로 형성되는 것으로 개념화될 수 있다. 자석은 페이지 상에서 측방향으로 배향된 자극(4132)을 가지며, 이는 축방향 또는 반경방향 플럭스 모터에서의 원주 방향 또는 선형 모터에서의 모션 방향에 대응한다. 전자기 캐리어를 전자석을 갖는 다른 전자기 캐리어로부터 분리하는 공기 갭이 존재할 것이지만, 공기 갭이 페이지에 평행할 것이기 때문에 이들 도면에서는 보이지 않는다. 도 215 및 도 216은 전기 모터의 다른 캐리어를 제거한 절개도를 도시하는 것으로 여겨질 수 있는데, 이 도면은 다른 캐리어가 존재하는 경우 캐리어들 사이의 공기 갭을 가로지르는 것에서 비롯된 것이다.
도 215 및 도 216의 예시는 축방향 또는 반경방향 플럭스 모터, 또는 그의 "직선화된" 선형 등가물을 나타낼 수 있다. 축방향 플럭스 모터의 경우, 도 215 및 도 216의 페이지 상의 "위"는 반경방향을 나타내고, 페이지 상의 측방향은 원주 방향을 나타낸다. 반경방향 플럭스 모터의 경우, 페이지 상의 "위"는 축방향을 나타내고, 페이지 상의 측방향은 원주방향을 나타낸다.
하기 용어가 본 발명에 사용될 것이다: 요소의 폭은 회전 모터의 경우 원주 방향으로의 그리고 선형 모터의 경우 이동 방향으로의 요소의 치수이다. 폭은 도 215 및 도 216에서 측방향으로 표현된다. 요소의 깊이는 전기 모터의 전자기 캐리어들 사이의 공기 갭에 수직인 방향으로의 요소의 치수이다. 깊이는 도 215 및 도 216의 페이지에 수직인 방향으로 표현된다. 요소의 길이는 폭과 깊이에 수직인 방향으로의 요소의 치수이다. 도 215 및 도 216에서, 이는 위/아래 방향으로 표현된다.
낮은 종횡비에서는, 도 215에 도시된 바와 같이, 일부 유형의 플럭스 저항기가 존재하지 않는 경우, 높은 비율의 자속이 실선 화살표(4134)에 의해 도시된 플럭스 경로를 따라 N 극으로부터 인접한 S 극으로 연결될 것이다. 대조적으로, 도 216에 도시된 바와 같이, 높은 종횡비가 사용되는 경우, 자석의 중심 평면으로부터의 플럭스는 포스트가 이미 매우 높은 플럭스 밀도에 있기 때문에 포스트 단부에서의 연결로부터 더 제한되어서, 모터 공기 갭을 가로지르는 라인 형성(lining)은 (축방향 플럭스의 예에서) 포스트의 반경방향 단부 주위의 플럭스 경로(4134)보다 더 낮은 자기저항 플럭스 경로가 된다. 따라서, (축방향 플럭스 기계의 예에서) 자석 반경방향 길이 대 원주방향 폭의 충분히 높은 종횡비는 높은 토크를 달성하기 위한 플럭스 저항기에 대한 필요성을 감소시킨다.
본 장치의 실시예는 축방향 또는 반경방향 또는 선형 모터와 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 전기 기계에서 공기 갭을 유지하는 데 필요한 높은 구조적 강도 및 강직성뿐만 아니라, 영구 자석의 최대 플럭스 밀도와 비교하여 로터 포스트에서의 증가된 플럭스 밀도를 제공한다.
1/4"의 자석 깊이와 함께 1/16"의 접선방향 자석 폭(및 아이언 포스트 폭) 및 1"의 반경방향 자석 길이가 로터 포스트의 단부에서 플럭스 저항기를 사용함으로써 단지 10 내지 15%의 토크 증가를 야기하는 것이 시뮬레이션에 의해 밝혀졌다. 플럭스 저항기는 추가의 기계가공 시간을 필요로 하고, 그들은 또한 로터의 강도 및 강직성을 감소시킨다. 이러한 이유로, 이는 높은 종횡비의 자석의 사용을 통해 플럭스 저항기에 대한 필요성을 감소 또는 제거하기 위해 일부 응용들에서 유리할 수 있다.
각각의 포스트는 폭 방향으로 2개의 자석에 인접하여, 자석으로부터 포스트 내로 순 자속을 제공하도록 2개의 자석의 N 극 또는 2개의 자석의 S 극을 향한다. 포스트가 자성 재료로 제조됨에 따라, 이러한 자속은 포스트가 포화로 알려진 실질적으로 완전히 자화되는 한계까지 포스트 자체의 자화에 의해 증폭된다.
인접한 자석들로부터 각각의 포스트에 진입하고 (동일한 포스트에 플럭스를 제공하는 2개의 자석의 결과로서 그리고 포스트의 폭보다 큰 자석의 깊이에 의해) 포스트에 의해 증폭되는 다량의 순 자속이 깊이 방향으로 공기 갭을 가로질러 다른 캐리어의 전자석과 상호작용하는 것이 바람직하다. 도 215 및 도 216에 도시된 바와 같이, 단부 아이언을 통한 플럭스 연결은 자속의 일부가 다른 포스트에 걸쳐 교차하고, 그에 따라서 공기 갭에 진입하지 않게 유도한다.
도 215 및 도 216에 도시된 바와 같은 플럭스 연결 경로는, 경로 내의 자기장이 실질적으로 포화 상태 미만일 때, 플럭스의 매우 큰 부분을 전향(divert)시키는 경향이 있을 것이다. 단부 아이언을 통한 포스트로부터 포스트로의 플럭스 경로의 자기저항이 낮을수록, 공기 갭을 가로질러 높은 자기저항 경로를 취할 플럭스의 양은 낮아진다. 이를 다루기 위해, 본 발명자는 플럭스 저항기, 즉 플럭스 연결 경로의 일부가 매우 작은 총 단면적을 갖게 하는 공동 또는 제한부를 이전에 사용하였다. 매우 얇은 단부 아이언(4142)을 사용하는 것은 플럭스 경로의 일부가 작은 단면을 갖게 하는 데 사용될 수 있는 다른 접근법이다. 플럭스 연결 경로의 작은 단면 부분 내의 재료는 총 자속보다 낮은 자속에 의해 포화되어, 플럭스 연결 경로를 따르는 성향이 더 낮도록 포화 플럭스를 넘어선 추가의 플럭스를 유도한다.
플럭스 연결 경로(4134)에 어떠한 공동 또는 제한부도 없는 경우, 그리고 두꺼운 단부 아이언(4142)을 갖는 경우에도, 구성요소들의 종횡비를 변화시킴으로써, 총 플럭스는 플럭스 연결 경로를 통한 포화 플럭스를 크게 초과하여, 플럭스 연결 경로를 통해서보다는 공기 갭을 가로질러 가는 플럭스의 큰 비율로 이어질 수 있다는 것이 발견되었다.
플럭스 저항기의 사용을 피하고 두꺼운 단부 아이언을 사용하는 것은 구성을 용이하게 하고 더 높은 강도를 야기한다.
도 216에 도시된 바와 같이, 플럭스 저항기가 없고 포스트만큼 두껍거나 그보다 더 두꺼운 단부 아이언을 사용하는 실시예에서, 플럭스 연결 경로의 단면적은 포스트의 깊이와 폭의 곱에 비례한다. 총 자속은 또한 깊이에 따라 증가하여, 자석이 비례적으로 깊이로 스케일링되는 것으로 상정한다. 총 자속은 또한 자석의 길이에 따라 스케일링된다. 따라서, 총 자속 대 플럭스 연결 경로의 포화 플럭스의 높은 비는 자석 길이-대-포스트 폭의 높은 비를 가짐으로써 달성될 수 있다. 도 216에 도시된 바와 같은 설계에서, 포스트는 영구 자석을 수용하는 구멍들 사이에 있는, 포스트 및 단부 아이언을 형성하는 재료의 피스의 일부분이다. 따라서, 이러한 설계에서 자석의 길이는 포스트의 길이를 초과할 수 없다. 따라서, 이러한 길이-대-폭의 비를 나타내는 다른 방식은, 포스트 길이 대 포스트 폭의 높은 비가 수용 자석이 플럭스 연결 경로의 포화 플럭스에 비해 높은 총 플럭스를 발생하게 하는 것이다. 일부 실시예에서, 포스트 폭 및 자석 폭은 유사할 수 있다. 그러한 실시예에서, 자석 길이 대 자석 폭의 높은 비는 플럭스 연결 경로의 포화 플럭스에 비해 높은 총 플럭스를 제공할 것이다.
도 215 및 도 216에 도시된 자석은 포스트들 사이의 갭의 전체 길이를 연장한다. 이는 주어진 포스트 길이에 대한 총 자속을 최대화한다. 그러나, 단부 아이언에 인접한 자석의 길이방향 팁은 포스트에 진입하지 않고서 단부 아이언을 통한 플럭스 연결을 형성하는 필드를 생성할 수 있다. 따라서, 갭의 전체 길이를 연장하지 않는 더 짧은 자석을 사용하는 것은 공기 갭으로 진입하는 플럭스의 작은 감소만을 야기할 수 있다.
전술된 도 162는 높은 종횡비의 자석을 갖는 선형 모터의 예시적인 실시예를 도시한다. 이 실시예는 로터의 양 측부에 전자석을 갖는 스테이터(3330) 내에서 이동하도록 구성된 이동 캐리어(3300)(여기에서는 로터로서 설명될 것임)를 사용한다. 이 실시예에서의 로터(3300)는 로터(3300)의 양 측부 상에서 스테이터 요소와 상호작용하기 위해 자석(3302)들의 2개의 어레이로 형성된다. 영구 자석들은 선형 방향으로 극성이 교번하고, 로터의 다른 측부 상의 반대편 자석과 동일 극성일 수 있거나, 로터의 다른 측부 상의 반대편 자석과 반대 극성일 수 있다. 그들은 바람직하게는 바로 반대편인 자석과 동일 극성을 가져서, 로터 포스트(3304)를 통한 상부 자석으로부터 하부 자석으로의 플럭스 연결을 감소시킨다. 이 실시예에서, 영구 자석 정지부는 자석을 슬롯 내의 정밀한 위치에 위치시키는 데 사용된다.
예시적인 2피스 상호 교대 배치형 로터
자기 증폭 축방향 플럭스 로터에서, 상당한 축방향 깊이의 접선방향으로 얇은 자석(4130)을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 축방향 깊이 대 원주방향 두께의 비는 고속 기계가공 작업에 의해 기계계가공하기에 실용적인 것보다 더 높을 수 있다. 장치의 실시예는, 로터가 매우 좁고 깊은 슬롯을 갖는 단일 부품으로서 제조되는 경우보다 큰 절삭 공구(또는 주조 몰드와 같은 성형 공구 특징부)를 허용하는 포스트 특징부들 사이의 훨씬 더 큰 공간을 허용한다.
도 217은 조립된 상태에 있는 예시적인 로터(4150)를 도시한다.
축방향 플럭스 전기 기계를 위한 2피스 로터가 하기의 이점들을 갖는 자기 증폭을 제공한다. 2개의 구성요소(각각이 단부 아이언을 포함하는 내측 링(4146) 및 외측 링(4148)) 각각은 단일 피스 로터의 동일한 수의 포스트들의 절반인 포스트(4120)를 가지며, 따라서 이는 최종 조립체의 2배만큼 멀리 이격된다. 이는 더 큰 절삭 공구 또는 주조 몰드와 같은 성형 공구 상의 더 큰 특징부를 허용한다. 별개의 구성요소들은 도 218에서 더 잘 볼 수 있는데, 이는 자석들 및 둘 모두의 로터 구성요소들이 분리되어 있는 분해도를 도시한다.
각각의 포스트의 단부 상의, 도 221에 도시된 탭(4156)들은 2개의 구성요소들을 서로 이격되고 고정된 상태로 유지하기 위해 다른 구성요소와 상호로킹된다. 두 부품 상의 포스트의 단부 상의 탭에 의해, 2개의 구성요소는 열적으로 조립되어야 한다. 도 219는 외측 링(4148)이 가열되고 내측 링(4146)이 냉각되어 조립을 허용하는 로터를 도시한다. 이러한 예시적인 기하학적 구조에 대해 2.5%의 스케일 차이가 요구된다. 이러한 스케일은 사용되는 재료에 따라 비합리적인 온도를 필요로 할 수 있어서, 더 낮은 반경방향 간섭을 갖는 더 작은 탭들이 사용될 수 있다. 도 220은 비교를 위해 온도 평형 상태에 있는 로터의 정면도이다.
도 221은 수축 끼워맞춤 조립 공정을 도시한다. 상부 및 중간에서, 외측 피스(4148)는 가열된 상태에 있고, 내측 피스(4146)는 냉각된 상태에 있어, 탭(4156)을 포함하는 포스트(4120)가 반대편 단부 아이언을 지나서 활주하도록 허용한다. 상부에서, 구성요소들(4146, 4148)은 서로로부터 축방향으로 변위되고, 중간에서 이들은 조립에 필요한 축방향 위치로 활주되었다. 상부에서, 슬롯(4118)은 탭(4156)을 수용하기 위해 단부 아이언에서 볼 수 있다. 하부에서, 두 피스 모두는 이제 동일한 온도에 있고, 탭(4156)들은 반대편 단부 아이언들 내의 슬롯 내에 정착된다.
포스트의 단부 상의 탭(4156)은 반대편 단부 아이언과 접촉하는 유일한 표면이어서, S 포스트와 N 포스트 사이의 플럭스 연결을 위한, 그러나 포스트가 축방향으로 이동하지 못하게 하기에는 충분한 최소 접촉 면적을 제공한다.
이 실시예의 포스트(4120)의 기하학적 구조는 도 222 및 도 223에 더 잘 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 이 실시예의 탭(4156)은 각각 반대편 단부 아이언과 접촉하는 더 두꺼운 부분(4154), 및 반대편 단부 아이언의 슬롯 내에 끼워지는 더 얇은 부분(4152)을 갖는다.
수축 끼워맞춤을 필요로 하는 상기 2부품 기하학적 구조에 대한 대안은 도 224 내지 도 226에 도시된, OD 링(4148)으로부터 탭(4156)이 제거된 상태의 실시예이다. 이는 부품들이 수축 끼워맞춤의 필요 없이 합쳐지는 것을 허용한다. 도 224는 로터의 일부를 도시하는 등각 투상도이다. 도 225는 이러한 실시예의 분해 조립체의 등각 투상도이고, 도 226은 완전한 로터를 도시한다.
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Claims (23)

  1. 전기 모터를 위한 영구 자석 캐리어로서,
    제1 단부 아이언(end iron);
    제2 단부 아이언;
    상기 제1 단부 아이언 및 상기 제2 단부 아이언 중 적어도 하나로부터 상기 제1 단부 아이언 및 상기 제2 단부 아이언 중 다른 하나를 향하여 각각 연장되는 포스트(post)들의 어레이 - 상기 제1 단부 아이언 및 상기 제1 단부 아이언으로부터 연장되는 상기 포스트들은 제1 단일 피스(piece)의 자성 재료로 형성되고, 상기 제2 단부 아이언 및 상기 제2 단부 아이언으로부터 연장되는 상기 포스트들은 상기 제1 단일 피스의 자성 재료 또는 제2 단일 피스의 자성 재료로 형성됨 -; 및
    상기 포스트들의 어레이의 포스트들 사이에 배열된 영구 자석들의 어레이 - 각각의 영구 자석은 상기 자석에 인접한 상기 포스트들의 어레이의 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향으로 자화됨 - 을 포함하고,
    지지 구조물은 상기 제1 단부 아이언, 상기 제2 단부 아이언, 및 상기 포스트들을 포함하고, 상기 지지 구조물은 상기 제1 단부 아이언을 통하는 각각의 각자 쌍의 포스트들 사이의 제1 각자의 플럭스(flux) 경로, 및 상기 제2 단부 아이언을 통하는 각각의 각자 쌍의 포스트들 사이의 제2 각자의 플럭스 경로를 한정하고, 상기 제1 각자의 플럭스 경로는 제1 각자의 포화 플럭스를 갖는 제1 갭(gap) 또는 제1 포화 부분을 갖고, 상기 제2 각자의 플럭스 경로는 제2 각자의 포화 플럭스를 갖는 제2 갭 또는 제2 포화 플럭스 부분을 갖고, 상기 자석은 상기 제1 각자의 포화 플럭스와 상기 제2 각자의 포화 플럭스의 합을 초과하는 총 자속(magnetic flux)을 상기 포스트들과 함께 생성하는, 영구 자석 캐리어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 포스트들의 어레이의 연속적인 포스트들은 상호 교대로 배치되도록 상기 제1 및 제2 단부 아이언들로부터 교번으로 연장되고, 각각의 각자 쌍의 포스트들의 상기 제1 갭 또는 포화 부분은 상기 제1 단부 아이언과 상기 제2 단부 아이언으로부터 연장된 상기 쌍의 포스트 사이의 갭이고, 각각의 각자 쌍의 포스트들의 상기 제2 갭 또는 포화 부분은 상기 제2 단부 아이언과 상기 제1 단부 아이언으로부터 연장된 상기 쌍의 포스트 사이의 갭인, 영구 자석 캐리어.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 단부 아이언에 대해 상기 제1 단부 아이언을 지지하는 지지 요소를 추가로 포함하는, 영구 자석 캐리어.
  4. 제3항에 있어서, 상기 지지 요소는 상기 포스트들을 수용하기 위한 홈들을 한정하는 지지 링을 포함하는, 영구 자석 캐리어.
  5. 제1항에 있어서, 상기 포스트들의 어레이의 연속적인 포스트들은 상호 교대로 배치되도록 상기 제1 및 제2 단부 아이언들로부터 교번으로 연장되고, 각각의 포스트는 상기 단부 아이언에 연결되고 이는 상기 포스트보다 단면이 더 작은 연결 부분으로부터 연장되지 않고, 각각의 각자 쌍의 포스트들의 상기 제1 포화 부분 및 상기 제2 포화 부분은 상기 각자 쌍의 포스트들의 상기 포스트들에 연결된 상기 연결 부분들인, 영구 자석 캐리어.
  6. 제1항에 있어서, 상기 포스트들은 상기 제1 단부 아이언과 상기 제2 단부 아이언을 연결하고, 상기 단부 아이언들은 구멍들을 한정하고, 상기 구멍들 주위의 상기 단부 아이언들의 부분들은 상기 포화부분들인, 영구 자석 캐리어.
  7. 제1항에 있어서, 상기 포스트들은 상기 제1 단부 아이언과 상기 제2 단부 아이언을 연결하고, 상기 영구 자석들은 상기 포스트들 사이를 연결하는 상기 단부 아이언들의 부분들이 상기 포화 부분들로서 작용하도록 상기 단부 아이언들의 포화 플럭스를 초과하는 플럭스를 발생시키기에 충분한, 상기 포스트들과 정렬된 방향으로의 길이를 갖는, 영구 자석 캐리어.
  8. 제1항에 있어서, 상기 포스트들은 상기 제1 단부 아이언과 상기 제2 단부 아이언을 연결하고, 상기 영구 자석들은 상기 포스트들이 상기 포화 부분들로서 작용하도록 상기 포스트들의 포화 플럭스를 초과하는 플럭스를 발생시키기에 충분한, 상기 포스트들과 정렬된 방향으로의 길이를 갖는, 영구 자석 캐리어.
  9. 제7항에 있어서, 상기 자석들은 상기 포스트들과 정렬된 방향으로의 자석 길이 대 상기 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향으로의 자석 폭의 비가 4/1, 5/1, 6/1, 7/1, 8/1, 9/1, 10/1, 11/1, 12/1, 13/1, 14/1, 15/1, 또는 16/1보다 큰, 영구 자석 캐리어.
  10. 제7항에 있어서, 상기 포스트들은 포스트 길이 대 포스트 폭의 비가 4/1, 5/1, 6/1, 7/1, 8/1, 9/1, 10/1, 11/1, 12/1, 13/1, 14/1, 15/1, 또는 16/1보다 큰, 영구 자석 캐리어.
  11. 제7항에 있어서, 상기 포스트들의 어레이의 각각의 포스트는 각자의 단면을 갖고, 상기 제1 단부 아이언은 제1 단부 아이언 단면을 갖고, 각각의 포스트는 상기 제1 단부 아이언에 연결되는데, 상기 연결부의 어떠한 부분도 상기 각자의 단면 및 상기 제1 단부 아이언 단면 중 가장 작은 것보다 실질적으로 더 작은 단면을 갖지 않는, 영구 자석 캐리어.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 단부 아이언 단면은 상기 포스트들의 어레이의 포스트들의 각각의 각자 단면과 동일하거나 그보다 큰, 영구 자석 캐리어.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제2 단부 아이언은 제2 단부 아이언 단면을 갖고, 상기 포스트들의 어레이의 각각의 포스트는 상기 제2 단부 아이언에 연결되는데, 상기 연결부의 어떠한 부분도 상기 각자의 단면 및 상기 제2 단부 아이언 단면 중 가장 작은 것보다 실질적으로 더 작은 단면을 갖지 않는, 영구 자석 캐리어.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 단부 아이언 단면은 상기 포스트들의 어레이의 포스트들의 각각의 각자 단면보다 크거나 그와 동일한, 영구 자석 캐리어.
  15. 제7항에 있어서, 각각의 자석은 연속적인 포스트들 사이의 공간의 전체 길이로 실질적으로 연장되는, 영구 자석 캐리어.
  16. 제1항에 있어서, 상기 영구 자석들을 보유하기 위해 상기 제1 단부 아이언 및 제2 단부 아이언 상의 탭(tab)들을 추가로 포함하는, 영구 자석 캐리어.
  17. 제1항의 영구 자석 캐리어를 포함하는 축방향 플럭스 모터로서, 상기 포스트들은 반경 방향으로 연장되고, 상기 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향은 원주 방향인, 축방향 플럭스 모터.
  18. 제1항의 영구 자석 캐리어를 포함하는 반경방향 플럭스 모터로서, 상기 포스트들은 축방향으로 연장되고, 상기 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향은 원주 방향인, 반경방향 플럭스 모터.
  19. 제1항의 영구 자석 캐리어를 포함하는 선형 모터로서, 상기 포스트들은 상기 모터의 운동 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 그리고 상기 영구 자석 캐리어와 전자석 캐리어 사이의 공기갭(airgap)에 수직인 방향으로 연장되고, 상기 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향은 상기 모터의 운동 방향인, 선형 모터.
  20. 전기 모터를 위한 영구 자석 캐리어로서,
    제1 단부 아이언;
    제2 단부 아이언;
    상기 제1 및 제2 단부 아이언들 중 하나로부터 상기 제1 및 제2 단부 아이언들 중 다른 하나를 향하여 각각 연장되는 포스트들의 어레이 - 상기 포스트들의 어레이의 연속적인 포스트들은 상호 교대로 배치되도록 상기 제1 및 제2 단부 아이언들로부터 교번으로 연장되고, 상기 제1 단부 아이언 및 상기 제1 단부 아이언으로부터 연장되는 상기 포스트들은 제1 단일 피스의 자성 재료로 형성되고, 상기 제2 단부 아이언 및 상기 제2 단부 아이언으로부터 연장되는 상기 포스트들은 제2 단일 피스의 자성 재료로 형성됨 -; 및
    상기 포스트들의 어레이의 포스트들 사이에 배열된 영구 자석들의 어레이 - 각각의 영구 자석은 상기 자석에 인접한 상기 포스트들의 어레이의 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향으로 자화됨 - 를 포함하고,
    각각의 포스트는 상기 단부 아이언에 연결되고 이는 연결 부분으로부터 연장되지 않는, 영구 자석 캐리어.
  21. 전기 모터를 위한 영구 자석 캐리어로서,
    제1 단부 아이언;
    제2 단부 아이언;
    상기 제1 단부 아이언 및 상기 제2 단부 아이언 중 적어도 하나로부터 상기 제1 단부 아이언 및 상기 제2 단부 아이언 중 다른 하나를 향하여 각각 연장되는 포스트들의 어레이 - 상기 제1 단부 아이언 및 상기 제1 단부 아이언으로부터 연장되는 상기 포스트들은 제1 단일 피스의 자성 재료로 형성되고, 상기 제2 단부 아이언 및 상기 제2 단부 아이언으로부터 연장되는 상기 포스트들은 상기 제1 단일 피스의 자성 재료 또는 제2 단일 피스의 자성 재료로 형성됨 -; 및
    상기 포스트들의 어레이의 포스트들 사이에 배열된 영구 자석들의 어레이 - 각각의 영구 자석은 상기 자석에 인접한 상기 포스트들의 어레이의 각자 쌍의 포스트들 사이에 배향된 방향으로 자화됨 - 을 포함하고,
    지지 구조물은 상기 제1 단부 아이언, 상기 제2 단부 아이언, 및 상기 포스트들을 포함하고, 상기 지지 구조물은 상기 제1 단부 아이언을 통하는 각각의 각자 쌍의 포스트들 사이의 제1 각자의 플럭스 경로, 및 상기 제2 단부 아이언을 통하는 각각의 각자 쌍의 포스트들 사이의 제2 각자의 플럭스 경로를 한정하고, 상기 제1 각자의 플럭스 경로는 포스트 단면보다 작고 제1 단부 아이언 단면보다 작은 단면을 갖는 제1 갭 또는 제1 제한 부분(restriction portion)을 갖고, 상기 제2 각자의 플럭스 경로는 포스트 단면보다 작고 제2 단부 아이언 단면보다 작은 단면을 갖는 제2 갭 또는 제2 제한 부분을 갖는, 영구 자석 캐리어.
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