KR102289704B1 - 다중극 전기 기계 - Google Patents

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이.브이.알. 모터스 엘티디.
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Abstract

전기 기계의 고정자 내에서 이용되도록 구성된 전자기 유닛. 전자기 유닛은 단일의 단단한 몸체에 의해 구성되며, 전기 기계의 구동되는 컴포넌트의 일 부분을 그 안에 수용하기에 충분히 이격된 2개의 단부 연장부들에 의해 구성되는 목 부분을 포함한다. 단부 연장부들은 그들 사이에 대칭 축을 규정한다. 전자기 유닛은 단부 연장부들로부터 연장하며 단부 연장부들과 동일하거나 또는 평행한 평면 상에 놓이는 프레임을 더 포함한다. 프레임은 대칭 축의 일 측으로 W1 정도로 연장하는 제 1 프레임 부분, 및 대칭 축의 다른 측으로 W2(W2 < W1) 정도로 연장하는 제 2 프레임 부분을 갖는다. W1, W2는 대칭 축에 대해 수직으로 측정되며, 여기에서 적어도 제 1 프레임 부분은 그 안에 전기 기계의 코일을 수용하도록 구성된다.

Description

다중극 전기 기계{MULTIPOLE ELECTRICAL MACHINE}
제안되는 해법은 다중극 영구-자석 전기 기계들의 분야에 관한 것이다. 이러한 전기 기계들은 발전기들 또는 (무기어(gearless)) 직접-구동 모터들로서 사용될 수 있다. 제안되는 전기 기계들은 횡방향 플럭스 영구 자석 기계(transverse flux permanent magnet machine; TFPM)로서 분류될 수 있다.
자석 기반 전기 기계들이 당업계에 잘 알려져 있으며, 이는 전기 전류가 전자기 플럭스를 생성하거나 또는 이의 역인 원리에 기초하여 동작한다. 대부분의 이러한 기계들에 있어, 영구 자석을 포함하는 회전자(rotor)는 전기가 이를 통과하는 코일과 연관된 복수의 전자기 유닛들에 의해 생성되는 전자기장 내에서 회전하도록 구성된다.
이러한 일 예는, 그들 사이에 공기 간극을 갖는 고정자에 대하여 회전가능한 회전자 및 고정자를 포함하는 전기 기계를 개시하는 WO10089734호에서 출원인이 설명한 전기 기계이다. 고정자에는, 고정자 위에 원주(circumferential) 구성으로 균등하게 이격된 자기장의 복수의 소스들이 구비된다. 회전자에는, 회전자 위에 원주 구성으로 균등하게 이격된 자기장의 복수의 제 2 소스들에 구비된다. 적어도 하나의 복수의 자기 소스들은 전자석들이며; 각각의 전자석은 자기 전도체 상에 놓인 적어도 하나의 자석 코일(magnet coil)을 포함한다. 자기 전도체는 자기 등방성 및/또는 이방성 재료들로 이루어진 적어도 하나의 부재를 포함한다.
상이한 전기 기계들은, 그 각각이 그 자체의 기하구조 및 어셈블리 방법을 갖는 다양한 전자기 유닛들을 사용한다.
일 예는, 횡방향 및/또는 정류형(commutated) 플럭스 기계들 및 그 컴포넌트들, 및 이를 제조하고 사용하는 방법들을 개시하는 US 7,851,965호이다. 횡방향 및 정류형 플럭스 기계들에서의 사용을 위한 특정 회전자들은 반대되는 극성들을 갖는 플럭스 집중 고정자 부분들 사이에서의 "다 대 다(many to many)" 플럭스 스위치 구성을 가능하게 하도록 형성될 수 있다. 다른 회전자들은 제 1 재료로 형성될 수 있으며, 제 2 재료로 형성된 플럭스 스위치들을 포함한다. 또 다른 회전자들은 기계가공되거나, 프레스되거나, 스탬핑(stamp)되거나, 폴딩(fold)되거나, 및/또는 달리 기계적으로 형성될 수 있다. 이러한 회전자들의 사용을 통해, 횡방향 및/또는 정류형 플럭스 기계들은 개선된 성능, 효율을 달성할 수 있거나, 및/또는 다양한 애플리케이션들에 대해 크기가 결정되거나 또는 달리 구성될 수 있다.
다른 예는, 전기자(armature)와 움직이는 엘러먼트 사이에서 생성되는 일-방향 자기 견인력을 감소시키기 위하여 전기자와 움직이는 엘러먼트 사이에 흐르는 누설 자기 플럭스를 감소시키기 위하여 제공되는 선형 모터 및 선형 모터 생산 방법을 개시하는 WO0237651호이다. 선형 모터는, 자기 몸체로 구성된 코어 및 코어 둘레로 감긴 권선을 갖는 전기자, 및 간극을 통해 전기자에 대하여 움직이는 엘러먼트가 움직이도록 지지되는 움직이는 엘러먼트, 움직이는 엘러먼트 위아래에 배치되며 움직이는 엘러먼트를 통해 서로 대향되게 배치되고 움직이는 엘러먼트의 움직이는 방향을 따라 미리 결정된 피치(pitch)로 배치되는 자극 티쓰(teeth), 인접한 및 대향되는 자극 티쓰가 상이한 자극들을 갖도록 자극 티쓰를 여자(excite)시키기 위한 권선을 포함하며, 및 움직이는 엘러먼트는 미리 결정된 제어 회로에 따라 권선을 여자시킴으로써 전기자에 대해 상대적으로 왕복운동(reciprocate)된다.
이상의 참조들에 대한 인정은 본원에서 이들이 개시된 본 내용의 특허성에 대하여 어떠한 방식으로 관련된다는 의미로서 암시되지 않는다.
본 출원의 내용의 일 측면에 따르면, 전기 기계의 고정자 내에서 이용되도록 구성된 전자기 유닛이 제공되며, 상기 전자기 유닛은 단일의 견고한(solid) 몸체에 의해 구성되고, 전기 기계의 구동되는 컴포넌트의 일 부분을 그 안에 수용하기에 충분히 이격되며 그 사이에 대칭 축을 규정(define)하는 2개의 단부 연장부들에 의해 구성되는 목(neck) 부분을 포함하며, 상기 전자기 유닛은 단부 연장부들로부터 연장하고 단부 연장부들의 평면들과 동일하거나 또는 평행한 평면들 상에 놓이는 프레임을 더 포함하며, 상기 프레임은 대칭 축의 일 측(side)으로 W1 정도로 연장하는 제 1 프레임 부분 및 대칭 축의 다른 측으로 W2 정도(W2 < W1)로 연장하는 제 2 프레임 부분을 가지고, 여기에서 W1, W2는 대칭 축에 대해 수직으로 측정되고, 여기에서 적어도 제 1 프레임 부분은 그 안에 전기 기계의 코일을 수용하도록 구성된다.
특정 예에 따르면, 단부 연장부들은 직선일 수 있다. 또한, 단부 연장부들은 프레임으로부터 멀어질 수록 더 협소해지는 테이퍼진 형상을 가질 수 있다.
프레임은 직사각형일 수 있으며, 특정 예에 따라서 정사각형일 수 있다.
특정 예에 따르면, W2는 단부 연장부들 중 하나와 대칭 축 사이의 거리와 동일할 수 있다. 특히, 이는 프레임의 일 측이 단부 연장부들과 공통-직선 상에 있을 때 일어 난다.
전자기 유닛은 복수의 평평한 플레이트들로 이루어질 수 있으며, 이들의 각각은 두께 t 및 전자기 유닛의 기하구조와 유사한 기하구조를 가지고, 평평한 플레이트들은 두께들 y의 합계인 결합된 두께 Y를 갖는 전자기 유닛을 형성하기 위하여 결합된다. 평평한 플레이트들은 서로 용접될 수 있다.
본 출원의 내용의 다른 측면에 따르면, 본 출원의 이상의 측면에 따른 코일 상에 장착되며 각기 상기 윤곽에 대해 수직으로 배향된 복수의 전자기 링(ring) 유닛들 및 상호 폐쇄-윤곽(close-contour) 코일을 포함하는 고정자가 제공되며, 여기에서 제 1 프레임 부분은 코일의 폐쇄-윤곽 외부에 위치되고, 제 2 프레임 부분을 코일의 폐쇄-윤곽 내에 위치된다.
전자기 유닛들은, 그 목 부분들이 함께 전기 기계의 구동되는 컴포넌트에 대한 통과 공간을 형성하도록 배열될 수 있다. 구동되는 컴포넌트들은 영구 자석 구조체일 수 있다.
일 예에 따르면, 구조체는 축에 대하여 회전하도록 구성된 회전자일 수 있다. 다른 예에 따르면, 구조체는 선형 변위(displacement) 및/또는 왕복운동을 위해 구성된 선형 컴포넌트일 수 있다.
전자기 유닛들은 교번하는 배열로 상호 코일의 윤곽을 따라 연속적으로 배열될 수 있으며, 하나의 자기 유닛의 제 1 프레임 부분은 연속적인 전자기 유닛의 제 1 부분의 제 1 프레임 부분과 대향되는 방향을 향한다.
코일의 폐쇄-윤곽은 원형일 수 있다. 구체적으로, 고정자는 직경 D1의 제 1 코일 및 직경 D2(D2 < D1)의 제 2 코일을 포함할 수 있고, 코일들은 상호 중심 축 둘레로 연장한다.
이러한 경우에 있어, 전자기 유닛들은, 하나의 전자기 유닛의 제 1 프레임 부분이 제 1 코일의 원형 폐쇄형 윤곽의 경계들(confine) 외부에 위치되며 반면 연속적인 전자기 유닛의 제 1 프레임 부분은 제 2 코일의 원형 폐쇄형 윤곽의 경계들 내에 위치되게 하는 교번하는(alternating) 순서로 코일 윤곽을 따라 배열된다.
대안적으로, 코일의 폐쇄-윤곽은 원의 섹터의 형태이다. 구체적으로, 코일은 반경 R1의 제 1 부분 및 반경 R2(R2 < R1)의 제 2 부분을 가질 수 있으며, 이들은 상호 중심 축 둘레로 연장한다.
이러한 경우에 있어, 전자기 유닛들은, 하나의 전자기 유닛의 제 1 프레임 부분이 코일의 제 1 부분의 경계들 외부에 위치되며 반면 연속적인 전자기 유닛의 제 1 프레임 부분은 코일의 제 2 부분의 경계들 내에 위치되게 하는 교번하는 순서로 코일 윤곽을 따라 배열된다.
고정자는, 복수의 전자기 유닛들의 각각의 적어도 일 부분이 그 안으로 들어가는 위치결정(positioning) 슬롯들을 갖도록 형성된 적어도 하나의 위치결정 플레이트를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 부분은 전자기 유닛들의 단부 연장부들일 수 있다.
고정자는 2개 이상의 위치결정 플레이트들을 포함할 수 있으며, 이들의 각각은 그 안에 복수의 전자기 유닛들의 각각의 상이한 부분을 수용하도록 구성된다.
배열은, 위치결정 슬롯들 내에 전자기 유닛들을 위치시키는 것이 고정자를 단일의 견고한 몸체로 변화시키게 하는 그런 것일 수 있다. 구체적으로, 적어도 하나의 위치결정 플레이트는 전자기 유닛의 평면에 수직하는 평면에 놓일 수 있다. 또한, 상기 적어도 하나의 위치결정 플레이트는 전기 기계의 하우징에 고정적으로 부착되도록 구성될 수 있다.
본 출원의 내용의 또 다른 측면에 따르면, 전기 기계의 고정자의 어셈블리를 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은:
- 하기의 것을 제공하는 단계로서:
● 각기 단일의 견고한 몸체에 의해 구성된 복수의 전자기 유닛들;
● 적어도 하나의 코일; 및
● 각각의 대응하는 전자기 링 유닛의 적어도 일 부분을 그 안에 수용하도록 구성되는 위치결정 슬롯들을 포함하는 적어도 하나의 위치결정 플레이트를 제공하는 단계;
- 반-어셈블리된 고정자를 형성하기 위하여 복수의 전자기 유닛들과 코일을 어셈블리하는 단계; 및
- 전자기 유닛들을 상기 위치결정 슬롯들 내에 앵커링(anchoring)함으로써 전자기 유닛들을 위치결정 플레이트 상에 어셈블리하는 단계를 포함한다.
배열은, 전자기 유닛들을 위치결정 플레이트에 앵커링하는 단계 이후에 코일이 고정자로부터 제거되지 않도록 하는 그런 것일 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 고정자는 복수의 코일들을 포함하며, 이들의 각각은 그것의 대응하는 전자기 유닛들 상에 장착되도록 구성되고, 여기에서 상기 코일은 전자기 유닛의 프레임의 일 부분을 둘러싸도록 구성된다.
다른 예에 따르면, 상기 코일은 복수의 전자기 유닛들과 상호작용하도록 구성된 상호(mutual) 코일이다. 이러한 경우에 있어, 방법은:
- 먼저 반-어셈블리된 고정자를 형성하기 위하여 상호 코일 상에 복수의 전자기 유닛들을 장착하여, 각각의 전자기 유닛이 길이 방향에 대해 횡방향으로 배향되는, 단계; 및 그 이후에
- 다수의 전자기 유닛들의 각각을 위치결정 플레이트의 개별적인 위치결정 슬롯들 내로 앵커링함으로써 반-어셈블리된 고정자를 위치결정 플레이트 상에 장착하고, 그럼으로써 견고한 몸체의 형태로 어셈블리된 고정자를 형성하는 단계를 포함할 수 있으며,
여기에서, 위치결정 슬롯들의 배열은, 일단 전자기 유닛들이 앵커링되면, 상호 코일이 어셈블리된 고정자로부터 분리되는 것이 방지될 수 있게 하는 것이다.
일 예에 따르면, 전자기 유닛들은 U-형일 수 있다. 다른 예에 따르면, 전자기 유닛들은 G-형일 수 있다.
앵커링은, 각각의 전자기 유닛의 적어도 일 부분을 위치결정 플레이트의 개별적인 위치결정 슬롯 내로 삽입하는 것을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 부분은 전자기 유닛들의 단부 연장부들일 수 있다.
방법은, 2개 이상의 위치결정 플레이트들을 제공하는 단계, 및 각각의 위치결정 플레이트가 복수의 전자기 유닛들의 각각의 상이한 부분을 그 안에 수용하게 구성될 수 있도록 복수의 전자기 유닛들을 2개 이상의 위치결정 플레이트들에 앵커링하는 단계를 포함할 수 있다.
본 출원의 내용의 또 다른 측면에 따르면, 본 출원의 내용의 이전의 측면의 방법에 따라 어셈블리된 고정자가 제공된다.
본원에 개시되는 내용의 더 양호한 이해를 위하여 그리고 그 내용이 실제 수행될 수 있는 방법을 예시하기 위하여, 이제 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 비제한적이고 오직 예시적인 방식으로 설명될 것이다.
도 1은 본 출원의 내용의 일 측면에 따른 전기 기계의 원형 고정자의 개략적인 등축도이다.
도 2는 본 출원의 선형 고정자의 개략적인 등축도이다.
도 3은 도 2에 도시된 선형 고정자의 개략적인 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 고정자의 개략적인 등축도이다.
도 5는 영구 자석이 제거된 도 4에 도시된 고정자의 개략적인 등축도이다.
도 6은 도 5에 도시된 고정자의 개략적인 분해도이다.
도 7은 어셈블리 동안의 도 2에 도시된 고정자의 전자기 유닛의 개략적인 등축도이다.
도 8은 어셈블리된 때의 도 2에 도시된 고정자의 전자기 유닛의 개략적인 등축도이다.
도 9는 도 1에 도시된 전기 기계 내에서 사용되는 권선의 개략적인 등축도이다.
도 10a 및 도 10b는 영구 자석의 일 부분 및 전자기 유닛의 개별적인 개략적인 정면도 및 측면도이다.
도 11 및 도 12는 상호 코일 상에 전자기 유닛을 장착하는 단계들의 개략적인 등축도들이다.
도 13a 내지 도 13d는 상호 코일 상에 고정자의 전자기 유닛들을 장착하는 단계들을 도시하는 개략적인 등축도들이다.
도 14a 및 도 14b는 코일 상에 장착된 때의 전자기 유닛의 개략적인 정면도 및 배면도이다.
도 15는 전자기 유닛들 내의 자기 플럭스를 보여주는 도 14a, 도 14b에 도시된 유닛들의 개략적인 등축도이다.
도 16a 내지 도 16d는 고정자의 어셈블리 동안 이를 따라 위치결정 플레이트들이 위치될 수 있는 상이한 평면들을 도시하는 고정자의 전자기 유닛의 개략적인 정면도들이다.
도 17a 내지 도 19b는 이들이 장착될 수 있는 고정자들 및 하단, 중간 및 상단 위치결정 플레이트들의 개별적인 개략적인 등축도들이다.
도 20 내지 도 23은 복수의 위치결정 플레이트들을 포함하는 어셈블리된 고정자의 다양한 개략적인 등축도들이다.
도 24a 및 도 24b는 선형 영구 자석을 갖는 고정자의 개략적인 등축 분해도들이다.
도 25 내지 도 29는 그것의 어셈블리를 위한 구성 블록들 및 선형 영구 자석의 개략적인 등축도들이다.
도 30 내지 도 32b는 냉각 핀(fin)들을 포함하는 선형 영구 자석의 다양한 개략적인 등축도들이다.
도 33a 및 도 33b는 전기 기계의 회전자 및 핀 배열의 개략적인 등축도들이다.
도 34는 선형 전기 기계의 개략적인 등축도이다.
도 35a 및 도 35b는 도 34에 도시된 부분의 개략적인 등축도 및 측면도이다.
도 36은 선형 영구 자석이 변위될 때의 도 34에 도시된 전기 기계의 부분의 개략적인 등축도이다.
도 37a 및 도 37b는 도 36에 도시된 부분의 개략적인 등축도 및 측면도이다.
도 38은 전기 기계의 선형 구성의 다른 예의 개략적인 등축도이다.
도 39는 도 38에 도시된 기계의 개략적인 측면도이다.
도 40은 도 38에 도시된 전기 기계의 개략적인 정면 등축도이다.
도 41은 그것의 일 부분이 명료성을 위해 제거된 상태의 도 38에 도시된 전기 기계의 개략적인 정면 등축도이다.
도 42는 도 38에 도시된 전기 기계 내에서 사용되는 영구 자석의 개략적인 부분적인 분해도이다.
도 43a 내지 도 43d는 전기 기계의 회전자 및 고정자의 개략적인 등축도들이다.
도 44a 내지 도 44b는 도 43a 내지 도 43d에 도시된 전기 기계 내에서 사용되는 회전자의 개략적인 등축도들이다.
도 45는 도 43a 내지 도 44d에 도시된 전기 기계의 개략적인 정면도이다.
도 46a 및 도 46b는 본 출원의 전기 기계의 회전자 및 고정자의 개략적인 등축도 및 평면도이다.
도 46c 내지 도 46f는 그것의 어셈블리의 다양한 단계들을 보여주는 도 46a 내지 도 46b에 도시된 전기 기계의 개략적인 등축도들이다.
도 47은 도 46a 및 도 46b에 도시된 전기 기계의 개략적인 평면도이다.
도 48은 전기 기계의 개략적인 분해도이다.
도 49a 및 도 49b는 도 48에 도시된 전기 기계의 개략적인 등축도 및 측면도이다.
도 50a 내지 도 50c는 도 48에 도시된 전기 기계의 제 1 서브-어셈블리의 개략적인 등축도, 정면도 및 측면도이다.
도 51a 내지 도 51c는 도 48에 도시된 전기 기계의 제 2 서브-어셈블리의 개략적인 등축도, 정면도 및 측면도이다.
도 52a 내지 도 52c는 도 48에 도시된 전기 기계의 제 3 서브-어셈블리의 개략적인 등축도, 정면도 및 측면도이다.
도 53a 내지 도 53d는 그것의 어셈블리 동안 도시되는 도 48에 도시된 전기 기계의 일 부분의 개략적인 등축도들이다.
도 54a 내지 도 54c는 도 48에 도시된 전기 기계의 회전자 서브-어셈블리의 개략적인 등축도들이다.
도 55는 도 48에 도시된 전기 기계의 개략적인 등축 분해도이다.
도 56a 및 도 56b는 G-형 전자기 유닛의 2개의 추가적인 예들의 개략적인 정면도들이다.
도 57은 본 출원의 다른 예에 따른 전기 기계의 일 부분의 개략적인 등축도이다.
도 58은 도 57에 도시된 전기 기계의 개략적인 선형 버전이다.
도 59a 내지 도 59c는 그것의 다양한 어셈블리 단계들 동안 도시되는 도 58에 도시된 전기 기계의 일 부분의 개략적인 등축도들이다.
도 60a 내지 도 60d는 그것의 다양한 어셈블리 단계들 동안 도시되는 전기 기계의 다른 예의 개략적인 등축도들이다.
도 61a 내지 도 61f는 그것의 다양한 어셈블리 단계들 동안 도시되는 전기 기계의 다른 예의 개략적인 등축도들이다.
도 62는 어셈블리 동안의 도 58에 도시된 고정자의 전자기 유닛의 개략적인 등축도이다.
도 63은 어셈블리된 때의 도 58에 도시된 고정자의 전자기 유닛의 개략적인 등축도이다.
도 64는 도 58에 도시된 전기 기계 내에서 사용되는 권선의 개략적인 등축도이다.
도 65a 및 도 65b는 영구 자석의 일 부분 및 전자기 유닛의 개별적인 개략적인 정면도 및 측면도이다.
도 66은 전자기 유닛들 내의 자기 플럭스를 보여주는 도 65a, 도 65b에 도시된 유닛들의 개략적인 등축도이다.
도 67a 내지 도 67d는 고정자의 어셈블리 동안 이를 따라 위치결정 플레이트들이 위치될 수 있는 상이한 평면들을 도시하는 고정자의 전자기 유닛의 개략적인 정면도들이다.
도 68a 및 도 68b는 이러한 위치결정 플레이트를 이용하는 전기 기계의 일 부분 및 위치결정 플레이트의 개략적인 등축도들이다.
도 69 내지 도 71은 위치결정 플레이트들의 다양한 설계들의 개략적인 등축도들이다.
도 72a 및 도 72b는 동일한 것을 포함하는 전기 기계의 일 부분 및 중간 위치결정 플레이트의 개략적인 등축도들이다.
도 73a 및 도 73b는 동일한 것을 포함하는 전기 기계의 일 부분 및 상단 위치결정 플레이트의 개략적인 등축도들이다.
도 74는 선형 전기 기계의 하우징의 개략적인 등축 단면도이다.
도 75 내지 도 78은 전기 기계의 고정자의 어셈블리의 다양한 단계들을 도시하는 개략적인 등축도들이다.
도 79 및 도 80은 전기 기계의 선형 구성의 개략적인 등축도 및 측면도이다.
도 81 및 도 82는 전기 기계의 선형 구성의 다른 예의 개략적인 등축도 및 측면도이다.
도 83은 도 81, 도 82에 도시된 전기 기계의 개략적인 등축 분해도이다.
도 84a 내지 도 85d는 그것의 다양한 어셈블리 단계들 동안 도시되는 전기 기계의 회전 구성의 개략적인 등축도들이다.
도 86a 내지 도 86e는 전기 기계의 회전 구성의 다른 예의 개략적인 등축도들이다.
도 87은 도 86a 내지 도 86e에 도시된 전기 기계의 개략적인 평면도이다.
도 88a 내지 도 88j는 전기 기계의 회전 구성의 다른 예의 개략적인 등축도들이다.
도 89a는 본 출원의 다른 예에 따른 전기 기계의 개략적인 배면 등축도이다.
도 89b는 도 89a에 도시된 전기 기계의 개략적인 등축도이다.
도 90a 내지 도 90f는 도 89a 내지 도 89b에 도시된 전기 기계의 내부 구성들을 도시하는 개략적인 등축도들 및 평면도들이다.
도 91a 내지 도 91d는 도 89a 내지 도 89b에 도시된 전기 기계 내에서 사용되는 회전자의 부분들의 개략적인 등축도들이다.
도 92a는 본 출원의 전기 기계의 다른 예의 개략적인 등축도이다.
도 92b 및 도 92c는 도 92a의 전기 기계의 회전자 및 고정자의 개략적인 등축도들이다.
도 93 및 도 94는 도 92a에 도시된 전기 기계의 고정자의 위치결정 플레이트의 개략적인 평면도들이다.
도 95는 본 출원의 전기 기계의 다른 예의 개략적인 등축도이다.
도 96은 도 95에 도시된 전기 기계의 개략적인 등축 분해도이다.
도 97은 본 출원의 내용의 다른 예에 따른 전기 기계의 개략적인 등축도이다.
도 98은 도 97에 도시된 전기 기계의 선형 버전의 개략적인 등축도이다.
도 99는 도 98에 도시된 전기 기계의 고정자의 기본 유닛의 개략적인 등축도이다.
도 100은 도 99에 도시된 고정자 내에서 사용되는 전자기 유닛의 개략적인 등축도이다.
도 101 내지 도 104는 도 98에 도시된 고정자의 기본 컴포넌트들의 개략적인 등축도들이다.
도 105 내지 도 108은 그것의 다양한 어셈블리 단계들에서의 도 98에 도시된 고정자의 개략적인 등축도들이다.
도 109a 및 도 109b는 도 98에 도시된 고정자 내에서 사용되는 전자기 유닛의 개별적인 개략적인 정면도 및 측면도이다.
도 110은 이를 통과하는 자기 플럭스를 도시하는 도 109a 내지 도 109b의 전자기 유닛의 개략적인 정면도이다.
도 111a 내지 도 111d는 고정자의 어셈블리 동안 이를 따라 위치결정 플레이트들이 위치될 수 있는 상이한 평면들을 도시하는 고정자의 전자기 유닛의 개략적인 정면도들이다.
도 112a 및 도 112b는 베이스 위치결정 플레이트 및 베이스 플레이트 상에 장착된 고정자의 개략적인 등축도들이다.
도 113a 및 도 113b는 중간 위치결정 플레이트 및 중간 위치결정 플레이트 상에 장착된 고정자의 개략적인 등축도들이다.
도 114a 및 도 114b는 상단 위치결정 플레이트 및 상단 위치결정 플레이트 상에 장착된 고정자의 개략적인 등축도들이다.
도 115 및 도 116은 전기 기계의 하우징의 개략적인 등축 단면도들이다.
도 117 내지 도 120은 그것의 어셈블리의 다양한 단계들 동안의 고정자의 개략적인 등축도들이다.
도 121은 선형 고정자의 개략적인 하단 등축도이다.
도 122는 도 121에 도시된 선형 고정자의 개략적인 등축도이다.
도 123은 도 121에 도시된 선형 고정자의 개략적인 측면도이다.
도 124는 선형 전기 기계의 다른 구성의 개략적인 등축도이다.
도 125는 도 124에 도시된 선형 전기 기계의 개략적인 등축도이다.
도 126은 도 125에 도시된 전기 기계의 일 부분의 개략적인 등축도이다.
도 127은 도 125에 도시된 전기 기계의 일 부분의 개략적인 등축 분해도이다.
도 128a 내지 도 129d는 그것의 다양한 어셈블리 단계들 동안의 전기 기계의 회전자의 개략적인 등축도들이다.
도 130은 도 128에 도시된 전기 기계의 개략적인 평면도이다.
도 131은 반-어셈블리된 전기 기계의 개략적인 등축도이다.
도 132 내지 도 134d는 그것의 다양한 어셈블리 단계들 동안의 도 131에 도시된 전기 기계의 부분들의 개략적인 등축도들이다.
도 135는 도 131에 도시된 전기 기계의 개략적인 평면도이다.
도 136은 전기 기계의 개략적인 등축 분해도이다.
도 137은 도 136에 도시된 전기 기계의 회전자의 개략적인 등축도이다.
도 138은 전기 기계의 개략적인 등축 분해도이다.
용인되는 약어들의 목록:
TFPM - 횡방향 플럭스 영구 자석 기계
LFPM - 선형 횡방향 플럭스 영구 자석 기계
AFPM - 축방향 플럭스 영구 자석 기계
RFPM - 방사상(radial) 플럭스 영구 자석 기계
Φpm - 영구 자석들에 의해 생성되는 자기 플럭스
I - 슬롯 권선을 통해 흐르는 전류
A, B, C - 고정자 권선 페이즈(phase)들
A-A, B-B, C-C - 섹션 평면들
p - 폴(pole) 쌍들의 수
ps - 슬롯 내부에 위치된 기계의 움직이는 부분들의 폴 쌍들의 수
t - 페이즈에서의 슬롯들의 수
s - 슬롯 자기 전도체들의 수
τp - 폴 피치
τs - 슬롯 피치
Lc - 권선 폭
hc - 권선 높이
Lpm - 자석 길이
L2 - 자기 전도체 스택 라미네이션(lamination) 폭
ho - 공기 간극 거리
hpm - 자화 축을 따른 자석 높이
Xpm - 자석 폭
△pm - 이웃하는 자석들 사이의 거리
Xem - 자기 전도체 폭
Cem - 이웃하는 자기 전도체들 사이의 거리
Xs - 페이즈에서의 슬롯들 사이의 거리
Xph - 페이즈들 사이의 거리
본원에서 설명되는 바와 같은 본 발명은 2개의 기본 구성들로 분할될 수 있는 예들을 포함하며, 2개의 기본 구성들은:
- 그 안에서 각각의 전자기 유닛에 그 자체의 코일이 구비되며, 전자기 유닛의 프레임 상에 장착되는 - 솔레노이드 권선; 및
- 그 안에 하나 이상의 상호 코일들이 제공되며, 각각의 상호 코일은 그 위에 복수의 전자기 유닛들을 장착하도록 구성되는 - 분포(distribution) 권선을 포함한다.
두번째 예의 분포 권선 하에서, 2개의 상이한 예들이 제공된다 - 하나의 예는 U-형 전자기 유닛을 사용하며, 다른 예는 G-형 전자기 유닛을 사용한다.
먼저 G-형 전자기 유닛들을 갖는 분포 권선이 표시되는 도 1 내지 도 55에 대해 주목이 이루어진다.
다중극 전기 기계(100)는 고정자(110) 및, 그들 사이에 공기 간극(130)을 가지고 고정자(110)에 대하여 움직이는(회전하는) 회전자(120)를 포함한다(도 1).
고정자(110)는 슬롯들(140)로 어셈블리된다. 기본 레고(Lego) 컴포넌트로서 슬롯(140)의 개념을 사용하면, 다양한 TFPM 유형들이 어셈블리될 수 있다: 선형 영구 자석 기계(linear permanent magnet machine; LFPM)들, 축방향(AFPM) 및 방사상(RFPM) 자기 플럭스 영구 자석 기계들. LFPM(100)의 예를 사용하는 고정자 슬롯(140)의 설계를 고려해보도록 한다.
고정자 슬롯
LFPM(100)의 예를 사용하는 고정자 슬롯(140)의 설계를 고려해보도록 한다(도 2). 다중극 LFPM(100)은 고정자(110), 및 그들 사이에 공기 간극들(130)을 가지고 고정자(110)에 대하여 상대적으로 선형적으로 움직이는 전기자(armature)(120)를 포함한다. 도 2는 LFPM(100)을 도시하며, 그 안에서 고정자(110)는 3개의 슬롯들(140)로서 구현되며, 전기자(120)는 교번하는 극성의 영구 자석들(121)을 포함한다.
도 3 내지 도 6은 자기 전도체들(142) 및 권선(141)을 포함하는 고정자 슬롯(140)을 도시한다. 자기 전도체들(142)은 선형 기계(100) 전기자(120) 이동 방향(도 2)에 수직하는 평면으로 배향된다. 자기 전도체(142)는 G-타입의 견고한 설계를 갖는다(도 7 내지 도 8). 이는, 스택(143)으로 어셈블리되는 전기적 스틸(steel) 라미네이션들(146)로(도 7) 또는 파우더 소프트 자기 재료로(도 8) 이루어질 수 있다. 도 9는 후속 절연 및 바니시(varnish) 침투(penetrative) 처리를 이용하여 홀더(holder) 또는 폼(form) 상에 감음으로써 만들어진 슬롯(141) 권선을 도시한다.
자기 전도체(142)의 폴 연장부(144)의 섹션이 자기 플럭스 집중기(concentrator)이다. 이는 (둔각을 갖는) 직각 삼각형(rectangular triangle)이며, 이들의 레그(leg)들 중 하나는 다른 것보다 2배 이상 더 크다: Lpm > 2 x L2이다(도 10a, 도 10b). 폴 연장부(144)의 둔각은 필수적으로 기계적 강도를 생성하고 자기 전도체(142)의 이러한 섹션의 포화(saturation)를 제한해야만 한다(도 10a, 도 10b).
견고한 자기 전도체(142)의 G-형 설계는 슬롯(140) 어셈블링 동안 자기 전도체들(142)을 권선(141) 상에 설치하는 것을 가능하게 한다(도 11 내지 도 12). 슬롯(140) 어셈블리 동안의 동작들의 시퀀스가 도 13a 내지 도 13d에 도시된다. 자기 전도체들(142)은, 도 13a 내지 도 13d에 도시된 바와 같이 (바니시로 처리되고 절연된 홀더 상에 감긴) 이전에 제조된 권선(141) 상의 고정물(fixture) 내에 설치되고 고정된다. 화살표는 권선(141)에 대한 자기 전도체(142)의 이동 방향을 도시한다. 자기 전도체(142)의 G-형상은, 각각의 이웃하는 전도체가 권선(141)의 대향하는 측 상에 설치되는 방식으로 슬롯(140) 어셈블리 동안 자기 전도체를 권선(141) 상에 설치하는 것을 가능하게 한다. 각각의 후속 자기 전도체(142)는, 권선(141)의 일 측 상에 위치된 각각의 다음 자기 전도체(142)의 영구 자석들(121)에 의해 생성되는 자기 플럭스 Φpm의 방향이 권선(141)의 대향되는(opposite) 지점 상에 위치된 이전의 전도체(142)에 대하여 반대가 되도록, 이전의 자기 전도체에 대하여 180° 회전된다(도 14a 내지 도 14b).
전기 기계(100)의 발전기 동작 모드에 대하여, 플럭스 Φpm은 권선(141) 와이어들 둘레를 에워싸고, 자석들(121)을 자기 전도체들(142) 및 권선(141)에 대하여 움직일 때, 이는 권선(141) 와이어들 내에 신호를 유도하며, 즉, 이는 기전력을 생성한다. 권선(141)의 전기 회로가 폐쇄될 때, 전류 I가 이를 통해 흐른다(도 15). 자기 플럭스 Φpm이 공기 간극(130)을 두번 가로지른다.
이제 특히 도 16a 내지 도 16d를 참조하면, 전자기 유닛이 도시되고, 전반적으로 142로 표시되며, 그들 사이에 회전자의 일 부분을 수용하도록 구성된 슬롯을 규정(define)하는 2개의 단부 연장부들(E)을 가지고 형성된 목 부분을 포함한다. 슬롯은 대칭 축(XS)을 갖는다.
전자기 유닛은, 대칭 축에 대하여 좌측으로 거리(W1)만큼 연장하는 제 1 프레임 부분(F1) 및 대칭 축에 대하여 우측으로 거리(W2)만큼(W2 < W1) 연장하는 제 2 프레임 부분(F2)을 갖는 프레임(F)을 더 포함한다. 사실, 제 2 프레임 부분(F2)은 단지 오른 손 단부 연장부(E)의 연장부이다.
전자기 유닛(142)의 이상에서 설명된 기하학적 형상이 본원에서 'G-형'으로서 지칭될 것이다. 용어 'G-형'은 도 56a 및 도 56b에 표시되는 기하구조들의 추가적인 변형들 모두 전부를 포함한다는 것이 이해되어야 한다.
추가적으로 상세하게 설명될 바와 같이, 각각의 전자기 유닛(142)의 적어도 제 1 프레임 부분이 전기 기계의 상호 코일의 일 부분을 그 안에 수용하도록 구성된다.
고정자
고정자(110) 구조체의 주요 문제는 그것의 견고한 설계를 보장하는 것이다. 즉, 자기 전도체들(142)이 확실하게 고정되어야 하고, (전기자(120)를 움직이는) 고정자(110)에 대한 회전자(120) 스피닝 동안 자기 전도체들(142)의 (본원에서 '단부 연장부'(E)로도 지칭되는) 폴 연장부들(144)과 회전자 자석들(121) 사이에 발생하는 힘을 확실하게 견뎌야 한다(도 2). G-형 자기 전도체(142)가 단단한 재료 구조체를 나타낸다는 것을 고려하면, 도 11에 도시된 바와 같이 횡방향 평면들(A-A, B-B 또는 C-C) 중 적어도 하나에 이를 고정하는 것이 제안된다. 자기 전도체(142)의 크기에 의존하여, 신뢰할 수 있는 고정을 위해 필요한 위치 옵션 및 횡방향 평면들의 수가 선택될 수 있다.
자기 전도체들(142)을 고정하기 위하여, 다음의 옵션들이 제공된다:
1. (C-C 섹션에 대응하는) 슬롯 열-전도 프레임(153)(도 17a 내지 도 17b)이 자기 전도체들(142)을 설치하기 위한 베이스이며, 이는, 예를 들어, 알루미늄 또는 그것의 합금의 비-자기 재료로 만들어진다. 프레임(153)은 에폭시-기반 열-전도 화합물로 만들어질 수 있거나, 또는 열-전도 화합물의 층이 슬롯 알루미늄 프레임(153) 상에 부어질 수 있다. 슬롯 프레임(153)은 TFPM(150) 외측 케이싱에 고정된다. 알루미늄 프레임(153)은 권선(147)으로부터 TFPM(150) 외측 케이싱으로의 열의 제거를 보장한다.
2. (B-B 섹션에 대응하는) 고정 열-절연 보드(154)(도 18a 내지 도 18b)는 비-자기 비-전기 전도성 재료, 예를 들어, 케블라로 만들어 진다. 보드(154)는 서로간의 그리고 외측 케이싱(150)과의 자기 전도체들(142)의 고정을 보장한다. 이는 부분적으로 권선(147)에 의해 생성되는 열로부터 영구 자석(121) 구역을 보호한다(열로부터 이를 절연한다).
3. (A-A 섹션에 대응하는) 고정자 슬롯(140)은, 도 19a 내지 도 19b에 도시된 비-자기 및/또는 비 전도성 재료로 만들어진 적어도 하나의 제한(limiting) 보드(155)를 포함할 수 있다. 보드(155)는, 예를 들어, 도 19a 내지 도 19b에 도시된 폴 연장부들(144)의 첨단(tip)에서와 같이, 자기 전도체들(142)의 폴 연장부들(144)의 임의의 위치에 설치될 수 있다. 보드(155)는 접착제를 사용하여 자기 전도체들(142)에 고정된다. 보드(155)가 TFPM(150) 외측 케이싱에 고정될 수 있다.
4. 에폭시-기반 화합물(156)이 A-A 섹션에 대응하는 자기 전도체들(142)의 폴 연장부들(144)의 영역에 부어진다.
자기 전도체들(142)의 고정 옵션의 각각은 독립적으로 사용될 수 있거나 또는 이상에서 고려된 다른 옵션들과 임의의 조합으로 사용될 수 있다(도 20 내지 도 23).
도 20은 슬롯(153)의 열-전도 프레임을 고정 열-절연 보드(154)와 함께 적용하는 옵션을 도시한다.
도 21은 고정 열-절연 보드(154)를 제한 보드들(155)과 함께 적용하는 옵션을 보여준다.
도 22는 슬롯(153)의 열-전도 프레임을 제한 보드들(155)과 함께 적용하는 옵션을 도시한다.
도 23은 슬롯(153)의 열-전도 프레임을 고정 열-절연 보드(154) 및 제한 보드들(155)과 함께 적용하는 옵션을 도시한다.
고정자(110)의 어셈블리 방법은 다음의 슬롯(140) 어셈블리를 포함한다:
1. 프레스된 라미네이션들(146)을 스택(143)으로 어셈블링하는 것 또는 파우더를 프레싱하고 견고한 자기 전도체(142)를 형성하는 것을 이용하여 자기 전도체들(142)을 만드는 단계.
2. 후속 절연 및 바니시 침투 처리를 이용하여 홀더 또는 프레임 상에 감음으로써 권선(141)을 만드는 단계.
3. 도 13a 내지 도 13d에 도시된 바와 같이 권선(141) 상에 자기 전도체들(142)을 설치하는 단계.
4. 접착제로 자기 전도체들(142)의 수동 부분(145)의 고정물을 슬롯 프레임(153)에 설치하고 부착하는 단계.
5. 접착제로 권선(141)을 자기 전도체들(142) 상에 고정하는 단계.
6. 자기 전도체들(142)의 폴 연장부들(144)이 전용 고정물 내에서 서로간에 고정된다(다양한 옵션들이 이상에서 설명된 바와 같이 자기 전도체(142) 고정을 위해 채택될 수 있다).
그 이후, 어셈블리된 슬롯들(140)이 외부 몸체(150), 예를 들어, 전기 기계(100)의 단부 차폐부(end shield)들(151)에 설치되고 고정된다.
슬롯(140) 어셈블리 기술의 특색은, 이전에 만들어진 자기 전도체들(142)이 그들의 후속하는 서로간의 고정에 의해 준비된 권선(141) 상에 설치되며 그에 따라 슬롯(140)을 형성한다는 것이다.
회전자(전기자)
도 24 내지 도 26은 LFPM 전기자(120)를 도시한다. 소프트 자기 재료들은 자석(121) 위치의 영역 내에서 전기자(120) 내에 존재하지 않는다. 각각의 전기자 자석(121)의 폴들 둘 모두가 대응하는 자기 전도체(142)의 폴 연장부들(144)로 둘러싸인다(도 2).
전기자 영구 자석들(121)은, 자기 전도체들(142)의 대향 측 상에서 그들의 측방 표면으로 베이스(122)에 고정된다. 전기자 베이스(122)는 비-자기 재료로 만들어진다. 홈(groove)(123)이 전기자의 베이스(122) 상에 제공되며, 적어도 하나의 홀(124)(도 27)이 자석(121)의 측방 표면에 위치되고, 나사 연결부(125)가 이용된다.
전기자(120) 상의 자석들(121)은 접착제로 고정된다. 도 25는 간극들이 없는 자석들(121)을 사용하는 전기자(120) 설계 옵션을 도시하며, 도 26은 비자기 삽입부들(126)을 이용하는 옵션을 보여준다. 도 27은 자석들(121)에 대한 홈(123)을 갖는 전기자 베이스(122), 홀들(124)을 갖는 자석들(121), 비자기 삽입부들(126) 및 나사들(125)을 도시한다. 자석(121)의 측방 표면 상의 홀(124)의 위치(도 28)는, 알려진 통상적인 RFPM(100)(도 29) 설계에 대해 적용되는 자석(121) 폴 상의 홀(124) 위치와 같은 경우, 작용(working) 자기 플럭스 Φpm의 손실들을 야기하지 않는다.
전기 기계의 회전자(전기자)(120)에는, 영구 자석들(121)을 고정하는 나사들(125) 아래에 설치된 팬(fan)(170)이 구비된다(도 30 내지 도 33). 팬(170)은 임펠러(impeller)의 형태로 비자기 재료로 만들어진다.
임펠러(170)는, 별개의 엘러먼트들(171)로서 만들어질 수 있거나(도 30) 또는 자석들(121) 사이의 삽입부들(126)로서 만들어질 수 있거나(도 31) 또는 블레이드형 스트립(bladed strip)(172)으로서 만들어질 수 있거나(도 32a 내지 도 32b), 또는 블레이드형 링(173)으로서 만들어질 수 있다(도 33). 큰-크기의 전기 기계들(100)에 대하여, 스트립(172) 및 링(173)이 몇몇 부분들로 구성될 수 있다.
팬(170)은 회전자(전기자) 베이스(122)에 대한 자석들(121)의 고정을 개선하고 열적 대류를 보장한다.
전기 기계의 구조
권선 상의 견고한 자석 전도체들의 설치를 보장하기 위하여, 권선의 폭(Lc) 및 높이(hc)(도 9)가 관계식들(도 10a, 도 10b)로 제한된다.
hc < Ls - 3 x L2 - hpm - 2 x ho [1]
Lc < La - Lpm - L2 [2]
각각의 자기 전도체에 의해 슬롯 권선 내로 향해지는 신호들을 결합하기 위하여, 다음의 조건들이 충족되어야만 한다(도 10a, 도 10b):
1. 자기 전도체들의 슬롯들의 수 s(s = 2, 3, 4...)는, 슬롯 내부에 위치된 기계의 움직이는 부분의 폴 쌍들의 수의 2배, 즉, 2ps와 동일해야만 한다: s = 2ps, [3]
2. 폴 피치 τp는 슬롯 피치 τs와 동일하다: τp = τs [4]
3. 폴 피치 τp는 이웃하는 자석들 사이의 거리 △pm과 자석 폭 Xpm의 합과 동일하다: τp = Xpm + △pm [5]
4. 폴 피치 τs는 이웃하는 자기 전도체들 사이의 거리 Cem와 자기 전도체 폭 Xem의 합과 동일하다:
τs = Xem + Cem, 즉, [6]
τp = τs = Xpm + △pm = Xem + Cem [7]
각각의 페이즈 TFPM이 페이즈로 결합하기 위하여 신호들에 대하여 t개의 슬롯들을 포함하는 경우(여기에서, t=1, 2, 3...), 슬롯들 사이의 거리 Xs는 폴 피치 τp의 배수이다:
Xs = τp x n, 여기에서 n=1, 2, 3.... [8]
값 n은 슬롯 권선들의 2개의 이웃하는 굽은(bending) 부분들을 위치시키기에 충분하도록 선택된다.
TFPM은 멀티페이즈 설계를 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 페이즈의 신호들을 120°로 시프트하기 위한 3-페이즈 TFPM에 대하여 - 페이즈들 사이의 거리 Xph는 다음과 같다:
Xph =
Figure 112016037019809-pct00001
, [9]
여기에서, m=1, 2, 4, 5, 7, 8, 10...(즉, 3에 의해 나누어질 수 없는 양의 정수)이다. 값 m은 슬롯 권선들의 2개의 이웃하는 굽은 부분들을 위치시키기에 충분하도록 선택된다.
3-페이즈형 TFPM에 대하여, 낮은 코깅 토크 리플(cogging torque ripple) 값은 다음과 같은 추가적인 관계식에 의해 보장된다: Cem =
Figure 112016037019809-pct00002
[10]
낮은 코깅 토크 리플 값은 관계식들 [9] 및 [10]에 의해 보장되며, 즉, 페이즈들 사이의 거리의 선택, 자기 전도체 폭의 선택, 및 전도체들 사이의 거리의 선택에 의해 보장된다. 이러한 경우에 있어, 기생 토크 리플들은 페이즈들 모두의 리플들의 합계의 결과로서 보상된다.
LFPM
제안된 횡방향 플럭스 선형 영구 자석 기계(LFPM)(100)가 이상에서 고려된 원리들을 사용하여 구성되었다.
도 34 내지 도 35b는, LFPM(100) 페이즈가 3개의 슬롯들(140)(t = 3)을 포함하며, 각각의 슬롯(140)이 8개의 자석들(121)(ps = 8) 및 8개의 자기 전도체들(142)(s = 8)을 포함하고, 페이즈의 슬롯들(140) 사이의 거리 Xs가: Xs = τp x n =2Xpm(τp=Xpm, n = 2)인 예를 제공한다.
도 36 내지 도 37b는, 3-페이즈형 LFPM(100)의 각각의 페이즈가 하나의 슬롯(140)을 포함하며, 페이즈들 사이의 거리 Xph가: Xph =
Figure 112016037019809-pct00003
= 8/3Xpm, (m = 8)인 예를 도시한다.
도 38 내지 도 39는, 각각의 페이즈가 일렬로 3개의 슬롯들(140)을 포함하며, 페이즈가 원주 위치 패턴을 갖는, 3-페이즈형 LFPM(100)의 일 예를 제공한다. 또한, 전기자(120) 이동 방향을 따른 페이즈들 사이의 거리 Xph는: Xph =
Figure 112016037019809-pct00004
= 2/3Xpm, (m = 2)이며, 전기자(120) 이동 방향을 따른 하나의 페이즈 내의 슬롯들(140) 사이의 거리 Xs는: Xs = τp x n = 2Xpm(τp=Xpm, n = 2)이다.
도 40은, 각각의 페이즈가 페이즈들의 원주 위치를 갖는 하나의 슬롯(140)을 포함하며, 전기자(120) 이동 방향을 따른 페이즈들 사이의 거리 Xph가: Xph =
Figure 112016037019809-pct00005
= 2/3Xpm, (m = 2)인, 3-페이즈형 LFPM(100)의일 예를 도시한다.
도 41 내지 도 42는 나사 연결부(125)를 이용하여 전기자 베이스(122)에 자석들(121)을 고정하는 방법을 도시하며, 홈들(123)이 이를 위해 전기자 베이스에 제공된다. 전기자(120)가 이동하는 가이드들 및 스템(stem)(127)을 갖는 중공형 원통으로서 전기자 베이스(122) 구현예의 일 예가 제공된다.
AFPM
제안된 축방향 플럭스 영구 자석 기계(AFPM)(100)가 이상에서 고려된 선형 영구 자석 기계와 동일한 원리들을 사용하여 구성되었다. 자기 전도체들(142)은 샤프트(160) 축을 통과하는 평면 내에 배향된다.
도 43a 내지 도 43d는 내부 회전자(120)를 갖는 3-페이즈형 AFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다.
도 44a 내지 도 44d는 외부 회전자(120)를 갖는 3-페이즈형 AFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다.
내부 및 외부 회전자(120)를 갖는 표현된 AFPM(100) 설계 옵션들의 파라미터들은 다음과 같다: 폴 쌍들의 수 p = 26(즉, 회전자(120) 상의 자석들(121)의 수는, 2p = 52)이고; 슬롯의 자기 전도체들(142)의 수 s = 16이며; 기계는 3-페이즈형 설계를 가지고, 각각의 페이즈는 하나의 슬롯(140)을 가지며, 즉, t = 1이고; 회전자 자석들(121) 사이에 간극들이 존재하지 않으며, 즉, △pm = 0이고, 및 페이즈들 사이의 거리 Xph는: Xph = 4/3Xpm이다(도 45).
RFPM
제안된 방사상 플럭스 영구 자석 기계(RFPM)(100)가 이상에서 고려된 축방향-흐름의 선형 영구 자석 기계와 동일한 원리들을 사용하여 구성되었다. 영구 자석들(121)의 표면들 및 이들을 향하는 자기 전도체(142) 폴 연장부들(144)의 표면들이 대응하는 반경을 가지고 구현된다. 자기 전도체들(142)은 샤프트(160) 축을 통과하는 평면 내에 배향된다.
도 46a 내지 도 46f는 3-페이즈형 RFPM(100) 설계의 다른 예를 도시한다.
표현된 RFPM(100) 설계 옵션의 파라미터들은 다음과 같다: 폴 쌍들의 수 p = 26이고; 슬롯의 자기 전도체들(142)의 수 s = 16이며; 기계는 3-페이즈형 설계를 가지고, 각각의 페이즈는 하나의 슬롯(140)을 가지며, 즉, t = 1이고; 회전자 자석들(121) 사이에 간극들이 존재하지 않으며, 즉, △pm = 0이고, 및 페이즈들 사이의 거리 Xph는: Xph = 4/3Xpm이다(도 47).
도 48은 3-페이즈형 4-섹션 RFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다. 고정자(110)의 4개의 유사한 섹션들의 각각은 원주 위치 패턴을 갖는 3개의 페이즈들(슬롯들(140))로서 구현된다. 회전자(120)는 2개의 섹션들을 포함하며, 이들의 각각은 회전자(122)의 2개의 베이스들 상의 양 측들 모두 상에 고정된 자석들(121)의 2개의 그룹들을 포함한다.
도 49 내지 도 51c는 이중-층 및 이중-섹션 3-페이즈형 RFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다. 고정자(110)의 2개의 유사한 섹션들의 각각(도 50a 내지 도 50c)은 단부 차폐부(151)로서 구현되며, 여기에서 슬롯들(140)의 2개의 동심 층들이 고정된다. 외부 및 내부 층들은 3개의 슬롯들(140)을 포함하며, 그에 따라 페이즈들(A, B 및 C)을 형성한다. 회전자(120)(도 51a 내지 도 51c)는 회전자(122)의 베이스 상의 2개의 측들 상에 고정된 자석들(121)의 2개의 링들(외부 링 및 내부 링)을 포함한다.
원주 분포형 권선을 갖는 RFPM(외부 및 내부 회전자를 갖는 AFPM이 유사한 방식으로 구현될 수 있다)
도 52a 내지 도 54c는, 그것의 고정자(110)가 원주적으로 분포된 동심 권선들(141)을 포함하는 1-페이즈형 RFPM(100) 설계의 일 예를 제공한다.
고정자(110)(도 53a 내지 도 53d)는 G-형의 견고한 자기 전도체들(142) 및 2개의 권선들(141)을 포함하는 슬롯(140)이다. 제 1 자기 전도체(142)가 권선들(141) 중 하나를 둘러싸는 경우, 180°로 회전된 다음의 전도체들(142)의 각각이 다른 권선(141)을 둘러쌀 것이다. 자기 전도체들(142)은 슬롯(153)의 열-전도 프레임 상에 설치된다.
회전자(120)(도 54a 내지 도 54c)는 회전자 베이스(122) 상에 고정된 자석들(121)을 포함한다. 자석들(121)은 나사들(125)로 회전자 베이스(122)의 홈(123) 내에 고정된다.
원주 분포형 권선을 갖는 3-섹션 RFPM
도 55는 원주적으로 분포된 권선들(141)을 갖는 3-섹션 3-페이즈형 RFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다.
고정자(110)의 3개의 유사한 섹션들의 각각은 도 52 내지 도 53에 도시된 슬롯(140)으로서 구현된다. 고정자(110) 섹션들의 각각은 RFPM(100) 페이즈이다. 각각의 페이즈의 신호들을 120°로 시프트하기 위한 페이즈들 사이의 거리 Xph는 다음과 같다:
Xph =
Figure 112016037019809-pct00006
, [9]
여기에서, m=1, 2, 4, 5, 7, 8, 10...(즉, 3에 의해 나누어질 수 없는 양의 정수)이다. 각각의 섹션은 이전의 섹션에 대하여 거리 Xph로 시프트된다.
회전자(120)는 2개의 섹션들을 포함하며, 이러한 섹션 중 하나의 섹션은 회전자 베이스(122) 상의 2개의 측들 상에 고정된 자석들(121)의 2개의 링들을 포함하고, 다른 섹션은 도 54a 내지 도 54c에 도시된 바와 동일한 방식으로 구현된다.
이제 도 57 내지 도 96을 참조하면, 전자기 유닛들의 설계에 있어서만 차이점을 갖는 적어도 하나의 상호 코일을 또한 갖는 전기 기계의 다른 예가 논의될 것이다. 구체적으로, 이전의 예가 G-형 전자기 유닛들을 다뤘던 반면, 본 예의 전기 기계는 U-형 전자기 유닛들을 이용한다.
다중극 전기 기계(100)는 고정자(110) 및, 그들 사이에 공기 간극(130)을 가지고 고정자(110)에 대하여 움직이는(회전하는) 회전자(120)를 포함한다(도 57). 고정자(110)는 슬롯들(140)로 어셈블리된다. 기본 레고(Lego) 컴포넌트로서 슬롯(140)의 개념을 사용하면, 다양한 TFPM 유형들이 어셈블리될 수 있다: 선형 영구 자석 기계(linear permanent magnet machine; LFPM)들, 축방향(AFPM) 및 방사상(RFPM) 자기 플럭스 영구 자석 기계들.
고정자 슬롯
LFPM(100)의 예를 사용하는 고정자 슬롯(140)의 설계를 고려해보도록 한다(도 58). 다중극 LFPM(100)은 고정자(110), 및 그들 사이에 공기 간극들(130)을 가지고 고정자(110)에 대하여 상대적으로 선형적으로 움직이는 전기자(120)를 포함한다. 도 58은 LFPM(100)을 도시하고, 그 안에서 고정자(110)는 3개의 슬롯들(140)로서 구현되며, 전기자(120)는 교번하는 극성의 영구 자석들(121)을 포함한다.
도 59a 내지 도 61f는, LFPM(100) 전기자(120) 설계뿐만 아니라 권선(141) 및 자기 전도체들(142)을 포함하는 고정자 슬롯(140)의 설계 옵션들을 도시한다. 자기 전도체들(142)은 선형 기계(100)의 전기자(120) 이동 방향(도 58)에 수직하는 평면 내에 배향된다.
도 59a 내지 도 59d는 그것의 자기 전도체들(142)이 권선(141)의 일 측을 둘러싸는 고정자 슬롯(140)을 도시한다. 자기 전도체들(142)은 슬롯(153)의 열-전도 프레임(베이스) 내에 고정된다. 전기자(120)는 자석들(121)의 하나의 스트립을 포함한다.
도 60a 내지 도 60d는 그것의 자기 전도체들(142)이 권선(141)의 양 측들 둘 모두를 둘러싸는 고정자 슬롯(140)을 도시한다. 자기 전도체들(142)은 슬롯(153)의 열-전도 프레임(베이스) 내에 고정된다. 전기자(120)는 자석들(121)의 두개의 스트립들을 포함한다. 권선(141)의 일 측 상에 위치된 자기 전도체들(142)은 권선(141)의 다른 측 상에 위치된 자기 전도체들(142)에 대하여 반대 극성의 자석들(121)을 둘러싼다.
도 61a 내지 도 61f는 그것의 자기 전도체들(142)이 권선(141)의 양 측들 둘 모두를 둘러싸는 고정자 슬롯(140)을 도시한다. 자기 전도체들(142)은 슬롯(153)의 열-전도 프레임(베이스) 내에 고정된다. 전기자(120)는 자석들(121)의 두개의 스트립들을 포함한다. 권선(141)의 일 측 상에 위치된 자기 전도체들(142)은 권선(141)의 다른 측 상에 위치된 자기 전도체들(142)에 대하여 반대 극성의 자석들(121)을 둘러싸며, 전기자(120) 이동 방향을 따라 폴의 양만큼 시프트된다. 자기 전도체(142)는 U-타입의 견고한 설계를 갖는다(도 62 내지 도 63). 이는, 스택(143)으로 어셈블리되는 전기적 스틸 라미네이션들(146)로(도 62) 또는 파우더 소프트 자기 재료로(도 63) 이루어질 수 있다. 도 64는 후속 절연 및 바니시 침투 처리를 이용하여 홀더 상에 설치된 폼 또는 홀더 상에 감음으로써 만들어진 슬롯 권선(141)을 도시한다. 권선(141)은 다른 슬롯들(140)의 권선들(141)과 연결되며, 그에 따라 고정자 권선(147)을 형성한다.
견고한 자기 전도체(142)의 U-형 설계는 슬롯(140) 어셈블링 동안 자기 전도체들(142) 내에 슬롯 권선(141)을 설치하고 고정하는 것을 가능하게 한다(도 59a 내지 도 61f).
자기 전도체(142)의 폴 연장부(144)가 자기 플럭스 집중기이다. 그것의 섹션은 (둔각을 갖는) 직각 삼각형이며, 이들의 레그들 중 하나는 다른 것들보다 2배 이상 더 크다:
Lpm > 2 x L2이다(도 65a 내지 도 65b). 폴 연장부(144)의 둔각은 필수적으로 기계적 강도를 생성하고 자기 전도체(142)의 이러한 섹션의 포화를 제한해야만 한다(도 65a 내지 도 65b).
도 66은 도 60a 내지 도 61f에 도시된 고정자 슬롯 옵션들(140)에 대한 자기 전도체들(142) 내의 영구 자석들(121)에 의해 생성되는 작용 자기 플럭스 Φpm의 방향을 도시한다.
권선(141)의 일 측에 위치된 자기 전도체들(142) 내의 영구 자석들(121)에 의해 생성되는 자기 플럭스 Φpm은 권선(141)의 대향되는 측 상에 위치된 자기 전도체들(142) 내의 플럭스 Φpm에 대하여 역 방향을 갖는다(도 66). 전기 기계(100)의 발전기 동작 모드에 대하여, 플럭스 Φpm은 권선(141) 와이어들 둘레를 에워싸고, 자석들(121)을 자기 전도체들(142) 및 권선(141)에 대하여 움직일 때, 이는 그것의 와이어들 내에 신호를 유도하며, 즉, 이는 기전력을 생성한다. 권선(141)의 전기 회로가 폐쇄될 때, 전류 I가 이를 통해 흐른다(도 66). 자기 플럭스 Φpm이 공기 간극(130)을 두번 가로지른다.
고정자
고정자(110) 구조체의 주요 문제는 그것의 견고한 설계를 보장하는 것이다. 즉, 자기 전도체들(142)이 확실하게 고정되어야 하고, (전기자(120)를 움직이는) 고정자(110)에 대한 회전자(120) 스피닝 동안 자기 전도체들(142)의 폴 연장부들(144)과 회전자 자석들(121) 사이에 발생하는 힘을 확실하게 견뎌야 한다(도 58).
U-형 자기 전도체(142)가 단단한 재료 구조체를 나타낸다는 것을 고려하면, 도 67a 내지 도 67d에 도시된 바와 같이 횡방향 평면들(A-A, B-B 또는 C-C) 중 적어도 하나에 이를 고정하는 것이 제안된다. 자기 전도체(142)의 크기에 의존하여, 신뢰할 수 있는 고정을 위해 필요한 위치 옵션 및 횡방향 평면들의 수가 선택될 수 있다.
자기 전도체들(142)을 고정하기 위하여, 다음의 옵션들이 제공된다:
1. (C-C 섹션에 대응하는) 슬롯 열-전도 프레임(153)(도 68a 내지 도 68b)이 자기 전도체들(142)을 설치하기 위한 베이스이며, 이는, 예를 들어, 알루미늄 또는 그것의 합금의 비-자기 재료로 만들어진다. 프레임(153)은 에폭시-기반 열-전도 화합물로 만들어질 수 있거나, 또는 열-전도 화합물의 층이 슬롯 알루미늄 프레임(153) 상에 부어질 수 있다. 슬롯 프레임(153)은 TFPM(150) 외측 케이싱에 고정된다. 알루미늄 프레임(153)은 권선(147)으로부터 TFPM(150) 외측 케이싱으로의 열의 제거를 보장한다. 도 69 내지 도 71은 도 59a 내지 도 61f에 표현된 슬롯(140) 설계 옵션들에 대한 고정자 슬롯(153)의 열-전도성 프레임의 설계 옵션들을 도시한다.
2. (B-B 섹션에 대응하는) 고정 열-절연 보드(154)(도 72a 내지 도 72b)는 비-자기 비-전기 전도성 재료, 예를 들어, 케블라로 만들어 진다. 보드(154)는 서로간의 그리고 외측 케이싱(150)과의 자기 전도체들(142)의 고정을 보장한다. 이는 부분적으로 권선(147)에 의해 생성되는 열로부터 영구 자석(121) 구역을 보호한다(열로부터 이를 절연한다).
3. (A-A 섹션에 대응하는) 고정자 슬롯(140)은, 도 73a 내지 도 73b에 도시된 비-자기 및/또는 비 전도성 재료로 만들어진 적어도 하나의 제한 보드(155)를 포함할 수 있다. 보드(155)는, 예를 들어, 도 73a 내지 도 73b에 도시된 폴 연장부들(144)의 첨단에서와 같이, 자기 전도체들(142)의 폴 연장부들(144)의 임의의 위치에 설치될 수 있다.
보드(155)는 접착제를 사용하여 자기 전도체들(142)에 고정된다. 보드(155)가 TFPM(150) 외측 케이싱에 고정될 수 있다.
4. 에폭시-기반 화합물(156)이 A-A 섹션에 대응하는 자기 전도체들(142)의 폴 연장부들(142)의 영역에 부어진다(도 74). 도 74는 화합물(156)을 붇기 위한 고정물의 일 예를 보여준다.
자기 전도체들(142)의 고정 옵션의 각각은 독립적으로 사용될 수 있거나 또는 이상에서 고려된 다른 옵션들과 임의의 조합으로 사용될 수 있다(도 75 내지 도 78).
도 75는 슬롯(153)의 열-전도 프레임을 고정 열-절연 보드(154)와 함께 적용하는 옵션을 도시한다.
도 76은 고정 열-절연 보드(154)를 제한 보드들(155)과 함께 적용하는 옵션을 보여준다.
도 77은 슬롯(153)의 열-전도 프레임을 제한 보드들(155)과 함께 적용하는 옵션을 도시한다.
도 78은 슬롯(153)의 열-전도 프레임을 고정 열-절연 보드(154) 및 제한 보드들(155)과 함께 적용하는 옵션을 도시한다.
고정자(110)의 어셈블리 방법은 다음의 슬롯(140) 어셈블리를 포함한다:
7. 프레스된 라미네이션들(146)을 스택(143)으로 어셈블링하는 것 또는 파우더를 프레싱하고 견고한 자기 전도체(142)를 형성하는 것을 이용하여 자기 전도체들(142)을 만드는 단계.
8. 후속 절연 및 바니시 침투 처리를 이용하여 홀더 또는 프레임 상에 감음으로써 권선(141)을 만드는 단계.
9. 접착제로 자기 전도체들(142)의 수동 부분(145)의 고정물을 슬롯 프레임(153)에 설치하고 부착하는 단계.
10. 권선(141)은 자기 전도체(142)의 폴 연장부들(144)에 설치되고 접착제로 고정된다.
11. 자기 전도체들의 폴 연장부들(144)이 전용 고정물 내에서 서로간에 고정된다(다양한 옵션들이 이상에서 설명된 바와 같이 자기 전도체(142) 고정을 위해 채택될 수 있다).
그 이후, 어셈블리된 슬롯들(140)이 외부 몸체(150), 예를 들어, 전기 기계(100)의 단부 차폐부들(151)에 설치되고 고정된다.
슬롯(140) 어셈블리 기술의 특색은, 이전에 제조된 자기 전도체들(142)이 서로간에 고정되며, 이전에 만들어진 권선(141)이 자기 전도체들(142) 내에 설치되고 접착제로 고정된다는 것이다. 동작들의 시퀀스의 차이점들은 자기 전도체들(142)의 선택된 고정 방법에 의존한다.
회전자(전기자)
본 예는 도 1 내지 도 56에 대하여 이상에서 설명된 바와 동일한 전기자를 사용한다. 소프트 자기 재료들은 자석(121) 위치의 영역 내에서 전기자(120) 내에 존재하지 않는다. 각각의 전기자 자석(121)의 폴들 둘 모두가 대응하는 자기 전도체(142)의 폴 연장부들(144)로 둘러싸인다(도 2). 전기자 영구 자석들(121)은, 자기 전도체들(142)의 대향 측 상에서 그들의 측방 표면으로 베이스(122)에 고정된다. 전기자 베이스(122)는 비-자기 재료로 만들어진다. 홈(123)이 전기자의 베이스(122) 상에 제공되며, 적어도 하나의 홀(124)(도 25)이 자석(121)의 측방 표면에 위치되고, 나사 연결부(125)가 이용된다. 전기자(120) 상의 자석들(121)은 접착제로 고정된다. 도 23은 간극들이 없는 자석들(121)을 사용하는 전기자(120) 설계 옵션을 도시하며, 도 24는 비자기 삽입부들(126)을 이용하는 옵션을 보여준다. 도 25는 자석들(121)에 대한 홈(123)을 갖는 전기자 베이스(122), 홀들(124)을 갖는 자석들(121), 비자기 삽입부들(126) 및 나사들(125)을 도시한다.
자석들(121)의 측방 표면 상의 홀(124)의 위치는, 알려진 통상적인 RFPM(100)설계에 대해 적용되는 자석(121) 폴 상의 홀(124) 위치와 같은 경우, 작용 자기 플럭스 Φpm의 손실들을 야기하지 않는다.
전기 기계의 회전자(전기자)(120)에는, 영구 자석들(121)을 고정하는 나사들(125) 아래에 설치된 팬(170)이 구비된다. 팬(170)은 임펠러의 형태로 비자기 재료로 만들어진다.
임펠러(170)는 별개의 엘러먼트들(171)로서 만들어지거나 또는 자석들(121) 사이의 삽입부(126)로서 만들어지거나 또는 블레이드형 스트립(172)으로서 만들어지거나, 또는 블레이드형 링(173)으로서 만들어질 수 있다. 큰-크기의 전기 기계들(100)에 대하여, 스트립(172) 및 링(173)이 몇몇 부분들로 구성될 수 있다.
팬(170)은 회전자(전기자) 베이스(122)에 대한 자석들(121)의 고정을 개선하고 열적 대류를 보장한다.
전기 기계의 구조
각각의 자기 전도체에 의해 슬롯 권선 내로 향해지는 신호들을 결합하기 위하여, 다음의 조건들이 충족되어야만 한다(도 65a 내지 도 65b):
자기 전도체들의 슬롯들의 수 s(s = 1, 2, 3...)는, 슬롯 내부에 위치된 기계의 움직이는 부분의 폴 쌍들의 수 ps와 동일해야만 한다:
s = ps, [1]
2개의 폴 피치들 p는 슬롯 피치 τs와 동일하다:
τp = τs [2]
폴 피치 τp는 이웃하는 자석들 사이의 거리 △pm과 자석 폭 Xpm의 합과 동일하다:
τp = Xpm + △pm [3]
폴 피치 τs는 이웃하는 자기 전도체들 사이의 거리 Cem와 자기 전도체 폭 Xem의 합과 동일하다:
τs = Xem + Cem, 즉, [4]
2τp = τs = 2 x (Xpm + △pm) = Xem + Cem [5]
각각의 TFPM 페이즈가 페이즈 내에서 결합하기 위하여 신호들에 대하여 t개의 슬롯들을 포함하는 경우(여기에서, t=1, 2, 3...), 슬롯들 사이의 거리 Xs:
Xs = τp x n, 여기에서 n=1, 2, 3.... [6]
값 n은 슬롯 권선들의 2개의 이웃하는 굽은 부분들을 위치시키기에 충분하도록 선택된다.
TFPM은 멀티페이즈 설계를 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 페이즈의 신호들을 120°로 시프트하기 위한 3-페이즈 TFPM에 대하여 - 페이즈들 사이의 거리 Xph는 다음과 같다:
Xph =
Figure 112016037019809-pct00007
, [7]
여기에서, m=1, 2, 4, 5, 7, 8, 10...(즉, 3에 의해 나누어질 수 없는 양의 정수)이다.
값 m은 슬롯 권선들의 2개의 이웃하는 굽은 부분들을 위치시키기에 충분하도록 선택된다.
3-페이즈형 TFPM에 대하여, 낮은 코깅 토크 리플 값은 다음과 같은 추가적인 관계식에 의해 보장된다:
Cem =
Figure 112016037019809-pct00008
[8]
낮은 코깅 토크 리플 값은 관계식들 [7] 및 [8]에 의해 보장되며, 즉, 페이즈들 사이의 거리의 선택, 자기 전도체 폭의 선택, 및 전도체들 사이의 거리의 선택에 의해 보장된다. 이러한 경우에 있어, 기생 토크 리플들은 페이즈들 모두의 리플들의 합계의 결과로서 보상된다.
LFPM
제안된 횡방향 플럭스 선형 영구 자석 기계(LFPM)(100)가 이상에서 고려된 원리들을 사용하여 구성되었다.
도 79는, LFPM(100) 페이즈가 3개의 슬롯들(140)(t = 3)을 포함하며, 각각의 슬롯(140)이 16개의 자석들(121)(2ps = 16) 및 8개의 자기 전도체들(142)(s = 8)을 포함하고, 페이즈의 슬롯들(140) 사이의 거리 Xs = τp x n = 0(τp=Xpm, n = 0)인 예를 제공한다.
도 80은, 3-페이즈형 LFPM(100)의 각각의 페이즈가 하나의 슬롯(140)을 포함하며, 페이즈들 사이의 거리 Xph가 다음과 같은 예를 도시한다:
Xph =
Figure 112016037019809-pct00009
= 2/3Xpm, (m = 2).
도 81 도 82는, 각각의 페이즈가 페이즈들의 원주 위치를 갖는 하나의 슬롯(140)을 포함하는 3-페이즈형 LFPM(100)의일 예를 제공한다. 또한, 전기자(120) 이동 방향을 따른 페이즈들 사이의 거리 Xph는 다음과 같다:
Xph =
Figure 112016037019809-pct00010
= 2/3Xpm, (m = 2).
도 83은 나사 연결부(125)를 이용하여 전기자 베이스(122)에 자석들(121)을 고정하는 방법을 도시하며, 홈들(123)이 이를 위해 전기자 베이스에 제공된다. 전기자(120)가 이동하는 가이드들 및 스템(127)을 갖는 중공형 원통으로서 전기자 베이스(122) 구현예의 일 예가 제공된다.
도 79 내지 도 83은 도 59a 내지 도 59d에 도시된 슬롯(140)을 이용하는 LFPM(100) 설계 옵션들을 도시한다. LFPM(100)은 또한, 그 안에서 전기자(120)가 영구 자석들(121)을 갖는 2개의 스트립들을 포함하는, 도 60a 내지 도 61f에 도시된 슬롯들(140)을 이용하여 구현될 수 있다.
AFPM
제안된 축방향 플럭스 영구 자석 기계(AFPM)(100)가 이상에서 고려된 선형 영구 자석 기계와 동일한 원리들을 사용하여 구성되었다. 자기 전도체들(142)은 샤프트(160) 축을 통과하는 평면 내에 배향된다.
도 84a 내지 도 84b는 내부 회전자(120)를 갖는 3-페이즈형 AFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다. 도 85a 내지 도 85b는 외부 회전자(120)를 갖는 3-페이즈형 AFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다. 내부 및 외부 회전자(120)를 갖는 표현된 AFPM(100) 설계 옵션들의 파라미터들은 다음과 같다: 폴 쌍들의 수 p = 25이며, 즉, 회전자 상의 자석들(121)의 수 2p = 50이고; 슬롯의 자기 전도체들(142)의 수 s = 8이며; 기계(100)는 3-페이즈형 설계를 가지고, 각각의 페이즈는 하나의 슬롯(140)을 가지며, 즉, t = 1이고; 회전자 자석들(121) 사이에 간극들이 존재하지 않으며, 즉, △pm = 0이고, 및 페이즈들 사이의 거리 Xph = 2/3Xpm이고, 회전자(120)는 영구 자석들(121)을 갖는 하나의 링을 포함한다.
도 84a 내지 도 85b는 도 59a 내지 도 59d에 도시된 슬롯(140)을 이용하는 AFPM(100) 설계 옵션들을 도시한다. AFPM(100)은 또한, 그 안에서 전기자(120)가 영구 자석들(121)을 갖는 2개의 링들을 포함하는, 도 60a 내지 도 61f에 도시된 슬롯들(140)을 이용하여 구현될 수 있다.
RFPM
제안된 방사상 플럭스 영구 자석 기계(RFPM)(100)가 이상에서 고려된 축방향-흐름의 선형 영구 자석 기계와 동일한 원리들을 사용하여 구성되었다. 영구 자석들(121)의 표면들 및 이들을 향하는 자기 전도체(142) 폴 연장부들(144)의 표면들이 대응하는 반경을 가지고 구현된다. 자기 전도체들(142)은 샤프트(160) 축을 통과하는 평면 내에 배향된다.
도 86a 내지 도 87은 도 59a 내지 도 59d에 도시된 슬롯(140)을 이용하는 3-페이즈형 RFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다.
표현된 RFPM(100) 설계 옵션의 파라미터들은 다음과 같다: 폴 쌍들의 수 p = 25이고; 슬롯의 자기 전도체들(142)의 수 s = 8이며; 기계(100)는 3-페이즈형 설계를 가지고, 각각의 페이즈는 하나의 슬롯(140)을 가지며, 즉, t = 1이고; 회전자 자석들(121) 사이에 간극들이 존재하지 않으며, 즉, △pm = 0이고, 및 페이즈들 사이의 거리 Xph = 2/3Xpm이며(도 87), 회전자(120)는 영구 자석들(121)을 갖는 하나의 링을 포함한다.
도 88은 도 61a 내지 도 61f에 도시된 슬롯(140)에 기초하는 3-페이즈형 RFPM(100) 설계의 일 예를 보여준다. 표현된 RFPM(100) 옵션의 파라미터들은 다음과 같다: 폴 쌍들의 수 p = 25이고; 슬롯의 자기 전도체들(142)의 수 s = 16이며; 기계(100)는 3-페이즈형 설계를 가지고, 각각의 페이즈는 하나의 슬롯(140)을 가지며, 즉, t = 1이고; 회전자 자석들(121) 사이에 간극들이 존재하지 않으며, 즉, △pm = 0이고, 페이즈들 사이의 거리 Xph = 2/3Xpm이며, 회전자(120)는 영구 자석들(121)을 갖는 2개의 링들을 포함한다(외부 및 내부 회전자(120)를 갖는 AFPM(100)이 유사한 방식으로 구현될 수 있다).
원주 분포형 권선을 갖는 RFPM(외부 및 내부 회전자를 갖는 AFPM이 유사한 방식으로 구현될 수 있다)
도 89a 내지 도 91d는, 3개의 원주 분포형 권선들(141)을 갖는 슬롯(140)에 기초하는 3-페이즈형 RFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다.
고려되는 RFPM(100) 설계는 도 61a 내지 도 61f에 도시된 슬롯(140) 구성 원리에 기초하여 구현될 수 있다. 도 59a 내지 도 60d에 도시된 슬롯(140) 구성 원리들을 이용하는 RFPM(100)이 유사하게 구현될 수 있다.
도 90a 내지 도 90f는 원주 위치 패턴을 갖는 자기 전도체들(142)의 3개의 그룹들로서 구현되는 고정자(110)를 도시한다. 자기 전도체들(142)의 각각의 그룹은 페이즈를 형성하는 그들 자체의 동심 권선(141)을 갖는다. 자기 전도체들(142)의 각각의 그룹은 이웃하는 그룹에 대하여 2/3Xpm의 거리만큼 시프트되며, 이는 120°의 각도만큼의 권선들(141)의 페이즈들(A, B 및 C)의 변위를 보장한다. 도 91a 내지 도 91d는 베이스(122) 상에 고정된 영구 자석들(121)의 3개의 링들로서 만들어진 회전자(120)를 도시한다.
표현된 RFPM(100) 설계 옵션(도 89a 내지 도 91d)의 파라미터들은 다음과 같다: 폴 쌍들의 수 p = 24이고; 권선(141)과 함께 페이즈를 형성하는 그룹 내의 자기 전도체들(142)의 수 s = 24이며; 기계(100)는 3-페이즈형 설계를 가지고, 회전자 자석들(121) 사이에 간극들이 존재하지 않으며, 즉, △pm = 0이고, 회전자(120)는 영구 자석들(121)을 갖는 3개의 링들을 포함한다.
원주 분포형 권선을 갖는 이중-섹션 RFPM
도 92a 내지 도 92c는, 3개의 원주 분포형 권선들(141)을 갖는 슬롯(140)에 기초하는 3-페이즈형 RFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다. 회전자(120)는 회전자 베이스(122) 상의 2개의 측들 상에 고정된 전자석들(121)의 3개의 그룹들을 포함한다.
고정자(110)의 2개의 섹션들(슬롯들)(140)의 각각은 원주 위치 패턴을 갖는 자기 전도체들(142)의 3개의 그룹들로서 구현된다. 자기 전도체들(142)의 각각의 그룹은 그들 자체의 동심 권선(141)을 갖는다. 자기 전도체들(142)의 각각의 그룹은 이웃하는 그룹에 대하여 2/3Xpm의 거리만큼 시프트되며, 이는 120°의 각도만큼의 권선들(141)의 페이즈들(A, B 및 C)의 변위를 보장한다.
페이즈들의 성형 연결(star connection) 또는 델타 연결의 경우에 있어 권선(147) 페이즈 파라미터들의 대칭적인 위치를 보장하기 위하여, 제 1 섹션의 페이즈(A)는 제 2 섹션의 페이즈(C)와 연결되며, 제1 섹션의 페이즈(C)는 제 2 섹션의 페이즈(A)와 연결되고, 섹션들 둘 모두의 페이즈들(B)은 서로 연결된다(도 93 내지 도 94).
표현된 RFPM(100) 설계 옵션(도 92a 내지 도 94)의 파라미터들은 다음과 같다: 폴 쌍들의 수 p = 24이고; 그룹 내의 자기 전도체들(142)의 수 s = 24이며; 기계(100)는 3-페이즈형 설계를 가지고, 회전자 자석들(121) 사이에 간극들이 존재하지 않으며, 즉, △pm = 0이고, 회전자(120)는 영구 자석들(121)을 갖는 3개의 링들을 포함한다.
원주 분포형 권선을 갖는 4-섹션 RFPM
도 95 내지 도 96은 원주적으로 분포된 권선들(141)을 갖는 4-섹션 3-페이즈형 RFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다.
고정자(110)의 4개의 유사한 섹션들의 각각은 원주 위치 패턴을 갖는 자기 전도체들(142)의 3개의 그룹들로서 구현된다. 자기 전도체들(142)의 각각의 그룹은 그들 자체의 동심 권선(141)을 갖는다.
회전자(120)는 2개의 섹션들을 포함하며, 이들의 각각은 회전자(122)의 2개의 베이스들 상의 양 측들 모두 상에 고정된 자석들(121)의 3개의 그룹들을 포함한다.
이제 도 97 내지 도 138을 참조하면, U-형 전자기 유닛들을 사용하는 전기 기계의 또 다른 예가 도시된다. 이상에서 설명된 예와 본 예 사이의 차이점은 복수의 솔레노이드 코일들이 사용된다는 점이며, 각각의 솔레노이드 코일은 (이상의 예들에서 설명된 상호 코일과 대조적으로) 그것의 개별적인 전자기 유닛들 상에 장착되도록 구성된다.
다중극 전기 기계(100)는 고정자(110) 및, 그들 사이에 공기 간극(130)을 가지고 고정자(110)에 대하여 움직이는(회전하는) 회전자(120)를 포함한다(도 97).
고정자(110)는 슬롯들(140)로 어셈블리된다. 기본 레고 컴포넌트로서 슬롯(140)의 개념을 사용하면, 다양한 TFPM 유형들이 어셈블리될 수 있다: 선형 영구 자석 기계(linear permanent magnet machine; LFPM)들, 축방향(AFPM) 및 방사상(RFPM) 자기 플럭스 영구 자석 기계들.
고정자 슬롯
LFPM(100)의 예를 사용하는 고정자 슬롯(140)의 설계를 고려해보도록 한다(도 98).
다중극 LFPM(100)은 고정자(110), 및 그들 사이에 공기 간극들(130)을 가지고 고정자(110)에 대하여 상대적으로 선형적으로 움직이는 전기자(120)를 포함한다.
도 98은 LFPM(100)을 도시하고, 그 안에서 고정자(110)는 3개의 슬롯들(140)으로서 구현되며, 전기자(120)는 교번하는 극성의 영구 자석들(121)을 포함한다.
고정자 슬롯(140)(도 99)은 적어도 하나의 공통 권선 슬리브(sleeve)(149)에 의해 연결된 전자석들(141)의 그룹을 포함한다. 도 99에 도시된 고정자 슬롯(140)은 2개의 권선 슬리브들(149)을 포함한다. 각각의 전자석(141)(도 100)은 자기 전도체(142) 및 적어도 하나의 솔레노이드 코일(148)을 포함한다(도 101). 도 100에 도시된 전자석(141)은 2개의 코일들(148)을 포함한다. 자기 전도체들(142)은 선형 기계(100)의 전기자(120) 움직임 방향(도 98)에 수직하는 평면 내에 배향된다.
자기 전도체(142)는 U-타입의 견고한 설계를 갖는다(도 102 내지 도 103). 이는, 스택(143)으로 어셈블리되는 전기적 스틸 라미네이션들(146)로(도 102) 또는 파우더 소프트 자기 재료로(도 103) 이루어질 수 있다. 솔레노이드 코일(148)은 도 104에 도시된 바와 같이 폼 상에 감기거나 또는 폼이 없이 감길 수 있다. 코일들(148)은 도 100에서 보여지는 바와 같이 U-형 자기 전도체(142)의 폴 연장부들(144) 상에 설치된다. 도 105 내지 도 108은 슬롯(140) 설계 옵션들 중 하나의 옵션을 도시한다. 도 105는, 후속 설치 및 바니시 침투 처리로 서로 사이에 상호연결들을 존재하지 않는 상태의 홀더 또는 홀더 상에 설치된 폼들 상에 코일들(148)의 연속적인 감음을 이용하여 제조된 슬롯(149)의 권선 슬리브를 도시한다. 슬롯 권선 슬리브들(149)은 서로 간에 뿐만 아니라 다른 슬롯들(140)의 슬리브들(149)과 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있으며, 그에 따라 고정자 권선(147)(도 97)을 형성한다. 견고한 자기 전도체(142)의 U-형 설계는 슬롯(140) 어셈블링 동안 자기 전도체들(142)의 폴 연장부들(144) 상에 코일들(149)의 슬리브들을 설치하는 것을 가능하게 한다.
자기 전도체(142)의 폴 연장부(144)가 자기 플럭스 집중기이다. 그것의 섹션은 (둔각을 갖는) 직각 삼각형이며, 이들의 레그들 중 하나는 다른 것들보다 2배 이상 더 크다:
Lpm > 2 x L2이다(도 109a 내지 도 109b).
폴 연장부(144)의 둔각은 필수적으로 기계적 강도를 생성하고 자기 전도체(142)의 이러한 섹션의 포화를 제한해야만 한다(도 109a 내지 도 109b).
도 110은 자기 전도체(142) 내의 영구 자석들(121)에 의해 생성되는 작용 자기 플럭스 Φpm의 방향을 도시한다. 자기 플럭스 Φpm이 공기 간극(130)을 두번 가로지른다. 전기 기계(100)의 발전기 동작 모드에 대하여, 플럭스 Φpm은 권선(147) 와이어들 둘레를 에워싸고, 자석들(121)을 자기 전도체들(142) 및 권선(147)에 대하여 움직일 때, 이는 그것의 와이어들 내에 신호를 유도하며, 즉, 이는 기전력을 생성한다. 권선(147)의 전기 회로가 폐쇄될 때, 전류 I가 이를 통해 흐른다.
고정자
고정자(110) 구조체의 주요 문제는 그것의 견고한 설계를 보장하는 것이다. 즉, 자기 전도체들(142)이 확실하게 고정되어야 하고, (전기자(120)를 움직이는) 고정자(110)에 대한 회전자(120) 스피닝 동안 자기 전도체들(142)의 폴 연장부들(144)과 회전자 자석들(121) 사이에 발생하는 힘을 확실하게 견뎌야 한다(도 98). U-형 자기 전도체(142)가 단단한 재료 구조체를 나타낸다는 것을 고려하면, 도 111a 내지 도 111d에 도시된 바와 같이 횡방향 평면들(A-A, B-B 또는 C-C) 중 적어도 하나에 이를 고정하는 것이 제안된다. 자기 전도체(142)의 크기에 의존하여, 신뢰할 수 있는 고정을 위해 필요한 위치 옵션 및 횡방향 평면들의 수가 선택될 수 있다.
자기 전도체들(142)을 고정하기 위하여, 다음의 옵션들이 제공된다:
5. (C-C 섹션에 대응하는) 슬롯 열-전도 프레임(153)(도 112a 내지 도 112b)이 자기 전도체들(142)을 설치하기 위한 베이스이며, 이는, 예를 들어, 알루미늄 또는 그것의 합금의 비-자기 재료로 만들어진다. 프레임(153)은 에폭시-기반 열-전도 화합물로 만들어질 수 있거나, 또는 열-전도 화합물의 층이 슬롯 알루미늄 프레임(153) 상에 부어질 수 있다.
슬롯 프레임(153)은 TFPM(150) 외측 케이싱에 고정된다. 알루미늄 프레임(153)은 권선(147)으로부터 TFPM(150) 외측 케이싱으로의 열의 제거를 보장한다.
6. (B-B 섹션에 대응하는) 고정 열-절연 보드(154)(도 113a 내지 도 113b)는 비-자기 비-전기 전도성 재료, 예를 들어, 케블라로 만들어 진다. 보드(154)는 서로간의 그리고 외측 케이싱(150)과의 자기 전도체들(142)의 고정을 보장한다. 이는 부분적으로 권선(147)에 의해 생성되는 열로부터 영구 자석(121) 구역을 보호한다(열로부터 이를 절연한다).
7. (A-A 섹션에 대응하는) 고정자 슬롯(140)은, 도 114a 내지 도 114b에 도시된 비-자기 및/또는 비 전도성 재료로 만들어진 적어도 하나의 제한 보드(155)를 포함할 수 있다. 보드(155)는, 예를 들어, 도 114a 내지 도 114b에 도시된 폴 연장부들(144)의 첨단에서와 같이, 자기 전도체들(142)의 폴 연장부들(144)의 임의의 위치에 설치될 수 있다. 보드(155)는 접착제를 사용하여 자기 전도체들(142)에 고정된다. 보드(155)가 TFPM(150) 외측 케이싱에 고정될 수 있다.
8. 에폭시-기반 화합물(156)이 A-A 섹션에 대응하는 자기 전도체들(142)의 폴 연장부들(144)의 영역에 부어진다(도 115 내지 도 116). 도 115는 화합물(156)을 붇기 위한 고정물의 일 예를 보여주며, 도 116은 폴 연장부(114)의 영역 내에 화합물(156)을 갖는 RFPM(100)의 일 예를 도시한다.
자기 전도체들(142)의 고정 옵션의 각각은 독립적으로 사용될 수 있거나 또는 이상에서 고려된 다른 옵션들과 임의의 조합으로 사용될 수 있다(도 117 내지 도 120).
도 117은 슬롯(153)의 열-전도 프레임을 고정 열-절연 보드(154)와 함께 적용하는 옵션을 도시한다.
도 118은 고정 열-절연 보드(154)를 제한 보드들(155)과 함께 적용하는 옵션을 보여준다.
도 119는 슬롯(153)의 열-전도 프레임을 제한 보드들(155)과 함께 적용하는 옵션을 도시한다.
도 120은 슬롯(153)의 열-전도 프레임을 고정 열-절연 보드(154) 및 제한 보드들(155)과 함께 적용하는 옵션을 도시한다.
고정자(110)의 어셈블리 방법은 다음의 슬롯(140) 어셈블리를 포함한다:
12. 프레스된 라미네이션들(146)을 스택(143)으로 어셈블링하는 것 또는 파우더를 프레싱하고 견고한 자기 전도체(142)를 형성하는 것을 이용하여 자기 전도체들(142)을 만드는 단계.
13. 후속 설치 및 바니시 침투 처리로 서로 사이에 상호연결들을 존재하지 않는 상태의 홀더 또는 홀더 상에 설치된 폼들 상에 코일들(148)의 연속적인 감음을 이용하여 권선 슬리브들(149)을 만드는 단계.
14. 접착제로 자기 전도체들(142)의 수동 부분(145)의 고정물을 슬롯 프레임(153)에 설치하고 부착하는 단계.
15. 권선(149)은 자기 전도체(142)의 폴 연장부들(144)에 설치되고 접착제로 고정된다.
16. 자기 전도체들(142)의 폴 연장부들(144)이 전용 고정물 내에서 서로간에 고정된다(다양한 옵션들이 이상에서 설명된 바와 같이 자기 전도체(142) 고정을 위해 채택될 수 있다).
그 이후, 어셈블리된 슬롯들(140)이 외부 몸체(150), 예를 들어, 전기 기계(100)의 단부 차폐부들(151)에 설치되고 고정된다.
슬롯(140) 어셈블리 기술의 특색은, 이전에 만들어진 자기 전도체들(142)이 서로간에 고정되며, 이전에 만들어진 권선 슬리브들(149)이 자기 전도체들(142)의 폴 연장부들(144) 상에 설치되고 접착된다는 것이다. 동작들의 시퀀스의 차이점들은 자기 전도체들(142)의 선택된 고정 방법에 의존한다.
회전자(전기자)
도 121은 고정자 슬롯(140) 및 LFPM 전기자(120)를 도시한다. 소프트 자기 재료들은 자석(121) 위치의 영역 내에서 전기자(120) 내에 존재하지 않는다. 각각의 전기자 자석(121)의 폴들 둘 모두가 대응하는 자기 전도체(142)의 폴 연장부들(144)로 둘러싸인다. 도 121에서 보여지는 바와 같이, 전기자 영구 자석들(121)은, 자기 전도체들(142)의 대향 측 상에서 그들의 측방 표면으로 베이스(122)에 고정된다. 전기자 베이스(122)는 비-자기 재료로 만들어진다. 홈(123)이 전기자의 베이스(122) 상에 제공되며, 적어도 하나의 홀(124)이 자석(121)의 측방 표면에 위치되고, 나사 연결부(125)가 이용된다. 전기자(120) 상의 자석들(121)은 접착제로 고정된다. 도 26은 간극들이 없는 자석들(121)을 사용하는 전기자(120) 설계 옵션을 도시하며, 도 27은 비자기 삽입부들(126)을 이용하는 옵션을 보여준다. 도 28은 자석들(121)에 대한 홈(123)을 갖는 전기자 베이스(122), 홀들(124)을 갖는 자석들(121), 비자기 삽입부들(126) 및 나사들(125)을 도시한다.
자석들(121)의 측방 표면 상의 홀(124)의 위치는, 알려진 통상적인 RFPM(100)설계에 대해 적용되는 자석(121) 폴 상의 홀(124) 위치와 같은 경우, 작용 자기 플럭스 Φpm의 손실들을 야기하지 않는다.
전기 기계의 회전자(전기자)(120)에는, 영구 자석들(121)을 고정하는 나사들(125) 아래에 설치된 팬(170)이 구비된다. 팬(170)은 임펠러의 형태로 비자기 재료로 만들어진다.
임펠러(170)는 별개의 엘러먼트들(171)로서 만들어지거나 또는 자석들(121) 사이의 삽입부(126)로서 만들어지거나 또는 블레이드형 스트립(172)으로서 만들어지거나, 또는 블레이드형 링(173)으로서 만들어질 수 있다. 큰-크기의 전기 기계들(100)에 대하여, 스트립(172) 및 링(173)이 몇몇 부분들로 구성될 수 있다.
팬(170)은 회전자(전기자) 베이스(122)에 대한 자석들(121)의 고정을 개선하고 열적 대류를 보장한다.
전기 기계의 구조
각각의 자기 전도체에 의해 슬롯 권선 내로 향해지는 신호들을 결합하기 위하여, 다음의 조건들이 충족되어야만 한다(도 109a 내지 도 109b):
자기 전도체들의 슬롯들의 수 s(s = 2, 3, 4...)는, 슬롯 내부에 위치된 기계의 움직이는 부분의 폴 쌍들의 수의 2배, 즉, 2ps와 동일해야만 한다:
s = 2ps [1]
폴 피치 τp는 슬롯 피치 τs와 동일하다:
τp = τs [2]
폴 피치 τp는 이웃하는 자석들 사이의 거리 △pm과 자석 폭 Xpm의 합과 동일하다:
τp = Xpm + △pm [3]
폴 피치 τs는 이웃하는 자기 전도체들 사이의 거리 Cem와 자기 전도체 폭 Xem의 합과 동일하다:
τs = Xem + Cem, 즉, [4]
τp = τs = Xpm + △pm = Xem + Cem [5]
각각의 TFPM 페이즈가 페이즈 내에서 결합하기 위하여 신호들에 대하여 t개의 슬롯들을 포함하는 경우(여기에서, t=1, 2, 3...), 슬롯들 사이의 거리 Xs:
Xs = τp x n, 여기에서 n=0, 1, 2.... [6]
TFPM은 멀티페이즈 설계를 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 페이즈의 신호들을 120°로 시프트하기 위한 3-페이즈 TFPM에 대하여 - 페이즈들 사이의 거리 Xph는 다음과 같다:
Xph =
Figure 112016037019809-pct00011
, [7]
여기에서, m=1, 2, 4, 5...(3에 의해 나누어질 수 없는 양의 정수)이다.
3-페이즈형 TFPM에 대하여, 낮은 코깅 토크 리플 값은 다음과 같은 추가적인 관계식에 의해 보장된다:
Cem =
Figure 112016037019809-pct00012
[8]
낮은 코깅 토크 리플 값은 관계식들 [7] 및 [8]에 의해 보장되며, 즉, 페이즈들 사이의 거리의 선택, 자기 전도체 폭의 선택, 및 전도체들 사이의 거리의 선택에 의해 보장된다. 이러한 경우에 있어, 기생 토크 리플들은 페이즈들 모두의 리플들의 합계의 결과로서 보상된다.
LFPM
제안된 횡방향 플럭스 선형 영구 자석 기계(LFPM)(100)가 이상에서 고려된 원리들을 사용하여 구성되었다.
도 122 내지 도 123은, 3-페이즈형 LFPM(100)의 각각의 페이즈가 하나의 슬롯(140)을 포함하며, 각각의 슬롯(140)이 8개의 자석들(121)(2ps = 8)을 둘러싸는 8개의 자기 전도체들(142)을 포함하고(s = 8), 페이즈들 사이의 거리 Xph =
Figure 112016037019809-pct00013
= 2/3Xpm, (m = 2)인, 일 예를 제공한다.
도 124 내지 도 125는, 각각의 페이즈가 페이즈들의 원주 위치를 갖는 하나의 슬롯(140)을 포함하며, 전기자(120) 움직임을 따른 페이즈들 사이의 거리 Xph =
Figure 112016037019809-pct00014
= 2/3Xpm, (m = 2)인, 3-페이즈형 LFPM(100)의 일 예를 제공한다.
도 126 내지 도 127은 전기자(120)를 보여주며, 여기에서 자석들(121)은 홈들(123)이 구비된 베이스(122)에 나사(125)로 고정된다. 전기자(120)가 이동하는 가이드들 및 스템(127)을 갖는 중공형 원통으로서 전기자 베이스(122) 구현예의 일 예가 제공된다.
AFPM
제안된 축방향 플럭스 영구 자석 기계(AFPM)(100)가 이상에서 고려된 선형 영구 자석 기계와 동일한 원리들을 사용하여 구성되었다. 자기 전도체들(142)은 샤프트(160) 축을 통과하는 평면 내에 배향된다.
도 128a 내지 도 128d는 내부 회전자(120)를 갖는 3-페이즈형 AFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다. 도 129a 내지 도 129d는 외부 회전자(120)를 갖는 3-페이즈형 AFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다.
내부 및 외부 회전자(120)를 갖는 표현된 AFPM(100) 설계 옵션들의 파라미터들은 다음과 같다: 폴 쌍들의 수 p = 25(즉, 회전자 상의 자석들(121)의 수는, 2p = 50)이고; 슬롯의 자기 전도체들(142)의 수 s = 16이며; 기계(100)는 3-페이즈형 설계를 가지고, 각각의 페이즈는 하나의 슬롯(140)을 가지며, 즉, t = 1이고; 회전자 자석들(121) 사이에 간극들이 존재하지 않으며, 즉, △pm = 0이고, 및 페이즈들 사이의 거리 Xph = 2/3Xpm이다(도 130).
RFPM
제안된 방사상 플럭스 영구 자석 기계(RFPM)(100)가 이상에서 고려된 축방향-흐름의 선형 영구 자석 기계와 동일한 원리들을 사용하여 구성되었다. 영구 자석들(121)의 표면들 및 이들을 향하는 자기 전도체(142) 폴 연장부들(144)의 표면들이 대응하는 반경을 가지고 구현된다. 자기 전도체들은 샤프트(160) 축을 통과하는 평면 내에 배향된다.
도 131 내지 도 135는 3-페이즈형 RFPM(100) 설계의 일 예를 도시한다. 도 131은 고정자(110) 및 회전자(120)를 도시한다. 도 132는 고정자(110)를 도시한다. 도 133은 회전자(120)를 도시한다.
도 134는 고정자 슬롯(140) 및 그것의 컴포넌트들을 도시한다.
표현된 RFPM(100) 설계 옵션의 파라미터들은 다음과 같다: 폴 쌍들의 수 p = 25이고; 슬롯 자기 전도체들(140)의 수 s = 16이며; 3-페이즈형 기계(100)이고, 각각의 페이즈는 하나의 슬롯(140)을 가지며, 즉, t = 1이고; 회전자 자석들(121) 사이에 간극들이 존재하지 않으며, 즉, △pm = 0이고, 및 페이즈들 사이의 거리 Xph = 2/3Xpm이다(도 135).
이중-섹션 RFPM(100):
도 136 내지 도 137은 3-페이즈형 RFPM(100) 설계의 다른 예를 도시한다. 고정자(110)는 2개의 유사한 섹션들을 가지며, 이들의 각각은 3개의 슬롯들(140)을 포함한다(도 136). 회전자(120)는 그것의 베이스(122) 상의 2개의 측들 상에 고정된 전자석들(121)의 2개의 그룹들을 포함한다(도 137).
4-섹션 RFPM
도 138은 3-페이즈형 RFPM(100) 설계의 다른 예를 도시한다. 고정자(110)는 4개의 유사한 섹션들을 가지며, 이들의 각각은 3개의 슬롯들(140)을 포함한다. 회전자(120)는 2개의 섹션들을 포함하며, 이들의 각각은 회전자(122)의 2개의 베이스들 상의 양 측들 모두 상에 고정된 자석들(121)의 2개의 그룹들을 포함한다.
100 - 전기 기계
110 - 고정자
120- 회전자(전기자)
121 - 영구 자석
122 - 회전자(전기자) 베이스
123 - 홈
124 - 홀
125 - 나사
126 - 비자기 삽입부
127 - 전기자 스템
130 - 공기 간극
140 - 고정자 슬롯
141 - 전자석
142 - 자기 전도체
143 - 자기 전도체 스택
144 - 자기 전도체 폴 연장부
145 - 자기 전도체 수동 부분
146 - 자기 전도체 스택 라미네이션
147 - 고정자 권선
148 - 솔레노이드 코일
149 - 솔레노이드 코일들을 포함하는 권선 슬리브
150 - 전기 기계의 외측 케이싱
151 - 단부 차폐부
152 - 전기 기계 외측 케이싱의 중심 섹션
153 - 슬롯 열-전도 프레임
154 - 고정 열-절연 보드
155 - 제한 보드
156 - 화합물
160 - 회전 축(샤프트)
170 - 팬
171 - 임펠러 엘러먼트들
172 - 블레이드형 스트립
173 - 블레이드형 링

Claims (45)

  1. 전기 기계의 고정자 내에서 이용되도록 구성된 자기 전도체 유닛으로서, 상기 자기 전도체 유닛은 적어도 하나의 단일 몸체에 의해 구성되며, 상기 자기 전도체 유닛은,
    상기 전기 기계의 회전자의 영구 자석의 적어도 일 부분을 그 안에 수용하기 위한 슬롯을 형성하기에 충분히 이격된 측면(side)들 및 바깥쪽으로 지향된 단부들을 갖는 2개의 폴(pole) 단부 연장부들에 의해 구성되는 목(neck) 부분으로서, 상기 영구 자석은, 상기 영구 자석의 자축이 상기 2개의 폴 단부 연장부들을 통해 그리고 상기 회전자의 회전 축을 향해 연장하도록 상기 슬롯 내에 수용되며, 상기 2개의 폴 연장부들은 그 사이에 대칭 축을 규정(define)하는, 상기 목 부분, 및
    상기 2개의 폴 단부 연장부들로부터 연장하며 상기 2개의 폴 단부 연장부들의 평면과 동일하거나 또는 평행한 평면 상에 놓이는 프레임으로서, 상기 프레임은 상기 대칭 축의 일 측(side)으로 거리 W1까지 연장하는 벽들을 갖는 제 1 프레임 부분 및 상기 대칭 축의 다른 측으로 거리 W2(W2 < W1)까지 연장하는 벽들을 갖는 제 2 프레임 부분을 가지고, W1, W2는 상기 대칭 축에 대해 수직으로 측정되며, 상기 프레임은 상기 전기 기계의 고정자의 코일의 일 부분을 수용하도록 구성되는, 상기 프레임을 포함하며,
    상기 슬롯은 상기 전기 기계의 상기 회전자의 상기 영구 자석에 대한 통로 공간의 일 부분을 형성하는, 자기 전도체 유닛.
  2. 청구항 1에 있어서,
    W2는 상기 단부 연장부들 중 하나와 상기 대칭 축 사이의 거리와 동일한, 자기 전도체 유닛.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴 단부 연장부들은 직선인, 자기 전도체 유닛.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임은 직사각형인, 자기 전도체 유닛.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 프레임은 정사각형 형상인, 자기 전도체 유닛.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임의 일 측은 상기 2개의 폴 단부 연장부들 중 하나와 공통-직선 상에 있는, 자기 전도체 유닛.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 2개의 폴 단부 연장부들은 상기 프레임으로부터 멀어질수록 더 협소해지는 테이퍼진(tapering) 형상을 갖는, 자기 전도체 유닛.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 자기 전도체 유닛은 복수의 평평한 플레이트들로 이루어지며, 각각의 플레이트는 두께 y 및 상기 자기 전도체 유닛의 기하구조와 동일한 기하구조를 가지고, 상기 평평한 플레이트들은 두께들 y의 합계인 결합된 두께 Y를 갖는 상기 자기 전도체 유닛을 형성하기 위하여 결합되는, 자기 전도체 유닛.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 평평한 플레이트들은 서로 용접되는, 자기 전도체 유닛.
  10. 적어도 하나의 폐쇄-윤곽(close-contour) 코일 및 복수의 자기 전도체 유닛들에 대하여 상호적인 상기 적어도 하나의 폐쇄-윤곽 코일 상에 장착되는 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 따른 상기 복수의 자기 전도체 유닛들을 포함하는 전기 기계의 고정자로서,
    각각의 자기 전도체 유닛은 상기 적어도 하나의 폐쇄-윤곽 코일의 윤곽에 대해 수직으로 배향되며,
    상기 복수의 자기 전도체 유닛들은, 각각의 2개의 연속적인 자기 전도체 유닛들에 대하여, 상기 자기 전도체 유닛의 제 1 프레임 부분의 벽이 상기 적어도 하나의 폐쇄-윤곽 코일의 하나의 측면에 위치되고 반면 다음의 연속적인 자기 전도체 유닛의 제 2 프레임 부분의 벽이 상기 적어도 하나의 폐쇄-윤곽 코일의 대향되는 측면에 위치되도록, 교번하는 배열로 서로 인접하여(next to each other) 상기 적어도 하나의 폐쇄-윤곽 코일의 상기 윤곽을 따라 연속적으로 배열되는, 고정자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 복수의 자기 전도체 유닛들은, 상기 목 부분들이 함께 상기 전기 기계의 상기 회전자의 상기 영구 자석에 대한 상기 통로 공간을 형성하도록 배열되는, 고정자.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 적어도 하나의 코일의 상기 폐쇄-윤곽은 원형인, 고정자.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 고정자는 직경 D1의 제 1 코일 및 직경 D2(D2 < D1)의 제 2 코일을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 코일들은 상호 중심 축 둘레로 연장하는, 고정자.
  17. 청구항 10에 있어서,
    상기 코일의 상기 폐쇄-윤곽은 원의 섹터(sector)의 형태인, 고정자.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 코일은 반경 R1의 제 1 부분 및 반경 R2(R2 < R1)의 제 2 부분을 가지며, R2는 상호 중심 축 둘레로 연장하는, 고정자.
  19. 청구항 10에 있어서,
    상기 고정자는, 상기 복수의 자기 전도체 유닛들의 각각의 적어도 일 부분이 그 안으로 들어가는 위치결정(positioning) 슬롯들을 갖도록 형성된 적어도 하나의 위치결정 플레이트를 더 포함하는, 고정자.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 부분은 상기 자기 전도체 유닛들의 상기 단부 연장부들인, 고정자.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 고정자는 2개 이상의 위치결정 플레이트들을 포함하며, 위치결정 플레이트들 각각은 그 안에 상기 복수의 자기 전도체 유닛들의 각각의 상이한 부분을 수용하도록 구성되는, 고정자.
  22. 청구항 19에 있어서,
    상기 적어도 하나의 위치결정 플레이트는 상기 자기 전도체 유닛의 상기 평면에 수직하는 평면에 놓이는, 고정자.
  23. 청구항 19에 있어서,
    상기 적어도 하나의 위치결정 플레이트는 상기 전기 기계의 하우징에 고정적으로 부착되도록 구성되는, 고정자.
  24. 전기 기계의 고정자의 어셈블리를 위한 방법으로서,
    상기 방법은:
    - 하기의 것을 제공하는 단계로서:
    ● 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 복수의 자기 전도체 유닛들;
    ● 적어도 하나의 폐쇄-윤곽 코일; 및
    ● 각각 대응하는 자기 전도체 링 유닛의 적어도 일 부분을 그 안에 수용하도록 구성되는 위치결정 슬롯들을 포함하는 적어도 하나의 위치결정 플레이트를, 제공하는 단계;
    - 각각의 2개의 연속적인 자기 전도체 유닛들에 대하여, 상기 자기 전도체 유닛의 제 1 프레임 부분의 벽이 상기 적어도 하나의 폐쇄-윤곽 코일의 하나의 측면에 위치되고 반면 다음의 연속적인 자기 전도체 유닛의 제 2 프레임 부분의 벽이 상기 적어도 하나의 폐쇄-윤곽 코일의 대향되는 측면에 위치되도록 반-어셈블리된 고정자를 형성하기 위하여, 상기 적어도 하나의 폐쇄-윤곽 코일의 대향되는 측면들 상에 교번하는 순서로 상기 적어도 하나의 폐쇄-윤곽 코일과 상기 복수의 자기 전도체 유닛들을 어셈블리하는 단계; 및
    - 자기 전도체 유닛들을 상기 위치결정 슬롯들 내에 앵커링(anchoring)함으로써 상기 자기 전도체 유닛들을 상기 위치결정 플레이트 상에 어셈블리하는 단계를 포함하는, 방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 고정자는 각각이 그것의 대응하는 자기 전도체 유닛 상에 장착되도록 구성된 복수의 폐쇄-윤곽 코일들을 포함하는, 방법.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 폐쇄-윤곽 코일은 상기 자기 전도체 유닛의 프레임의 일 부분을 둘러싸도록 구성되는, 방법.
  27. 청구항 24에 있어서,
    상기 적어도 하나의 폐쇄-윤곽 코일은 복수의 자기 전도체 유닛들과 상호작용하도록 구성된 상호 코일인, 방법.
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 청구항 24에 있어서,
    상기 자기 전도체 유닛들은 U-형상인, 방법.
  33. 청구항 24에 있어서,
    상기 자기 전도체 유닛들은 G-형상인, 방법.
  34. 청구항 24에 있어서,
    상기 앵커링하는 단계 동안, 상기 방법은 각각의 자기 전도체 유닛의 적어도 일 부분을 상기 위치결정 플레이트의 개별적인 위치결정 슬롯 내로 삽입하는 단계를 포함하는, 방법.
  35. 청구항 34에 있어서,
    상기 부분은 상기 자기 전도체 유닛들의 상기 단부 연장부들인, 방법.
  36. 청구항 34에 있어서,
    상기 방법은, 2개 이상의 위치결정 플레이트들을 제공하는 단계, 및 각각의 위치결정 플레이트가 상기 복수의 자기 전도체 유닛들의 각각의 상이한 부분을 그 안에 수용하게 구성될 수 있도록 상기 복수의 자기 전도체 유닛들을 거기에 앵커링하는 단계를 포함하는, 방법.
  37. 청구항 24의 방법에 따라 어셈블리된 고정자.
  38. 삭제
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