KR102476984B1 - 코팅 도체가 적층된 고정자 조립체 - Google Patents

코팅 도체가 적층된 고정자 조립체 Download PDF

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Abstract

고정자는 코팅 도체층을 포함한다. 코팅은 절연체이고 인접한 도체층에 대한 전기적 절연을 제공한다. 다층의 코팅 도체가 고정자 코어를 형성하고, 고정자는 고정자 코어를 사이에 둔 자석 조립체를 포함한다. 도체층은 자석 조립체의 평면과 수직 방향으로 적층된다. 도체층은 직사각형 단면을 갖는다.

Description

코팅 도체가 적층된 고정자 조립체
우선권
본 출원은 2017년 6월 2일에 제출되었고 제목이 '코팅 도체가 적층된 고정자 조립체'인 미국 특허 출원 번호 15/612,886에 대해 35 U.S.C. § 365(c) 규정에 따른 우선권을 주장한다. 본 청구는 해당 청구의 우선권의 이익을 주장한다. 해당 미국 특허 출원은 2016년 6월 7일에 제출된 미국 예비 출원 번호 62/346,898을 바탕으로 하는 정규 출원이다. 본 청구는 해당 청구의 우선권의 이익을 주장한다.
분야
설명은 일반적으로 모터, 더 구체적으로는 고정자와 관련된 것이다.
저작권 공지/허가
본 특허 문서의 기재된 일부에는 저작권 보호 대상의 자료가 포함될 수 있다. 저작권자는 특허 문서 또는 특허 기재 사항이 미국 특허 상표청 특허 파일 또는 기록에 나와 있으므로 어느 누구든 그것을 재생산하는 것에 반대하지 않지만 무엇이든지 모든 저작권을 보유한다. 이 저작권 공지는 아래에 나온 모든 데이터, 본 문서에 첨부된 도면 그리고 아래에 나온 모든 소프트웨어에 적용된다. 저작권 ⓒ 2016, 2017, Sapphire Motors, 모든 권리 보유.
전기 모터는 소형 가전과 전자 장치에서 펌프나 공장을 위한 대형 모터에 이르기까지 다양한 장치에 사용된다. 모터는 세계에서 가장 큰 전기 소비원 중 하나이지만, 전통적으로 매우 비효율적이거나 매우 비싸다. 모터의 에너지 효율은 얼마나 많은 전기 에너지 입력이 모터에서 출력으로 전환되는지에 따라 결정된다. 가정용 소형 가전의 모터는 전통적으로 효율이 50퍼센트를 약간 웃돈다. 펌프나 공장을 위한 대형 모터는 종종 효율이 90%를 넘지만 매우 비싸다. 리니어 모터는 장비를 고속으로 움직이고 한 축을 따라 작동하지만, 로터리 모터는 샤프트를 회전시키고 종종 토크와 속도를 조절하기 위해 변속된다.
전통적인 모터에서는 강철 주위에 자석 전선을 감아 고정자를 만든다. 자석 전선은 일반적으로 구리, 알루미늄 또는 기타 금속으로 된 도체에 얇게 절연체가 코팅되어 있고, 그러한 도체는 제어 가능한 전자석을 생성한다. 일반적으로 고정자는 여러 개의 자석 배열을 포함한다. 권선을 기계적으로 또는 디지털적으로 전환해서 자석 배열의 자기장과 일치시킬 수 있고, 이때 고정자는 자속 변화의 타이밍을 조절해서 기전력을 생성한다.
전통적으로 모터에서 고정자는 종종 종이, 에나멜, 또는 폴리이미드 필름 같은 플라스틱으로 절연된 여러 개의 권선으로 구성되며, 그러한 절연체는 일반적으로 도체의 가용 용적에 대해 최대의 전류 용량을 허용할 수 있도록 얇다. 권선 사이의 단락을 방지하기 위해서 절연체를 더 두껍게 만들면 권선에 대해 사용할 수 잇는 고정된 용적에 비해 극에서 사용 가능한 도체의 양이 줄어들고 고정자 권선의 저항이 높아진다. 손실이 감소할수록 모터 효율이 높아지지만, 모터 손실은 전류의 제곱과 저항의 곱에 비례해 증가한다. 따라서 증가한 권선 저항은 모터 효율을 낮춘다. 추가적으로 자석 전선을 위한 전통적인 유전체 또는 전선 코팅은 우수한 단열체이며 때문에 코팅 두께를 높이면 전선의 열 보존성이 높아진다. 전선 코팅의 단열성으로 인해 성능의 모순이 발생한다. 즉, 두께를 늘리면 전압을 높일 수 있지만 과열이 발생한다. 얇은 전선 절연체는 전통적인 설계에서 모터 고장의 주요 원인이며, 과열 제한이 모터 시스템의 성능 한계를 결정한다.
도 1은 코일이 강철 적층체 주변에 감긴 전통적인 모터의 단면도를 예시한다. 모터(100)의 예는 강철 적층체(120)에 감긴 4개 또는 6개의 코일(130)(그림에는 6개의 코일이 예시됨)을 포함할 수 있고, 이러한 자석 회로는 리니어 또는 로터리 모터에 대한 표준 장치를 대표한다. 중심(110)은 모터(100)에 대한 회전 중심이고 로드 또는 샤프트의 위치일 수 있다. 틈새에서 자기장 강도를 높일 수 있도록 영구 자석 뒤쪽에 백 아이언을 사용해서 전기자 코어의 적층체와 자석 회로를 완성하면 성능이 향상되지만, 고유한 무게, 비용, 와전류, 히스테리시스 손실 같은 불이익이 생긴다. 회전자와 고정자에서 자기극이 상대적으로 적으면 토크 리플이 높아진다. 강철의 양이 많으면 자기장 세기가 커지지만 와전류와 히스테리시스 손실이 높아지고 모터(100)가 무거워진다.
다음 설명에는 본 발명의 실시예를 나타낸 도면에 대한 설명이 포함된다. 이러한 도면은 예로서만 이해해야 하며, 이에 국한되지는 않는다. 본 문서에서 하나 또는 여러 개의 "실시예"에 대한 참조는 본 발명의 최소 하나의 실시예에 포함된 특정한 기능, 구조 및/또는 특성에 대한 설명으로 이해해야 한다. 따라서, 본 문서에 나오는 "실시예에서" 또는 "대안적인 실시예에서" 같은 문구는 본 발명의 여러 가지 실시예와 구현예를 설명하며 반드시 동일한 실시예를 나타내는 것은 아니다. 하지만 반드시 상호 배타적인 것은 아니다.
도 1은 강철 적층체 주변에 감긴 전통적인 모터의 단면도이다.
도 2는 코팅 도체가 적층된 고정자 코어로 구성된 고정자 조립체의 실시예에 대한 도면이다.
도 3a는 원형 코팅 전선의 실시예에 대한 도면이다.
도 3b는 사각형 코팅 전선의 실시예에 대한 도면이다.
도 3c는 코팅 도체가 적층된 실시예에 대한 도면이다.
도 4a는 도체 코일의 실시예에 대한 도면이다.
도 4b는 도체 코일의 또 다른 실시예에 대한 도면이다.
도 5는 접힘부와 굴곡부가 있는 도체 경로의 실시예에 대한 도면이다.
도 6a는 세 가지 위상의 도체 박판의 실시예에 대한 도면이다.
도 6b는 세 가지 위상의 도체가 적층되어 하나의 고정자 조립체를 형성하는 단면도의 실시예에 대한 도면이다.
도 6c는 세 가지 위상의 도체가 적층되어 하나의 고정자 조립체를 형성하는 조감도의 실시예에 대한 도면이다.
도 7은 3상 고정자 조립체의 실시예에 대한 도면이다.
도 8a는 전류 루프를 줄이기 위해서 여러 개의 분할체로 나누어진 도체의 실시예에 대한 도면이다.
도 8b는 분할된 전류 경로를 갖는 도체에서 와전류의 실시예에 대한 도면이다.
도 9a는 분할된 전류 경로를 갖는 도체의 평면도의 실시예에 대한 도면이다.
도 9b는 부분적으로 분할된 전류 경로를 갖는 도체의 평면도의 실시예에 대한 도면이다.
도 10a는 층이 바깥쪽 테두리에서 결합되는 사형 권선의 실시예에 대한 도면이다.
도 10b는 층이 안쪽 테두리에서 결합되는 사형 권선의 실시예에 대한 도면이다.
도 11a는 코일 조립체의 평탄 위상에 올려진 할바흐 배열 장치의 실시예에 대한 도면이다.
도 11b는 이중 축 할바흐 배열의 실시예에 대한 도면이다.
도 12a는 사형 경로의 도체층이 할바흐 배열과 인접한 모터 조립체의 실시예에 대한 도면이다.
도 12b는 도체층과 하우징을 갖는 모터 조립체의 실시예에 대한 도면이다.
도 13a는 리니어 할바흐 배열의 정자기 유한 요소 시뮬레이션의 실시예에 대한 도면이다.
도 13b는 듀얼 할바흐 배열의 정자기 유한 요소 시뮬레이션의 실시예에 대한 도면이다.
도 14는 모터 조립체의 실시예에 대한 도면이다.
아래에 설명한 실시예의 일부 또는 전부에 대한 설명, 본 문서에 나온 발명 개념의 다른 가능한 실시예와 구현 예에 대한 설명을 포함해 특정한 세부 사항과 구현 예에 대한 설명이 아래에 나온다.
본 문서에 설명된 것처럼, 고정자 조립체는 코팅 도체층을 포함한다. 코팅은 절연체이고 인접한 도체층에 대한 전기적 절연을 제공한다. 다층의 코팅 도체가 고정자 코어를 형성하고, 고정자는 고정자 코어를 사이에 둔 자석 조립체를 포함한다. 도체층은 직사각형 단면을 갖는다.
고정자 도체로서의 전선 권선과 반대로, 고정자 조립체는 코팅 도체를 포함하고 가변형 또는 부정형 단면을 갖는다. 실시예에서, 고정자 조립체는 사이이어 코팅 알루미늄층을 포함한다. 고정자에서 코팅 도체층을 사용하면 저항 손실 최소화와 와전류 손실 최소화 사이에서 최상의 타협점을 이루어 고성능의 모터를 만들 수 있다. 실시예에서, 코팅은 우수한 절연 성능과 뛰어난 열 전도성을 갖는 사파이어 또는 산화알루미늄의 미세 결정을 생성하기 위한 양극 산화 처리를 포함한다. 특히, 사파이어 또는 알루미늄의 전기적 절연성과 열 전도성이 일반적인 플라스틱, 실리콘, 수지 또는 그밖의 전통적인 전선 절연체에 비해 더 높다. 이러한 향상된 특성은 모터 단선 또는 고장의 위험을 줄인다. 실시예에서, 와전류 손실을 줄일 수 있도록 도체가 패턴을 갖는다. 실시예에서, 충진율을 향상시켜 전도성을 높일 수 있도록 도체가 패턴을 갖는다. 실시예에서, 패턴은 충진율 향상과 와전류 감소를 제공할 수 있다.
모터에 이러한 고정자 조립체를 사용하면 모터와 전동 장치에서 견고한 고효율을 구현하고 공칭 정격을 넘어선 초과 출력이 가능하다. 예를 들어, 실시예에서, 일시적인 동력 급변동을 위해 일시적으로 공칭 정격을 넘어서 모터를 가동할 수 있다. 예를 들어, 코팅 도체의 열 전도성과 전기 절연이 적절하다면, 약 200퍼센트 이상의 일시적인 동력 급변동이 가능하다. 일반적으로 정격은 지속되는 또는 장기간의 작동을 위한 한계이다. 하지만 열 전도성과 전기 절연을 갖춘다면 일시적인 급변동이 모터 고장을 유발하지 않을 것이다. 따라서 모터를 크기와 속도 측면에서 효율적이면서 폭발적인 동력 분출이 가능하도록 설계할 수 있다. 그와 같이 설계하면 전통적인 설계와 비교해 더 작은 모터를 이용할 수 있다. 전통적인 설계에서는 짧은 시간의 동력이더라도 전통적인 모터의 손상을 유발할 수 있다는 점에서 정격에 맞게 설계해야 한다.
전선은 일정한 단면을 갖는다. 실시예에서, 코팅 도체는 사파이어 코팅 알루미늄과 같이 도체 금속의 화학 반응에 의해 만들어지며, 여기서 사파이어는 산화알루미늄으로 이해된다. 실시예에서, 코팅 도체는 다이아몬드 코팅 구리와 같이 도체에 나노층의 재료를 입히는 화학 증착 또는 기타 공정에 의해 만들어진다. 고정자 코어는 열 전달성이 높은 재료로 코팅된 도체를 포함하며, 그러한 코팅은 금속을 절연시키는 높은 유전 상수를 갖는다. 실시예에서, 절연 코팅은 실리콘 같은 전통적인 절연체 또는 다이아몬드 유사 코팅을 포함한다. 실시예에서, 절연 코팅 도체는 리니어 모터 또는 로터리 모터를 위한 자기장을 형성하도록 패턴을 가지며, 더 높은 효율과 향상된 동력 밀도, 신뢰성을 제공한다. 첨단 제조 기술을 사용하면 철 기반의 코어에 권선이 감겨진 전통적인 모터보다 모터 비용을 더 낮출 수 있다.
고정자 코어는 층을 이루거나 하나 또는 여러 개가 적재된 코팅 도체를 포함한다. 실시예에서, 도체층이 패턴을 가지면 좁은 공간에 더 많은 도체를 넣을 수 있어 저항 손실을 줄일 수 있다. 따라서 고정자는 3차원 형상으로 여러 개의 층을 포함할 수 있다. 여러 개의 얇은 층으로 구성된 코팅 도체는 도체의 단면적을 줄이고, 단면적인 더 큰 도체와 비교해 와전류 손실을 낮춘다. 전통적인 모터에서는 절연된 전선 권선이 사용되어 와전류가 억제된다는 점을 고려했을 때, 단면적은 일반적으로 고려 사항이 아니다.
철 기반의 모터 코어 주위에 전선을 감으면 제조 공정 자동화에도 불구하고 제조 비용이 발생한다. 층을 이룬 코팅 도체는 기계 장비(예를 들어 다이 스탬핑 기계), 레이저 또는 기타 정밀 가공 기계나 기타 제조 공정으로 처리할 수 있다. 이러한 공정에서는 다른 경우였다면 발생했을 수 있는 높은 비용보다는 전통적인 모터와 비슷한 비용으로 도체층을 제조할 수 있다.
도 2는 코팅 도체가 적층된 고정자 코어로 구성된 고정자 조립체의 실시예에 대한 도면이다. 실시예에서, 조립체(200)는 자석층(222, 224) 사이에 고정자 코어(210)를 포함한다. 자석층(222, 224)은 자기극이 고정자의 회전 운동과 직각이 되도록 방사상으로 배열된 여러 개의 영구 자석을 포함한다. 두 개의 자석층(222, 224)이 조립체(200)에 예시되어 있지만, 다른 고정자 조립체는 두 개의 도체층과 하나의 자석층을 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 각각의 자석 배열은 각각 하나 또는 여러 개의 자기극쌍을 포함하는 하나 또는 여러 개의 자석을 포함할 수 있다.
실시예에서, 자석층(222, 224)은 할바흐 배열을 포함한다. 할바흐 배열은 자기장이 겹쳐진 상태에서 자석 방향을 교대로 전환하며, 한 세트는 작용 공극과 수평으로("남북" 방향) 자기장을 생성하도록 배치되고, 추가적인 자석은 공극과 수직으로("동서" 방향) 자기장을 생성한다. 그러한 배열을 적용하면 자기장이 첫 번째 배열의 한 면에서 자속을 추가하고 다른 면에서 자속을 취소한다. 이에 따라 원하는 곳에서 더 높은 자기장 밀도를 생성하고 원하지 않는 곳에서 자기장을 줄일 수 있고 연자성 복귀 경로가 필요 없다. 할바흐 배열은 직선형, 원통형, 축방향 자속 배열의 여러 변형물을 제공할 수 있다. 할바흐 배열은 본 문서에서 설명하는 적층 코팅 도체 고정자를 사용하면 득이 된다.
예시된 것처럼, 고정자 코어(210)는 자석층 사이에 여러 층이 서로 상단에 적층된 도체(230)를 포함한다. 도체(230)는 직사각형 단면을 포함하며, 도체층 내에서 고정자 주변에 방사상으로 전기적 경로를 제공하기 위한 패턴을 갖는다. 실시예에서, 도체(230)는 고정자 코어(210) 내에서 도체 밀도를 높이기 위해서 다른 도체층과 적층되도록 패턴을 갖는다.
전통적으로 모터에서 고정자는 종종 종이, 에나멜, 또는 폴리이미드 필름 같은 플라스틱으로 절연된 여러 개의 권선으로 구성되며, 그러한 절연체는 일반적으로 가용 용적에 대해 최대의 전류 용량을 허용할 수 있도록 얇다. 권선을 위한 가용 용적이 고정된 상태에서 절연체를 더 두껍게 만들어서 한 극에서 가용 도체의 양을 줄이면 권선 사이의 단락을 방지하기 위해 요구되는 절연체 체적이 증가한다. 요구되는 절연체 체적이 증가하면 고정자 권선의 저항이 높아지고, 전류의 제곱과 저항의 곱에 비례해 손실이 증가한다. 또한 자석 전선에 사용되는 대부분의 유전체는 우수한 단열체이기 때문에 권선의 열 보존성이 높아지며, 이에 따라 성능의 모순이 발생한다. 즉, 두께를 늘리면 전압을 높일 수 있지만 과열이 발생한다. 절연체 두께는 전통적인 설계에서 모터 고장의 주요 원인이며, 과열 제한이 모터 시스템의 성능 한계를 결정한다.
구리는 알루미늄에 비해 우월한 전기적 전도성 때문에 특히 소형 모터에서 모터 권선을 위해 종종 선호되는 도체이다. 전선은 전통적으로 일정한 단면으로 압출 가공된 후 절연층으로 코팅되고 코일에 감겨 전환 가능한 자기장을 생성한다. 원하는 모터의 특성이 권선의 두께, 개수, 구성을 결정한다. 일반적으로 평행 가닥의 크기를 줄이고 개수를 늘려서 와전류를 줄일 수 있지만, 그러한 방법은 체적 효율 또는 충진 밀도의 측면에서 불이익이 있다. 알루미늄은 같은 길이의 구리와 비교해 같은 전도성을 제공하기 위해서 60% 더 많은 단면적이 필요하다.
흔히 사용되는 많은 유전체가 가연성이고, 과열 상태에서 도달 가능한 높은 온도에서 연소되며, 이러한 코팅 재료의 단열 특성 때문에 문제가 더 심각해진다. 더 얇으면 기계적으로 그리고 전기적으로 문제가 발생할 수 있다. 손실 때문에 열이 발생해서 도체 사이의 절연 재료가 파괴되면 모터 고장이 발생하며, 그러한 절연 재료를 절연체, 유전체 또는 코팅이라고 부를 수 있다. 절연체가 파괴되면 자기장을 떨어뜨리는 단락이 발생하고, 이에 따라 전원 공급 장치가 더 높은 전류 또는 전압으로 모터를 구동하려고 시도하게 된다. 단락 지점을 통해 더 많은 전류가 흐르면 도체가 해당 부위를 더 가열하거나 기계적 고장이 발생한다. 그러한 단락이 발생한 모터는 제거하고 권선을 벗겨내야 하며, 이에 따라 파손된 장비, 가동 중지 시간, 수리비 같은 비용이 발생한다. 많은 경우에 권선 제조는 복잡하기 때문에 비용이 많이 들고 대량 생산이 어렵다.
도 3a는 원형 코팅 전선의 실시예에 대한 도면이다. 권선(302)은 절연체(312)로 코팅된 금속 전선(310)을 포함한다. 주어진 체적에서 도체가 증가하면 자기장이 커질 수 있다. 권선(302)의 경우, 금속(310)은 원형의 단면을 가지며, 도체를 잘 감으면 도체의 개별 가닥 사이의 틈새(314)를 줄일 수 있다.
도 3b는 사각형 코팅 전선의 실시예에 대한 도면이다. 권선(304)은 절연체(322)로 코팅된 금속 전선(320)을 포함한다. 권선(304)의 경우, 금속(320)은 정사각형의 단면을 가지며, 도체를 잘 감으면 도체의 개별 가닥 사이의 틈새(324)를 줄일 수 있다.
권선(302, 304)에서 도체 사이에 여전히 틈새가 존재한다. 또한 절연체(312, 322) 두께를 줄이는 데 한계가 있다. 전통적인 절연 코팅의 두께를 줄이는 것은 플라스틱 또는 기타 유전체에서 불가능하다. 왜냐하면 기계적 분리와 전기적 절연을 모두 제공하기 때문이다. 모터가 회전하고 가열되면 자기력이 반대 방향으로 동일한 반대의 힘을 생성하며, 이로 인해 전선이 서로 밀착되고 절연체가 전선을 기계적으로 분리한다. 많은 코팅이 가열되면 약해진다. 따라서 권선(302, 304)의 절연체 두께를 줄이면 기계적 분리 및 전기적 절연 측면에서 문제가 발생할 수 있다.
도 3c는 코팅 도체가 적층된 실시예에 대한 도면이다. 고정자 조립체(306)의 도체(330) 치수는 실제적인 측척을 나타내지 않는 것으로 이해된다. 조립체(306) 내의 구성 요소의 축척은 각각의 예시된 것과 다를 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 조립체(306) 내의 구성 요소의 축척은 각각 도 3a 및 3b의 권선(302, 304)에 대한 축척을 나타내지 않는다.
조립체(306)는 적층된 도체(330)를 포함하며, 그러한 도체는 코팅(340)을 포함한다. 얇은 코팅(340)을 사용해 도체(330)를 적층하면 전선 사이에 틈새가 발생하는 권선과 비교해 더 많은 도체를 가용 체적에 넣을 수 있다. 흔히 사용되는 많은 유전체가 가연성이고, 과열 상태에서 도달 가능한 높은 온도에서 연소되며, 이러한 코팅 재료의 단열 특성 때문에 문제가 더 심각해진다. 이러한 코팅을 더 얇게 만들면 기계적으로 그리고 전기적으로 고장의 위험이 증가할 수 있다. 하지만 코팅(340)은 도체(330)에 재료를 결합해서 만드는 코팅을 의미한다. 실시예에서, 코팅(340)은 도체(330)와 화학적 반응을 한다.
예를 들어, 도체(330)가 알루미늄이거나 알루미늄을 포함하고 있다고 가정한다. 이 알루미늄은 화학적으로 반응해 양극 산화된 코팅을 형성할 수 있다. 실시예에서, 코팅(340)은 알루미늄 도체에 도포된 사파이어(산화알루미늄)이다. 화학적으로 반응하거나 결합된 코팅은 많은 전통적인 자석 전선 코팅보다 기계적으로 더 강하고 유전성 절연 특성이 우월하다. 또 다른 예로서, 다이아몬드 코팅 구리가 사파이어 코팅 알루미늄보다 열 전도성이 더 좋지만, 다이아몬드를 구리에 코팅하는 공정은 흑연과 불순물 함량의 제어가 필요할 수 있다. 왜냐하면 불순물로 인해 다이아몬드가 어느 정도 전도성을 갖게 되어 전기 절연체로서 성능이 떨어질 수 있기 때문이다. 순수 다이아몬드가 절연체로서 이상적이다. 강도, 경도, 유전 상수가 더 높기 때문에 전통적인 코팅뿐만 아니라 사파이어 코팅 알루미늄에 비해서도 분명한 장점을 갖는다. 하지만 사파이어와 다이아몬드는 얇은 층으로 코팅하면 파괴질 수 있다. 사파이어는 깨지기 쉽고 굽히면 부서진다. 다이아몬드 코팅은 불과 몇 마이크론 두께가 적합할 수 있고 쉽게 깨진다. 하지만 사파이어 코팅은 산소에 노출되면 복원될 수 있지만 다이아몬드 코팅은 그렇지 않은 것으로 이해된다. 전기화학적 공정 또는 양극 산화 공정으로 코팅 두께를 제어할 수 있으며, 코팅(340)의 절연체 두께는 고정자층 또는 권선에서 요구되는 또는 계획된 전압을 바탕으로 제어할 수 있다. 더 얇은 전선은 와전류 생성이 더 적지만, 전통적인 모터 설계에서 매우 얇은 전선을 사용한 경우 요구되는 항복 전압이 주어졌을 때 코팅 두께 대 도체 면적의 비율이 문제가 된다. 적층된 도체(330)는 더 많은 도체와 더 얇은 코팅(340)을 구현할 수 있다.
일반적으로 이해되는 것과 같이, 유도된 전자기장의 세기는 전류에 정비례하고, 전력은 전류와 역방향 기전력(EMF) 전압의 곱에 비례한다. 이러한 비례성을 고려했을 때, 설계자는 도체(330)의 기하학적 형상을 제어하거나 코팅(340)의 두께를 제어하거나 둘 다를 제어해서 특정한 모터 성능을 조절할 수 있다. 설계자는 도체(330)의 두께와 형상 그리고 코팅(340)의 유형의 두께를 제어할 수 있다.
도체(330)는 직사각형 단면(332)을 갖는다. 권선(302, 304)의 금속 전선 같은 전선 형태의 도체는 일반적으로 단면적 또는 지름이 고정되어 있고, 저항은 모터에서 일반적으로 사용되는 전환 주파수를 위한 재료의 양을 바탕으로 한다. 적어도 알루미늄의 경우에 더 작은 단면적은 같은 도체의 더 큰 단면적보다 저항 손실이 더 크다. 전선 크기는 일반적으로 최소 체적 및 충진 요건에 따라 전압과 전류를 결정할 수 있도록 권선에서 원하는 회전수를 얻을 수 있는 크기로 선택된다. 가용한 공간 또는 체적을 이용해 일부 단면을 더 크게 해서 전체 시스템 전도성 손실을 낮추는 것이 가능하다.
실시예에서, 도체(330)의 양을 늘리면 허용 가능한 수준의 무게 증가 또는 재료 비용으로 총 저항을 낮출 수 있다. 도체층의 패턴(도 3c에는 도시되지 않음)을 통한 방법과 같이 도체(330)의 양을 늘리면 기기 효율이 높아지고 고정자를 더 강하고 단단하게 만들 수 있다. 또한 도체가 추가되기 때문에 층을 연결하거나 예를 들어 모터의 일시적인 증속 구동이 가능하도록 일시적인 과열에 대한 방열체가 되는 재료를 더 많이 제공할 수 있는 추가적인 옵션을 이용할 수 있다. 와전류 손실과 저항 손실을 최소화하도록 성형된 도체로 가용 체적을 충진하기 위한 동일한 기술을 알루미늄, 그래핀, 구리, 기타 금속 및 비금속 도체에 적용할 수 있다.
조립체(306)는 모터 조립체의 일부가 되는 자석을 예시하지 않는다. 앞서 말한 것처럼, 적층된 도체(330)를 두 개의 자석층 사이에 끼울 수도 있고(조립체(200)에 예시된 것처럼), 두 개의 도체층(330) 사이에 자석층을 끼울 수도 있다. 전통적인 모터는 강철 또는 다른 적합한 재료의 더 높은 자석 공기 투과성을 이용하는 실리콘 강철 적층체를 포함한다. 이러한 실리콘 강철 적층체는 자기장 세기 증가를 상쇄시키는 여러 가지 단점이 있다. 한 가지 단점을 예로 들면 모터 정류 중에 자기장이 전후로 전환되면서 히스테리시스 손실이 발생할 수 있다는 것이다. 자기장이 전후로 전환되면서 포화될 수 있고, 이로 인해 생성될 수 있는 최대 자기장을 제한한다. 또한 전통적인 적층체는 무게를 늘리고 추가 도체에 사용할 수 있는 체적을 점유한다.
실시예에서, 고정자 조립체(306)의 적층 도체는 영구 자석 축방향 자속 모터에 사용된다. 영구 자석을 사용해 강철 적층체를 제거할 수 있고, 이로 인해 생기는 여유 공간을 추가 도체(330)로 대체할 수 있다. 조립체(306)에 사용되는 도체(330)의 양을 늘리면 자기 저항이 증가하는 경향이 있고 같은 양의 전류에 대해 추가적인 자기력이 생성된다. 실시예에서, 조립체(306)로 설계된 모터는 추가적인 극, 추가적인 자성 재료, 추가적인 도체, 더 큰 고정자 반경 또는 이러한 것들의 조합을 활용한다. 극의 개수, 자성 재료의 양 또는 반경이 늘어나면 주어진 체적과 중량에서 더 높은 출력과 토크를 생산할 수 있다. 이러한 증가는 더 적은 재료에 대해 상대적인 전환 속도를 요구할 수 있고, 작동 전압과 자기극 개수 및 재료의 양을 늘릴 수 있다.
모터 및 기타 전자기 기계는 일반적으로 열이 제한되는 장치이므로, 와전류 손실 감소와 저항 손실 감소를 병행하면 모터 효율이 더 높아진다. 실시예에서, 코팅(340)은 도체(330)보다 기계적 강도가 더 높다. 기계적 강도는 모터 작동(회전, 가열)에 의해 생성되는 힘에 견디는 능력을 말한다. 전통적인 모터 설계에서는 절연체가 구리 또는 알루미늄 전선보다 기계적으로 더 약하고, 모터에서 전선의 배치 상태를 유지하기 위해 추가적인 구조물이 필요하다. 뉴튼의 법칙에 따라, 연속 펄스로 회전자를 전진시키거나 분할체를 움직이기 위해서 EMF가 가해질 때 전선과 절연체는 누르고 당기는 힘을 받는다. 그러한 누르고 당기는 작용은 절연체에 힘을 가해서 모터 연소를 일으킬 수 있다. 코팅(340)이 도체(330)보다 기계적 강도가 더 높은 실시예에서, 모터의 기계적 특성이 반전되고 절연체가 고정자를 위한 구조물 역할을 할 수 있다. 따라서 실시예에서, 추가적인 구조물이 요구되는 대신에, 고정자 조립체(306)는 프레임이 없는 모터를 위한 구조물이 되거나 그 자체로 기계적 시스템이 될 수 있다. 실시예에서, 도체(330)를 교대로 적층해서 테두리가 교대로 겹쳐지고, 절연 양극 산화 사파이어 코팅이 파손되더라도 테두리가 다른 테두리와 접촉되지 않고 평탄면과 접촉된다. 양극 산화 사파이어 코팅은 산소에 노출되면 시간이 지남에 따라 자연적으로 복구되기 때문에 이러한 교대 적층 구조는 모터의 자가 복구를 가능하게 만든다. 재료가 겹쳐지기 때문에 재료의 층이 서로 문질러질 때 진동 문제를 줄일 수 있다.
와전류 손실과 저항 손실로 인해 고정자에 문제가 발생하면 모터 동력은 열적으로 제한된다. 또한 이러한 손실은 뒤틀림, 과열, 초과 가열로 인한 윤활 소실 또는 이러한 것들의 조합에 의한 기계적 고장을 일으킬 수도 있다. 효율을 80퍼센트에서 90퍼센트로 10퍼센트만큼 높이면 전체 동력 소비량의 측면에서 큰 것처럼 보이지 않을 수도 있지만, 그러한 효율성 향상은 폐열과 냉각 요구량을 50퍼센트만큼, 총 동력의 20%에서 10%로 낮출 수 있다. 따라서 소폭의 효율성 향상이더라도 냉각 요건을 제거할 수 있고, 그러한 냉각 요건은 그 자체의 동력, 크기, 구성품 비용을 갖는다.
도 4a-4b는 도체 코일의 실시예에 대한 도면이다. 도 4a의 코일(402)과 도 4b의 코일(404)은 도체층의 전기 통로 패턴을 보여주는 조감도이다. 실시예에서, 코일(402)은 도 3c에 예시된 조립체(306)의 도체(330)에 따른 도체층의 한 예이다. 실시예에서, 코일(404)은 도 3c에 예시된 조립체(306)의 도체(330)에 따른 도체층의 한 예이다. 코일(402)은 분할체가 4개인 도체층의 예를 나타내고, 코일(404)은 분할체가 6개인 도체층의 예를 나타낸다. 도체층의 각 분할체는 도체층의 중심에서 도체층의 바깥쪽으로 이어지고 다시 중심으로 연결되는 전기 통로의 분할부라고 간주할 수 있으며, 안쪽 테두리에서 바깥쪽 테두리까지 잇는 바퀴살과 바깥쪽 테두리에서 안쪽 테두리까지 잇는 바퀴살을 포함한다. 또는, 그러한 분할부는 도체층의 바깥쪽에서 도체층의 중심으로 이어지고 다시 바깥쪽으로 연결되는 전기 통로의 일부분이라고 간주할 수 있다.
코일(402)의 경우, 이 코일은 도체층의 평면 내에서, 중심(410) 주위로 방사상으로 퍼져나가는 전기 경로를 포함한다. 코일(402)은 안쪽 연결부(432)와 바깥쪽 연결부(434)를 잇는 바퀴살(420)을 포함한다. 안쪽 연결부(432)는 중심(410)과 가까운 도체층 내에 있다. 바깥쪽 연결부(434)는 도체층의 바깥쪽 테두리와 가깝다. 예시된 것처럼, 코일(402)은 인접한 바퀴살(420) 사이에 바깥쪽 연결부와 안쪽 연결부가 교대로 형성되어 있다. 이와 같이 교대로 형성되어 있는 연결부는 도체층의 코일형 전기 통로를 제공한다. 전통적인 권선의 3차원 경로와 비교했을 때 그러한 경로는 하나의 조감도에서 "2차원" 경로로 간주할 수 있다. 3차원 경로는 회전이 모두 3차원으로 이루어지지만, 2차원 경로는 회전이 평면 내로 국한된다.
코일(402)와 비슷하게 코일(404)의 경우, 이 코일은 도체층의 평면 내에서, 중심(410) 주위로 방사상으로 퍼져나가는 전기 경로를 포함한다. 코일(404)은 안쪽 연결부(432)와 바깥쪽 연결부(454)를 잇는 바퀴살(440)을 포함한다. 안쪽 연결부(452)는 중심(410)과 가까운 도체층 내에 있다. 바깥쪽 연결부(454)는 도체층의 바깥쪽 테두리와 가깝다. 예시된 것처럼, 코일(404)은 인접한 바퀴살(440) 사이에 바깥쪽 연결부와 안쪽 연결부가 교대로 형성되어 있다. 이와 같이 교대로 형성되어 있는 연결부는 도체층의 코일형 전기 통로를 제공한다. 전통적인 권선의 3차원 경로와 비교했을 때 그러한 경로는 하나의 조감도에서 "2차원" 경로로 간주할 수 있다. 3차원 경로는 회전이 모두 3차원으로 이루어지지만, 2차원 경로는 회전이 평면 내로 국한된다.
바퀴살과 연결부의 물리적인 치수는 도체층의 분할부 또는 분할체가 얼마나 많이 있는지에 따라 다를 수 있다. 도체층은 4개 또는 6개의 일부분으로 제한되지 않고 홀수 개수를 포함해 임의의 개수의 분할부를 포함할 수 있다. 분할부의 형태, 크기, 개수는 모터의 실시예에 따라 결정될 수 있다. 추가로, 두 가지 코일(402, 404)에 대해 비슷한 형태의 바퀴살과 연결부가 예시되었지만, 다른 형태를 사용할 수도 있다. 바퀴살은 더 두껍거나 얇을 수 있고, 연결부도 마찬가지이다. 실시예에서, 바퀴살(420, 440)은 중심(410)에서 고정자 테두리로 멀어질수록 더 넓어진다. 이러한 가변성 바퀴살 너비는 고정자 조립체 내에서 충진될 수 있는 도체의 양이 늘릴 수 있다. 실시예에서, 바퀴살(420) 또는 바퀴살(440) 또는 둘 모두 안쪽 연결부에서 바깥쪽 연결부까지 일정한 너비를 갖는다. 서로 다른 바퀴살 너비를 도체층의 가변성 단면적으로 관찰할 수 있다.
일반적으로 도체층과 관련해서, 분할부의 개수 또는 바퀴살의 크기와 형상에 상관없이, 도체층이 적층되어 고정자 조립체를 형성한다. 이전에 실시한 것처럼 강철 철심 주위의 권선 대신에, 코일(402, 404)이 중심(410)을 기준으로 방사상으로 휘감기고, 인접한 층과 직렬로 또는 병렬로 연결되어 고정자 조립체의 층 사이에서 도체의 더 많은 전기 통로를 제공할 수 있다.
예를 들어, 알루미늄 도체층에서 만들어지는 코일(404)에 대한 논의를 고려한다. 이 논의는 다른 도체의 층과 다른 코팅에 적용할 수 있는 것으로 이해된다. 실시예에서, 코일(404)은 여러 개의 알루미늄층 중 하나이다. 실시예에서, 코일(404)은 알루미늄 판재를 가공해서 만들어진다. 이와 같이 가공되는 알루미늄은 방사상으로 감기도록 조절되는 직사각형 구성품으로 만들어질 수 있다. 실시예에서, 코일(404)은 도체를 한 번 또는 여러 번 스탬핑 또는 커팅 작업해서 만들어진다. 가공된 도체는 절연체 코팅으로 전기적 전도성 경로를 갖도록 처리된다. 실시예에서, 여러 개의 층을 결합해서 도체를 만든 후 가공해서 코팅을 형성한다. 실시예에서, 여러 개의 층을 만들고 가공해서 코팅을 만든 후 층을 결합한다. 도체 또는 코일을 고정자로 만들 수 있으며, 이에 따라 주어진 체적에서 도체의 양을 늘릴 수 있고 요구되는 절연체의 양과 와전류 및 벌크 저항으로 인한 손실을 줄일 수 있다.
전자기 기계를 위한 자기장의 직선형, 회전형 또는 고정형 커플링에 대한 응용 분야에 따라 특정한 특성을 최적화하기 위해서 결합, 절단, 스탬핑의 순서를 바꿀 수 있다. 도체를 직렬과 병렬, 치수, 층 개수, 전류 경로의 복잡성을 다르게 만들어서 기계를 원하는 성능, 효율성, 전압, 최대 전류 수송 용량으로 조정할 수 있다. 실시예에서, 바퀴살(440)과 안쪽 연결부(452), 바깥쪽 연결부(454)는 레이저, 플라즈마, 워터 제트, 스탬핑 또는 기타 공정 또는 이러한 것들을 조합한 공정으로 알루미늄을 절단해서 만들 수 있다. 실시예에서, 바퀴살(440)은 더 나아가 반경선 또는 중심(410)을 한가운데로 하는 원의 반경을 따라 이어지고 안쪽 연결부(452)와 바깥쪽 연결부(454) 사이를 잇는 선을 절단해서 가공할 수 있다. 그러한 절단도 레이저, 플라즈마, 워터 제트, 스탬핑 또는 기타 공정 또는 이러한 것들을 조합한 공정으로 구현될 수 있다. 아래에 설명한 기타 도면은 바퀴살의 전류 경로에서 분할체를 만들기 위한 반경선을 더 명확하게 예시한다.
바퀴살을 여러 개의 평행한 분할체로 나누면 전류 경로를 한 방향으로 제한하고, 절연층과 제거된 재료에 의해 상실되는 체적만큼 다른 치수에서 전류 경로가 줄어든다. 최소한 도체 코일의 분할부에 대해 여러 개의 평행한 전류 경로가 형성되면, 가장 큰 전류 수송 용량을 제공하고 와전류 및 벌크 저항 손실을 줄이는 구성을 선택해서 성능을 조절할 수 있다. 실시예에서, 평행한 경로를 갖는 도체층의 분할부는 도체층이 자석층의 자석을 통과하는 최근접 분할부로 제한된다. 코일(404)에 예시된 바에 따라, 실시예에서, 층을 안쪽 테두리나 바깥쪽 테두리에서 또는 교대로 결합해서 원하는 두께의 층을 연결하도록 설계할 수 있다. 절단부와 테두리의 위치를 교대로 배열해서 층을 겹치면 도체층 또는 평판이 고정되지 않고 움직임으로 인해 마모가 발생해 유발되는 집중적인 마찰로 인한 고장과 과열을 방지할 수 있다.
실시예에서, 코일(404)은 고정자의 전통적인 절연체를 양극 산화 알루미늄으로 대체하며, 이러한 양극 산화 알루미늄은 사파이어라고도 부르는 산화알루미늄이고, 이러한 구조는 여러 가지 장점을 갖는다. 양극 산화 기술로 알루미늄 도체의 층 표면을 산화알루미늄 또는 사파이어로 변환시킬 수 있으며, 이러한 산화알루미늄 또는 사파이어는 단단하고 강하고 내화학성이 있고 전기 절연성이 높으면서도 열 전도성이 좋은 코팅이다. 이에 따라, 코일(404)을 사용해 전통적인 모터에 비해 효율성, 내구성, 강도, 용량이 향상된 고정자를 만들 수 있다.
양극 산화 처리는 사파이어를 생성하며, 이러한 사파이어는 공극, 돌기, 틈새, 균열, 여러 두께를 가져서 미세 구조가 스펀지와 유사한 재료로서 전통적인 전선 절연체와 비교해 유전 또는 절연 특성이 더 우수하다. 추가로, 사파이어는 폴리이미드, 플라스틱, 에나멜, 종이, 기타 흔히 사용되는 전선 코팅과 비교해 훨씬 더 단단하고 내구성이 높고 열 전도성이 약 100배 더 높다. 사파이어의 유전 상수는 밀리미터당 10킬로볼트를 넘는다(>10 kV/mm). 사파이어의 체적 저항은 10 exp 14 ohm*cm를 넘는다. 따라서, 사파이어의 체적 저항은 대략 실리콘과 비슷하다. 하지만 사파이어의 열 전도성은 30 W/mK이지만, 실리콘 고무 절연체의 열 전도성은 0.3 W/mK이다. 100배 더 높은 열 전도성은 열 전달을 향상시켜 모터의 과열 위험을 낮춘다.
최신 제조 기술을 사용하면 사파이어 코팅 알루미늄은 제조 비용이 상대적으로 비싸지 않으며, 산소가 있으면 자연적으로 산화 또는 복구되어 자가 수리가 가능하다. 실시예에서, 알루미늄을 양극 산화 처리해서 전도성 알루미늄 표면을 산화알루미늄 또는 사파이어로 변환시킬 수 있다. 사파이어 코팅은 단단하고 강하고 내화학성이 있고 전기 절연성이 높으면서도 열 전도성이 좋다. 사파이어 코팅 알루미늄을 적층해 만든 코일 또는 고정자는 전통적인 모터와 비교해 효율, 내구성, 강도, 증속 구동력을 강화한다.
사파이어 코팅을 만들기 위해 양극 산화 처리한 후 도체를 구부리면 균열이 발생하는 것으로 이해된다. 따라서 전통적인 권선에 사용하기 위한 사파이어 코팅 전선은 불가능할 것이다. 하지만 평탄한 도체층을 적층함으로써 사파이어 코팅의 균열을 최소화하거나 그러한 균열의 영향을 줄일 수 있다. 예를 들어 그러한 균열은 층을 연결하는 부분으로 제한할 수 있기 때문에, 연결 부분의 단락은 고정자의 성능에 거의 또는 전혀 유의한 영향을 미치지 않는다. 얇은 산화알루미늄 코팅은 알루미늄 가체보다 녹는점이 더 높아서 사파이어 코팅 알루미늄 도체의 고정자를 사용하는 모터는 연소가 발생하기 어렵다. 유전체, 절연체 또는 플라스틱이 과열되고 파손되어 단락을 일으키는 전통적인 고장을 줄이거나 없앨 수 있으며, 이에 따라 본 문서에 나온 설명에 따른 모터는 전통적인 모터보다 더 견고하다.
도 5는 접힘부와 굴곡부가 있는 도체 경로의 실시예에 대한 도면이다. 조립체(500)는 코일(402 또는 404)의 실시예에 따른 적층 코팅 도체의 분할체의 예를 제시한다. 조립체(500)에 예시된 분할체는 바퀴살(510)을 포함한다. 바퀴살(510)은 도체의 다른 층(512)의 적층된 바퀴살을 나타낸다. 각 바퀴살(510)은 전류에 대한 전기 통로(530)를 제공한다. 코팅층(512)을 갖는 여러 가지 전기 통로(530)를 각 층마다 분리할 수 있다. 층은 병렬로 또는 직렬로 또는 이들의 조합으로 다양하게 연결해서 서로 다른 전류 용량의 조합 또는 서로 다른 전압을 제공할 수 있다.
개구부(540)는 두 바퀴살(510) 사이의 공간을 나타낸다. 실시예에서, 조립체(500)는 개구부(540)를 포함하고, 이 개구부는 하나 또는 여러 개의 다른 도체층과 포개질 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 실시예에서, 조립체(500)는 도체층의 여러 적층체가 포개질 수 있도록 굴곡부(522, 524)를 포함한다. 실시예에서, 조립체(500)에는 굴곡부가 없는 최소 하나의 도체층 적층체와 포개진다. 실시예에서, 조립체(500)에는 굴곡부도 있는 최소 하나의 도체층 적층체와 포개진다. 실시예에서, 여러 도체층 적층체가 포개진 경우, 굴곡부는 다른 것과 비교해 한 적층체의 전기 통로 길이를 변화시킨다. 전자 공학 기술을 사용해서 서로 다른 적층체마다 달라지는 전기 통로 길이를 감안해서 다른 경로를 구동하는 작업 주기를 제어할 수 있다.
실시예에서, 조립체(500)는 전자기 동력을 구동할 수 있도록 자기장을 제공하는 방사상의 전류 경로를 제공하기 위해 전기 통로(530)의 접힘부가 형성되어 있다. 접힘부는 완전한 방사상 경로(예를 들어 접힌 경로의 360도)를 형성하도록 결합된 조립체(500)에 따라 여러 가지 구성 요소에서 발생되는 사형을 말한다. 접힘부에 의해 형성되는 형상은 완전한 원형 경로를 갖는 두 개의 코일에 비해 총 경로 길이가 줄어든다.
도 6a는 세 가지 위상의 코팅 도체 박판의 실시예에 대한 도면이다. 도면(602)는 낮은 전압과 높은 와전류를 생성하도록 물리적으로 혼합되도록 설계된 세 가지 위상을 예시한다. 실시예에서, 평탄 도체(620)는 위상 1을 의미하며, 평탄 코일이라고 부를 수도 있다. 위상은 임의로 지정되며, 서로 다른 포개진 코일에 대해 서로 다른 위상을 갖도록 시스템을 설계할 수 있다.
도면(602)은 상부 도체(630) 또는 상부 코일을 예시하며, 이러한 상부 도체는 위상 2를 의미한다. 도면(602)은 하부 도체(640) 또는 하부 코일을 예시하며, 이러한 상부 도체는 위상 3을 의미한다. 마찬가지로, 위상은 임의로 지정되며, 그림은 예시를 위해서만 제공된다. 추가로, 도체(630)을 "상부" 코일이라고 부르고 도체(640)를 "하부" 코일이라고 부르는 것은 도면(602)의 특정한 방향을 바탕으로 임의로 지정한 것이다. 실시예에서, 도면(602)에 따른 3상 고정자가 적용된 모터는 도체(620, 630, 640)의 평면을 지면과 수평하게 또는 지면과 수직으로 또는 지면에 대해 임의의 각도로 두고 설치하고 사용할 수 있다.
도면(602)은 각각의 도체(620, 630, 640)에 십자선을 포함하며, 이 십자선은 포갤 수 있도록 상호에 대한 상대적인 위치를 나타낸다. 예를 들어, 평탄 도체(620)를 "중간" 도체로 삼아서, 십자선이 이 도체의 중심점을 기준으로 정렬되어 있다. 상부 도체(630)의 경우에는 도체가 십자선 중심점 위에서 약간 벗어난 것으로 나와 있고, 하부 도체(640)의 경우에는 도체가 십자선 중심점 아래에서 약간 벗어난 것으로 나와 있다. 십자선을 기준으로 상부 도체(630)의 바퀴살의 한쪽 테두리에서 십자선이 어떻게 정렬되는지 볼 수 있으며, 그러한 한쪽 테두리는 하부 도체(640)의 바퀴살의 상보적 테두리와 정렬되고, 십자선은 평탄 도체(620)의 두 바퀴살 사이의 가운데를 분할한다. 도체들이 서로 어떻게 포개지는지 이해될 것이다. 그리고 상부 도체와 하부 도체에 굴곡부가 있기 때문에, 세 가지 서로 다른 위상의 적층체의 교대 바퀴살로 구성되는 상대적으로 평탄한 고정자 코어 표면이 형성된다. 평탄 고정자 코어는 서로 다른 적층체의 바퀴살이 서로 인접하도록 배치되도록 대략적으로 공심을 이루며 서로 번갈아 포개진 적층체로 구성된다. 평탄 도체(620)의 경로 길이는 도체(630, 640)의 두 개의 굴곡형 또는 윤곽형 코일보다 사실상 더 짧은 것으로 이해된다. 전통적으로 그러한 편평하지 않은 경로 길이는 불규칙한 힘을 생성한다. 실시예에서, 고상 컨트롤러(예를 들어 디지털 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서)는 불균일한 경로 길이에 대해 디지털적으로 보정하도록 도면(602)의 고정자 조립체를 구동시킨다. 이러한 디지털 보정은 더 복잡한 제어 소프트웨어보다 더 낮은 비용의 기계 시스템을 구현한다.
따라서, 예시된 것처럼, 실시예에서, 고정자 조립체는 각각 여러 층으로 이루어진 여러 개의 적층체를 포함한다. 각 적층체는 여러 층의 코팅 도체 코일을 포함하며, 이러한 코일은 본 문서에 설명된 실시예에 따라 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예에서, EMF를 구동하기 위해 요구되는 전압을 낮출 수 있도록 하나의 도체 적층체의 일부 또는 전체 층이 병렬로 연결된다. 실시예에서, 요구되는 전압을 높일 수 있도록 하나의 도체 적층체의 일부 또는 전체 층이 직렬로 연결된다. 실시예에서, 적층체는 사형의 둘 이상의 코일을 포함하며, 그러한 코일은 서로 접혀 포개져서 고정자를 위한 구조를 형성한다. 서로의 안쪽에서 층이 포개져서 체적당 도체의 총량이 증가할 수 있는 것으로 이해된다. 이와 같이 층이 포개지는 구조는 추가적으로 마모와 인접한 층의 단락 가능성을 최소화한다.
도 6b는 세 가지 위상의 도체가 적층되어 하나의 고정자 조립체를 형성하는 단면도의 실시예에 대한 도면이다. 도면(604)은 도 6a의 도면(602)의 고정자 조립체의 단면적을 예시하며, 서로 다른 도체 적층체가 중심점을 기준으로 정렬된다.
도면(604)의 조감도는 상부 도체(630)와 하부 도체(640)의 만곡 부분을 더 명확하게 예시하며, 도체(620)의 적층체는 평탄하다. 그러한 도체층 적층체를 서로 포개서 고정자 코어의 틈새를 거의 완전하게 채울 수 있고, 이러한 구조는 주어진 체적당 최대량의 도체를 자석 배열과 인접한 곳에 배치할 수 있게 해준다. 주어진 체적당 도체의 양이 증가하면 저항 손실을 줄일 수 있다. 실시예에서, 같은 형상의 비분할 코일에 비해서 판재 두께의 제곱만큼 와전류 손실을 줄이는 알루미늄 또는 기타 도체 재료로 만든 박판층 적층체를 포함한다. 이러한 박판은 와전류 손실을 낮추고 전류를 구동하는 데 필요한 전압을 높일 수 있다.
도 6c는 세 가지 위상의 도체가 적층되어 하나의 고정자 조립체를 형성하는 조감도의 실시예에 대한 도면이다. 도면(606)은 서로 포개진 도체 적층체의 또 다른 조감도를 예시한다. 위상 1, 위상 2, 위상 3으로 예시되었지만, 실시예에서, 적층 조립체는 도체를 어떻게 연결하는지에 따라 단상, 2상 또는 3상을 포함할 수 있다. 각 적층체에 여러 개의 도체층이 있기 때문에, 실시예에서, 도면(606)의 고정자 조립체는 3개를 초과한 위상을 수용할 수 있다. 위상 개수를 늘리면 최대 토크 사이의 각도 회전이 줄어들고, 더 좁은 도체를 요구함으로써 전류 수송 용량이 낮아진다.
도 7은 3상 고정자 코어 조립체의 실시예에 대한 도면이다. 조립체(700)는 도 6a, 6b, 6c의 도면(602, 604, 606)에 따른 고정자 조립체의 한 예를 제시한다. 조립체(700)는 3상 시스템의 한 예를 제시할 수 있다. 조립체(700)는 포개진 도체(722, 724, 726)를 포함한다. 도면에서 각각의 참조 번호는 동일한 도체 코일의 가장 가까운 바퀴살을 가리키는 두 화살표를 포함하며, 이러한 두 화살표는 번갈아 포개진 도체 코일의 바퀴살에 의해 분리된다. 따라서, 예를 들어, 조립체(700)는 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면서 보았을 때, 도체(724) 바퀴살, 인접한 도체(722) 바퀴살, 인접한 도체(726) 바퀴살, 인접한 도체(724) 바퀴살을 포함하며, 이와 같은 패턴이 반복된다.
조립체(700)는 도체(722, 724, 726)에 의해 제공되는 방사상 전류 경로를 포함한다. 이러한 방사상 전류 경로로 되어 있어 전류가 중심(710)을 기준으로 방사상으로 흐를 수 있고, 그러한 중심은 회전축과의 경계면을 제공한다. 안쪽 테두리(732)는 중심(710)과 가깝고, 바깥쪽 테두리(734)는 중심(710)과 가장 멀리 떨어진 도체의 일부분이다. 안쪽 테두리(732)에서 바깥쪽 테두리(734)로 이어지면서 각 바퀴살의 단면적이 변하는 것을 볼 수 있으며, 이러한 구조는 고정자에 들어갈 수 있는 도체 재료의 양을 늘린다.
실시예에서, 조립체(700)는 축방향 자속 자석 배열 사이에 작은 틈새를 허용하는 평탄 방사상 섹션을 포함한다. 이 평탄 방사상 섹션은 코팅 도체 바퀴살의 표면이 안쪽 테두리(732)와 바깥쪽 테두리(734) 사이에 위치한다. 평탄 방사상 섹션은 상대적으로 큰 냉각 표면적을 제공할 수 있다. 또한 이러한 조립체(700) 설계는 전류에 대한 경로를 여전히 유지하면서 자기장 외부의 재료의 양을 줄인다.
도 8a는 전류 루프를 줄이기 위해서 여러 개의 분할체로 나누어진 도체의 실시예에 대한 도면이다. 앞서 말한 것처럼, 얇은 코팅 도체 박판을 사용해 더 두꺼운 도체와 비교해서 와전류 손실을 줄일 수 있다. 전선 형태의 도체는 일반적으로 단면적 또는 지름이 고정되어 있고, 저항은 모터에서 일반적으로 사용되는 전환 주파수를 위한 재료의 양을 바탕으로 한다. 더 작은 단면적은 같은 도체의 더 큰 단면적보다 저항 손실이 더 크다. 하지만 단면적이 더 크면 충진 효율이 작고 권선 개수가 낮아질 수 있다. 전통적으로 모터 설계를 위해서, 최소 체적 및 충전 요건에 의해 전압과 전류를 결정하는 원하는 회전수가 가능하도록 전선이 선택된다.
도체 적층체(810)에 따른 고정자는 가용 공간 또는 체적을 이용할 수 있도록 도체의 일부 단면을 더 크게 만들어서 전체 시스템 전도성 손실을 낮출 수 있으며, 이러한 구조는 전통적인 전선이 균일한 단면적을 갖는 것과 반대이다. 실시예에서, 도체 적층체(810)는 산화알루미늄으로 양극 산화 처리된 여러 층의 알루미늄을 포함한다. 도체에 패턴을 넣음으로써, 전류 경로(812)가 단면적이 더 큰 섹션을 포함할 수 있다. 이렇게 하면 약간의 무게 증가 또는 재료 비용을 감수하더라도 추가적인 알루미늄에 의해 총 저항을 줄일 수 있다. 추가적인 도체 재료는 모터의 기계적 효율성을 향상시키고 고정자를 더 강하고 튼튼하게 만든다. 또한 도체의 양이 증가하기 때문에 층을 연결하거나 일시적인 과열에 대한 방열체가 되는 재료를 더 많이 제공할 수 있는 추가적인 옵션을 이용할 수 있다.
자석 배열로 로터를 회전시키기 위해 요구되는 EMF를 생성하기 위해서, 시스템은 도체를 통해 전류를 공급하며, 다른 도체 또는 자석의 자기장이 이동함에 따라 전류를 변화시킨다. 하지만 상대적인 자기장의 운동은 렌츠의 법칙에 따라 그러한 운동과 반대되는 자기장을 생성하는 것으로 이해된다. 도체 적층체(810)는 자기장이 도체(810) 근처에서 움직이는 운동 방향과 수직으로 향한 자석에서 유도된 와전류(814)를 예시한다. 화살표와 문자 'B'는 자석 조립체로 인한 자속의 방향을 나타낸다. 전류 경로(812)를 포함하는 고정자 위에서 자기장(B)이 움직이는 자석 조립체는 그러한 운동과 반대인 와전류(814)를 유도한다.
도체(810)에서 생성된 와전류(814)는 순환하고, 이로 인해 극복해야 하는 자기장이 생성되며, 결과적으로 손실을 일으킨다. 이러한 손실은 경로를 더 작게 만들고 전류 루프가 서로 상쇄시키도록 여러 도체를 병렬로 배치해서 줄일 수 있다. 하지만 전통적인 시스템에서 병렬 도체를 사용하면 추가적인 기계적 복잡성, 추가 절연체 같은 문제가 생기고, 추가 절연체가 도체의 가용량을 줄이기 때문에 저항 손실이 증가한다. 예시된 것처럼, 도체 적층체(810)는 도체를 상대적으로 얇은 층으로 분할한다. 이와 같이 여러 층으로 분할하면 같은 체적의 비분할 도체와 비교해 더 많은 전류 경로(812)를 만들 수 있다. 도체층은 병렬 경로를 제공하며, 도체 코팅은 절연체의 역할을 하지만 절연 체적을 상당히 추가하지는 않는다.
실시예에서, 도체 적층체(810)는 알루미늄이나 구리 또는 기타 금속 도체를 포함한다. 실시예에서, 도체 적층체(810)는 그래핀이나 기타 비금속 도체를 포함한다. 금속 도체이든 비금속 도체이든, 도체 적층체(810)는 가용 체적의 도체 충진율을 높일 수 있고, 이에 따라 와전류 손실과 저항 손실을 낮출 수 있다.
도 8b는 분할된 전류 경로를 갖는 도체에서 와전류의 실시예에 대한 도면이다. 도체(820)는 단면(822)을 갖는 도체를 나타내며, 그러한 단면에서 와전류(824)가 유도된다. 도체(830)는 동일한 도체(820)가 4개의 분할체로 나누어진 형태를 나타내며, 각 분할체는 더 작은 단면(832)을 갖는다. 와전류(834)는 와전류(824)보다 와전류 손실을 일으키는 전류 루프가 더 작다. 와전류 손실은 단면적 감소의 제곱에 비례해 감소한다고 이해된다. 따라서, 너비 또는 단면적을 둘로 자르면 와전류 손실이 4배 감소되고, 단면적을 셋으로 자르면 와전류가 9배 감소되고, 계속 이렇게 이어진다.
와전류를 줄이기 위해 자속에 노출되는 표면적을 줄이는 원리를 적용했을 때, 도체 적층체(840)는 도 8a의 도체 적층체(810)와 비슷하지만 분할된 전류 경로(842)를 갖는 도체 적층체를 예시한다. 전류 경로(842)는 도체 적층체(810)의 전류 경로(812)보다 더 좁다. 실시예에서, 전류 경로(842)는 레이저 절단, 워터 제트, 금속 스탬핑, 유도 용접 또는 기타 제조 기술 또는 이러한 것들의 조합을 사용해 원하는 방향에서는 전류 흐름에 대한 저항이 낮고 원하지 않는 방향에서는 전류에 대한 임피던스가 높은 층을 생성하도록 성형된다. 따라서, 전류 경로(842)는 전류 수송 용량을 최대화하는 동시에, 자기장의 상대적 운동에서 발생하는 와전류(844)로 인한 와전류 손실을 줄일 수 있다.
실시예에서, 도체 적층체(840)는 여러 층의 알루미늄 또는 기타 도체를 포함하며, 이러한 층은 스탬핑 또는 절단 또는 그러한 것들의 조합에 의해 가공되고 하나의 적층체로 결합되어 고정자를 위한 도체로서 전기적 전도성 경로의 절연 적층체로 만들어진다. 스탬핑, 절단, 결합, 절연체 가공 순서는 바뀔 수 있다. 전류 경로(842)의 특정한 특성을 최적화하기 위해서 결합, 절단, 스탬핑의 순서를 바꿀 수 있고, 이렇게 해서 전자기 기계를 위한 자기장의 직선형, 회전형 또는 고정형 커플링에 대한 응용 적합성을 향상시킬 수 있다. 코팅 도체는 체적 내에서 도체의 양을 최대화하고 요구되는 절연체의 양을 최소화한다. 도체 적층체(840)는 직렬 및 병렬 도체의 여러 구성을 포함할 수 있고, 이러한 구성은 여러 가지 치수, 층 개수, 전류 경로의 형상과 복잡성의 다양화 또는 이러한 것들의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 다양화를 통해 기기를 조절해서 성능, 효율성, 전압 또는 최대 전류 수송 용량 같은 성능을 원하는 대로 조합할 수 있다.
실시예에서, 도체 적층체(840)는 같은 도체 평면에서 여러 개의 전류 경로(842)를 포함하며, 이러한 여러 전류 경로는 서로 전기적으로 연결되지 않는다. 실시예에서, 도체 적층체(840)는 자석 배열이 통과하는 도체 경로를 따라서만 분리되는 여러 개의 전류 경로(842)를 포함하며, 이러한 여러 전류 경로는 바깥쪽 테두리, 안쪽 테두리 또는 둘 다에서 연결될 수 있다(예를 들어, 도 9a와 도 9b 비교). 많은 박판을 길게 절단해서 전류 경로(842)를 분할하면 와전류(844)가 감소한다. 도체 적층체(840)는 여러 개의 얇은 도체를 포함할 수 있으며, 평행한 전류 경로(842)는 운동 방향과 수직에서는 전기적으로 결합되지만 운동 방향에서는 전기적으로 분리된다.
실시예에서, 여러 층의 도체 적층체(840)를 안쪽 테두리에서 연결할 수 있다. 실시예에서, 여러 층의 도체 적층체(840)를 바깥쪽 테두리에서 연결할 수 있다. 실시예에서, 여러 층의 도체 적층체(840)를 안쪽과 바깥쪽 테두리에서 교대로 접합해서 연결할 수 있다. 실시예에서, 도체 적층체(840)의 교대로 배열된 층은 층이 겹칠 때 절단부와 테두리의 위치가 서로 다르다. 그러한 편차는 평판이 고정되지 않고 움직임으로 인해 마모가 발생해 유발되는 집중적인 마찰로 인한 고장과 과열을 방지할 수 있다. 예를 들어, 하나의 도체층에 세 개의 개별적인 경로가 표시된 전류 경로(842)를 살펴본다. 그 다음 도체층이 두 개의 개별적인 경로를 갖는 경우, 해당 층의 한 절단부는 예시된 층의 두 절단부와 겹치지 않고, 이로 인해 층의 전기적 분리가 증가될 수 있다. 그밖의 변화도 설명된 바에 따라 이해된다.
도 9a는 분할된 전류 경로를 갖는 도체의 평면도의 실시예에 대한 도면이다. 도체층(910)은 전류 루프 사이에 부분적인 또는 전체적인 분리가 이루어진 평탄층을 예시한다. 도체층(910)은 분할된 바퀴살(912)을 포함하지만, 도체층 주변으로 끝까지 경로를 완성하는 도체로 인한 방사상의 전류 경로가 형성되기 때문에 이 도체에서 전류가 원하는 방향을 따라 흐를 수 있다. 실시예에서, 분할화는 안쪽 테두리(922)와 바깥쪽 테두리(924)에서 발생한다. 실시예에서, 안쪽 테두리(922)와 바퀴살이 분할되어 있고 바깥쪽 테두리(924)는 분할되어 있지 않다. 실시예에서, 바깥쪽 테두리(924)와 바퀴살이 분할되어 있고 안쪽 테두리(922)는 분할되어 있지 않다. 예시된 것처럼, 도체층(910)은 여러 개의 병렬 전류 경로가 자석 조립체의 자기극 운동에 대해 직각으로 배열된 바퀴살을 포함한다. 그림 8b와 관련해 위에서 설명한 바에 따라, 도체층(910)은 같은 패턴 또는 다른 패턴을 갖는 다른 층과 적층할 수 있다. 실시예에서, 교대로 배열된 층은 분할된 바퀴살을 갖고, 하나 또는 여러 개의 층이 분할된 바퀴살을 갖지 않거나 분할체가 거의 없다. 3개 이상의 분할체가 가능하다.
도 9b는 부분적으로 분할된 전류 경로를 갖는 도체의 평면도의 실시예에 대한 도면이다. 도체층(930)은 도체의 일부분이 부분적으로 분할된 평탄 고정자층을 예시한다. 특히, 도체(930)는 분할된 바퀴살(932)를 포함하며, 안쪽 테두리(942)와 바깥쪽 테두리(944)는 분할되지 않았다. 따라서, 도체(930)는 도체층의 방사상 전류 경로에서 분할된 전류 경로 부분(932)과 비분할된 전류 경로 부분(934)을 포함한다. 바퀴살을 분할하면 와전류가 자석 운동(952)을 바탕으로 바퀴살에서 유도된다는 사실 때문에 와전류 루프가 분리된다. 자석 범위(954)는 자석 조립체의 자석 부품이 도체층(930)을 통과하는 대략적인 범위를 나타낸다. 실시예에서, 분할된 부분(932)이 자석 범위(954)의 너비와 대략적으로 같은 길이에 대해 방사상으로 이어진다. 이처럼 방사상으로 절단 또는 분리된 부분은 세분량의 제곱만큼 와전류를 감소시킨다. 실시예에서, 경로의 중심은 안쪽 테두리(942)에 의해 표현되고, 바깥쪽 테두리(944)에 의해 표현되는 말단 경로는 주요 자기장의 바깥쪽에 있기 때문에 와전류의 영향을 덜 받는다. 경로의 일부분이 주요 자기장의 바깥쪽에 있기 때문에, 순환 전류가 원하는 와전류 손실보다 낮은 경우, 도체층(930)은 완전히 분할된 도체층과 비교해 기계적 강성을 향상시킬 수 있다.
도 10a는 층이 바깥쪽 테두리에서 결합되는 사형 권선의 실시예에 대한 도면이다. 도체(1010)는 본 문서에서 설명된 실시예에 따라 도체 적층체에 사용되는 코팅 도체층의 예를 제시한다. 도체(1010)는 분할체가 6개인 사형 권선이며, 이러한 사형 권선은 6개의 전통적인 코일과 비교해 전도 경로를 줄이는 한편, 추가적인 도체를 겹칠 수 있는 기계적 경로를 제공한다. 도체를 겹치거나 번갈아 포개면 체적 밀도를 높일 수 있고, 하나의 위상 또는 둘 이상의 위상을 허용할 수 있다. 실시예에서, 도체(1010)는 바깥쪽 테두리의 연결부(1012)에서 적층체의 다른 층과 연결된다. 실시예에서, 연결부(1012)를 사용해 여러 개의 도체 코일을 도체 재료와 동일한 평면에서 만들고(예를 들어 같은 금속 박판에서 스탬핑), 그 다음 서로 구부리거나 접어 포갤 수 있다. 따라서, 여러 개의 층을 연결부(1012)에서 결합한 후 접거나 구부려서 도체 적층체를 만들 수 있다. 연결부(1012)가 도체(1010)의 전류 경로에 어떻게 연결되는지 그리고 다른 층과 어떻게 연결되는지에 따라, 연결부(1012)는 인접한 층에 대해 병렬 연결부를 제공할 수도 있고 인접한 층에 대해 직렬 연결부를 제공할 수도 있다. 실시예에서, 바깥쪽 테두리 연결부(1012)는 안쪽 테두리가 자유 유동 상태가 될 수 있게 해주며, 이에 따라 고정자가 도체(1010)의 중심을 관통하는 샤프트(도시되지 않음)를 중심으로 회전할 수 있다.
도 10b는 층이 안쪽 테두리에서 결합되는 사형 권선의 실시예에 대한 도면이다. 도체(1020)는 본 문서에서 설명된 실시예에 따라 도체 적층체에 사용되는 코팅 도체층의 예를 제시한다. 도체(1020)는 분할체가 6개인 사형 권선이며, 이러한 사형 권선은 6개의 전통적인 코일과 비교해 전도 경로를 줄이는 한편, 추가적인 도체를 겹칠 수 있는 기계적 경로를 제공한다. 도체를 겹치거나 번갈아 포개면 체적 밀도를 높일 수 있고, 하나의 위상 또는 둘 이상의 위상을 허용할 수 있다. 실시예에서, 도체(1020)는 안쪽 테두리의 연결부(1022)에서 적층체의 다른 층과 연결된다. 실시예에서, 연결부(1022)를 사용해 여러 개의 도체 코일을 도체 재료와 동일한 평면에서 만들고(예를 들어 같은 금속 박판에서 스탬핑), 그 다음 서로 구부리거나 접어 포갤 수 있다. 따라서, 여러 개의 층을 연결부(1022)에서 결합한 후 접거나 구부려서 도체 적층체를 만들 수 있다. 연결부(1022)가 도체(1020)의 전류 경로에 어떻게 연결되는지 그리고 다른 층과 어떻게 연결되는지에 따라, 연결부(1022)는 인접한 층에 대해 병렬 연결부를 제공할 수도 있고 인접한 층에 대해 직렬 연결부를 제공할 수도 있다.
실시예에서, 안쪽 테두리 연결부(1022)는 바깥쪽 테두리가 자유 유동 상태가 될 수 있게 해주며, 이에 따라 고정자가 중심에 있는 샤프트(도시되지 않음)와 연결될 수 있고, 전체 조립체가 바깥쪽 테두리의 바깥쪽에 있는 하우징(도시되지 않음)에 대해 상대적으로 유동 상태가 될 수 있다. 인휠 모터와 그밖에 샤프트에 고정되는 장치의 경우, 도체(1020)로 인해 바깥쪽 테두리가 자유 유동 상태가 될 수 있다.
도 11a는 코일 조립체의 평탄 위상에 올려진 할바흐 배열 장치의 실시예에 대한 도면이다. 조립체(1110)는 번갈아 포개진 코일 조립체 또는 도체 조립체 위에 놓인 할바흐 배열을 예시한다. 조립체(1110)는 도체 코어(1112)를 포함하며, 이 도체 코어는 본 문서에서 설명된 실시예에 따라 코팅 도체층의 적층체를 포함할 수 있다. 조립체(1110)는 할바흐 구조의 자석 배열(1114)을 포함한다. 특정적으로 도시되지는 않았지만, 이중 축방향 할바흐 배열은 도체 코어(1112)의 반대쪽 면에도 자석 배열을 포함한다. 실시예에서, 조립체(1110)는 도체 코어(1112)와 인접한 하나의 자석 배열(1114)을 포함한다. 실시예에서, 조립체(1110)는 도체 코어(1112)와 인접한 두 개의 자석 배열(1124)을 포함하며, 이 도체 코어(1112)는 두 개의 자석 배열 사이에 위치한다.
도체 코어(1112)는 중심(1116) 주위에 도체가 있다. 자석 배열(1114)은 또한 중심(1116)을 기준으로 원형의 패턴으로 되어 있다. 중심(1116)은 샤프트 또는 회전자를 포함할 수 있다. 실시예에서, 도체 코어(1112)는 전기 모터를 위한 고정자 코어를 제공한다. 실시예에서, 자석 배열(1114)은 도체 코어(1112)와 작은 공극으로 분리된다. 자석 배열(1114)은 공극으로 분리되었더라도 도체 코어(1112)와 인접한 것으로 간주할 수 있다. 예를 들어, 자석 배열(1114)은 도체 코어(1112)를 뒤덮는 하우징에 장착해서 예시된 구조로 고정시킬 수 있다. 실시예에서, 자석 배열(1114)은 직사각형이 아니지만 조립체(1110)의 원형 주위에서 공간을 채우기 위한 형상을 갖는 자석을 포함한다.
도 11b는 이중 축 할바흐 배열의 실시예에 대한 도면이다. 조립체(1120)는 번갈아 포개진 코일 조립체 또는 도체 조립체 위에 놓인 할바흐 배열을 예시한다. 조립체(1120)는 도체 코어(1122)를 포함하며, 이 도체 코어는 본 문서에서 설명된 실시예에 따라 여러 개의 바퀴살(1128)을 갖는 코팅 도체층의 적층체를 포함할 수 있다. 조립체(1120)는 할바흐 구조의 자석 배열(1124)을 포함한다. 특정적으로 도시되지는 않았지만, 이중 축방향 할바흐 배열은 도체 코어(1122)의 반대쪽 면에도 자석 배열을 포함한다. 실시예에서, 조립체(1120)는 도체 코어(1122)와 인접한 하나의 자석 배열(1124)을 포함한다. 실시예에서, 조립체(1120)는 도체 코어(1122)와 인접한 두 개의 자석 배열(1124)을 포함하며, 이 도체 코어(1122)는 두 개의 자석 배열 사이에 위치한다.
도체 코어(1122)는 중심(1126) 주위에 도체가 있다. 자석 배열(1124)은 또한 중심(1126)을 기준으로 원형의 패턴으로 되어 있다. 중심(1126)은 샤프트 또는 회전자를 포함할 수 있다. 실시예에서, 도체 코어(1122)는 전기 모터를 위한 고정자 코어를 제공한다. 실시예에서, 자석 배열(1124)은 도체 코어(1122)와 작은 공극으로 분리된다. 자석 배열(1124)은 공극으로 분리되었더라도 도체 코어(1122)와 인접한 것으로 간주할 수 있다. 예를 들어, 자석 배열(1124)은 도체 코어(1122)를 뒤덮는 하우징에 장착해서 예시된 구조로 고정시킬 수 있다. 실시예에서, 자석 배열(1124)은 직사각형 자석을 포함하며, 이 직사각형 자석은 조립체(1120)의 원형 주변에 있는 자석 사이에 작은 틈새를 만든다. 조립체(1120)는 조립체(1110)와 비교해 더 많은 자석을 예시하며, 이에 따라 더 많은 자기극을 제공한다. 조립체(1110)는 더 많은 자석을 포함할 수 있고 조립체(1120)는 더 적은 자석을 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 따라서, 자석의 형태는 배열 내의 자석 개수와 반드시 관련이 있는 것은 아니다. 자기극이 더 많으면 자기극이 더 적은 것과 비교해 모터 또는 발전기로서 작동하는 횟수가 더 많이 생성되거나 요구된다.
도 11a 및 도 11b와 관련해, 조립체(1110, 1120)의 구조는 냉각이 가능하다. 고정자 조립체이 나선형 운동을 하므로, 공기 또는 유체가 원심력에 의해 중심에서 바깥쪽으로 움직인다. 회전면이 가속되면서 공기 또는 유체가 접선 방향의 운동을 생성하고, 이에 따라 순열이 바깥쪽으로 방사상으로 이송된다. 사파이어 또는 기타 코팅은 열 전달 능력이 있기 때문에, 그러한 코팅은 열을 도체에서 방출시킬 수 있고, 냉각 회전 운동이 열을 조립체에서 방출한다. 도체층과 자석 조립체 사이에 공급이 있기 때문에, 공기 또는 기타 유체가 도체와 자석 사이를 통과할 수 있다. 따라서 모터 작동에 사용되는 구조와 운동이 요구되는 냉각을 제공할 수 있다. 유도자의 하나 또는 여러 개의 위상을 거의 분할되지 않은 고정자에 형성하면 회전축 중심에서 들어오는 냉각용 유체나 가스의 구심성 유동으로 열을 방출할 수 있는 견고한 구조를 만들 수 있다. 냉각 작용으로 열이 도체 표면으로 전달되면, 유체 또는 가스가 회전자 표면에서 열을 이송하고, 나선형으로 회전해서 고정자에서 열을 제거한다. 디지털 제어 방식의 최신 모터 제어기를 사용하면 전류와 전압 특성을 변경해서 속도, 토크, 동력 요건을 디지털 방식으로 바꿀 수 있다. 여러 개의 위상을 갖는 실시예에서, 서로 다른 위상이 서로 다른 물리적 구조와 서로 다른 전기적 경로 길이를 갖더라도, 디지털 제어는 각 위상이 전기적으로 그리고 물리적으로 동일하도록 디지털 방식으로 구현할 수 있다.
도 12a는 사형 경로의 도체층이 할바흐 배열과 인접한 모터 조립체의 실시예에 대한 도면이다. 조립체(1200)는 본 문서에서 설명된 실시예에 따라 코팅 도체층이 있는 모터 조립체의 예를 제시한다. 조립체(1200)는 바퀴살(1212)이 달린 6개의 분할체를 포함하며, 자석 배열(1216)에 의해 상대적으로 많은 수의 자기극을 갖는다. 자석 배열(1216)은 자석 사이에 틈새가 있는 배열의 예를 제시한다. 도체 코어(1210)는 샤프트 또는 회전축에 대한 중심(1214)을 갖는 코팅 도체 적층체를 포함한다. 복잡하거나 나선으로 된 사형 전류 경로는 조립체(1200)에 대한 전압 요건을 높일 수 있고, 자기극의 개수를 증가시킨다. 회로 기판으로 외부적으로, 층의 연결부를 용접해서, 또는 기계적 접합을 통해서 층간 연결을 구현할 수 있다. 도체 적층체는 저항 손실을 최소화하는 밀집된 도체 경로를 제공하도록 적층되는 도체 평판으로 간주할 수 있다. 도체 코어(1210)의 구조는 더 고온의 중심 부분에서 열을 방출하기 위한 열 교환기로 작용할 수 있다.
실시예에서, 조립체(1200)는 모터의 일부이다. 처음에 관절 운동을 하는 로봇 장치의 예를 고려해 본다. 완전 정지 상태에서 중량물을 들어올리기 위해 요구되는 토크를 생성하기 위해서, 작동팔과 중량물을 가속하기 위해 요구되는 초기의 동력은 높지만, 일단 운동 상태가 되면 일정한 속도를 지속하기 위한 동력은 베어링 손실을 극복하기 위한 초기의 동력과 비교해 매우 낮다. 시작하거나 중지하기 위한 초기의 또는 주기적인 운동은 평균 동력보다 훨씬 크고, 평균 동력 요건보다 몇 배 더 많이 요구된다. 하지만 더 높은 동력은 몇 초 정도와 같이 상대적으로 짧은 시간 동안에만 필요하다고 이해된다.
실시예에서, 조립체(1200)의 구조 덕분에 지속된다면 고장을 일으키기에 충분할 정도로 높은 전류 또는 전압 또는 둘 모두의 조건에서 모터의 증속 구동이 가능하다. 하지만 그러한 전류 또는 전압 또는 둘 모두의 조건을 짧은 기간 동안에만 가동하고 몇 초 동안 냉각을 시키기 때문에, 시스템이 높은 동력 기간을 유지할 수 있고 더 작고 가벼운 모터를 만들 수 있다. 조립체(1200) 구조는 층간 열 전동성을 높여서 냉각 성능을 향상시킨다. 추가적으로, 실시예에서, 모터는 일시적인 동력 급변동이 발생하더라도 구동될 수 있고, 과열이 발생할 가능성은 낮다. 과열 가능성이 낮기 때문에 초과 전류로 모터를 일시적으로 구동할 수 있어 전통적으로 사용하는 것보다 더 작은 모터를 사용할 수 있다. 증속 구동을 두 배로 실시하거나 심지어 안정 상태로 사용할 수도 있다. 더 작은 모터를 사용하면 비용과 모터 무게를 줄일 수 있고, 조립체(1200)에 따른 전기 모터의 응용 분야를 확대할 수 있다. 일반적으로 모터의 크기는 최고 성능 요건에 맞게 결정되지만, 그러한 요건은 전체 사용 시간의 10퍼센트에도 미치지 못한다. 그러한 모터 설계는 추가적인 무게, 비용, 복잡성을 요구한다. 최고 동력 요건을 충족시키기 위해 모터를 일시적으로 증속 구동시킬 수 있으므로 모터 크기를 평균적으로 요구되는 부하에 맞게 결정한다면, 성능 저하 없이 더 작고 가볍고 비용 효과적인 모터 설계가 가능하다.
예를 들어, 로봇 부품 또는 관절을 초기에 움직이기 위해 요구되는 동력과 비슷하게, 전기 항공기의 이륙 또는 기동 중에 수직 이착륙에 필요한 동력은 순항에 필요한 동력보다 높을 수 있다. 조립체(1200)에 따른 적층 코일 고정자로 만든 모터는 짧은 기간 동안 높은 열 출력과 더 낮은 효율을 견딜 수 있다. 원하는 고도 또는 안정 상태 작동에 도달하면, 모터 제어기가 동력 출력을 낮추고 모터의 지정된 최적 효율 범위 내에서 작동할 수 있다. 이와 비슷하게, 전기 자동차를 멈춘 상태에서 출발하기 위해 가속할 때, 공칭 동력의 5배가 요구될 수 있다. 예를 들어, 바퀴당 공칭 정격이 10킬로와트인 바퀴가 4개라면 몇 초 동안 200킬로와트(268마력)를 생산할 수 있다. 동일한 모터는 시간당 55마일로 주행하는 동안 높은 효율로 작동할 수 있고, 더 가볍고 작기 때문에 바퀴당 공칭 50킬로와트 모터보다 더 적은 현가하 질량을 갖는다.
도 12b는 도체층과 하우징을 갖는 모터 조립체의 실시예에 대한 도면이다. 시스템(1220)은 도 12a에 나온 조립체(1200)의 실시예에 따른 모터 조립체의 한 예이다. 시스템(1220)은 중심점이 중심(1224)에 위치한 바퀴살(1222)을 갖는 도체 코어(1232)를 예시하며, 그러한 중심에는 샤프트 또는 회전축이 위치할 수 있다. 시스템(1220)은 도체 코어(1232)와 인접한 자석 배열(1234)을 포함한다. 시스템(1220)은 또한 하우징(1236)을 예시하며, 그러한 하우징은 금속 또는 세라믹 또는 기타 내열 재료로 만든 하우징을 나타낸다. 실시예에서, 하우징(1236)은 자석 배열(1234)의 자석을 고정시킨다. 하우징(1236)은 도시된 것보다 클 수 있고, 예를 들어 모든 도체 코어(1232)를 덮을 수 있다.
실시예에서, 시스템(1220)은 서로 다른 층 또는 서로 다른 도체 적층체 또는 둘 모두를 연결하기 위한 연결자(1242, 1244)를 포함한다. 여러 위상이 사용되는 실시예에서, 연결자(1242, 1244)는 여러 위상에 대한 연결점을 제공할 수 있다. 실시예에서, 연결자(1242, 1244) 또는 둘 모두는 조립체의 내부에, 중심(1224)과 가까이 위치할 수 있다. 특정적으로 도시되지는 않았지만, 시스템(1220)은 샤프트을 위한 하나 또는 여러 개의 베어링을 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 연결자가 중심(1224)에 있는 실시예에서, 시스템(1220)은 도체 코어 바깥쪽 주변으로 하나 또는 여러 개의 베어링을 포함할 수 있다.
도 13a는 리니어 할바흐 배열의 정자기 유한 요소 시뮬레이션의 실시예에 대한 도면이다. 도면(1310)은 리니어 할바흐 배열의 정자기 유한 요소 시뮬레이션의 자기장선을 예시한다. 자석 배열(1320)의 할바흐 배열은 한쪽으로 자기장을 집중시켜 손실을 줄이고 백 아이언의 필요성을 줄이고 강철 적층체 없이 선형, 방사형, 축방향의 모터 설계를 구현한다. 백 아이언이 없으면 코깅 및 와전류 손실이 감소한다. 본 문서에 설명된 것처럼, 할바흐 배열에 적층된 코팅 도체를 적용할 수 있다. 도면(1310)은 자석 배열(1320)의 한쪽에 강한 자기장(1312)이 형성되고 자석 배열(1320)의 반대쪽에 약한 자기장(1314)이 형성되는 것을 예시한다. 더 어두운 음영은 더 밀집된 자기장을 나타낸다. 고정자는 강한 자기장(1312) 방향에 위치한다.
전통적인 모터는 종종 강철 또는 다른 적합한 재료의 더 높은 자석 공기 투과성을 이용하는 실리콘 강철 적층체를 갖는다. 하지만 이러한 적층체는 자기장 세기 증가를 상쇄시키는 여러 가지 단점이 있다. 이러한 적층체는 모터 정류 중에 자기장이 전후로 전환되면서 히스테리시스 손실을 일으키고, 포화되기 때문에 생성될 수 있는 자기장의 최대량이 제한되고, 무게가 증가되고, 추가적인 도체에 사용될 수 있는 체적을 점유한다. 예를 들어 영구 자석 축방향 선속 모터와 같은 몇몇 전동 기계에서, 강철 적층체를 제거하고 본 문서에 설명된 코팅 도체 적층체를 기반으로 한 고정자를 사용하면 여유 체적에 더 많은 도체를 채워넣을 수 있다. 도체량이 증가하면 자기 저항이 높아지지만, 동일한 전류가 흐르기 때문에 추가적인 자기력이 생성된다. 공간이 허용된다면, 축방향 선속 모터를 위한 첨단 설계를 추가적인 극, 추가적인 자석 재료, 추가적인 도체, 더 커진 반경으로 최적화할 수 있고, 이에 따라 주어진 체적과 무게에 대해 더 큰 동력과 토크를 생산할 수 있다. 동일한 모터가 더 높은 전환 속도, 전압, 자기극, 재료를 요구할 수 있다. 더 적은 손실과 열이 생성되는 도체에 의해 자기장이 생성될 수 있다면, 그러한 시스템은 이익이 된다. 그러한 타협점은 90퍼센트가 족히 넘는 모터 효율성으로 이어질 수 있다. 본 문서에 설명된 바에 따른 고정자는 생산 비용 효과적이고 효율적인 모터를 제공할 수 있다.
도 13b는 듀얼 할바흐 배열의 정자기 유한 요소 시뮬레이션의 실시예에 대한 도면이다. 도면(1330)은 서로 마주보는 두 개의 리니어 할바흐 배열의 정자기 유한 요소 시뮬레이션의 자기장선을 예시한다. 자석 배열(1342)와 자석 배열(1344)의 할바흐 배열은 배열 사이에 자기장을 집중시켜 손실을 줄인다. 듀얼 할바흐 배열과 본 문서에 설명된 코팅 도체를 사용한 모터는 백 아이언의 필요성을 줄이고 강철 적층체 없이 선형, 방사형, 축방향의 모터 설계를 구현할 수 있다. 도면(1330)은 자석 배열(1342)과 자석 배열(1344)의 대향측에 강한 자기장(1332)이 형성되는 것을 예시한다. 자석 배열(1342)과 자석 배열(1344)의 비대향측에 약한 자기장(1334)이 형성된다. 더 어두운 음영은 더 밀집된 자기장을 나타낸다. 고정자는 강한 자기장(1332)의 자석 배열 사이에 위치한다. 듀얼 자석 배열이 있는 실시예에서, 그러한 배열은 하나 또는 여러 개의 하우징 부품과 함께 배치할 수 있고, 고정자 조립체의 자석 배열과 평탄부 사이에 공극이 있도록 배치될 수 있다.
도 14는 모터 조립체의 실시예에 대한 도면이다. 조립체(1400)는 회전축 또는 샤프트가 도시된 조립체를 예시한다. 특히, 조립체(1400)는 도체(1410)를 포함하며, 이 도체는 본 문서에서 설명된 실시 예에 따는 코팅 도체이다. 조립체(1400)는 하우징(1430)에 의해 고정되는 할바흐 배열(1420)을 포함한다. 회전축(1440)은 고정자 조립체의 중심에서 결부되는 샤프트 또는 회전축을 나타낸다. 조립체(1400)의 실제 구현물은 일반적으로 완전히 외함에 둘러싸이고 운동 부품과 고정 부품 사이에 베어링이 설치되는 것으로 이해된다. 일부의 모터 설계에서는 샤프트가 고정자 조립체에 고정된다. 기타의 모터 설계에서는 샤프트가 고정된 고정자 조립체에 대해 상대적으로 회전한다. 조립체(1400)는 둘 중 어떤 유형의 모터 설계도 지원할 수 있다.
예를 들어, 조립체(1400)는 고정자 조립체를 회전축(1440)에 결합하기 위한 기계적 결합부를 포함하거나 포함하도록 개조될 수 있다. 그러한 설계에서 회전자는 샤프트의 주위로 자유롭게 회전할 수 있다. 그러한 설계는 휠 모터 응용 분야에서 유용할 수 있다. 또 다른 예를 들면, 조립체(1400)는 고정자 조립체를 모터 하우징에 결합하기 위한 기계적 결합부를 포함하거나 포함하도록 개조될 수 있다. 그러한 설계에서 회전자는 회전축(1440)에 고정될 수 있다.
한 측면에서, 고정자 조립체는 고정자 중심점 주위로 방사상 형태로 첫 번째 평면에 자석이 설치된 자석 조립체 및 그러한 자석 조립체와 인접한 고정자 코어를 포함하며, 그러한 고정자 코어는 여러 층의 코팅 도체 적층체를 갖는 고정자 코어이고, 그러한 도체는 직사각형 단면으로 되어 있고 절연 코팅이 도체와 화학적으로 결합된다.
실시예에서, 직사각형 단면은 고정자 중심점과 가까운 곳에서 단면적이 더 작고 고정자 중심점에서 먼 곳에서 단면적이 더 크다. 실시예에서, 도체는 패턴을 갖는 금속판으로 구성된다. 실시예에서, 도체는 알루미늄으로 구성되고 코팅은 사파이어로 구성된다. 실시예에서, 도체는 구리로 구성되고 코팅은 다이아몬드로 구성된다. 실시예에서, 도체의 한 층은 여러 개의 바퀴살을 포함하며, 바퀴살은 고정자 중심점과 가까운 곳에서 층의 인접한 바퀴살과 전기적으로 결합되고, 바깥 테두리와 가까운 곳에서 층의 다른 인접한 바퀴살과 전기적으로 결합된다. 실시예에서, 고정자는 여러 층의 코팅 도체로 이루어진 여러 개의 적층체가 있다. 실시예에서, 여러 개의 적층체는 첫 번째 적층체가 두 번째 적층체에 포개질 수 있는 구조로 되어 있고, 첫 번째 적층체의 바퀴살은 두 번째 적층체의 바퀴살과 인접해서 그리고 실지적으로 공면상에서 번갈아 포개진다. 실시예에서, 여러 개의 적층체는 첫 번째 적층체가 첫 번째 위상을 갖고 두 번째 적층체가 첫 번째 위상과 다른 두 번째 위상을 갖도록 구성된다. 실시예에서, 바퀴살은 첫 번째와 두 번째 자석 조립체의 자기극 운동과 직각으로 정렬된 여러 개의 병렬 전류 경로를 포함한다. 실시예에서, 바퀴살의 여러 개의 병렬 전류 경로는 고정자의 중심점과 가까운 곳에서 전기적으로 결합되도록 하나의 전류 경로로 결합되고, 고정자의 바깥쪽 테두리와 가까운 곳에서 전기적으로 결합되도록 하나의 전류 경로로 결합된다. 실시예에서, 여러 층의 도체는 사형의 금속 코일로 구성되고, 그러한 코일은 서로 접혀 포개진다. 실시예에서, 최소 두 개의 도체층이 병렬로 연결된다. 실시예에서, 최소 두 개의 도체층이 직렬로 연결된다. 실시예에서, 자석 조립체는 첫 번째 자석 조립체로 구성되며, 추가적으로 고정자 중심점 주위로 방사상 형태로 첫 번째 평면과 평행한 두 번째 평면에 자석이 설치된 두 번째 자석 조립체로 구성되며, 여기서 고정자 코어는 첫 번째와 두 번째 자석 조립체 사이에 위치한다.
한 측면에서, 모터 조립체는 모터 하우징; 회전자; 샤프트; 고정자 중심점 주위로 방사상 형태로 첫 번째 평면에 자석이 설치된 첫 번째 자석 조립체; 고정자 중심점 주위로 방사상 형태로 첫 번째 평면과 평행한 두 번째 평면에 자석이 설치된 두 번째 자석 조립체; 첫 번째와 두 번째 자석 조립체 사이에 위치하는 고정자 코어로 구성되며, 그러한 고정자 코어는 여러 층의 코팅 도체 적층체를 갖고, 그러한 도체는 직사각형 단면으로 되어 있고 절연 코팅이 도체와 화학적으로 결합된다.
실시예에서, 도체의 한 층은 여러 개의 바퀴살을 포함하며, 바퀴살은 고정자 중심점과 가까운 곳에서 층의 인접한 바퀴살과 전기적으로 결합되고, 바깥 테두리와 가까운 곳에서 층의 다른 인접한 바퀴살과 전기적으로 결합되며, 그러한 도체는 알루미늄으로 구성되고 코팅은 사파이어로 구성된다. 실시예에서, 모터 조립체는 리니어 모터로 구성된다. 실시예에서, 추가적으로 고정자 조립체를 샤프트에 결합하기 위한 기계적 결합부로 구성되며, 여기서 회전자는 샤프트 주위로 자유롭게 회전하고, 고정자 코어의 인접한 층이 고정자 중심과 가까운 곳에서 서로 연결된다. 실시예에서, 모터 조립체는 휠 모터의 모터로 구성된다. 실시예에서, 추가적으로 고정자 조립체를 모터 하우징에 결합하기 위한 기계적 결합부로 구성되며, 여기서 회전자는 샤프트에 고정되고, 고정자 코어의 인접한 층이 고정자의 바깥쪽 테두리와 가까운 곳에서 서로 연결된다. 실시예에서, 직사각형 단면은 고정자 중심점과 가까운 곳에서 단면적이 더 작고 고정자 중심점에서 먼 곳에서 단면적이 더 크다. 실시예에서, 도체는 패턴을 갖는 금속판으로 구성된다. 실시예에서, 도체는 알루미늄으로 구성되고 코팅은 사파이어로 구성된다. 실시예에서, 도체는 구리로 구성되고 코팅은 다이아몬드로 구성된다. 실시예에서, 도체의 한 층은 여러 개의 바퀴살을 포함하며, 바퀴살은 고정자 중심점과 가까운 곳에서 층의 인접한 바퀴살과 전기적으로 결합되고, 바깥 테두리와 가까운 곳에서 층의 다른 인접한 바퀴살과 전기적으로 결합된다. 실시예에서, 고정자는 여러 층의 코팅 도체로 이루어진 여러 개의 적층체가 있다. 실시예에서, 여러 개의 적층체는 첫 번째 적층체가 두 번째 적층체에 포개질 수 있는 구조로 되어 있고, 첫 번째 적층체의 바퀴살은 두 번째 적층체의 바퀴살과 인접해서 그리고 실지적으로 공면상에서 번갈아 포개진다. 실시예에서, 여러 개의 적층체는 첫 번째 적층체가 첫 번째 위상을 갖고 두 번째 적층체가 첫 번째 위상과 다른 두 번째 위상을 갖도록 구성된다. 실시예에서, 바퀴살은 첫 번째와 두 번째 자석 조립체의 자기극 운동과 직각으로 정렬된 여러 개의 병렬 전류 경로를 포함한다. 실시예에서, 바퀴살의 여러 개의 병렬 전류 경로는 고정자의 중심점과 가까운 곳에서 전기적으로 결합되도록 하나의 전류 경로로 결합되고, 고정자의 바깥쪽 테두리와 가까운 곳에서 전기적으로 결합되도록 하나의 전류 경로로 결합된다. 실시예에서, 여러 층의 도체는 사형의 금속 코일로 구성되고, 그러한 코일은 서로 접혀 포개진다. 실시예에서, 최소 두 개의 도체층이 병렬로 연결된다. 실시예에서, 최소 두 개의 도체층이 직렬로 연결된다. 실시예에서, 자석 조립체는 첫 번째 자석 조립체로 구성되며, 추가적으로 고정자 중심점 주위로 방사상 형태로 첫 번째 평면과 평행한 두 번째 평면에 자석이 설치된 두 번째 자석 조립체로 구성되며, 여기서 고정자 코어는 첫 번째와 두 번째 자석 조립체 사이에 위치한다.
본 문서에 설명된 것 이외에도, 적용 범위를 벗어나지 않고, 발명의 공개된 실시예와 구현물에 대한 다양한 변형물이 만들어질 수 있다. 따라서, 본 문서에 나온 예시와 예는 실례를 설명하고 제한적이지 않은 의미로 해석되어야 한다. 본 발명의 적용 범위는 아래에 나온 청구항에 대한 참조에 의해서만 측정해야 한다.

Claims (24)

  1. 고정자 조립체이며,
    고정자 중심점 주위로 방사상 형태로 첫 번째 평면에 영구 자석이 설치된 자석 조립체; 및
    자석 조립체와 인접한 고정자 코어로서, 고정자 코어는 복수의 적층제를 갖고, 복수의 적층제 각각은 여러 개의 바퀴살을 형성하는 여러 층의 도체 적층체를 갖고, 바퀴살은 고정자 중심점과 가까운 곳에서 안쪽 연결부에 의해 인접한 바퀴살과 전기적으로 결합되고, 고정자 바깥 테두리와 가까운 곳에서 바깥쪽 연결부에 의해 다른 인접한 바퀴살과 전기적으로 결합되고, 도체는 직사각형 단면으로 되어 있고, 바퀴살은 안쪽 연결부를 향해 좁아지고 바깥쪽 연결부를 향해 넓어지도록 변화하는 너비를 갖고, 도체는 비금속 요소를 도체에 화학적으로 결합으로써 생성되는 절연 코팅을 갖는, 고정자 코어를 포함하며,
    복수의 적층제는, 서로 포개지는 첫 번째 적층제, 두 번째 적층제 및 세 번째 적층제를 포함하고, 첫 번째 적층제의 두 바퀴살, 두 번째 적층제의 바퀴살 하나 및 세 번째 적층제의 바퀴살 하나가 첫 번째 평면에 평행한 두 번째 평면 내에 놓이도록, 첫 번째 적층제의 두 바퀴살 사이에서, 두 번째 적층제의 바퀴살 하나 및 세 번째 적층제의 바퀴살 하나는 서로 인접하여 교직(interleave)하며, 첫 번째 적층제의 안쪽 연결부 및 바깥쪽 연결부는 두 번째 평면과 공면상에 있고,
    두 번째 적층제의 바퀴살은 굴곡부를 포함하며, 두 번째 적층제의 안쪽 연결부는 첫 번째 적층제의 안쪽 연결부 위에 놓이고, 두 번째 적층제의 바깥쪽 연결부는 첫 번째 바깥쪽 연결부 위에 놓이고,
    세 번째 적층제의 바퀴살은 굴곡부를 포함하며, 첫 번째 적층제의 안쪽 연결부는 세 번째 적층제의 안쪽 연결부 위에 놓이고, 첫 번째 적층제의 바깥쪽 연결부는 세 번째 적층제의 바깥쪽 연결부 위에 놓이는,
    고정자 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 도체는 패턴을 갖는 금속판을 포함하는, 고정자 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    도체는 알루미늄을 포함하고, 비금속 요소는 산소를 포함하며, 도체는 도체 상에 사파이어 코팅을 생성하기 위해 알루미늄에 화학적으로 결합된 산소를 갖는, 고정자 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    도체는 구리를 포함하고, 비금속 요소는 탄소를 포함하며, 도체는 도체 상에 다이아몬드 코팅을 생성하기 위해 구리에 화학적으로 결합된 탄소를 갖는, 고정자 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    복수의 적층체는 첫 번째 전기적 위상을 갖는 첫 번째 적층체와, 첫 번째 전기적 위상과 다른 두 번째 전기적 위상을 갖는 두 번째 적층체를 포함하고, 세 번째 적층제는 첫 번째 전기적 위상 또는 두 번째 전기적 위상과 다른 세 번째 전기적 위상을 갖는, 고정자 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    바퀴살은 첫 번째와 두 번째 자석 조립체의 자기극 운동과 직각으로 정렬된 여러 개의 병렬 전류 경로를 포함하는, 고정자 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    바퀴살의 복수의 병렬 전류 경로는 고정자의 중심점과 가까운 곳에서 전기적으로 결합되도록 하나의 전류 경로로 결합되고, 고정자의 바깥쪽 테두리와 가까운 곳에서 전기적으로 결합되도록 하나의 전류 경로로 결합되는, 고정자 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    여러 층의 도체는 사형의 금속 코일을 포함하고 그러한 코일은 서로 접혀 포개지는, 고정자 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    최소 두 개의 도체층이 병렬로 연결되는, 고정자 조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    최소 두 개의 도체층이 직렬로 연결되는, 고정자 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    자석 조립체는 첫 번째 자석 조립체를 포함하고,
    고정자 중심점 주위로 방사상 형태로 첫 번째 평면과 평행한 세 번째 평면에 자석이 설치된 두 번째 자석 조립체를 더 포함하고,
    고정자 코어는 첫 번째와 두 번째 자석 조립체 사이에 위치하는, 고정자 조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    직사각형 단면은 고정자 중심점과 가까운 곳에서 단면적이 더 작고 고정자 중심점에서 먼 곳에서 단면적이 더 큰, 고정자 조립체.
  13. 제1항에 있어서,
    첫 번째 적층제의 도체의 물리적 길이가 두 번째 및 세 번째 적층제의 도체의 물리적 길이보다 짧고, 두 번째 적층제의 도체의 물리적 길이는 세 번째 적층제의 도체의 물리적 길이와 동일한, 고정자 조립체.
  14. 제13항에 있어서,
    각 도체의 물리적 길이 차이를 고려해서 첫 번째 적층제를 통해 구동되는 전하의 작업 주기(duty cycle), 두 번째 적층제를 통해 구동되는 전하의 작업 주기 및 세 번째 적층제를 통해 구동되는 전하의 작업 주기는 고정자 제어부가 제어하는, 고정자 조립체.
  15. 모터 조립체이며,
    모터 하우징;
    회전자;
    샤프트; 및
    고정자 조립체를 포함하고,
    고정자 조립체는,
    고정자 중심점 주위로 방사상 형태로 첫 번째 평면에 영구 자석이 설치된 첫 번째 자석 조립체;
    고정자 중심점 주위로 방사상 형태로 첫 번째 평면과 평행한 두 번째 평면에 영구 자석이 설치된 두 번째 자석 조립체; 및
    첫 번째 자석 조립체와 두 번째 자석 조립체 사이에 있는 고정자 코어로서, 고정자 코어는 복수의 적층체를 갖고, 복수의 적층제 각각은 여러 개의 바퀴살을 형성하는 여러 층의 도체를 갖고, 바퀴살은 고정자 중심점과 가까운 곳에서 안쪽 연결부에 의해 인접한 바퀴살과 전기적으로 결합되고, 고정자 바깥 테두리와 가까운 곳에서 바깥쪽 연결부에 의해 다른 인접한 바퀴살과 전기적으로 결합되고, 도체는 직사각형 단면으로 되어 있고, 바퀴살은 안쪽 연결부를 향해 좁아지고 바깥쪽 연결부를 향해 넓어지도록 변화하는 너비를 갖고, 도체는 비금속 요소를 도체에 화학적으로 결합으로써 생성되는 절연 코팅을 갖는, 고정자 코어를 포함하며,
    복수의 적층제는, 서로 포개지는 첫 번째 적층제, 두 번째 적층제 및 세 번째 적층제를 포함하고, 첫 번째 적층제의 두 바퀴살, 두 번째 적층제의 바퀴살 하나 및 세 번째 적층제의 바퀴살 하나가 첫 번째 평면에 평행한 두 번째 평면 내에 놓이도록, 첫 번째 적층제의 두 바퀴살 사이에서, 두 번째 적층제의 바퀴살 하나 및 세 번째 적층제의 바퀴살 하나는 서로 인접하여 교직하며, 첫 번째 적층제의 안쪽 연결부 및 바깥쪽 연결부는 두 번째 평면과 공면상에 있고,
    두 번째 적층제의 바퀴살은 굴곡부를 포함하며, 두 번째 적층제의 안쪽 연결부는 첫 번째 적층제의 안쪽 연결부 위에 놓이고, 두 번째 적층제의 바깥쪽 연결부는 첫 번째 바깥쪽 연결부 위에 놓이고,
    세 번째 적층제의 바퀴살은 굴곡부를 포함하며, 첫 번째 적층제의 안쪽 연결부는 세 번째 적층제의 안쪽 연결부 위에 놓이고, 첫 번째 적층제의 바깥쪽 연결부는 세 번째 적층제의 바깥쪽 연결부 위에 놓이는,
    모터 조립체.
  16. 제15항에 있어서,
    모터 조립체는 리니어 모터를 포함하는, 모터 조립체.
  17. 제15항에 있어서,
    고정자 조립체를 샤프트에 결합하기 위한 기계적 결합부로서, 회전자는 샤프트 주위로 자유롭게 회전하고, 고정자 코어의 인접한 층이 고정자 중심점과 가까운 곳에서 서로 연결되는, 기계적 결합부를 더 포함하는, 모터 조립체.
  18. 제17항에 있어서,
    모터 조립체는 인-휠 모터를 포함하는, 모터 조립체.
  19. 제15항에 있어서,
    고정자 조립체를 모터 하우징에 결합하기 위한 기계적 결합부로서, 회전자는 샤프트에 고정되고, 고정자 코어의 인접한 층이 고정자의 바깥쪽 테두리와 가까운 곳에서 서로 연결되는, 기계적 결합부를 더 포함하는, 모터 조립체.
  20. 제15항에 있어서,
    도체는 알루미늄을 포함하고, 비금속 요소는 산소를 포함하며, 도체는 도체 상에 사파이어 코팅을 생성하기 위해 알루미늄에 화학적으로 결합된 산소를 갖는, 모터 조립체.
  21. 제15항에 있어서,
    도체는 구리를 포함하고, 비금속 요소는 탄소를 포함하며, 도체는 도체 상에 다이아몬드 코팅을 생성하기 위해 구리에 화학적으로 결합된 탄소를 갖는, 모터 조립체.
  22. 제15항에 있어서,
    첫 번째 적층제, 두 번째 적층제 및 세 번째 적층제는 서로 포개져서, 첫 번째 적층제의 바퀴살, 두 번째 적층제의 바퀴살 및 세 번째 적층제의 바퀴살 사이에 틈새가 없는, 모터 조립체.
  23. 제15항에 있어서,
    첫 번째 적층제의 도체의 물리적 길이가 두 번째 및 세 번째 적층제의 도체의 물리적 길이보다 짧고, 두 번째 적층제의 도체의 물리적 길이는 세 번째 적층제의 도체의 물리적 길이와 동일한, 모터 조립체.
  24. 제23항에 있어서,
    각 도체의 물리적 길이 차이를 고려해서 첫 번째 적층제를 통해 구동되는 전하의 작업 주기, 두 번째 적층제를 통해 구동되는 전하의 작업 주기 및 세 번째 적층제를 통해 구동되는 전하의 작업 주기를 제어하는 고정자 제어부를 더 포함하는, 모터 조립체.
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