KR102411266B1

KR102411266B1 - 진공 압력 함침 중에 스테이터 영구 자석의 소자를 방지하는 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102411266B1
Application number: KR1020150103826A
Authority: KR
Inventors: 티사라피디 라미노소아; 제임스 펠레그리노 알렉산더; 아이만 모하메드 파우지 엘-리페이
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2022-06-21
Also published as: EP2978111B1; KR20160011608A; JP2016025846A; JP6635697B2; CN105322739A; US9673667B2; EP2978111A3; EP2978111A2; US20160028276A1; CN105322739B

Abstract

영구 자석 전기 기계는 스테이터 상에 권취된 전도성 권선과, 스테이터 내에 내장된 하나 이상의 영구 자석을 갖는 스테이터를 포함한다. 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석과 함께 자속 경로를 형성하도록 스테이터 상에 위치 설정되고, 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석에 의해 발생된 자속에 낮은 자기 저항의 자속 경로를 제공함으로써 하나 이상의 영구 자석의 자속 경로를 폐쇄한다. 진공 압력 함침(VPI) 프로세스는 전도성 권선의 열 전도성을 증가시키도록 스테이터에 수행되고, VPI 프로세스는 선택된 온도에서 수행되는 경화 단계를 포함한다. 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석의 작동점을 경화 단계가 수행되는 선택된 온도와 관련된 소자 임계값 위의 내부 자속 밀도 레벨로 세팅한다.

Description

진공 압력 함침 중에 스테이터 영구 자석의 소자를 방지하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PREVENTING STATOR PERMANENT MAGNET DEMAGNETIZATION DURING VACUUM PRESSURE IMPREGNATION}

본 발명은 미국 에너지부에 의해 부여된 계약 번호 제DE-EE0005573호 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부가 본 발명에 특정한 권리를 갖는다.

본 발명은 전반적으로 스테이터 영구 자석 전기 기계에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 고온의 진공 압력 함침(VPI; vacuum pressure impregnation) 프로세스 중에 자석의 소자(demagnetization)를 피하기 위하여 스테이터 영구 자석 기계의 영구 자석의 작동점을 세팅하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

다양한 산업에 있어서 전기 기계의 사용이 계속되어 시간이 흐르면서 다수의 공업, 상업, 및 운송 산업에서 더욱 널리 퍼지고 있다. 그러한 전기 기계를 제조할 때에, 진공 압력 함침(VPI)으로서 공지된 프로세스가 전기 기계의 권선에 중요한 프로세스인데, 그 이유는 VPI 프로세스가 권선의 절연 강도(dielectric strength) 뿐만 아니라 권선의 열 전도성을 향상시키기 때문이다. VPI 프로세스는 권선 내의 임의의 공극 또는 기공을 높은 열 전도성 바니쉬(varnish)로 충전시킨다. 이 방식에서, VPI는 공기 포켓의 발현을 방지하고 구리 와이어, 슬롯 라이너 및 래미네이션 간에 열 전도성 접촉을 제공한다. 따라서, VPI 프로세스는 전기 기계의 열 성능을 크게 향상시키고 이에 따라 전기 기계의 수명 및 신뢰성을 강화하는 데에 중요하다.

VPI 프로세스를 수행할 때에, 150 ℃(또는 그 이상)의 고온 경화가 통상 채용된다. 많은 타입의 종래의 전기 기계에서는, 고온 경화의 특별한 악영향이 존재하지 않기 때문에 VPI 프로세스 중에 특별한 예방책을 취할 필요가 없다. 그러나, 몇몇 타입의 전기 기계에서 - 특히, 스테이터 상에 위치 설정된 영구 자석을 갖도록 설계된 전기 기계(즉, 예컨대 영구 자석 자속 전환 기계, 영구 자석 자속 역전 기계, 및 이중 돌극형 영구 자석 기계(doubly-salient permanent magnet machine)을 비롯한 "스테이터 영구 자석 기계")에서 -, VPI 프로세스에 의해 채용된 고온 경화는 영구 자석의 부하 라인이 경화 온도의 소자 무릎(demagnetization knee) 위에 있는 것을 보장하도록 특별한 예방책을 취하지 않으면 스테이터 상의 영구 자석을 소자 위험에 노출시킬 수 있다. 이 소자 위험은 또한 기계 내의 영구 자석이 저비용의 낮은 열 안정성 자석 등급의 형태 - 디스프로슘-프리(Dysprosioum-free) 또는 감소된 디스프로슘 영구 자석 등 - 인 경우에 증가된다. 즉, 동일한 온도에서, 소자 무릎은 종래의 네오디뮴 대응부와 비교하여 디스프로슘-프리 또는 감소된 디스프로슘 네오디뮴 자석에서 더 높은 내부 자속 밀도 레벨에서 발생하는데, 종래의 네오디뮴 대응부는 상기와 같이 저비용이지만 낮은 열 안정성의 감소된 희토류 자석에서 소자 위험을 더 심각하게 만든다.

일본 특허공보 특허 제 5095039호(2012.12.12.)

따라서, 고온의 VPI 프로세스 중에 자석의 소자를 피하기 위하여 스테이터 영구 자석 기계의 영구 자석의 작동점을 세팅하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이 요망된다.

본 발명의 한가지 양태에 따르면, 영구 자석 전기 기계의 제조 방법은, 스테이터 상에 권취된 전도성 권선과, 스테이터 내에 내장된 하나 이상의 영구 자석을 포함하는 스테이터를 제공하는 단계와, 하나 이상의 영구 자석과 함께 자속 경로를 형성하도록 스테이터 상에 자기 키퍼 요소를 위치 설정하는 단계로서, 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석에 의해 발생된 자속에 낮은 자기 저항의 자속 경로를 제공함으로써 하나 이상의 영구 자석의 자속 경로를 폐쇄하는 것인 단계를 포함한다. 방법은 또한 전도성 권선의 열 전도성을 증가시키도록 스테이터에 진공 압력 함침(VPI) 프로세스를 수행하는 단계를 포함하고, 상기 VPI 프로세스는 선택된 온도에서 수행되는 경화 단계를 포함한다. 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석의 작동점을 경화 단계가 수행되는 선택된 온도와 관련된 소자 임계값 위의 내부 자속 밀도 레벨로 세팅한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 영구 자석 전기 기계는, 전도성 권선이 둘레에 권취된 복수 개의 치형부 및 내장된 하나 이상의 영구 자석을 구비한 스테이터를 포함한다. 영구 자석 전기 기계는 또한 하나 이상의 영구 자석과 함께 자속 경로를 형성하도록 스테이터 상에 위치 설정된 자기 키퍼 요소를 포함하고, 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석에 의해 발생된 자속에 낮은 자기 저항의 자속 경로를 제공함으로써 하나 이상의 영구 자석의 자속 경로를 폐쇄한다. 자기 키퍼 요소는 스테이터에 선택적으로 부착 가능하고 분리 가능한 착탈식 요소를 포함하여, 자기 키퍼 요소는 스테이터에 진공 압력 함침(VPI) 프로세스를 수행하기 전에 추가될 수 있고 스테이터에 VPI 프로세스를 완료하면 제거될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 영구 자석 전기 기계용 스테이터 조립체는, 스테이터 상에 권취된 전도성 권선과, 스테이터 내에 내장된 하나 이상의 영구 자석을 포함하는 스테이터를 제공하는 단계, 하나 이상의 영구 자석과 함께 폐쇄된 자속 경로를 형성하도록 스테이터 상에 자기 키퍼 요소를 위치 설정하는 단계, 및 전도성 권선의 열 전도성을 증가시키도록 스테이터에 진공 압력 함침(VPI) 프로세스를 수행하는 단계에 의해 형성되고, VPI 프로세스는 선택된 온도에서 수행되는 경화 단계를 포함한다. 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석의 작동점을 경화 단계가 수행되는 선택된 온도와 관련된 소자 임계값 위의 내부 자속 밀도 레벨로 세팅한다.

다양한 다른 특징 및 이점은 아래의 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다.

도면은 본 발명을 수행하기 위해 현재 예상되는 바람직한 실시예를 도시한다.
도면에서:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전체적인 영구 자석 전기 기계의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 전기 기계의 스테이터의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 도 1의 전기 기계용 스테이터의 개략적인 사시도로서, 스테이터는 VPI 프로세스를 수행하기 위해 상부에 위치 설정된 자기 키퍼 요소를 포함한다.
도 4는 각 곡선에서의 소자 무릎을 비롯하여 다양한 온도에서 디스프로슘-프리 영구 자석의 BH-곡선들의 세트를 도시하는 그래프이다.
도 5는 자기 키퍼 요소 없이 경화 온도가 150 ℃인 VPI 프로세스를 받는 영구 자석의 자화 방향을 다른 자속 밀도 성분을 도시하는 그래프이다.
도 6은 도 5의 영구 자석의 소자 차트이다.
도 7은 자기 키퍼 요소를 사용하면서 경화 온도가 150 ℃인 VPI 프로세스를 받는 영구 자석의 자화 방향을 따른 자속 밀도 성분을 도시하는 그래프이다.
도 8은 도 7의 영구 자석의 소자 차트이다.
도 9는 자기 키퍼 요소를 사용하면서 경화 온도가 180 ℃인 VPI 프로세스를 받는 영구 자석의 자화 방향을 따른 자속 밀도 성분을 도시하는 그래프이다.
도 10은 도 9의 영구 자석의 소자 차트이다.

본 발명의 실시예는 고온의 VPI 프로세스 중에 자석의 소자를 피하기 위하여 스테이터 영구 자석 기계의 영구 자석의 작동점을 세팅하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 자기 키퍼 요소는 VPI 프로세스 중에 스테이터 상에 위치 설정되고, 자기 키퍼 요소는 영구 자석의 자속을 낮은 자기 저항 경로를 통해 폐쇄하여 영구 자석의 작동점이 소자 임계값 이상의 내부 자속 밀도로 세팅되게 하는 역할을 한다.

본 발명의 실시예는 다수의 스테이터 영구 자석 기계 토폴로지와 함께 이용될 수 있는데, 영구 자석과 권선은 영구 자석 자속 전환 기계, 자속 역전 기계, 및 이중 돌극형 영구 자석 기계를 비롯한 종래의 로터 영구 자석 토폴로지 대신에 스테이터 내에 배치된다. 따라서, 아래에 설명되는 도면에는 오직 단일 기계 토폴로지가 도시될 수 있지만, 본 발명의 실시예는 이 1개의 기계 토폴로지로 제한되지 않고, 다른 스테이터 영구 자석 기계 토폴로지가 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다는 점을 이해해야 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예와 함께 그리고 본 발명의 실시예에서 이용될 수 있는 스테이터 영구 자석 기계(10; 전기 모터 또는 발전기 등)의 일부의 도면이 도시되어 있다. 스테이터 영구 자석 기계(10)는 실질적으로 동심으로 배치되는 스테이터(12)와 로터(14)를 포함할 수 있다. 예컨대, 스테이터(12)는 스테이터 보어(16)를 획정할 수 있고, 이 보어 내에 로터(14)가 배치될 수 있다. 스테이터 보어(16)와 로터(14)는 실질적으로 원통형일 수 있고, 축선(a)을 획정하도록 세장형일 수 있다. 로터(14)는 축선(a)을 중심으로 회전하도록 구성되는 샤프트(28)에 연결될 수 있다.

스테이터 섹션은 외측 요크(18; "백 아이언(back iron)"으로도 지칭됨)와, 외측 요크로부터 반경 방향 내측으로 각각 연장되는 하나 이상의 치형부(20)를 포함할 수 있다. 전도성 권선(22)은 각각의 치형부(20) 둘레에 권취될 수 있다. 외측 케이싱(18)/치형부(20)와 전도성 권선(22) 사이에 전기 절연을 제공하도록 절연부(24)가 포함될 수 있다. 스테이터(12)는 또한 스테이터 내에[즉, 치형부(20) 내에 또는 요크(18) 내에] 내장된 하나 이상의 영구 자석(26)를 포함하고, 영구 자석은 자석의 자화 극성이 스테이터(12) 둘레에서 원주 방향으로 교대로 있도록 자화된다. 일 실시예에 따르면, 영구 자석(26)은 디스프로슘-프리 또는 감소된 디스프로슘 영구 자석(디스프로슘 프리 네오디뮴 영구 자석 등)으로서 형성된다. 그러한 디스프로슘-프리 또는 감소된 디스프로슘 영구 자석은 스테이터 영구 자석 기계(10)의 재료 비용을 크게 감소시키는 "저비용" 자석이다 - 단, 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, (내부에 디스프로슘의 레벨이 더 높은 자석과 비교하여) 낮은 열 안정성을 갖는 영구 자석(26)의 트레이드오프가 존재한다 -.

스테이터 영구 자석 기계(10)의 작동 중에, 샤프트(28)와 로터(14)는 축선(a)을 중심으로 회전한다. 스테이터 영구 자석 기계(10)가 발전기 또는 모터인지에 따라, 자석(26)과 관련된 자기장과 상호 작용하는 전도성 권선(22)이 로터(14)에 의해 유도되거나 로터를 회전시킨다. 전자의 경우, 샤프트(28)에 행해진 일이 샤프트와 로터(14)의 회전을 유도하고 전류가 권선(22)에서 흐르며, 후자의 경우, 로터 상에 위치 설정된 로터 치형부(30)를 로터가 스테이터 치형부(20)와 관련하여 최소의 자기 저항 위치로 이동시키려고 할 때에, 권선으로 주입된 전류가 로터와 샤프트의 회전을 유발시킬 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 스테이터(12)와 관련하여, 스테이터(12)는 단일의 중실형 기계 가공 피스로서 형성되지 않고, 대신에 축방향으로 적층되고 가압되어 스테이터를 형성하는 복수 개의 스테이터 래미네이션(32)으로 구성된다. 각각의 래미네이션(32)은 예컨대 금속 래미네이션을 형성하도록 스탬핑 또는 절단될 수 있는 재료로 형성된다.

스테이터 영구 자석 기계(10)를 제조할 때에, 진공 압력 함침(VPI) 프로세스가 수행되어 권선(22)의 열 전도성을 향상시키고 절연부(24)의 절연 강도를 증가시킨다. VPI 프로세스를 수행할 때에, 권선(22) 내의 임의의 공극 또는 기공은 높은 열 전도성 바니쉬로 충전되는데, 이 바니쉬는 나중에 공기 포켓의 발현을 방지하도록 고온 경화(즉, 150 ℃ 또는 그 이상, 예컨대 180 ℃)를 받음으로써, 권선(22)의 구리 와이어, 슬롯 라이너 절연부(24) 및 래미네이션(32) 사이에 열 전도성 접촉을 제공한다. VPI 프로세스는 전기 기계(10)의 열 성능을 크게 향상시키고, 따라서 그 수명 및 신뢰성을 강화하는 데에 중요하다.

VPI 프로세스에 의해 채용되는 고온 경화와 관련하여, 경화는 - 특히, 그러한 영구 자석이 감소된 열 안정성을 갖기 때문에 영구 자석(26)이 디스프로슘-프리 또는 감소된 디스프로슘 영구 자석으로서 제공되는 실시예에서 - 스테이터(12) 상의 영구 자석(26)을 소자 위험에 노출시킬 수 있다는 것이 본 명세서에서 인지된다. 즉, 영구 자석(26)의 부하 라인이 경화 온도의 소자 무릎 위에 있는 것을 보장하는 특별한 예방책을 취하지 않으면, 영구 자석(26)은 소자 위험에 처할 수 있다.

VPI 프로세스 중에 발생하는 영구 자석(26)의 소자 위험을 처리하기 위하여, 본 발명의 실시예는 고온의 VPI 프로세스 중에 소자를 피하기 위하여 영구 자석(26)의 작동점을 세팅하는 장치 및 방법을 제공한다. 이하, 도 3을 참조하면, 스테이터 영구 자석 기계(10)의 스테이터(12)가 VPI 프로세스 전에 그리고 프로세스 중에 제조되는 상태로 도시되어 있다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, VPI 프로세스 전에 그리고 프로세스 중에, VPI 프로세스 중에 영구 자석(26)의 소자를 피하기 위하여 영구 자석(26)의 작동점을 세팅하는 기능을 하는 자기 키퍼 요소(34)가 스테이터(12) 상에 위치 설정된다. 예시적인 실시예에 따르면, 자기 키퍼 요소(34)는 스테이터(12)의 내주를 따라 위치 설정되는 링형 요소(즉, 자기 키퍼 링)로서 형성된다. 그러나, 자기 키퍼 요소(34)는 스테이터(12) 상에 위치 설정될 때에 함께 결합될 수 있는 다중 피스로 형성되는 자기 키퍼 요소(34)를 비롯하여 링형 요소와 다른 형상/구성을 갖도록 형성될 수 있다는 것이 인지된다.

자기 키퍼 요소(34)는 스테이터(12)에 선택적으로 부착 가능하고 분리 가능한 착탈식 요소로서 제공된다. 보다 구체적으로, 자기 키퍼 요소(34)는 스테이터(12)에 진공 압력 함침(VPI) 프로세스를 수행하기 전에 추가되고 스테이터(12)에 VPI 프로세스를 완료하면 제거된다. 자기 키퍼 요소(34)의 제거 시에, 스테이터 영구 자석 기계(10)의 제조가 계속되어 로터(14)를 스테이터(12)에 대해 위치 설정할 수 있다.

자기 키퍼 요소(34)는 공기의 투자율보다 상당히 큰 투자율(자기 키퍼 요소에 대해 100 내지 1,000의 상대적 투자율)을 갖는 연성 자기 재료로 형성된다. 연성 자기 재료로부터 형성된 자기 키퍼 요소(34)는 영구 자석(26)에 의해 발생되는 자속에 대해 낮은 자기 저항의 자속 경로를 제공함으로써 영구 자석(26)의 자속 경로(전체적으로 참조 번호 36으로 지시됨)를 폐쇄하는 역할을 한다. 즉, 자기 키퍼 요소(34)가 없는 경우, 자석의 자속은 기계(10)를 둘러싸는 공기를 통해 폐쇄되고, 영구 자석(26)은 그 내부 자속 밀도를 저하시키는 높은 자기 저항의 자속 경로를 보인다. 영구 자석(26)에 의해 발생되는 자속에 대해 낮은 자기 저항의 자속 경로(36)를 제공함으로써, 자기 키퍼 요소(34)는 영구 자석(26)의 작동점이 VPI 프로세스의 경화 온도에서 소자 임계값(즉, "소자 무릎") 위의 내부 자속 밀도 레벨로 세팅되게 한다(이는 자석의 자속이 기계를 둘러싸는 공기를 통해 폐쇄된 경우가 아니다).

영구 자석(26)의 내부 자속 밀도 레벨을 자기 키퍼 요소(34)를 통해 소자 임계값(즉, "소자 무릎") 위로 세팅/유지하는 것이 도 4에 도시되어 있는데, 도 4는 다양한 온도에서 디스프로슘-프리 영구 자석의 BH-곡선(40)의 통상적인 세트를 도시한다. 각 곡선(40)의 "소자 무릎" - 참조 번호 42로 지시됨 - 은 리코일 라인이 만곡을 시작하는 지점이고, 영구 자석(26)의 작동점은 영구적인 자화 감소를 방지하기 위해 언제라도 소자 무릎 위에 유지되어야 한다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 소자 무릎(42)은 온도에 따라 증가되고, 예컨대 150 ℃의 경화 온도의 소자 무릎은 0.53 테슬라이고, 180 ℃의 경화 온도의 소자 무릎은 0.65 테슬라이다.

이하, 도 5 내지 도 10을 참조하고, 도 1 내지 도 3을 계속해서 참조하면, 자기 키퍼 요소(34)를 사용하면서 그리고 사용하지 않으면서 VPI 경화 프로세스 중에 영구 자석(26)(예컨대, 디스프로슘-프리 네오디뮴 영구 자석)이 겪는 소자의 비교가 제공되는데, 자화 방향을 따른 자속 밀도 성분의 맵과 소자 차트가 도시된다. 먼저, 도 5 및 도 6을 참조하면, 자기 키퍼 요소(34)을 사용하지 않으면서 경화를 수행하기 위해 VPI 경화 프로세스 중에 영구 자석(26)이 겪는 소자가 도시되어 있다. 도 5에서는, 150 ℃의 온도에서 수행되는 VPI 경화 중에 영구 자석의 자화 방향(즉, x축)을 따른 자속 밀도 성분의 맵이 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 150 ℃의 경화 온도의 소자 무릎은 0.53 테슬라에 있고, 도 5에는, 영구 자석(26)의 영역(즉, 영구 자석 영역의 대부분)이 0.53 테슬라의 소자 무릎 미만의 내부 자속 밀도를 나타낸다는 것이 도시되어 있는데, 이는 예방책을 취하지 않으면 VPI 프로세스 중에 상당한 소자 위험을 보인다. 이는 도 6의 소자 맵에 의해 확인되는데, 도 6은 대부분의 영구 자석(26)이 자기 키퍼 요소(34)를 사용하지 않는 150 ℃ VPI 경화 중에 소자 조건 또는 상태(즉, 자속의 강도가 0.53 테슬라 미만임) - 참조 번호 44로 지시됨 - 에 있고, 작은 영역만이 자화 조건/상태 - 참조 번호 46으로 지시됨 - 로 남아 있다는 것을 도시한다.

이하, 도 7 및 도 8을 참조하면, VPI 경화 프로세스 중에 영구 자석(26)이 겪는 소자가 자기 키퍼 요소(34)를 사용하는 경화의 수행을 위해 도시되어 있다. 도 7에서는, 150 ℃의 온도에서 수행되는 VPI 경화 중에 영구 자석(26)의 자화 방향(즉, x축)을 따른 자속 밀도 성분의 맵이 도시되어 있다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 자속은 자기 키퍼 요소(34)에 의해 그 아래에 형성되는 최저 자기 저항 경로를 통해 주로 폐쇄된다. 전술한 바와 같이, 150 ℃의 경화 온도의 소자 무릎은 0.53 테슬라에 있고, 도 7에서는, 0.53 테슬라의 소자 무릎 미만의 자속 밀도를 보이는 영역이 영구 자석(26)에 없다는 것을 알 수 있다 - 사실상, 내부 자속 밀도는 전체 영구 자석 영역에 걸쳐서 0.53 테슬라 임계값을 상당히 초과함 -. 도 8의 소자 맵은 소자 위험이 자기 키퍼 요소(34)의 도입에 의해 효과적으로 제거되었다는 것을 확인할 수 있도록, 영구 자석(26)의 어떠한 영역도 소자 조건 또는 상태(즉, 자속의 강도가 0.53 테슬라 미만임)에 진입하지 않았다는 것을 보여준다.

이하, 도 9 및 도 10을 참조하면, VPI 경화 프로세스 중에 영구 자석(26)이 겪는 소자가 자기 키퍼 요소(34)를 사용하는 경화의 수행을 위해 도시되어 있는데, 경화 프로세스에서 이번에는 180 ℃의 온도로 수행된다. 전술한 바와 같이, 180 ℃의 경화 온도의 소자 무릎은 0.65 테슬라에 있고, 도 9의 자화 방향(즉, x축)을 따른 자속 밀도 성분의 맵에서, 0.65 테슬라의 소자 무릎 미만의 자속 밀도를 보이는 영역이 영구 자석(26)에 없다는 것이 도시되어 있다. 따라서, 도 10의 소자 맵은 영구 자석(26)의 어떠한 영역도 소자 조건 또는 상태(즉, 자속의 강도가 0.65 테슬라 미만임)에 진입하지 않았다는 것을 보여준다.

유리하게는, 본 발명의 실시예는 이에 따라 고온의 VPI 프로세스 중에 자석의 소자를 피하기 위하여 스테이터 영구 자석 기계의 영구 자석의 작동점을 세팅하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 자기 키퍼 요소는 VPI 프로세스의 수행을 위해 스테이터 상에 위치 설정되고, 자기 키퍼 요소는 영구 자석의 작동점이 VPI 작동 온도에서 소자 임계값 위의 내부 자속 밀도 레벨로 세팅되도록 낮은 자기 저항 경로를 통해 영구 자석의 자속 경로를 폐쇄하는 역할을 한다. 따라서, 자기 키퍼 요소의 사용은 소자의 위험 없이 고온의 VPI를 허용함으로써 그 스테이터에 영구 자석을 갖는 전기 기계의 제작성에 일조한다. 자기 키퍼 요소는 또한 그 낮은 열 안정성에도 불구하고 VPI 프로세스 중에 소자의 위험을 제거함으로써 스테이터 영구 자석 기계에 디스프로슘-프리 또는 감소된 디스프로슘 영구 자석의 사용을 가능하게 하고, 그러한 저비용의 디스프로슘-프리 또는 감소된 디스프로슘 영구 자석의 사용은 이에 따라 재료 비용을 크게 감소시키고 그 스테이터에 영구 자석을 갖는 몇몇의 최신 영구 자석 전기 기계의 시장성을 향상시킨다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 영구 자석 전기 기계의 제조 방법은, 스테이터 상에 권취된 전도성 권선과, 스테이터 내에 내장된 하나 이상의 영구 자석을 포함하는 스테이터를 제공하는 단계, 하나 이상의 영구 자석과 함께 자속 경로를 형성하도록 스테이터 상에 자기 키퍼 요소를 위치 설정하는 단계로서, 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석에 의해 발생된 자속에 낮은 자기 저항의 자속 경로를 제공함으로써 하나 이상의 영구 자석의 자속 경로를 폐쇄하는 것인 단계를 포함한다. 방법은 또한 전도성 권선의 열 전도성을 증가시키도록 스테이터에 진공 압력 함침(VPI) 프로세스를 수행하는 단계를 포함하고, 상기 VPI 프로세스는 선택된 온도에서 수행되는 경화 단계를 포함한다. 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석의 작동점을 경화 단계가 수행되는 선택된 온도와 관련된 소자 임계값 위의 내부 자속 밀도 레벨로 세팅한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 영구 자석 전기 기계는, 전도성 권선이 둘레에 권취된 복수 개의 치형부 및 내장된 하나 이상의 영구 자석을 구비한 스테이터를 포함한다. 영구 자석 전기 기계는 또한 하나 이상의 영구 자석과 함께 자속 경로를 형성하도록 스테이터 상에 위치 설정된 자기 키퍼 요소를 포함하고, 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석에 의해 발생된 자속에 낮은 자기 저항의 자속 경로를 제공함으로써 하나 이상의 영구 자석의 자속 경로를 폐쇄한다. 자기 키퍼 요소는 스테이터에 선택적으로 부착 가능하고 분리 가능한 착탈식 요소를 포함하여, 자기 키퍼 요소는 스테이터에 진공 압력 함침(VPI) 프로세스를 수행하기 전에 추가될 수 있고 스테이터에 VPI 프로세스를 완료하면 제거될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 영구 자석 전기 기계용 스테이터 조립체는, 스테이터 상에 권취된 전도성 권선과, 스테이터 내에 내장된 하나 이상의 영구 자석을 포함하는 스테이터를 제공하는 단계, 하나 이상의 영구 자석과 함께 자속 경로를 형성하도록 스테이터 상에 자기 키퍼 요소를 위치 설정하는 단계, 및 전도성 권선의 열 전도성을 증가시키도록 스테이터에 진공 압력 함침(VPI) 프로세스를 수행하는 단계에 의해 형성되고, VPI 프로세스는 선택된 온도에서 수행되는 경화 단계를 포함한다. 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석의 작동점을 경화 단계가 수행되는 선택된 온도와 관련된 소자 임계값 위의 내부 자속 밀도 레벨로 세팅한다.

상기와 같이 기술된 설명은 최상의 모드를 비롯하여 본 발명을 개시하고, 또한 임의의 장치 또는 시스템을 제조하고 이용하며 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 본 발명을 임의의 당업자가 실시할 수 있게 하도록 예를 이용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되고, 당업자에게 생각이 떠오르는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는 청구범위의 문자 그대로의 언어와 상이하지 않은 구조적 요소를 갖거나, 청구범위의 문자 그대로의 언어와 사소한 차이를 갖는 균등한 구조적 요소를 포함한다면 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims

영구 자석 전기 기계의 제조 방법으로서,
스테이터 상에 권취된 전도성 권선과, 스테이터 내에 내장된 하나 이상의 영구 자석을 포함하는 스테이터를 제공하는 단계;
하나 이상의 영구 자석과 함께 자속 경로를 형성하도록 스테이터 상에 자기 키퍼 요소를 위치 설정하는 단계로서, 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석에 의해 발생된 자속에 낮은 자기 저항의 자속 경로를 제공함으로써 하나 이상의 영구 자석의 자속 경로를 폐쇄하는 것인 단계;
전도성 권선의 열 전도성을 증가시키도록 스테이터에 진공 압력 함침(VPI; vacuum pressure impregnation) 프로세스를 수행하는 단계; 및
VPI 프로세스의 완료 시에 자기 키퍼 요소를 제거하는 단계;
를 포함하고, 상기 VPI 프로세스는 선택된 온도에서 수행되는 경화 단계를 포함하며, 상기 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석의 작동점을 경화 단계가 수행되는 선택된 온도와 관련된 소자 임계값(demagnetization threshold) 위의 내부 자속 밀도 레벨로 세팅하는 것인 영구 자석 전기 기계의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 자기 키퍼 요소를 위치 설정하는 단계는 스테이터의 내주를 따라 자기 키퍼 요소를 위치 설정하는 것을 포함하는 것인 영구 자석 전기 기계의 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 자기 키퍼 요소는 스테이터의 내주를 따라 위치 설정되는 자기 링을 포함하는 것인 영구 자석 전기 기계의 제조 방법.
제1항에 있어서, 자기 키퍼 요소는 연성 자기 재료로 형성되는 것인 영구 자석 전기 기계의 제조 방법.
제4항에 있어서, 상기 연성 자기 재료는 100 내지 1,000의 상대 투자율을 갖는 것인 영구 자석 전기 기계의 제조 방법.
제1항에 있어서, BH-곡선의 소자 무릎(demagnetization knee)은 하나 이상의 영구 자석이 형성되는 재료 및 선택된 경화 온도에 따라 좌우되는 것인 영구 자석 전기 기계의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 영구 자석은 디스프로슘-프리(Dysprosioum-free) 또는 감소된 디스프로슘 영구 자석을 포함하는 것인 영구 자석 전기 기계의 제조 방법.
삭제
영구 자석 전기 기계로서,
전도성 권선이 둘레에 권취된 복수 개의 치형부 및 내장된 하나 이상의 영구 자석을 구비한 스테이터;
하나 이상의 영구 자석과 함께 자속 경로를 형성하도록 스테이터 상에 위치 설정된 자기 키퍼 요소
를 포함하고, 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석에 의해 발생된 자속에 낮은 자기 저항의 자속 경로를 제공함으로써 하나 이상의 영구 자석의 자속 경로를 폐쇄하며,
자기 키퍼 요소는 스테이터에 선택적으로 부착 가능하고 분리 가능한 착탈식 요소를 포함하여, 자기 키퍼 요소는 스테이터에 진공 압력 함침(VPI) 프로세스를 수행하기 전에 추가될 수 있고 스테이터에 VPI 프로세스를 완료하면 제거될 수 있는 것인 영구 자석 전기 기계.
제9항에 있어서, 상기 자기 키퍼 요소는 스테이터의 내주를 따라 위치 설정되는 것인 영구 자석 전기 기계.
제10항에 있어서, 상기 자기 키퍼 요소는 스테이터의 내주를 따라 위치 설정되는 자기 링을 포함하는 것인 영구 자석 전기 기계.
제9항에 있어서, 하나 이상의 영구 자석은 디스프로슘-프리 또는 감소된 디스프로슘 영구 자석을 포함하는 것인 영구 자석 전기 기계.
제9항에 있어서, 상기 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석의 작동점을 VPI 프로세스 중에 수행되는 경화 단계와 관련된 소자 임계값 위의 내부 자속 밀도 레벨로 세팅하는 것인 영구 자석 전기 기계.
제9항에 있어서, 상기 자기 키퍼 요소는 100 내지 1,000의 상대 투자율을 갖는 연성 자기 재료로 형성되는 것인 영구 자석 전기 기계.
영구 자석 전기 기계용 스테이터 조립체로서, 스테이터 조립체는,
스테이터 상에 권취된 전도성 권선과, 스테이터 내에 내장된 하나 이상의 영구 자석을 포함하는 스테이터를 제공하는 단계;
하나 이상의 영구 자석과 함께 폐쇄된 자속 경로를 형성하도록 스테이터 상에 자기 키퍼 요소를 위치 설정하는 단계; 및
전도성 권선의 열 전도성을 증가시키도록 스테이터에 진공 압력 함침(VPI) 프로세스를 수행하는 단계에 의해 형성되고,
상기 VPI 프로세스는 선택된 온도에서 수행되는 경화 단계를 포함하며, 상기 자기 키퍼 요소는 하나 이상의 영구 자석의 작동점을 경화 단계가 수행되는 선택된 온도와 관련된 소자 임계값 위의 내부 자속 밀도 레벨로 세팅하는 것이고,
자기 키퍼 요소는 스테이터에 선택적으로 부착 가능하고 분리 가능한 착탈식 요소를 포함하여, 자기 키퍼 요소는 스테이터에 진공 압력 함침(VPI) 프로세스를 수행하기 전에 추가될 수 있고 스테이터에 VPI 프로세스를 완료하면 제거될 수 있는 것인 영구 자석 전기 기계용 스테이터 조립체.
제15항에 있어서, 상기 자기 키퍼 요소는 100 내지 1,000의 상대 투자율을 갖는 연성 자기 재료로 형성되는 것인 영구 자석 전기 기계용 스테이터 조립체.
제15항에 있어서, 상기 소자 임계값은 하나 이상의 영구 자석을 위한 VPI 프로세스와 관련된 BH-곡선의 소자 무릎을 포함하는 것인 영구 자석 전기 기계용 스테이터 조립체.
제17항에 있어서, 상기 BH-곡선의 소자 무릎은 하나 이상의 영구 자석이 형성되는 재료 및 선택된 경화 온도에 따라 좌우되는 것인 영구 자석 전기 기계용 스테이터 조립체.
제18항에 있어서, 상기 하나 이상의 영구 자석은 디스프로슘-프리 또는 감소된 디스프로슘 영구 자석을 포함하는 것인 영구 자석 전기 기계용 스테이터 조립체.
제15항에 있어서, 상기 자기 키퍼 요소는 VPI 프로세스의 완료 시에 제거되는 것인 영구 자석 전기 기계용 스테이터 조립체.