KR102613062B1 - 구조화된 자성 재료를 사용하는 구조체 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
조성물은 복수의 철-함유 입자들 및 상기 철-함유 입자들 상에 절연층을 포함한다. 상기 철-함유 입자들은 절연 경계에 의해 분리된 투자성의 마이크로-도메인의 집합체를 획정한다. 방법은, 철-알루미늄 합금 입자를 가열하는 단계, 철-알루미늄 합금 입자를 열 분무하는 단계, 철-알루미늄 합금 입자를 산화시키는 단계, 및 산화된 철-알루미늄 합금 입자를 기재상에 부착시키는 단계를 포함한다.
Description
본 명세서에 개시된 예시적이며 비한정적인 구현예들은 일반적으로 자성 재료 및 이러한 자성 재료를 포함하는 구조에 관한 것이며, 더 구체적으로는 에너지 효율적인 장치에 사용하기 위해 바람직한 특성을 갖는 연질 자성 재료(soft magnetic material)에 관한 것이다.
자동화된 기계 장치들은 일반적으로 전기 모터(electric motor)를 사용하여 상기 장치의 다양한 이동 요소에 병진 또는 회전 운동을 제공한다. 사용되는 전기 모터는 통상적으로 고정 요소들(stationary element)과 결합된 회전 요소들을 포함한다. 자석은 상기 회전 요소 및 고정 요소 사이에 위치된다. 코일은 고정 요소상의 연질 철 코어(soft iron core) 주위에 감겨있고, 상기 자석에 인접하여 위치된다.
전기 모터 작동에 있어서, 전류가 코일을 통과하고, 자기장이 발생하여 자석에 작용한다. 자기장이 자석에 작용할 때, 회전 요소의 한쪽 면은 밀고, 회전 요소의 반대쪽 면을 당겨서, 이에 의해 회전 요소가 고정 요소에 대하여 회전하게 한다. 회전 효율은 전기 모터의 제조에 사용되는 재료의 특성에 적어도 부분적으로 기초한다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
WO 2013/002840 A1 (2013.01.03.공개)
WO 2013/002841 A1 (2013.01.03.공개)
US 2008/023149 A1 (2008.09.25.공개)
US 2013/029208 A1 (2013.11.07.공개)
하기의 설명 내용은 단지 예시적인 것이고 청구범위를 제한하고자 하는 것이 아니다.
일 측면에 따르면, 조성물은 복수의 철-함유 입자들 및 상기 철-함유 입자들 상의 절연층을 포함한다. 상기 철-함유 입자들은 절연 경계에 의해 분리된 투자성의(permeable) 마이크로-도메인의 집합체를 획정한다(define).
다른 측면에 따르면, 방법은 철-알루미늄 합금 입자를 가열하는 단계; 상기 철-알루미늄 합금 입자를 열 분사하는(thermally spraying) 단계; 상기 철-알루미늄 합금 입자를 산화시키는 단계; 및 상기 산화된 철-알루미늄 합금 입자를 기재상에 부착(deposit)시키는 단계;를 포함한다.
다른 측면에 따르면, 장치는 하나 이상의 코어를 갖는 스테이터(stator); 상기 하나 이상의 코어 상의 코일; 상기 스테이터 내에 회전할 수 있게(rotatably) 장착된 로터(rotor); 및 상기 스테이터 및 상기 로터 사이에 장착된 하나 이상의 자석(magnet);를 포함한다. 상기 하나 이상의 코어는 철-함유 입자들 위에 배치된 산화물층을 갖는 철-함유 입자들에 의해 획정되는 조성물을 포함한다.
전술한 측면 및 다른 특징들은 첨부된 도면을 참고하여 하기의 설명을 통하여 설명된다.
도 1은 절연 경계에 의해 분리된 투자성의 마이크로-도메인의 집합된 마이크로 구조체(aggregate microstructure) 덩어리를 갖는 연질 자성 재료의 일 예시적인 구현예의 개략도이다;
도 2a 및 도 2b는 도 1의 연질 자성 재료를 형성하기 위한 철-알루미늄 합금의 부착(deposition) 공정의 개략도이다;
도 3a 내지 3c는 다양한 부착 기법을 사용하여 제조된 연질 자성 재료의 마이크로 구조체의 사진이다;
도 4a 내지 4c는 연질 자성 재료를 사용하여 제조된 구조체의 사진이다;
도 5a 내지 5d는 연질 자성 재료의 다양한 형태의 개략도이다;
도 6a는 연질 자성 재료를 사용하여 제조되는 고리 구조체(ring structure)의 개략도이다;
도 6b 내지 6d는 XZ면, YZ면, 및 XY면으로 등방성 특성을 도시하는 연질 자성 재료의 마이크로 구조체의 사진이다;
도 7은 연질 자성 재료를 포함하는(incorporating) 모터의 일 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 8은 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 9 및 도 10a는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 10a는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 10b는 도 10a의 모터의 스테이터 폴(stator pole)의 일 예시적인 구현예의 사시도(perspective view)이다;
도 11 내지 14a는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 14b는 도 14a의 모터의 분해 조립도의(exploded) 단면 사시도이다;
도 15a는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 15b는 도 15a의 모터의 분해 조립도의 단면 사시도이다;
도 16a는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 16b는 도 16a의 모터의 분해 조립도의 단면 사시도이다;
도 17a는 모터의 일 예시적인 구현예의 스테이터 단면의 개략도이다;
도 17b 및 17c는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 예시적인 구현예의 스테이터 단면의 개략도이다;
도 18a는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 18b는 도 18a의 모터의 점점 가늘어지는(tapered) 스테이터 폴의 위에서 볼 때의(top view) 개략도이다;
도 18c는 도 18a의 모터의 분해 조립도의 단면 사시도이다;
도 19는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 단면 일부의 개략도이다;
도 20은 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 스테이터의 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 21은 도 20의 스테이터와 함께 사용하기 위한 로터의 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 22 및 23은 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 24는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 로터의 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 25는 도 24의 로터와 함께 사용하기 위한 스테이터의 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 26은 도 24 및 도 25 각각의 로터 및 스테이터의 조립체(assembly)의 단면 사시도이다;
도 27은 연질 자성 재료를 포함하는 스테이터의 예시적인 구현예의 단면의 개략도이다;
도 28 및 도 29는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 30은 연질 자성 재료를 포함하는 슬롯리스 스테이터(slotless stator)의 일 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 31은 도 30의 슬롯리스 스테이터와 함께 사용하기 위한 로터의 일 예시적인 구현예의 분해 조립도의 단면 사시도이다;
도 32는 도 30 및 31 각각의 슬롯리스 스테이터 및 로터를 포함하는 모터의 일 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 33은 슬롯리스 스테이터 및 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 34는 하이브리드(hybrid) 슬롯리스 모터의 일 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 35a 내지 35c는 도 34의 모터의 스테이터의 사시도이다;
도 35d 및 38은 도 34의 모터의 코일 와인딩(coil winding)의 사시도이다;
도 35e는 도 34의 모터의 스테이터 코어의 사시도이다;
도 36a 내지 36e는 도 34의 모터의 로터의 사시도 및 단면 사시도이다;
도 37은 도 34의 모터의 개략도이다;
도 39는 도 34의 모터의 로터 폴(rotor pole)의 측 단면도(side sectional view)이다;
도 40은 스테이터 상에 놓여진(potted) 코일 와인딩을 도시한 도 34의 모터의 개략도이다;
도 41은 연질 자성 재료의 단면의 전자 현미경 이미지(electron microscope image)이다;
도 42는 연질 자성 재료의 X-선 회절 스펙트럼(X-ray diffraction spectrum)의 도해적 표현(graphical representation)이다;
도 43은 니켈-알루미늄 합금의 분사된 입자들의 마이크로 구조체의 이미지이다;
도 44a 및 44b는 Fe-Al-Si 합금 및 Fe-Al 합금 각각의 상태도(phase diagram)이다;
도 45는 연질 자성 재료를 포함하는 스테이터를 형성하기 위해 사용되는 마스크 및 스텐실 시스템(mask and stencil system)의 개략도이다;
도 46a 내지 46c는 슬롯(slotted) 스테이터를 갖는 모터의 예시적인 구현예의 개략도이다.
도 1은 절연 경계에 의해 분리된 투자성의 마이크로-도메인의 집합된 마이크로 구조체(aggregate microstructure) 덩어리를 갖는 연질 자성 재료의 일 예시적인 구현예의 개략도이다;
도 2a 및 도 2b는 도 1의 연질 자성 재료를 형성하기 위한 철-알루미늄 합금의 부착(deposition) 공정의 개략도이다;
도 3a 내지 3c는 다양한 부착 기법을 사용하여 제조된 연질 자성 재료의 마이크로 구조체의 사진이다;
도 4a 내지 4c는 연질 자성 재료를 사용하여 제조된 구조체의 사진이다;
도 5a 내지 5d는 연질 자성 재료의 다양한 형태의 개략도이다;
도 6a는 연질 자성 재료를 사용하여 제조되는 고리 구조체(ring structure)의 개략도이다;
도 6b 내지 6d는 XZ면, YZ면, 및 XY면으로 등방성 특성을 도시하는 연질 자성 재료의 마이크로 구조체의 사진이다;
도 7은 연질 자성 재료를 포함하는(incorporating) 모터의 일 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 8은 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 9 및 도 10a는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 10a는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 10b는 도 10a의 모터의 스테이터 폴(stator pole)의 일 예시적인 구현예의 사시도(perspective view)이다;
도 11 내지 14a는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 14b는 도 14a의 모터의 분해 조립도의(exploded) 단면 사시도이다;
도 15a는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 15b는 도 15a의 모터의 분해 조립도의 단면 사시도이다;
도 16a는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 16b는 도 16a의 모터의 분해 조립도의 단면 사시도이다;
도 17a는 모터의 일 예시적인 구현예의 스테이터 단면의 개략도이다;
도 17b 및 17c는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 예시적인 구현예의 스테이터 단면의 개략도이다;
도 18a는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 18b는 도 18a의 모터의 점점 가늘어지는(tapered) 스테이터 폴의 위에서 볼 때의(top view) 개략도이다;
도 18c는 도 18a의 모터의 분해 조립도의 단면 사시도이다;
도 19는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 단면 일부의 개략도이다;
도 20은 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 스테이터의 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 21은 도 20의 스테이터와 함께 사용하기 위한 로터의 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 22 및 23은 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 24는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 로터의 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 25는 도 24의 로터와 함께 사용하기 위한 스테이터의 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 26은 도 24 및 도 25 각각의 로터 및 스테이터의 조립체(assembly)의 단면 사시도이다;
도 27은 연질 자성 재료를 포함하는 스테이터의 예시적인 구현예의 단면의 개략도이다;
도 28 및 도 29는 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 30은 연질 자성 재료를 포함하는 슬롯리스 스테이터(slotless stator)의 일 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 31은 도 30의 슬롯리스 스테이터와 함께 사용하기 위한 로터의 일 예시적인 구현예의 분해 조립도의 단면 사시도이다;
도 32는 도 30 및 31 각각의 슬롯리스 스테이터 및 로터를 포함하는 모터의 일 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 33은 슬롯리스 스테이터 및 연질 자성 재료를 포함하는 모터의 다른 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 34는 하이브리드(hybrid) 슬롯리스 모터의 일 예시적인 구현예의 단면 사시도이다;
도 35a 내지 35c는 도 34의 모터의 스테이터의 사시도이다;
도 35d 및 38은 도 34의 모터의 코일 와인딩(coil winding)의 사시도이다;
도 35e는 도 34의 모터의 스테이터 코어의 사시도이다;
도 36a 내지 36e는 도 34의 모터의 로터의 사시도 및 단면 사시도이다;
도 37은 도 34의 모터의 개략도이다;
도 39는 도 34의 모터의 로터 폴(rotor pole)의 측 단면도(side sectional view)이다;
도 40은 스테이터 상에 놓여진(potted) 코일 와인딩을 도시한 도 34의 모터의 개략도이다;
도 41은 연질 자성 재료의 단면의 전자 현미경 이미지(electron microscope image)이다;
도 42는 연질 자성 재료의 X-선 회절 스펙트럼(X-ray diffraction spectrum)의 도해적 표현(graphical representation)이다;
도 43은 니켈-알루미늄 합금의 분사된 입자들의 마이크로 구조체의 이미지이다;
도 44a 및 44b는 Fe-Al-Si 합금 및 Fe-Al 합금 각각의 상태도(phase diagram)이다;
도 45는 연질 자성 재료를 포함하는 스테이터를 형성하기 위해 사용되는 마스크 및 스텐실 시스템(mask and stencil system)의 개략도이다;
도 46a 내지 46c는 슬롯(slotted) 스테이터를 갖는 모터의 예시적인 구현예의 개략도이다.
도 1 내지 6d를 참조하면, 전기 장치(electrical device) 및 전기 장치의 구성 요소를 위한 연질 자성 재료의 예시적인 구현예뿐만 아니라 그러한 재료 및 전기 장치 자체의 제조 방법의 예시적인 구현예가 개시된다. 연질 자성 재료는 일반적으로 지시 번호 (10)으로 표기된다. 이러한 연질 자성 재료(10)가 사용된 전기 장치는 이에 한정되지는 않으나, 전기 모터를 포함한다. 이러한 전기 모터는, 예를 들어, 로봇 응용분야, 산업 자동화, HVAC 시스템, 가전 제품, 의료 기기, 및 군사 및 우주 탐사 응용분야에 이용될 수 있다. 이러한 재료가 사용된 구성 요소는 이에 한정되지는 않으나, 전기 모터 와인딩 코어 또는 다른 적합한 연질 자성 코어를 포함한다. 비록 본 발명은 도면에 도시된 구현예들을 참고하여 설명되지만, 본 발명은 다양한 형태의 대안적인 구현예들로 구현될 수 있다. 또한, 임의의 적절한 크기, 형상, 또는 재료나 구성 요소의 타입이 사용될 수 있다.
도 1을 구체적으로 참조하면, 연질 자성 재료(10)는 적절한 연성(softness) 및 기계적 강도의 마이크로 구조를 갖고, 반응성 분위기에서의 합금 성분의 부착(deposit)을 통해 벌크 재료로 형성되어, 마이크로-도메인들(12) 사이의 전기 전도도를 제한하는 절연 경계(14)에 의해 분리된 높은 투과율 및 낮은 보자력의 작은 마이크로-도메인들(12)의 집합체(aggregate)를 제조한다. 전기 장치 내에 이러한 벌크 재료의 사용은 성능 및 효율 향상을 가능하게 한다. 예를 들어, 모터 와인딩 코어에 상기 연질 자성 재료(10)의 사용은, 모터 와인딩 코어가 장착된 모터가 회전함에 따른 자기장의 빠른 변화 때문에 와인딩 코어에 유도된 맴돌이 전류(eddy current)와 관련된 손실을 최소화하면서 효율적인 자로(magnetic path)를 제공할 수 있다. 이는 종래 모터의 이방성 적층 코어(anisotropic laminated core)와 일반적으로 관련된 설계 제약의 상당한 제거를 허용한다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 연질 자성 재료를 얻기 위한 부착 공정의 일 예시적인 구현예의 개략도는 참조 번호 (20)에 의해 일반적으로 표기되고, 이후 "부착 공정(deposition process)(20)"으로 지칭된다. 상기 부착 공정(20)의 도 2a에 도시된 바와 같이, 합급 원소(alloying element)의 입자(22)는 금속 용사 기법(metal spray technique)을 기반으로 단일 단계 그물 모양의 제조 공정(single-step net-shape fabrication process)을 사용하여 기재(24) 상에 부착된다. 원하는 마이크로 구조를 갖는 상태로 얻어진 연질 자성 자료를 얻기 위하여, 사용되는 합금의 상태와 관련된 다양한 파라미터가 정의된다. 제1 예시적인 파라미터에 관해서는, 상기 입자(22)의 온도는 상기 입자(22) 재료의 융점 미만이면서 상기 입자(22)의 재료를 유연하게(soften) 할 정도로 충분히 높다. 그러므로, 상기 입자(22)는 실질적으로 고체로 남아있고, 기재(24)의 표면에 충돌할 때 전반적인 종횡비(aspect ratio)를 유지한다. 더욱 구체적으로, 상기 입자(22)는 비행 중에(in flight) 반용융 상태(semi-molten state)로 있다. 제2 예시적인 파라미터에 관해서는, 상기 입자(22)의 산화는 부착 공정(20) 중에 제한되고, 이는 실질적으로 금속 상태로 남아있고, 그것의 기계적 강도 및 자성 특성을 유지한다. 제3 파라미터에 관해서는, 부착 공정(20) 동안 상기 입자(22)의 속도가, 이전에 부착된 입자들과 상기 입자(22)의 접착력(adhesion)을 보장하는 일부 최소 비행(in-flight) 속도를 충족시키거나 초과할 수 있고, 이에 의해, 도 2b에서 도시된 바와 같이, 충분한 기계적 강도를 갖는 연질 자성 재료(10)를 형성하기 위해 합금 벌크의 축적을 허용한다. 전술한 파라미터들(또한 다른 파라미터들)은 입자 크기 범위, 화학적 조성, 및 부착 공정(20)의 다양한 공정 파라미터들의 선택을 통해 충족될 수 있다. 상기 부착 공정(20)를 수행하기 위해 사용되는 시스템은 고속 공기 연료(High Velocity Air Fuel)(HVAF) 시스템, 고속 산소 연료(High Velocity Oxy-Fuel)(HVOF) 시스템 또는 플라즈마 분사 시스템일 수 있다.
상업적으로 입수 가능한 합금 원소는 상기 입자(22)로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 합금 원소는 적절한 알루미늄계 파우더(예를 들어, FE-125-27 등)(예를 들어, Indiana의 Praxair Surface Technologies of Indianapolis로부터 입수 가능함)일 수 있다. 일 예시적인 구현예에 있어서, 상기 합금은 89%Fe-10%Al-0.25%C (모든 %는 중량%임)의 조성을 가질 수 있다. 이러한 합금은 약 1450℃의 용융점을 갖고, 상기 합금을 가스 분무(gas-atomize)하는데 사용되는 캐리어 가스(carrier gas)가 약 900℃ 내지 약 1200℃의 온도를 갖는 HVAF 시스템에 사용하기에 적합하다. 이러한 합금은 또한 약 1400℃ 미만의 온도에서 작동하는 HVOF 시스템에 적합하다. 본 명세서에서 기술되는 예시적인 구현예들이 89%Fe-10%Al-0.25%C의 조성을 갖는 합금에 관련된 것이지만, 다른 조성의 합금들이 다른 예시적인 구현예들에 이용될 수 있다.
합금 입자는 일반적으로 구형(spherical)이고, 가스 분무될 수 있고, 부착 공정(20) 동안 클러스터를 형성하지 않고 자유롭게 흐를 수 있기 때문에 HVAF 또는 HVOF 시스템에 입자(22)로서 사용하기에 적합하다. 상기 합금 입자의 크기 선택은 부착 공정(20) 동안 입자 속도 뿐만 아니라 합금 입자의 온도에도 영향을 미친다. HVOF를 통한 부착을 사용하는 일 예시적인 구현예에 있어서, 약 25 미크론 내지 약 45 미크론 범위의 합금 입자는 바람직한 입자 온도 및 속도를 얻을 수 있다.
상기 HVAF 시스템을 사용하는 부착 공정(20)에서, 얻어진 연질 자성 재료(10)의 바람직한 마이크로 구조는 연속적인 얇은 코팅들의 부착에 의해 벌크 재료로서 제조될 수 있다. HVAF 시스템은 집중적인 입자 빔(focused particle beam)을 사용할 수 있고, 약 80% 이상의 부착 효율을 가질 수 있다. 도 3a에서 도시된 바와 같이, 연질 자성 재료(10)의 마이크로 구조의 단면은 뚜렷한 마이크로-도메인(12)을 도시하고, 여기서 상기 연질 자성 재료(10)의 더 큰 입자는 이들의 전반적인 종횡비(overall aspect ratio)를 유지하고, 뚜렷한 경계(14)에 의해 표시된다.
HVOF 시스템을 사용한 상기 부착 공정(20)은 약 1400℃ 내지 약 1600℃ 범위의 온도에서 작동하여 도 3b에 도시된 바와 같이 연질 자성 재료의 바람직한 마이크로 구조를 제조할 수 있다. HVOF 시스템에서, 연질 자성 재료(10)는 얇은 코팅 형태로 부착된 재료를 제공하도록 설정한 낮은 연소 온도를 사용하여 제조될 수 있다. 그러나, 이러한 낮은 연소 온도 설정은 상기 기재(24)에 충돌하는 입자(22)의 더 낮은 속도와 동반될 수 있고, 이로써 50% 미만의 부착 효율(deposition efficiencies)을 얻을 수 있다.
도 3c를 참조하면, 상기 연질 자성 재료(10)의 바람직한 마이크로 구조는 저에너지 플라즈마 분사 시스템(low-energy plasma spray system)을 사용하여 제조될 수 있다. 나타난 바와 같이, 상기 마이크로-도메인(12) 및 더 큰 입자들 사이의 구별(distinction)은 HVAF 또는 HVOF 시스템을 사용하여 제조된 연질 자성 재료에서만큼 쉽게 식별할 수(discernible) 없을 수 있다.
임의의 전술한 예시적인 시스템을 사용한 부착 공정(20)에서, 연질 자성 재료(10)는 기재(24) 상에 입자(22) 형태로 합금을 열 분사(thermally spraying)함으로써 형성된다. 분사된 입자(22)는 전기적으로 절연된 절연 경계(14)에 의해 분리된 조밀(dsensely-packed) 마이크로-도메인(12)으로 이루어진 재료의 매우 치밀하게 밀집된(dense, closely-packed) 고체 층을 형성한다. 또한, 재료의 고체 층을 형성하는 분사된 입자(22)는 약 4 시간 동안 약 1925℉의 온도에서 열처리될 수 있고, 그 후 약 900℉로 천천히 냉각되며(약 10 시간 동안 시간당 약 100℉의 속도로), 그 후 약 실온으로 더 공기 냉각시킨다.
합금 원소는 임의의 여러 다양한 형태(morphologies)를 갖는 입자(22)에 의해 획정된다. 임의의 형태에서, 상기 합금 원소(충돌 입자(impacting particles))는 철 및 알루미늄을 포함하고, 여기서 상기 알루미늄은 산화되어 상기 철에 알루미나 보호 층(즉, 산화 알루미늄)을 형성한다. 알루미나 보호층은 상기 입자 코어를 완전히 둘러싸거나, 또는 상기 보호층에 결함 또는 폐색(occlusion)의 존재 때문에 상기 입자 코어는 완전히 덮이지 않을 수 있다. 알루미나가 임의의 산화철 보다 안정적이기 때문에, 합금 내에 적절한 농도의 알루미늄이 산화철이 없는(또는 실질적으로 없는) 충분한 양의 알루미나를 제공한다. 일 예시적인 구현예에 있어서, 상기 합금은 89%Fe-10%Al-0.25%C를 포함하는 Fe-Al 합금이다. 상기 합금은 이에 제한되지 않고 임의의 다른 적합한 재료가 사용될 수 있다.
도 4a 내지 4c를 참조하면, 부착 공정(20)을 사용하여, 연질 자성 재료(10)는 잉곳(ingot)(30) (도 4a), 실린더(32) (도 4b), 또는 링 모양의(ring-shaped) 부품(34) (도 4c)를 제조하도록 기계 가공(machined)될 수 있는 임의의 적절한 구조체를 제조하는데 사용될 수 있다. 상기 부착 공정(20)으로 제조된 구조체들(예를 들어, 실린더(32), 링 모양의 부품 등)은 모터 또는 모터 부품의 제조에 요소로서 사용될 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 연질 자성 재료(10)을 형성하는데 사용되는 입자(22)의 일 예시적인 형태에서, 입자(22)는 균일한 조성의 Fe-Al 합금(40)을 갖는다. 상기 입자(22)의 표면에 알루미늄은 주변 환경(공기 또는 산소가 풍부한(oxygen-enriched) 공기일 수 있음)의 산소와 반응하여 알루미나를 형성하고, 따라서 외부 표면 상에 얇은 알루미나 층(alumina layer)(42)을 갖는 Fe-Al 합금 입자를 얻는다. 상기 Fe-Al 합금(40)의 알루미늄 농도는 산화철의 형성을 제거하거나 적어도 최소화하는 동안 연속적인 알루미나 층(42)의 형성을 촉진하도록 선택된다. 산화 속도가 온도와 함께 증가하기 때문에, 상기 입자는 산화 반응 속도를 증가시키기 위해 상승된 온도에 있을 수 있다. 입자 온도는 또한 충분히 높은 온도로 상승되어 이를 부드럽게하고 필요한 변형(deformation)을 가능하게 하여 조밀 구조(densely packed structure)를 형성한다. 조밀 고체를 형성하기 위해, 입자들은 표면에 부딪히기 전에 충분한 속도로 가속화된다. 일부 구현예들에서, 규소는 합금 원소로서 첨가될 수 있다. 일부 조성에서, 규소는 자성 특성을 증가시키고, 동시에 알루미나의 형성을 저해하지 않는다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 입자(22)의 다른 예시적인 형태에서, 입자(22)는 상기 Fe-Al 합금(40)으로부터 상기 표면 쪽으로 농도 구배를 갖는 것으로 한정될 수 있다. 상기 표면의 알루미늄은 Fe-Al 합금 내의 알루미늄의 적절한 농도에 의해 형성된다. 그러나 알루미늄은 철의 포화 자속 밀도(saturation flux density)를 감소시킨다. 포화 자속 밀도를 최대화하기 위해, 얻어진 입자들은 순수한 철 코어(44) 및 상기 철 코어(44)로부터 상기 입자 표면(48) 쪽으로 알루미늄의 농도 증가(46)를 갖는다. 이 형태는, 상기 입자 상에 알루미늄 층을 증착하고 열처리 함으로써, 알루미늄이 상기 입자 내로 확산되도록 하고, 그에 따라, 알루미늄의 변화하는 농도(46)를 갖는 합금을 형성함으로써, 달성된다. 상기 입자들은, 산화 철의 형성 없이(또는 적어도 실질적으로는 없이) 표면(48)을 따라 연속적인 알루미나 층(42)의 형성을 촉진하기 위해 선택된 알루미늄 농도를 가진 상태에서, 알루미늄의 산화를 막는 비활성 환경(inert environment)에서 열처리된다. 주변 환경은 공기 또는 산소가 풍부한 공기일 수 있고, 산화 속도가 온도와 함께 증가하기 때문에, 상기 합금 입자는 산화 반응 속도를 증가시키기 위해 상승된 온도에 있을 수 있다. 이전의 구현예와 같이, 조밀 고체를 형성하기 위해, 입자들은 표면에 부딪히기 전에 충분한 속도로 가속화된다. 입자 온도는 또한 충분히 높은 온도로 상승되어 합금 물질을 유연하게 하고, 치밀하게 밀집된 구조체를 형성하는데 필요한 변형을 가능하게 한다. 또한, 규소는 합금 원소로서 첨가되어, 예를 들어, 자성 특성을 증가시키고, 동시에 알루미나의 형성을 저해하지 않을 수 있다.
도 5c에 도시된 바와 같이 입자(22)의 다른 예시적인 형태에 있어서, 철 또는 철 합금의 기본 입자(50)는 알루미나 층(42)으로 캡슐화(encapsulate)될 수 있다. 이 알루미나-코팅된 철(또는 철 함급) 입자들은 원자층 부착(atomic layer deposition)(ALD) 공정을 통해 얻어질 수 있고, 상기 공정은 알루미늄의 얇은 층을 부착시키는 단계 및 상기 층을 산소에 노출시켜 상기 층을 산화시키는 단계, 그 후 연속적으로 다음 층들을 부착시키고 산화시키는 단계를 포함한다. 그러나, 임의의 적절한 공정이 상기 철 또는 철 합금 입자들 상에 알루미나 층을 형성하도록 제공될 수 있으므로, 부착 공정은 ALD로 제한되지 않는다. 이러한 몇몇 층들이 부착되어 알루미나 층(42)의 필요한 두께에 이른다. 기본 입자(50)는 순수한 철이거나, 또는 자성 특성을 강화시키는 철의 합금(예를 들어, 철-코발트, 철-니켈, 철-규소 등)일 수 있다. 조밀 고체를 형성하기 위해, 입자들은 표면에 부딪히기 전에 충분한 속도로 가속화된다. 상기 부착 공정(20) 동안, 입자 온도는 충분히 높은 온도로 상승되어 입자들을 유연하게 하고 입자들의 변형을 가능하게 하여 조밀 구조를 형성한다. 다른 구현예들과 같이, 규소는 또한 합금 원소로서 첨가되어 자성 특성을 증가시키고, 동시에 알루미나의 형성을 피하거나 최소화할 수 있다. 합금 원소로서 1% 규소를 약 10 중량% 알루미늄을 갖는 Fe-Al 합금에 첨가함으로써, 최소 탄소 함량(및 가능하게는 더 큰 크기의 입자들)을 갖는 원료의 제조를 가능하게 할 수 있다.
도 5d에 도시된 바와 같이 입자(22)의 예시적인 형태에 있어서, 상기 기본 입자(50)는 알루미늄으로 캡슐화될 수 있는 철 또는 철 합금 코어를 포함하고, 이는 산화되어 부착 공정 동안 알루미나 층(42)을 형성한다. 예를 들어, 기본 입자(50)는 순수한 철 또는 자성 특성을 증가시키는 철의 합금(예를 들어, 철-코발트, 철-니켈, 철-규소 등)이다. 주변 환경은 공기 또는 산소가 풍부한 공기 또는 엄격하게 제어된 산소 환경을 갖는 환경일 수 있다. 이전의 구현예들과 같이, 조밀 고체를 형성하기 위하여, 입자들은 표면에 부딪히기 전에 충분한 속도로 가속화된다. 상기 부착 공정(20) 동안, 입자 온도는 충분히 높은 온도로 상승되어 입자들을 유연하게 하고 입자들의 변형을 가능하게 하여 조밀 구조를 형성한다. 이전의 구현예들과 같이, 규소는 합금 원소로서 첨가되어 자성 특성을 증가시키고, 동시에 알루미나의 형성을 피하거나 최소화할 수 있다.
임의의 전술된 입자(22) 형태들로부터 형성된 얻어진 연질 자성 재료(10)의 전자기(electromagnetic) 특성은 이에 제한되지는 않지만, 포화 자속 밀도, 투자율, 히스테리시스(hysteresis)로 인한 에너지 손실, 및 와전류(eddy current)에 의한 에너지 손실을 포함한다. 각각이 얇은 절연 경계에 의해 각각 둘러싸여진 적절한 자성 특성을 갖는 조밀 마이크로-도메인들을 포함하는 마이크로 구조는 이러한 원하는 전자기 특성을 제공한다. 마이크로-도메인의 자성 특성 및 경계의 절연 특성 자체는, 합금 조성, 격자 구조, 산화 열역학, 및 반응 속도와 같은 하나 이상의 물리적 및 화학적 특성의 함수이다.
격자 구조에 있어서는, 89% Fe-10% Al을 포함하는 합금은 철과 동일한 체심 입방(BCC) 구조를 갖는다. 이 격자 구조는 높은 자성 투과율 및 적절한 자성 특성과 관련있다. 또한, 0.25% 탄소의 존재하에 상기 합금은 1000℃까지 BCC 구조를 유지한다. 열 처리는 상기 고체에 존재하는 임의의 면심 입방 구조(face-centered cubic structure) 및 마르텐사이트 구조(martensitic structure)를 BCC 구조로 전환을 가능하게 한다. 상기 합금 내에 알루미늄의 원자 분율은 약 20%이고, 따라서 상기 합금은 순수한 철보다 약 20% 낮은 포화 자속 밀도를 갖는다. 또한, 상기 합금은 순수한 철보다 더 큰 비저항(electrical resistivity)을 갖고, 이에 따라 더 낮은 와전류 손실을 낳는 것으로 알려져 있다.
약 0.25% 범위의 탄소는 분말 제조(powder production) 동안 가스 분무 공정(gas atomization process)을 촉진시킬 수 있다. 약 1000℃ 미만에서, 탄소는, 예를 들어 초기 투과율을 낮추고 히스테리시스 손실을 증가시킴으로써, 자성 특성에 영향을 미칠 수 있는 탄화물(carbide) 침전으로 존재한다.
상기 합금 입자가 약 1000℃ 내지 1500℃ 온도 범위의 산화 환경에 있을 때 형성되는 적절한 안정한 산화물은 알루미나이다. 이 산화물층의 형성 속도 및 예상되는 두께는 상기 부착 환경에서 합금 입자들의 산화 반응 속도에 의해 결정된다. 원소 알루미늄은 1-2 나노미터 (nm) 두께의 산화물층을 형성함으로써, 추가적인 산화를 효과적으로 차단한다. 또한, 소프트웨어 시뮬레이션 패키지를 사용한 산화 반응 속도 시뮬레이션을 통해, 25-40 미크론의 크기를 갖는 순수한 철 입자들은 약 1500 ℃에서 이들의 비행 시간(duration of their flight)(본 명세서에서 기술된 HVAF, HVOF, 또는 플라즈마 분사 시스템의 어느 하나의 부착 공정(20)을 사용할 때 약 0.001초로 예상됨)에 걸쳐 500 nm 두께의 산화물층을 구축하는 것으로 나타났다. 그러므로, 각각의 입자 주위의 예상되는 산화물층의 두께는 약 1 nm 이상 및 약 500 nm 이하이다.
지금부터 도 6a 내지 6d를 참조하면, 임의의 구현예에서, 분무된 샘플의 자성 특성에 등방성(isotropy)을 갖는 것이 바람직하다. 상기 등방성은 자속의 3차원 흐름을 갖는 모터 내에 재료의 사용을 허용한다. 개시된 구현예들에서 측정할 수 있는 자성 특성은 ASTM A773 표준에 따라, 고리 모양의 샘플의 원주 방향(circumferential direction)을 따라(도 6a에서 도시된 바와 같이) 측정 가능하다. 다른 2개의 직교 방향(축 및 반경 방향(radial))을 따르는 측정이 가능하지 않더라도, XZ 면, YZ 면, 및 XY 면 각각을 따라 바라본 것에 상응하는 도 6b, 6c, 및 6d에 도시된 3개의 직교 평면에서의 샘플 단면의 마이크로 구조는 재료의 등방성 정도를 보여준다. 상기 마이크로-도메인이 어느 정도 원주 방향을 따라 뻗어 있더라도, 이는 분무 방향에 대해 수직은 방향임에도 불구하고, 이들은 그들의 형태에 높은 정도의 등방성을 나타낸다.
(40) 및 (46)을 통해 도 7을 참조하면, 연질 자성 재료(10)가 포함될 수 있는 모터의 다양한 예시적인 구현예들이 도시된다. 기술된 모터는, 고해상도 로터리 엔코더(high resolution rotary encoder)로부터 위치 피드백을 사용하여 사인파 전류(sinusoidal commutation)에 의해 3상 브러쉬리스 모터(three-phase brushless motor)로서 구동되는 것으로 의도된다.
구체적으로 도 7을 참조하면, 자속 흐름이 상기 모터의 회전축에 수직인 평면을 따르는 영구 자석 모터(permanent magnet motor) (100)가 개략적으로 도시된다. 상기 모터(100)는 스테이터(106)에 회전 가능하게 장착된 자성 강철(magnetic steel)(또는 적합한 자성 재료)의 로터(102)를 갖는다. 자석(104)은 상기 로터(102)의 외측 반경 표면(outer radial surface) 상에 위치된다. 상기 스테이터(106)는 스테이터의 내부 모서리(inner edge)를 따라 정의된 스테이터 폴(108)을 갖는 적층 강철 코어 및 각각의 스테이터 폴(108)에 위치한 와인딩 또는 코일(110)을 갖는다. 상기 모터(100)는 상기 연질 자성 재료(10)를 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 명세서에서 기술된 바와 같이 상기 연질 자성 재료(10)는 전기 모터 내로(예를 들어, 스테이터로서 또는 적어도 스테이터의 일부로서) 포함될 수 있다. 상기 연질 자성 재료(10)를 포함하는 자속 모터의 일 예시적인 구현예는 참조 번호 (200)에 의해 일반적으로 지정되고, 이하에서는, "모터(200)"로 지칭된다. 모터(200)는 스테이터(206)에 회전할 수 있게 장착된 로터(202)를 갖는 3 차원 자속 모터이다. 상기 로터(202)는 샤프트(shaft)의 형태로 형성될 수 있다. 로터(202)의 반경 방향 외부의 실린더형 표면(radially outer cylindrical surface)은 로터 폴(212)를 정의하고, 스테이터(206)의 내부 모서리는 스테이터 폴(208)을 정의한다. 상기 스테이터 폴(208)을 따라, 스테이터(206)는, 주위에 코일(210)이 개별적인 와인딩의 형태로 배치된 코어를 정의하는 복수의 슬롯을 포함한다. 그러나, 다른 구성에서, 분산된 와인딩의 형태로 형성된 코일은 상기 스테이터 폴(208)에 제공될 수 있다.
상기 모터(220)에서 자석(204)은 로터 폴(212)에 위치된다. 상기 자석(204)의 형상과 연계하여, 로터 폴(212) 및 스테이터 폴(208)은, 단일 평면의 외부 방향으로, 3차원적으로, 상기 로터 및 상기 스테이터 사이의 자속이 향하도록 한다. 자석(204)은 2개의 원뿔형 표면(conical surface)에 인접하고 2개의 더 작은 직경의 실린더형 표면으로 끝나는 반경 방향 외부 실린더형 표면을 가질 수 있다. 자석(204)은 단일 형상으로 보여진다. 그러나, 다른 구현예들에서, 상기 자석은 개별적인 세그먼트를 포함하여 상기 형상을 형성할 수 있다. 유사하게, 상기 스테이터 폴(208)은 상기 자석(204)의 마주보는 표면들에 상응하는 표면들을 정의하는 대략적인 Y-형상의 단면으로 설정된다. 상기 Y-형상의 단면은, 상기 스테이터 내에서, 모터의 반경 방향, 축 방향, 및/또는 원주 방향 중의 하나 이상을 따르는 자속 흐름을 더 허용한다.
상기 자석(204) 및 상기 스테이터 폴(208) 사이의 원뿔형 에어 갭(conical air gap)(214)은 상기 모터(200)의 반경 방향, 축 방향, 및 원주 방향을 따라 자속 흐름을 허용한다. 상기 로터 폴(212)이 상기 스테이터 폴(208)의 방향으로 연장되고, 상기 스테이터 폴(208) 또한 상기 로터 폴(212) 방향으로 연장되기 때문에, 원뿔형 토크 발생 영역(conical torque-producing area)은 상기 로터 폴(212) 및 상기 스테이터 폴(208) 사이에 원뿔형 에어 갭(214)으로 획정되고, 이는 도 7에서 도시된 바와 같이 영구 자석 모터(100)와 비교하여 더 높은 토크양을 초래한다. 상기 원추형 에어 갭(214)에 의해 획정된 더 큰 원추형 토크 발생 영역은 근소하게 더 낮은 토크 발생 반경 및 근소하게 더 낮은 코일 공간을 상쇄하고도 남는다.
상기 로터(202) 및/또는 상기 스테이터(206)(또는 적어도 스테이터(206)의 코어)는 높은 포화 자속 밀도, 높은 투자율, 및 히스테리시스로 인한 낮은 에너지 손실 및 와전류에 의한 낮은 에너지 손실을 갖는 연질 자성 재료(10)로부터 제조될 수 있다. 얇은 절연 경계에 의해 각각 둘러싸여진 적합한 자성 특성을 갖는 치밀하게 밀집된 마이크로-도메인을 포함하는 마이크로 구조는 원하는 전자기 특성을 발생시킬 수 있고, 이는 1차원인(예를 들어 일 평면 내 경로인) 자속 경로를 이용하는 종래 모터와 달리 3차원 자속 경로의 사용을 촉진시킨다. 유사하게, 더 개시된 구현예들은 이러한 재료를 이용할 수 있다.
지금부터 도 9를 참조하면, 실린더형 에어 갭을 구비한 3차원 자속 모터의 변형예(300)가 개략적으로 도시된다. 모터(300)에 있어서, 로터(312)는 스테이터(306)에 회전할 수 있게 장착되어 로터 폴(312)은 스테이터 폴(308)과 대향한다. 스테이터(306)(또는 적어도 이들의 코어)는 연질 자성 재료(10)를 포함할 수 있다. 자석(304)은 로터 폴(312) 상에 위치된다. 상기 로터 폴(312) 및 상기 스테이터 폴(308) 상의 자석들(304) 사이의 원뿔형 에어 갭(314)에 의해 획정된 토크 발생 영역은 실린더형이고 축 방향을 따라서만 연장된다. 또한, 상기 스테이터(306)의 외부 벽(307)은 또한 축 방향으로 연장된다. 상기 외부 벽(307)의 연장은, 자속 흐름을 위해 이용 가능한 상기 스테이터 벽 단면적을 손상시키지 않은 채, 더 얇은 스테이터 벽의 사용을 허용한다. 외부 벽(307)의 연장은 또한 코일(310)을 위한 추가적인 공간을 제공한다. 상기 원뿔형 에어 갭(314)이 실린더형이더라도, 상기 로터 폴(312) 상에 위치하고 상기 스테이터 폴(308)과 인접한 자석(304)의 연장된 속성 때문에, 자속은 하나 이상의 평면을 향하고, 이로써 3차원 자속 패턴을 낳는다.
지금부터 도 10a 및 10b를 참조하면, 자속 모터의 다른 예시적인 구현예(400)는 개략적으로 도시된다. 이전에 개시된 구현예들과 같이, 모터(400)은 스테이터(406)에 회전할 수 있게 위치된 로터(402)를 포함한다. 상기 스테이터(406)는 스테이터 폴(408) 및 코일(410)을 포함하고, 각각의 코일(410)의 단면적은 코일들(410) 둘 모두에 의한 스테이터 폴(408)의 단면적에 의해 최대화되고, 상기 스테이터 폴(408)은 반경 방향을 따라 점점 가늘어진다. 더욱 구체적으로, 각각의 코일(410)의 원주 방향 크기는 인터페이스(416)을 따라 점점 가늘어져서 각각의 코일(410)의 원주 방향 크기는 반경과 함께 증가하고, 반면에, 상기 스테이터 폴(408)의 축 방향 크기는 인터페이스(416)에 따라 테이퍼링(tapered) 되어 상기 스테이터 폴(408)의 축 방향 크기는 반경에 따라 감소한다. 본 명세서에 개시된 실시예들이 영구 자석 모터를 묘사하더라도, 다른 측면에서 임의의 개시된 구현예들은 가별 자기 저항 모터(예를 들어, 비영구적인 자석 폴(non-permanent magnetic poles)) 또는 임의의 다른 적절한 모터에 적용 가능하다. 연장된 스테이터 폴과 함께 점점 가늘어지는 스테이터 폴(408)은 하나 이상의 평면에서 상기 스테이터(406) 및 로터(402) 사이에 자속을 촉진시킨다.
도 10b를 참조하면, 2차원 테이퍼(taper)를 도시한 상기 스테이터 폴(408)의 일 예시적인 구현예가 도시된다. 볼 수 있는 바와 같이, 상기 스테이터 폴(408)의 축 방향 크기는 높이 H1로부터 높이 H2로 갈수록 감소하고 반경은 증가한다. 또한, 스테이터 폴(408)의 원주 방향 너비는 반경 방향에서 너비 W1에서 너비 W2로 갈수록 증가하여 스테이터 폴(408)의 단면의 "톱니 영역(tooth area)"을 보존한다. 일 예시적인 측면에 있어서, 상기 스테이터 폴(408)의 테이퍼 부분의 단면적은 일정하게 유지될 수 있으므로, 상기 스테이터 폴(408) 내의 자속 밀도(flux density)는 단면(section)에 걸쳐 유지될 수 있다.
지금부터 도 11을 참조하면, 모터의 다른 예시적인 변형예(500)가 개략적으로 도시된다. 모터(500)는 로터(502) 및 스테이터(506)의 축 방향 조립(axial assembly)을 허용한다. 이 구현예는 오직 한쪽 단부는 로터(502) 및 스테이터(506)가 경사져 있고(표면(520)을 따라) 다른쪽 단부는 직선형이거나 실린더형(표면(522)을 따라)인 것을 제외하고 도 10a 및 도 10b와 유사하다. 도 11에 도시되는 구현예는 상기 로터(502)가 상기 스테이터(506)에 축 방향으로 조립되도록 한다. 다른 구현예들에서, 임의의 개시된 구현예들의 측면들은 임의의 적절한 조합으로 결합될 수 있다.
지금부터 도 12를 참조하면, 모터(600)는, 와인딩 이전 또는 이후에, 상기 스테이터(606)를 상기 로터(602) 주위에 조립하는 것을 촉진시키기 위해, 로터(602) 및 분할(split) 스테이터(606)를 갖는다. 도시된 바와 같이, 모터(600)는 상기 도시된 것과 유사한 특징들을 가질 수 있다. 그러나, 분할 스테이터(606)는 상기 로터(602)가 하나의 단일 구조이도록 허용하고, 이 때, 제1 스테이터 부분(607) 및 제2 스테이터 부분(609)은 상기 로터(602) 주위에 원주 방향으로 조립될 수 있으며, 두 개의 부분(607, 609) 각각은 평면에 놓여있는 분리 라인(separation line)(611)에서 결합되며, 거기에서 상기 자속이 평면 방향으로 향하게 된다. 상기 분리 라인(611)의 양 대향면의 분할 스테이터(606)의 부분들은, 하나 이상의 평면 방향을 포함하는 방향으로 상기 로터(602) 및 상기 분할 스테이터(606) 사이의 자속이 향하도록 함으로써, 3차원 자속 패턴(three-dimensional flux pattern)을 발생시킬 수 있다.
지금부터 도 13을 참조하면, 모터(700)의 다른 예시적인 구현예는 로터(702) 및 분할 스테이터(706)을 포함하고, 상기 분할 스테이터(706)는 3개의 층(안쪽 부분(707), 중간 부분(709), 및 바깥쪽 부분(713))으로 분할되고, 그 주위에 코일(710)이 감긴다. 상기 중간 부분(709)은 안쪽 부분(707) 및 바깥쪽 부분(713)과는 다른 재료(예를 들어, 라미네이트 스틸(laminated steel) 등)로 제조될 수 있다. 중간 부분(709)에서, 상기 자속 흐름은 실질적으로 평면일 수 있다. 상기 안쪽 부분(707) 및 상기 바깥쪽 부분(713)은 3차원 자속 흐름(three-dimensional flux flow)을 촉진시키는 재료로 제조될 수 있다.
도 14a 및 14b에서 도시된 바와 같이, 모터(800)의 다른 예시적인 구현예는 각각 자석(807, 809)을 갖는 제1 및 제2 로터 부분(803, 805)를 갖는 분할 오목 로터(802)를 포함하고, 각각의 제1 및 제2 로터 부분(803, 805)은 스테이터(806) 내로 축 방향으로 조립된다. 상기 로터(802)의 분할 구조는 상기 스테이터(806)가 하나의 단일 구조이도록 허용하고, 그에 따라, 상기 로터(802)의 제1 및 제2 로터 부분(803, 805)은 (예를 들어, 상기 코일(801)을 감은 후에) 상기 스테이터(806) 주위에 조립될 수 있다. 분리 라인(817)은 상기 자속이 평면 방향으로 향하게 되는 평면에 놓여 있다. 상기 분리 라인(817)의 대향면의 상기 로터(802)의 부분들은, 하나 이상의 평면을 포함하는 방향으로, 상기 로터(802) 및 상기 스테이터(806) 사이의 자속이 향하도록 하며, 이로써 3차원 자속 패턴을 얻는다. 다른 측면들에 있어서, 상기 스테이터(806)는 또한 2개 이상의 층으로 분할될 수 있다. 예를 들어, 3개의 부분으로 분할된 스테이터(806)에서, 예를 들어, 이전에 개시된 바와 같이, 중간 부분은 라미네이트 스틸로 이루어질 수 있다. 모터(800)는 반경 방향, 축 방향, 및 원주 방향을 따라 자속 흐름을 허용한다. 상기 모터(800)는 반경 방향으로 연장되는 스테이터 폴(808) 및 로터 폴(812)을 가지기 때문에, 종래 모터와 비교할 때 더 높은 토크양을 초래하는 추가의 원뿔형 토크 발생 에어 갭 영역이 있다. 여기서, 더 큰 토크 발생 영역은 아주 조금 더 낮은 토크 발생 반경 및 아주 조금 더 낮은 코일 공간을 상쇄하고도 남는다. 이전에 개시된 구현예들 각각에 따르면, 상기 로터(802) 및/또는 스테이터(806)는 높은 포화 자속 밀도, 투과율, 및 히스테리시스로 인한 낮은 에너지 손실 및 와전류에 의한 낮은 에너지 손실을 갖는 연질 자성 재료(10)로부터 제조될 수 있다. 얇은 절연 경계에 의해 각각 둘러싸여진 적합한 자성 특성을 갖는 조밀한 마이크로-도메인을 포함하는 연질 자성 재료(10)의 마이크로 구조는 원하는 전자기 특성을 발생시킬 수 있으며, 이는 1차원인 (예를 들어, 일 평면 내의 경로인) 자속 경로를 이용하는 종래 모터와 달리 3차원 자속 경로의 사용을 촉진시킨다. 유사하게, 더 개시된 구현예들은 이러한 재료를 이용할 수 있다. 다른 구현예들에 있어서, 임의의 개시된 구현예들의 측면들은 임의의 적합한 조합으로 결합될 수 있다.
또한, 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 자석(807, 809)은 각각의 로터 부분(803, 805)의 2개의 원뿔형 표면에 인접하고 2개의 더 작은 직경의 실린더형 표면으로 종결되는 2개의 반경 방향 외부 실린더형 표면을 갖는 로터 폴(812)에 도시된다. 상기 자석들(807, 809)이 이러한 형상을 갖는 단일체인 것으로 도시되었지만, 대안적으로는, 그러한 형상을 형성하는 세그먼트들로 이루어질 수도 있다. 스테이터 폴(808)은 상기 자석들(803, 805)의 대향면들에 상응하는, 유사한 형상을 갖는 표면들을 갖는다. 자석 형상과 조합된 폴 형상들은, 단일 평면의 외부 방향으로, 3차원적으로, 상기 로터(802) 및 상기 스테이터(806) 사이의 자속이 향하도록 한다. 도시된 상기 코일(810)은 개별적인 스테이터 폴(808)을 감싸는 개별적인 와인딩의 형태로 도시된다. 다른 측면에서, 상기 코일(810)은 분산된 와인딩들을 포함할 수 있다.
지금부터 도 15a 및 15b를 참조하면, 모터(900)는 분할 오목 로터(902) 및 분할 스테이터(906)을 갖는 것으로 도시된다. 상기 분할 오목 로터(902)는 제1 로터 부분(903) 및 제2 로터 부분(905)를 갖고, 상기 분할 스테이터(906)는 제1 스테이터 부분(907) 및 제2 스테이터 부분(909)를 갖는다. 도 13에 도시되는 상기 분할 스테이터(706)와는 대조적으로, 상기 제1 스테이터 부분(907) 및 상기 제2 스테이터 부분(909) 각각은 그들 자체의 코일(910, 911)을 가지므로, 상기 제1 스테이터 부분(907) 및 상기 제2 스테이터 부분(909) 각각은 상기 스테이터(906)와 상기 로터(902)의 조립 이전에 감길 수 있다. 여기서, 상기 분할 오목 로터(902)는 상기 분할 스테이터(906)가 미리 조립되고 감기도록 허용하며, 이 때, 상기 제1 로터 부분(903) 및 상기 제2 로터 부분(905)이 (예를 들어, 와인딩 이후) 상기 스테이터(906) 주위에 조립될 수 있다. 상기 스테이터(906)는, 상기 모터(900)가 반경 방향, 축 방향, 및 원주방향을 따라 자속 흐름을 허용하도록 분할(split)된다. 상기 모터(900)는 연장된 로터 폴(912) 및 스테이터 폴(908)을 가지기 때문에, 종래 모터와 비교할 때 더 높은 토크양을 초래하는 추가의 원뿔형 토크 발생 에어 갭 영역이 있다. 더 큰 토크 발생 영역은 아주 조금 더 낮은 토크 발생 반경 및 아주 조금 더 낮은 코일 공간을 상쇄하고도 남는다. 개시된 구현예들 각각에 따르면, 상기 로터(902) 및/또는 스테이터(906)는 높은 포화 자속 밀도, 투과율, 및 히스테리시스로 인한 낮은 에너지 손실 및 와전류에 의한 낮은 에너지 손실을 갖는 연질 자성 재료(10)로부터 제조될 수 있다. 얇은 절연 경계에 의해 각각 둘러싸여진 적합한 자성 특성을 갖는 조밀한 마이크로-도메인을 포함하는 연질 자성 재료(10)의 마이크로 구조는 원하는 전자기 특성을 발생시킬 수 있으며, 이는 1차원인 (예를 들어, 일 평면 내의 경로인) 자속 경로를 이용하는 종래 모터와 달리 3차원 자속 경로의 사용을 촉진시킨다. 유사하게, 더 개시된 구현예들은 이러한 재료를 이용할 수 있다. 다른 구현예들에 있어서, 임의의 개시된 구현예들의 측면들은 임의의 적합한 조합으로 결합될 수 있다.
도 15a 및 도 15b에서 도시된 바와 같이, 자석(930, 932)은 각각의 로터 부분(903, 905)의 2개의 원뿔형 표면에 인접하고 2개의 더 작은 직경의 실린더형 표면으로 종결되는 2개의 반경 방향 외부 실린더형 표면을 갖는 로터 폴(912)에 보여진다. 상기 자석들(930, 932)이 이러한 형상을 갖는 단일체인 것으로 도시되었지만, 대안적으로 이러한 형상을 형성하는 세그먼트들로 이루어질 수도 있다. 스테이터 폴(908)은 상기 자석들(930, 932)의 대향면에 상응하는 표면을 갖는 유사한 형상의 폴(shaped pole)이다. 자석 형상과 결합된 폴 형상들은, 단일 평면의 외부 방향으로, 3차원적으로, 상기 로터(902) 및 상기 스테이터(906) 사이의 자속을 향하도록 한다. 도시된 상기 코일(910)은 개별적인 스테이터 폴(908)에 감싸여진 개별적인 와인딩의 형태로 도시된다. 다른 측면에서, 상기 코일(910)은 분산된 와인딩들을 포함할 수 있다.
지금부터 도 16a 및 도 16b를 참조하면, 모터(1000)는 분할 스테이터(1006)과 축 방향으로 조립된 분할 볼록(convex) 로터(1002)를 갖는 것으로 나타나 있다. 상기 분할 볼록 로터(1002)는 제1 로터 부분(1003) 및 제2 로터 부분(1005)을 포함한다. 다른 측면들에 있어서, 상기 로터(1002)는 분할된 것이 아니라 그 대신에 단일 조각(unitary piece)을 포함할 수 있다. 상기 분할 스테이터(1006)은 제1 스테이터 부분(1007) 및 제2 스테이터 부분(1009)를 포함하고, 상기 스테이터 부분 각각은 그들 자체의 코일(1010, 1011) 세트를 가진다. 각각의 스테이터 부분(1007, 1009)은 조립 이전에 감길 수 있다. 상기 스테이터(1006)는, 상기 모터(1000)가 반경 방향, 축 방향, 및 원주방향을 따라 자속 흐름을 허용하도록 분할되어 있다. 상기 모터(1000)는 연장된 로터 폴(1012) 및 스테이터 폴(1008)을 가지기 때문에, 종래 모터와 비교할 때 더 높은 토크양을 초래하는 추가의 원뿔형 토크 발생 에어 갭 영역이 있다. 더 큰 토크 발생 영역은 아주 조금 더 낮은 토크 발생 반경 및 아주 조금 더 낮은 코일 공간을 상쇄하고도 남는다. 개시된 구현예들 각각에 따르면, 상기 로터(1002) 및/또는 스테이터(1006)는 높은 포화 자속 밀도, 투과율, 및 히스테리시스로 인한 낮은 에너지 손실 및 와전류에 의한 낮은 에너지 손실을 갖는 연질 자성 재료(10)로부터 제조될 수 있다. 얇은 절연 경계에 의해 각각 둘러싸여진 적합한 자성 특성을 갖는 조밀한 마이크로-도메인을 포함하는 연질 자성 재료(10)의 마이크로 구조는 원하는 전자기 특성을 발생시킬 수 있으며, 이는 1차원인 (예를 들어, 일 평면 내의 경로인) 자속 경로를 이용하는 종래 모터와 달리 3차원 자속 경로의 사용을 촉진시킨다. 유사하게, 더 개시된 구현예들은 이러한 재료를 이용할 수 있다. 다른 구현예들에 있어서, 임의의 개시된 구현예들의 측면들은 임의의 적합한 조합으로 결합될 수 있다.
또한, 도 16a 및 16b를 참조하면, 자석(1030, 1032)은 각각의 로터 부분(1003, 1005)의 2개의 원뿔형 표면에 인접하고 2개의 더 작은 직경의 실린더형 표면으로 종결되는 2개의 반경 방향 외부 실린더형 표면을 갖는 로터 폴(1012)에 도시진다. 상기 자석들(1030, 1032)이 이러한 형상을 갖는 단일체인 것으로 도시되었지만, 대안적으로 이러한 형상을 형성하는 세그먼트들로 이루어질 수도 있다. 스테이터 폴(1008)은 상기 자석들(1030, 1032)의 대향면에 상응하는 표면을 갖는 유사한 형상의 폴이다. 상기 자석 형상과 결합된 폴 형상들은, 3차원의 단일 평면의 외부 방향으로, 상기 로터(1002) 및 상기 스테이터(1006) 사이의 자속이 향하도록 한다. 도시되는 상기 코일들(1010, 1011)은 개별적인 스테이터 폴(1008)을 감싸는 개별적인 와인딩으로 도시된다. 다른 측면에서, 상기 코일들(1010, 1011)은 분산된 와인딩들을 포함할 수 있다.
지금부터 도 17a 내지 17c을 참조하면, 스테이터 단면의 개략도가 도시된다. 도 17a는 모터 코일(110), 스테이터 폴(108), 및 스테이터 벽(140)의 단면이 도시된다. 상기 스테이터 단면적은 상기 코일(110)이 너비(150) 및 폴 축 방향의 높이(152)를 가질 수 있는 경우 높이(142) 및 너비(144)에 의해 나타낸다. 상기 스테이터 폴(108)은 모터 스테이터에 적합한 라미네이트 스틸(laminated steel)로 이루어질 수 있다. 상기 높이(142) 및 상기 너비(144)에 의해 획정된 주어진 영역을 위해 기술될 바와 같이, 본 명세서에서 기술된 연질 자성 재료(예를 들어, 도 17b 및 17c)의 사용이 상기 스테이터 내에 3차원 자속 흐름을 허용하므로, 상기 단면적은 보다 효율적으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 17b에서, 코일(1110), 스테이터 폴(1108), 및 스테이터 벽(1140)이 도시되어 있는데, 여기에서, 상기 스테이터 벽(1140)이 축 방향으로 길이(1178)만큼 더 긴 경우, 감소된 너비(1176)가, 코일(1108)의 단면적 및 길이(1180)가 증가하도록 제공될 수 있는 것으로 도시된다. 폴 축 방향의 높이(1190)가 또한 도시된다. 다른 예로서, 도 17c에서, 코일(1210), 스테이터 폴(1208), 및 스테이터 벽(1240)이 도시되어 있는데, 여기에서, 도 17b에 나타나있는 바와 같이, 더 얇고 축 방향으로 더 긴 스테이터 벽(1240)이 스테이터 폴 단면을 증가시키도록 제공될 수 있으며, 한편으로는, 상기 코일(1210)이 더 넓고 더 얇아서 도 17a의 코일과 동일한 면적을 유지할 수 있다. 여기서, 상기 폴 축 방향 높이(1290)은 도 17b의 상기 폴 축 방향 높이(1190) 보다 더 클 수 있다.
도 18a 내지 18c를 참조하면, 모터(1300)의 다른 예시적인 구현예의 단면은 볼록 로터(1302) 및 분할 스테이터(1306)을 갖는다. 상기 스테이터(1306)의 각각의 반은 그들 자체의 와인딩 세트를 갖는다. 단일 로터(1302) 및 스테이터(1306)가 도시되어 있지만, 다른 측면에서는, 여러 개의 로터 및/또는 스테이터가 적층될(stacked) 수 있다. 보여지는 구현예는 삼각형 단면을 포함하고, 단일 삼각형 단면 또는 여러 개의 단면들, 예를 들어 오목 또는 볼록 단면으로 구성될 수 있다. 또한, 다른 측면들에서, 상기 모터(1300)는 오목 로터 또는 임의의 적합한 형태로 제공될 수 있다. 상기 스테이터의 각각의 부분(1307, 1309)은 조립 이전에 감길 수 있다. 스테이터 부분(1307, 1309)은 테이퍼링된(tapered) 폴(1308)에 감긴 기울어진(angled) 와인딩(1310)을 갖는다. 자속은 스테이터 벽(1340)에 의해 폴에서 폴로 향하는데, 여기에서, 상기 스테이터 벽(1340)은 상기 스테이터(1306)의 상부 및 하부 코너에서 삼각형 형상 단면(triangular shape section)을 갖는다. 도 18a의 측면 단면은 상기 로터(1302) 쪽으로 축 방향으로 단면이 증가하도록 테이퍼링된 스테이터 폴(1308)을 도시한다. 도 18b의 상단 부분은 상기 로터 쪽으로 축 방향으로 단면이 감소하도록 테이퍼링된 스테이터 폴(1306)을 도시한다. 여기에서, 테이퍼(taper)와 조합하여, 상기 스테이터 폴(1306)의 단면적은 유지될 수 있다. 상기 스테이터(1306)의 분할 구조는 상기 스테이터(1306)가 미리 조립되고 감기도록 허용하는데, 여기에서, 상기 2개의 스테이터 부분(1307, 1309)이 예를 들어 와인딩 이후 상기 로터(1302) 주위에 조립될 수 있다. 스테이터(1306)가 분할된 형태로 나타나 있는데, 이 때, 상기 모터(1300)는 반경 방향, 축 방향, 및 원주방향을 따라 자속 흐름을 허용한다. 상기 모터(1300)가 연장된 로터 폴 및 스테이터 폴을 가지기 때문에, 전술한 다른 예시적인 구현예들과 같이, 종래 모터와 비교할 때 더 높은 토크양을 초래하는 추가의 원뿔형 토크 발생 에어 갭 영역이 있다. 더 큰 토크 발생 영역은 아주 조금 더 낮은 토크 발생 반경 및 아주 조금 더 낮은 코일 공간을 상쇄하고도 남는다. 개시된 구현예들 각각에 따르면, 상기 로터(1302) 및/또는 스테이터(1306)는 높은 포화 자속 밀도, 투과율, 및 히스테리시스로 인한 낮은 에너지 손실 및 와전류에 의한 낮은 에너지 손실을 갖는 연질 자성 재료(10)로부터 제조될 수 있다. 얇은 절연 경계에 의해 각각 둘러싸여진 적합한 자성 특성을 갖는 조밀한 마이크로-도메인을 포함하는 연질 자성 재료(10)의 마이크로 구조는 원하는 전자기 특성을 발생시킬 수 있으며, 이는 1차원인 (예를 들어, 일 평면 상의 경로인) 자속 경로를 이용하는 종래 모터와 달리 3차원 자속 경로의 사용을 촉진시킨다. 유사하게, 더 개시된 구현예들은 이러한 재료를 이용할 수 있다. 다른 구현예들에 있어서, 임의의 개시된 구현예들의 측면들은 임의의 적합한 조합으로 결합될 수 있다.
지금부터 도 18a 및 18c를 참조하면, 자석(1340, 1342)은 각각의 로터 부분(1307, 1309)의 2개의 원뿔형 표면에 인접하고 2개의 더 작은 직경의 실린더형 표면으로 종결되는 2개의 반경 방향 외부 실린더형 표면을 갖는 로터 폴(1312)에 도시된다. 상기 자석들(1340, 1342)이 이러한 형상을 갖는 단일체인 것으로 도시되었지만, 대안적으로는, 이러한 형상을 형성하는 세그먼트들로 이루어질 수도 있다. 스테이터 폴(1308)은 상기 자석들(1340, 1342)의 대향면에 상응하는 표면을 갖는 유사한 형상의 폴(shaped pole)이다. 자석 형상과 결합된 폴 형상들은, 단일 평면의 외부에 있는 방향으로, 3차원적으로, 상기 로터(1302) 및 상기 스테이터(1306) 사이의 자속이 향하도록 한다. 보여지는 상기 코일(1310)은 개별적인 스테이터 폴(1308)을 감싸는 개별적인 와인딩으로 보여진다. 다른 측면에서, 상기 코일(1310)은 분산된 와인딩들을 포함할 수 있다.
지금부터 도 19를 참조하면, 볼록 로터(1402) 및 스테이터(1406)을 갖는 모터(1400)의 단면이 보여진다. 단일 로터(1402) 및 단일 스테이터(1406)이 나타나 있지만, 다른 측면에서는, 여러 개의 로터들 및/또는 스테이터들이 적층될 수 있다. 스테이터(1406)는 테이퍼링된(tapered) 폴(1408)에 감긴 기울어진 와인딩(1410)을 갖는다. 자속은 스테이터 벽(1440)에 의해 폴에서 폴로 향하게 되며, 여기에서 상기 스테이터 벽(1440)이 상기 스테이터(1406)의 상부 코너에서 삼각형 형상 단면(triangular shape section)을 갖는다. 도시된 구현예에서, 상기 삼각형 형상 단면은, 와인딩(1410)을 위한 추가의 와인딩 영역을 허용하도록, 폴(1408)의 끝에서 더 넓은 너비를 갖는다. 유사하게, 로터(1402)의 자석에 대향하는 폴(1408) 면(face)들은, 와인딩(1410)을 위한 추가의 와인딩 영역을 증가시킬 수 있도록 하기 위하여, 도시된 바와 같이 또는 다른 방식으로, 연장될 수 있다. 다른 구현예들에서, 임의의 개신된 구현예들의 측면들은 임의의 적절한 조합으로 결합될 수 있다.
지금부터 도 20 및 21을 참조하면, 스테이터(1506) 및 로터(1502) 각각의 등축 단면도(isometric section view)를 도시한다. 도시된 예시적인 구현예들에 있어서, 안쪽으로 기울어진 스테이터 톱니(1550)는 바깥쪽으로 기울어진 자석(1540)의 방향에 직각으로 위치된다. 이러한 배치는 이용 가능한 공간을 활용하여, 자속 흐름을 위한 단면적을 증가시킨다. 톱니(1550)는 코일(1510)과 오버랩되는 상부(1552) 및 하부(1554) 부분을 가지므로, 자속은 스테이터 톱니(1550) 각각의 전체 단면을 가로질러 흐른다. 유사하게, 부분들은 스테이터 링(1556)의 코일(1510)과 오버랩되므로, 자속은 스테이터(1506)의 톱니에서 톱니로 스테이터 링(1556)의 전체 단면을 가로질러 흐른다. 개별적인 와인딩은 각각의 폴에 보여지더라도, 분산된 와인딩들이 대안적으로 제공될 수 있다.
지금부터 도 22 및 23을 참조하면, 조립된 로터(1602) 및 스테이터(1606)의 배치가 도시된다. 일 예시적인 측면에 있어서, 단일 스테이터(1606) 및 로터(1602)가 제공될 수 있다. 도 22에 도시된 바와 같이, 상기 스테이터(1606)은 제1 스테이터 부분(1607) 및 제2 스테이터 부분(1609)을 포함할 수 있고, 상기 로터(1602)는 제1 로터 부분(1603) 및 제2 로터 부분(1605)을 포함할 수 있다. 상기 스테이터(1606) 및 로터(1602)는 조립될 수 있으므로, 상기 제1 및 제2 스테이터 부분들은, 삼각형의 단면의 좁은 부분에서 반경 방향으로 정합되는 2개의 삼각형 단면들을 형성한다. 도 23에 도시된 바와 같이, 상기 제1 로터 부분(1603) 및 상기 제2 로터 부분(1605)와 함께 상기 제1 스테이터 부분(1607) 및 상기 제2 스테이터 부분(1609)이 교대로 조립되어, 상기 스테이터 부분들이 상기 삼각형 단면의 넓은 부분에서 반경 방향으로 만나는 2개의 삼각형 단면들을 형성할 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 임의의 적합한 조합이 제공될 수 있다. 상기 스테이터 톱니들은 볼록하고, 상기 로터 톱니들은 오목하다.
도 20 내지 23의 예시적인 구현예들은 톱니 단면적 및 코일 단면적의 독립적인 크기 조정을 허용하지 않을 수 있다. 그 결과로서, 더 큰 톱니 단면은 더 작은 코일 단면을 초래하게 되며, 그 역도 마찬가지이다. 하기 기술되는 바와 같이 도 24 내지 29의 구현예들은 최적의 설계를 얻기 위하여 독립적으로 톱니 단면을 변경하는 옵션들을 제공한다. 그러나, 이 유연성은 더 작은 자성 영역을 초래하게 된다. 그러나, 도 20에 도시된 구현예는 도 27에 도시되는 구현예의 특별한 경우(예를 들어, 도 27에서 a=0인 경우)이다. 예를 들어, a=0이고 b=c인 설정은 도 20 내지 23의 구현예를 얻는다.
지금부터 도 24 및 25를 참조하면, 로터(1702) 및 스테이터(1706) 각각의 등축 단면도가 도시된다. 도 26을 또한 참조하면, 상기 로터(1702) 및 상기 스테이터(1706)는 조립된 것으로 나타나 있다. 도 26에서 볼 수 있는 바와 같이, 단일 스테이터(1706) 및 단일 로터(1702)가 제공될 수 있다. 도 28에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 스테이터(1706)는 제1 스테이터 부분(1707) 및 제2 스테이터 부분(1709)을 포함할 수 있고, 이 둘 모두는 제1 로터 부분(1703) 및 제2 로터 부분(1705)를 포함하는 상기 로터(1702)와 조립되어 단면의 넓은 부분에서 반경 방향으로 만나는 2개의 단면들을 형성한다.
도 29에 도시된 바와 같이, 스테이터(1806)는 제1 스테이터 부분(1807) 및 제2 스테이터 부분(1809)를 포함할 수 있고, 이 둘 모두는 제1 로터 부분(1803) 및 제2 로터 부분(1805)를 포함하는 상기 로터(1802)와 조립되어 단면의 넓은 부분에서 반경 방향으로 만나는 2개의 단면들을 형성한다.
도 27로 돌아가 참조하면, 다양한 파라미터들을 보여주는 스테이터 폴 단면이 도시된다. 도시된 구현예에서, 상기 스테이터 톱니(1550)는 상기 자석의 방향과 직교하는 다양한 각도에 위치하는 면들(1562, 1564, 및 1566)을 갖는다. 이러한 배치는 이용가능한 공간을 활용하고, 자속 흐름을 위한 단면적을 증가시킨다. 톱니(1550)는 코일(1510)과 오버랩되는 상부(1552) 및 하부(1554) 부분을 가지므로, 자속은 스테이터 톱니(1550)의 전체 단면을 가로질러 흐른다. 개별적인 와인딩이 각각의 폴에 대하여 도시되었지만, 분산된 와인딩들이 대안적으로 제공될 수도 있다. 스테이터 톱니(1550)가 변화하는 단면을 갖는 구역(1570)을 가지므로, 측정 파라미터 a, b, c, 및 d에 의해 표시된 상기 코일(1510)이 최적화될 수 있다. 대안적인 측면들에서, 임의의 적합한 조합들이 제공될 수 있다.
지금부터 도 30 및 31을 살펴보면, 스테이터(1906) 및 로터(1902)의 등축 단면도를 각각 도시한다. 기술된 예시적인 구현예는 슬롯리스 스테이터 설계를 포함하고, 여기서 상기 스테이터(1906)는 연질 자성 코어(1912) 및 삽입된(potted) 와인딩(1914)를 갖는다. 상기 연질 자성 코어(1912)는 상기 스테이터(1906)의 표면에 직접 획정되고(따라서 슬롯의 사용을 피함), 상술한 바와 같은 상기 연질 자성 재료(10)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 로터(1902)는 도 31 및 32에 도시된 바와 같이 2개 조각의 로터일 수 있다(제1 로터 부분(1903) 및 제2 로터 부분(1905)를 포함함). 대안적으로, 모터는 상기 로터(1902) 및 상기 스테이터(1906)의 단지 절반으로 제조될 수 있다.
지금부터 도 33을 참조하면, 슬롯리스 모터의 다른 예시적인 구현예(2000)가 개략적으로 도시된다. 슬롯리스 모터(2000)는 슬롯리스 스테이터(2006)에 회전할 수 있게 장착된 로터(2002)를 포함한다. 상기 로터(2002)는 제1 로터 부분(2003) 및 제2 로터 부분(2005)를 포함하고, 두 부분 모두 대칭적이다. 슬롯리스 스테이터(2006)는 벽(2007)과 뒷 부분(2009)를 포함하며, 이들은 일정한 단면을 갖는 연속적인 부분을 형성한다. 자석(2014)들은 상기 로터(2002) 및 슬롯리스 스테이터(2006) 사이에 장착된다. 코일들(2010)의 형태에서 와인딩들은 그 자체로 지지되고(self-supported) 슬롯리스 스테이터(2006) 주변에 내부에서 접하는 표면에 균등하게 분산되고, 수평의 V-형상의 단면을 갖는다. 또한 모터(2000)는 이하 실시예 3과 관련하여 추가적으로 기술된다.
지금부터 도 34 내지 40을 참조하면, 본 명세서에 기술된 연질 자성 재료가 포함될 수 있는 슬롯리스 브러쉬리스(brushless) 영구 자석 모터는 일반적으로 (2100)에 도시된다. 모터(2100)은 하이브리드 모터이다. 도 34 및 37에서 볼 수 있는 바와 같이, 에어 갭 단면(2110)은 V-형상이고 스페이서(211)를 포함할 수 있다.
도 35a 내지 35e에 도시된 바와 같이, 상기 모터(2100)의 스테이터 조립체는 일반적으로 (2120)에 도시된다. 도 35c에 도시된 바와 같이, 스테이터 조립체(2120)은 라인 등의 냉각을 허용하기 위해 이들의 뒤쪽 벽(2135) (상기 뒤쪽 벽(2135)은 코일의 프로파일을 따른다)에 컷아웃(cutout)(2130)을 갖는다. 상기 컷아웃(2130)은 임의의 적절한 형상을 가질 수 있고, 재료 소비를 감소시키도록 제공될 수 있다. 상기 컷아웃(2130)은 상기 스테이터의 하나 이상의 부분에 예를 들어, 와인딩 또는 폴 등 사이에 균일한 자속 분포를 얻도록 형성될 수 있다. 도 35e에 도시된 바와 같이, 상기 스테이터 조립체(2120)의 코어(2140)은 등방성 자성 특성을 갖는 재료로 이루어진다. 도 35a, 35b, 및 35c는 상기 스테이터 코어(2140) 상에 오버레이된(overlaid) 와인딩 코일(2150)을 갖는 스테이터 단면을 보여준다. 도 40에 도시된 바와 같이, 상기 와인딩 코일(2150)은 삽입 물질(potting material)(2165)을 사용하여 코어(2140)와 연결될 수 있다. 상기 삽입 물질(2165)의 외부 표면(2166)은 와인딩 리드(winding lead) 및 열전대 리드(thermocouple lead)를 제공할 수 있다. 전체로서, 상기 모터(2100)은 스테이터의 직경 D1(외부 표면(2166)에 대한 직경 D2)에 의해 획정된 직경 및 높이 H를 갖는다.
도 35d는 개별적인 와인딩 코일(2150)을 보여준다. 각각의 상 중 하나인 3개의 와인딩 코일들은 그들 내에 박혀있는 열전대를 가질 수 있다. 일 예시적인 구현예에서, 상기 스테이터 조립체(2120)는 4개(3개의 라인 리드 및 1개의 센터 탭)의 플라잉 리드(flying lead)로 와이-감긴다(Wye-wound). 상기 스테이터 조립체(2120)이 축 방향으로 고정될(clamped)수 있고, 상기 플라잉 리드(flying lead)는 외경(outer diameter)에 있는 스테이터 링을, 상기 외부 표면(2166)을 통해, 빠져나가게 된다. 상기 스테이터 코어(2140) 및 와인딩 코일(2150)은 상기 삽입 물질(2165)을 사용하여 삽입되어 하나의 통합된 “스테이터 링(stator ring)”을 제공할 수 있다.
개별적인 와인딩 코일(2150)이 도 35d 및 도 38에 도시된다. 상기 와인딩 코일(2150) 각각은 상기 코일 길이를 따라 변화하는 직사각형 단면을 가진다. 상기 코일 단면 너비는 반경에 따라 증가하고 그 두께는 감소하여 단면적이 그 길이를 따라 다소 일정하게 유지된다. 도 38은 그 개념을 도시한다. 상기 와이어는 120℃ 까지 안정한 또는 H 등급(class H) 절연 층을 갖는 25AWG 일 수 있다. 상기 코일은 외부에서 시작 및 마감되는 알파-감김(alpha-wound)이다. 상기 코일들의 단면이 변화함에 따라, 상기 와이어 그리드(gred)는 8x6 그리드로부터 10x5 그리드까지 상기 코일의 길이를 따라 변화하여 공간의 최적의 사용을 만든다. 상기 와인딩 두께는 반경이 증가함에 따라 감소한다. 따라서 상기 에어 갭 간격은 그에 따라 감소된다. 이것이 제안된 그리드 패턴임을 주목하라. 와인딩의 공간적인 제약(spatial constraint)을 만족시키는 대안적으로 더 효과적인 그리드 패턴이 이용될 수 있다.
지금부터 도 34 및 36을 참조하면, 상기 모터(2100)의 로터 조립체는 일반적으로 (2115)에 도시된다. 조립을 용이하게 하기 위하여, 로터 조립체(2115)는 2개의 실질적으로 동일한 반(half)이 포함되고, 이들 중 하나는 도 36c에 도시되며, 각각은 다른 방향으로 자화된다(magnetized)(또는 개별적인 폴에서 연속적으로 변화하는 자화 방향을 갖는다). 상기 로터 조립체(2115)는 또한 단일 링으로 이루어질 수 있고, 이 경우, 자화(magnetization)는 2개의 직각 방향으로(폴 길이를 따라 그리고 원주방향으로 따라) 연속적으로 변화할 것이다. 상기 로터의 반은 1018 강철과 같은 낮은 탄소 함량의 강철(low-carbon steel)로 이루어질 수 있다. 부식(corrosion)을 막기 위하여, 상기 로터의 반은 파우더 코팅될 수 있다.
상기 로터 조립체(2115)는 복수의 로터 폴들을 갖고 각각은 2개의 자석 조각(2160)을 포함한다. 도 36e는 로터의 반들 중 하나 및 여기에 부착된 자석들(2160) 중 하나를 도시한다. 로터의 반 각각에 약 30개의 자석(2160)이 있을 수 있으며, 이들 각각은 반지름 방향으로 자화된다. 인접한 자석들이 직경의 반대 방향으로(diametrically opposite direction) 자화된다. 로터 자석들(2160)은 약 1.3의 잔류 자기 자속 밀도(remanence flux density)를 갖는 네오디뮴으로 제조될 수 있다. N42UH 또는 N42SH 또는 이의 균등물들과 유사한 특성을 갖는 자석이 사용될 수 있다. 자석 형상은 미리 자화된 블록으로부터 절단되고 그라인딩(grinding)에 의해 마무리될 수 있다. 도 36d 및 39는 하나의 로터의 반에 폴을 포함하는 2개의 자석 조각들을 도시한다. 각각의 조각은 도시되는 바와 같이 자화될 수 있으므로, 상기 자화(magnetization)는 평행하고, 반경 방향이 아니다. 그라인딩 하자마자, 상기 자석들(2160)은 부식을 막기 위해 코팅될 수 있다.
하이브리드 모터(hybrid motor)(2100)에 대한 대안으로서, 반경 방향 자속 모터가 이용될 수 있다. 이러한 모터는 슬롯리스 와인딩을 갖는 3-상 브러쉬리스 DC 모터(3-phase brushless DC motor)를 이용할 수 있다. 이러한 모터에서, 상기 스테이터는 라미네이트된 규소 스틸(laminated silicon steel)로 이루어질 수 있다.
일 구현예에 있어서, 연질 자성 재료는 복수의 철-함유 입자들 및 상기 철-함유 입자들 상에 절연층을 포함한다. 상기 절연층은 산화물을 포함한다. 상기 연질 자성 재료는 절연 경계에 의해 분리된 투자성의 마이크로-도메인의 덩어리이다. 상기 절연층의 산화물은 알루미나를 포함할 수 있다. 상기 철-함유 입자들은 체심 입방 구조를 가질 수 있다. 상기 철-함유 입자들은 규소를 포함할 수 있다. 상기 철-함유 입자들은 알루미늄, 코발트, 니켈, 및 규소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 연질 자성 재료는 복수의 철-함유 입자들을 포함하고, 각각의 철-함유 입자들은 상기 철-함유 입자들 상에 배치된 알루미나 층을 갖는다. 상기 알루미나 층을 갖는 철-함유 입자들의 배치는 체심 입방 격자 마이크로-구조를 형성하고, 이는 높은 투과율(high permeability) 및 낮은 보자력(low coercivity)을 갖는 마이크로-도메인의 덩어리를 획정하고, 상기 마이크로-도메인은 절연 경계에 의해 분리된다. 상기 철-함유 입자들은 약 89 중량%의 철, 약 10 중량%의 알루미늄, 및 약 0.25 중량%의 탄소를 포함할 수 있다. 상기 철-함유 입자들은 규소를 포함할 수 있다. 상기 철-함유 입자들은 알루미늄, 코발트, 니켈, 및 규소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 철-함유 입자들은 철을 함유하는 균일한 조성의 코어에 의해 획정될 수 있고, 상기 알루미나 층은 실질적으로 순수한 산화 알루미늄을 포함할 수 있다. 상기 연질 자성 재료는 철-알루미늄 합금의 균일한 조성의 코어를 갖는 입자들에 의해 획정될 수 있고, 상기 알루미나 층은 상기 코어의 표면에서 필연적으로 0인 산화 알루미늄으로부터, 상기 알루미나 층의 외부 표면에서 필연적으로 순수한 산화 알루미늄까지로 이루어진 농도 구배을 갖는 것으로 한정될 수 있다. 체심 입방 격자 마이크로-구조(body-centered cubic lattice micro-structure)는 XZ, YZ, 및 XY 평면에 대해 실질적으로 등방성일 수 있다.
상기 연질 자성 재료를 제조하는 방법의 일 구현예에서, 상기 방법은 철-알루미늄 합금 입자를 제공하는 단계; 상기 철-알루미늄 합금 입자를 가열하여 철-알루미늄 합금 입자의 융점 미만이면서, 상기 철-알루미늄 합금 입자를 유연하게(soften) 할 정도로 충분히 높은 온도로 가열하는 단계; 상기 철-알루미늄 합금 입자를 열 분무하는 단계; 상기 철-알루미늄 합금 입자를 산화시키는 단계; 상기 철-알루미늄 합금 입자를 기재상에 부착시키는 단계; 상기 기재 및 상기 기재 상에 부착된 상기 철-알루미늄 합금 입자의 연속적인 층들 상에 대량의 상기 철-알루미늄 합금 입자를 연속적으로 쌓는 단계; 및 대량의 상기 철-알루미늄 합금 입자들을 열처리하는 단계;를 포함한다. 상기 철-알루미늄 합금 입자는 약 89 중량%의 철, 약 10 중량%의 알루미늄, 및 약 0.25 중량%의 탄소의 조성을 갖는 합금을 포함할 수 있다. 철-알루미늄 합금 입자를 가열하는 단계는, 상기 철-알루미늄 합금 입자를 약 1450 ℃ 미만으로 가열하는 단계를 포함한다. 상기 철-알루미늄 합금 입자를 열 분무하는 단계는 상기 철-알루미늄 합금 입자를 캐리어 가스로 가스 분무(gas-atomizing)하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 철-알루미늄 합금 입자를 열 분무하는 단계는 고속 공기 연료 시스템(high velocity air fuel system)을 사용하는 단계를 포함할 수 있고, 여기서 캐리어 가스는 약 900℃ 내지 약 1200℃에서 작동하여 상기 철-알루미늄 합금 입자를 가스 분무한다. 상기 철-알루미늄 합금 입자를 열 분무하는 단계는 약 1400℃ 내지 약 1600℃에서 작동하는 고속 산소 연료 시스템(high velocity oxy fuel system)을 사용하여 얇은 코팅의 형태로 상기 철-알루미늄 합금 입자를 부착시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 철-알루미늄 합금 입자를 열 분무하는 단계는 낮은 에너지 플라즈마 분사(low energy plasma spray)를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 철-알루미늄 합금 입자를 산화시키는 단계는 상기 철-알루미늄 합금 입자의 외부 표면 상에 알루미나를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 모터는 하나 이상의 코어를 포함하는 스테이터; 상기 스테이터의 하나 이상의 코어 상에 감긴 코일; 로터 폴을 포함하고, 상기 스테이터에 대하여 회전할 수 있게 장착된 로터; 및 상기 로터 및 상기 스테이터 사이에 배치된 하나 이상의 자석;을 포함한다. 하나 이상의 코어는 그 위에 배치된 알루미나 층을 갖는 철-함유 입자들에 의해 획정되는 복합 재료(composite material)를 포함한다. 하나 이상의 자석과 연계하여 로터 폴 및 스테이터는, 단일 평면의 바깥쪽 방향으로, 3차원적으로, 상기 로터 및 상기 스테이터 사이의 자속을 향하게 할 수 있다. 상기 스테이터는 하나 이상의 자석의 단면 형상에 상응하는 표면을 획정하는 대략적인 단면 형상으로 형성될 수 있다. 원뿔형 에어 갭은 상기 스테이터 및 하나 이상의 자석 사이에 위치될 수 있고, 상기 원뿔형 에어 갭은 상기 모터의 반경 방향, 축 방향, 및 원주 방향을 따라 자속 흐름을 허용한다. 상기 로터 폴은 상기 스테이터 및 하나 이상의 자석 사이에 상기 원뿔형 에어 갭을 생성하도록 상기 스테이터의 방향으로 연장될 수 있다. 상기 코일은 반경 방향으로 테이퍼링(tapered)될 수 있다. 상기 하나 이상의 코어는, 슬롯리스 스테이터를 형성하도록, 상기 스테이터의 표면 상에 형성될 수 있다. 상기 로터는 제1 로터 부분 및 제2 로터 부분을 포함할 수 있다. 상기 스테이터는 적어도 제1 스테이터 부분 및 제2 스테이터 부분을 포함할 수 있다.
다른 구현예에서, 모터는 연질 자성 복합 재료로 형성된 적어도 하나의 코어 및 상기 적어도 하나의 코어에 배치된 코일을 포함하는 슬롯리스 스테이터; 상기 슬롯리스 스테이터에 대하여 회전할 수 있게 장착된 로터; 및 상기 로터 및 상기 슬롯리스 스테이터 사이에서 상기 로터에 장착된 하나 이상의 자석;을 포함한다. 연질 자성 복합 재료는, 적어도 철을 함유하고, 알루미나를 포함하는 절연 외부 표면을 갖는 입자들을 포함할 수 있다. 적어도 철을 함유하는 입자들은 철-알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 상기 모터는 상기 슬롯리스 스테이터 및 하나 이상의 자석 사이의 에어 갭을 포함할 수 있고, 상기 에어 갭은 단면 형상이 원뿔형이다. 상기 슬롯리스 스테이터는 연속적인 표면을 형성하는 벽을 포함할 수 있고, 그 위에 상기 하나 이상의 코어가 형성된다. 상기 연질 자성 재료는 약 89 중량%의 철, 약 10 중량%의 알루미늄, 및 약 0.25 중량%의 탄소를 포함할 수 있다. 상기 연질 자성 재료는 규소를 더 포함할 수 있다.
다른 구현예에서, 슬롯리스 자속 모터는, 하나 이상의 코어가 배치되는 연속적인 표면 및 상기 하나 이상의 코어 상에 배치된 와인딩에 의해 획정되는 스테이터; 상기 스테이터에 회전할 수 있게 장착되고 로터 폴을 갖는 로터; 및 상기 스테이터 및 상기 로터 폴 사이에 장착된 하나 이상의 자석;을 포함한다. 원뿔형 에어 갭은 스테이터 및 하나 이상의 자석 사이에 획정되고, 상기 원뿔형 에어 갭은 모터의 반경 방향, 축 방향, 및 원주 방향을 따라 자속 흐름을 허용한다. 하나 이상의 코어는 알루미나로 캡슐화된 철-함유 입자들에 의해 획정된 연질 자성 복합 재료를 포함한다. 상기 철-함유 입자들은 약 89 중량%의 철, 약 10 중량%의 알루미늄, 및 약 0.25 중량%의 탄소를 포함할 수 있는 철-알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 상기 철-함유 입자들은 규소를 더 포함할 수 있다. 상기 연질 자성 복합 재료의 철-함유 입자들은 철-코발트 합금, 철-니켈 합금, 및 철-규소 합금 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 하나 이상의 코어는 상기 스테이터의 내부에서 접하는 표면에 그 자체로 지지되고(self-supported) 수평의 V-형상의 단면을 갖는다.
조성물의 일 구현예는 복수의 철-함유 입자들 및 상기 철-함유 입자들 상에 절연층을 포함한다. 상기 철-함유 입자들은 절연 경계에 의해 분리된 투자성의 마이크로-도메인의 덩어리를 획정한다. 상기 절연층은 산화물을 포함할 수 있다. 상기 산화물은 산화 알루미늄을 포함할 수 있다. 상기 철-함유 입자들은 체심 입방 구조를 가질 수 있다. 상기 체심 입방 구조는 3차원 적으로 실질적으로 등방성일 수 있다. 상기 철-함유 입자들은 알루미늄, 코발트, 니켈, 및 규소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 투자성의 마이크로-도메인의 덩어리는 높은 투과율 및 낮은 보자력을 가질 수 있다. 상기 철-함유 입자들은 약 89 중량%의 철, 약 10 중량%의 알루미늄, 및 약 0.25 중량%의 탄소를 포함할 수 있다. 상기 절연층은 농도 구배를 갖는 산화물 층에 의해 획정될 수 있다. 상기 철-함유 입자들 및 절연층은 연질 자성 재료를 획정할 수 있다.
방법의 일 구현예는 철-알루미늄 합금 입자를 가열하는 단계; 상기 철-알루미늄 입자를 열 분무하는 단계; 상기 철-알루미늄 입자를 산화시키는 단계; 및 상기 산화된 철-알루미늄 합금 입자를 기재상에 부착시키는 단계;를 포함한다. 상기 철-알루미늄 합금 입자는 약 89 중량%의 철, 약 10 중량%의 알루미늄, 및 약 0.25 중량%의 탄소를 포함할 수 있다. 상기 철-알루미늄 합금 입자를 가열하는 단계는 약 1450 ℃ 미만으로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 철-알루미늄 합금 입자를 열 분무하는 단계는 고속 공기 연료 시스템(high velocity air fuel system), 고속 산소 연료 시스템(high velocity oxy fuel system), 또는 낮은 에너지 플라즈마 분사(low energy plasma spray)를 사용하여 분무하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 철-알루미늄 합금 입자를 산화시키는 단계는 상기 철-알루미늄 합금 입자의 외부 표면 상에 알루미나를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 산화된 철-알루미늄 합금 입자를 기재상에 부착시키는 단계는 연질 자성 재료를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
장치의 일 구현예는 하나 이상의 코어를 갖는 스테이터; 상기 하나 이상의 코어 상에 코일; 상기 스테이터에 회전할 수 있게 장착된 로터; 및 상기 스테이터 및 상기 로터 사이에 장착된 하나 이상의 자석;을 포함한다. 하나 이상의 코어는 그 위에 배치된 산화물 층을 갖는 철-함유 입자들에 의해 획정된 조성물을 포함한다. 상기 스테이터는 슬롯리스일 수 있다. 상기 자속은 3차원으로 상기 로터 및 상기 스테이터 사이를 향할 수 있다. 상기 장치는 상기 로터의 외부 대향면(outer-facing surface)에 의해 획정된 로터 폴 및 상기 스테이터의 내부 대향면(inner-facing surface)에 의해 획정된 스테이터 폴을 더 포함하고, 상기 하나 이상의 자석이 상기 로터의 상기 외부 대향면에 장착된다. 상기 하나 이상의 자석의 단면 형상이 상기 스테이터의 내부 대향면의 단면 형상에 대응하는 표면을 획정할 수 있다. 상기 하나 이상의 자석 및 상기 로터의 상기 내부 대향면은 상기 로터 및 상기 스테이터 사이의 원뿔형의(conical) 에어 갭(air gap)을 획정할 수 있다. 상기 원뿔형의 에어 갭은 상기 장치의 반경 방향, 축 방향, 및 원주 방향을 따라 자속 흐름(flux flow)을 허용할 수 있다. 산화물층을 갖는 철-함유 입자들에 의해 획정되는 상기 조성물이 연질 자성 재료를 포함할 수 있다. 상기 철-함유 입자들이 약 89 중량%의 철, 약 10 중량%의 알루미늄, 및 약 0.25 중량%의 탄소를 갖는 합금을 포함할 수 있다. 상기 산화물층이 산화 알루미늄일 수 있다. 상기 조성물이 규소를 더 포함할 수 있다. 상기 조성물이 산화물 층 내에서의 농도 구배를 포함할 수 있다.
도 41 내지 45를 참조하여, 상기 연질 자성 재료(10) 제조의 다양한 예시적인 측면들이 하기 실시예에 기술된다.
실시예 1
본 명세서에 기술된 부착 공정(20)에서, 더 높은 부착 효율 때문에, 상기 HVAF 시스템은, 절연 경계 및 전자기 특성의 특성분석(characterization)을 위한 재료 샘플을 제조하기 위하여 선택되었다. 2개의 다른 HVAF 설정을 상기 재료 특성을 평가하기 위해 선택하였다. 상기 제1 설정은 화학양론적 비율(stoichiometric ratio)의 연료-공기 혼합물에 해당한다. 상기 제2설정은 더 낮은 캐리어 가스 온도를 낳는 리너 혼합물(leaner mixture)에 해당된다. 상기 제2 설정은 더 낮은 비율의 완전히 용융된 입자들을 갖는 마이크로 구조를 제조하였다. 두가지 설정에 의해 제조된 샘플의 부분 집합(subset)에 열 처리 공정을 실시하였고, 여기서 상기 샘플을 가열하여 1050 ℃의 온도(공융 온도(eutectic temperature) 보다 50 ℃ 초과)에서 4시간 동안 환원 환경에 두었고, 그 후 실온으로 천천히 냉각하여 샘플 1A 및 2A를 각각 (하기의) 표 1에 나타낸 바와 같이 제조하였다. 상기 샘플들은 얇은 직사각형 시편의 형태로, 뿐만 아니라, 약 2 인치 직경 및 약 0.25 인치 두께의 링의 형태로도 제조하였다. 상기 얇은 직사각형은 X-선 회절 시스템(X-ray diffraction system) 뿐만 아니라 전자 현미경(electron microscope) 하에서 마이크로 구조를 연구하는데 사용된다. 상기 링들은 ASTM A773 표준에 따라 자성 특성을 특성분석하기 위해 사용된다.
상기 얇은 직사각형 샘플의 단면을 연마하고(polished), 에칭하고(etched), 전자 현미경 뿐만 아니라 에너지 분광 분석기(Energy Dispersive Spectroscopy)(EDS) 하에서 관찰하여(observed), 상기 단면에 걸쳐 원소 맵(elemental map)을 생성하였다. 도 41은 샘플 2A(전자 이미지(Electron Image) 1)의 단면 뿐만 아니라 원소 철, 알루미늄, 및 산소에 대응하는 원소 맵을 도시한다. 산소 원자는 입자 경계에 주로 집중되어 있고, 철 원자는 입자 경계에 존재하지 않았다. 입자 내부에서 보다 경계에 더 높은 농도의 알루미늄 원자들이 있고, 이는 상기 입자 경계들이 알루미나로 이루어진다는 것을 나타내며, 이는 우수한 전기 절연체(electrical insulator)이며, 상기 입자 내부는 바람직한 연질 자성 재료인 Fe-Al 합금으로 이루어진다. 상기 발견을 지지하여, 도 42는 상기 재료의 X-선 회절 스펙트럼을 보여주고, 상기 Fe-Al 합금과 함께 알루미나의 존재를 확인하였다.
그러므로 알루미나로 이루어진 절연층이 높은 온도에서 (산화철로 이루어진 절연층과는 달리) 안정적일 수 있다. 상기 전자 현미경 이미지로부터, 절연 경계의 두께는 100 nm 내지 약 500 nm의 범위로 예측된다.
자성 특성의 측정은 또한 도 41에 보여지는 링 모양의 샘플들에 대해 ASTM A773 표준으로 수행하였다. 하기 특성들을 샘플 1, 1A, 2, 및 2A에 대해 측정하였다: 40 kA/m의 자기장 이하의 자화 곡선(magnetization curve) (B-H 곡선), 40 kA/m에서의 자속 밀도 B sat@40kA/m, 보자력(coercivity) Hc, 1T의 자속 밀도에서 자기장 H1T, 0 자속 밀도에서 상대적인 투과율 μr, DC 에너지 손실(히스테리시스에 기인함), 및 60 Hz 및 400 Hz 자속 밀도의 오실레이션에서 AC 전력 손실. 표 1은 상기 샘플들의 결과를 보여준다.
| 샘플 | Bsat@40kA/m (T) |
Hc (A/m) |
Hreq.1T (A/m) |
μr | 싸이클당 DC 에너지 손실 (J/kg) | AC power loss (W/kg) | |
| 60Hz | 400Hz | ||||||
| P1 | 0.9 | 700 | 41000 | 459 | 2237 | 39 | 685 |
| 1 | 1.31 | 3650 | 15400 | 230 | 9500 | 105.6 | 835 |
| 2 | 1.28 | 3500 | 17700 | 207 | 9725 | 93.5 | 766 |
| 1A | 1.42 | 420 | 2700 | 2500 | 1600 | 26.5 | 657 |
| 2A | 1.35 | 615 | 8800 | 830 | 2100 | 24.8 | 306 |
전기 모터에서 본 명세서에 개시된 바와 같이 연질 자성 재료의 사용을 위하여, 상기 포화 자속 밀도 및 상대적인 투과율이 최대화 되어야 하고, 필요한 자기장(magnetizing field), 보자력, DC 에너지 손실, 및 AC 전력 손실이 최소화되어야 한다. 표 1의 결과들은 샘플 1A는 가장 높은 포화 자속 밀도, 초기 투과율, 및 가장 낮은 DC 에너지 손실을 갖는 반면, 샘플 2A는 가장 낮은 AC 전력 손실을 갖는 것을 보여준다. 어닐링된(annealed) 샘플들은 어닐링되지 않은 동일 샘플들보다 더 높은 투과율 및 더 높은 포화 자속 밀도 및 더 낮은 보자력을 갖는다. 어닐링(annealing)은 내부 응력(internal stress) 및 전위 밀도(dislocation density)를 감소시키고, 입자 크기를 증가시킴으로써, 자기 도메인(magnetic domain) 경계의 이동에 대한 저항을 감소시킨다. 샘플 1 및 1A가 샘플 2 및 2A보다 더 높은 연소 온도에 해당되기 때문에, 이들은 더 낮은 공극률(porosity)을 갖는 완전히 용융된 입자들을 더 높은 비율로 갖는다. 결과로서, 샘플 1A는 샘플 2A보다 더 높은 투과율 및 더 낮은 보자력을 갖는다. 반면에, 더 낮은 비율의 완전히 용융된 입자들 때문에, 샘플 2A는 더 낮은 와전류 및 그에 상응하는 더 낮은 AC 전력 손실을 갖는다.절연층이 고온에서 안정한 알루미나로 이루어지기 때문에, 열처리는 포화 자속 밀도 및 투과율을 증가시키는데 매우 효과적일 뿐만 아니라, 절연층을 손상시키지 않은채 보자력을 감소시키고 와전류 손실을 감소시키는데 매우 효과적이다. 샘플 1A 및 2A에 대해서, 이러한 샘플들이 표 1의 P1으로 지정된 샘플보다 더 바람직한 자성 특성을 갖는다.
자성 특성의 추가적인 개선은 공정 파라미터 뿐만 아니라 입자 화학 및 크기의 변화에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 샘플 1 및 2의 파라미터들의 사이에 놓이는 연소 온도를 발생시키는 최적의 세트의 공정 파라미터가 있을 수 있고, 이는 더 낮은 비율의 완전히 용융된 입자들을 발생시키고, 동시에 무시할 만한 수준으로 기공률을 유지한다. 또한, 더 큰 크기의 입자를 갖는 파우더의 사용은, 자성 도메인 경계의 자유로운 움직임을 촉진할 것이므로, 더 낮은 히스테리시스 손실을 초래할 수 있다. 0.05% 미만으로의 합금 내 탄소 함량의 감소는 또한 더 낮은 히스테리시스 손실에 기여하는 탄화물 불순물의 상당한 감소를 초래할 수 있다. 또한, 입자간 절연의 무결성(integrity)을 손상시키지 않고 포화 자속 밀도(saturation flux density)의 증가를 초래할 수 있는 Fe-Al 합금 내에 알루미늄의 최적의 더 낮은 비율이 있을 수 있다.
실시예 2
이전에 고려된 입자 크기 및 형상은 15-45 미크론 범위의 크기이고, 구형의 형상이었다. 자성 재료는 적용된 자기장의 방향으로 자라는 자성 마이크로-도메인의 덩어리로 이루어진다. 상기 재료가 입자들의 덩어리로 이루어질 때, 절연층의 존재는 입자 경계로 도메인 경계의 이동을 제한할 수 있고, 이로써 효과적인 투과율 및 포화 자속 밀도를 제한한다. 또한, 재료 특성들의 시뮬레이션은 입자 치수 대 경계 치수의 이상적인 비율이 1000:1 이하라는 것을 보여줄 수 있다. 이전에 얻어진 절연층이 0.1-0.5 미크론의 두께를 가지기 때문에, 일반적으로 바람직한 입자 크기는 100-200 미크론 범위일 수 있다.
HVAF 및 HVOF를 이용한 열 분무 공정에서, 입자 크기들은 통상적으로 15-45 미크론 범위인데, 이는 상기 크기가 입자들이 충분한 속도 및 온도를 획득하게 하여 치밀한 고체 부착을 형성하기 때문이다. 더 큰 크기의 입자들을 분무하기 위하여, 입자에 투입되는 엔탈피 및 에너지를 증가시키도록 특정 공정 변형은 필요하다.
더 큰 크기의 입자를 분무하는 것의 실행 가능성을 측정하기 위하여, 실험들을 45-90 미크론의 더 큰 크기 범위의 95% 니켈 및 5% 알루미늄의 합금인 열 분무 파우더(스위스의 Oerlikon Metco로부터 입수 가능한 Metco-450NS)로 수행하였다. 상기 입자들에 투입되는 열 에너지를 연소 챔버를 선택함으로써 제어하였고, 투입되는 기계적 에너지를 수렴 발산 노즐(converging diverging nozzle)의 적절한 출구 직경을 선택함으로써 제어하였다. 몇몇 실험 이후에, 부착된 입자들의 조밀한 층을 얻었다. 도 43은 얻어진 재료의 마이크로 구조를 보여준다. 바닥의 재료층들을 더 작은 연소 챔버로 분무하였고, 상부의 층들을 더 큰 연소 챔버를 이용하여 분무하였다. 빠져나가는 입자들의 속도를 수렴-발산 노즐(converging-diverging nozzle)의 적절한 크기를 선택함으로써 제어하였다.
탄소가 분무 공정(atomization process)을 돕기 위하여 첨가되더라도, 탄소는 철을 갖는 고체 용액을 형성하지 않고, 대신에 탄화물 침전을 형성하여 자성 도메인 경계의 움직임을 방해하고, 이로써 투과율 및 포화 자속 밀도(saturation flux density)를 낮춘다. 그러므로, 탄소는 규소로 대체되어(자성 투과율을 증가시킴) 분무(atomization)를 가능하게 한다. 7.5% 미만의 농도에서, 규소는 BCC 격자 구조를 갖는 고용체(solid solution)를 형성하고, 따라서 침전물을 형성하지 않았다. 또한, 낮은 농도에서, 1400 ℃이하에서 BCC 구조를 보여주는 Fe-9%Al-Si 합금의 등치선도(isopleth)(도 44A(a)), 알루미나의 형성을 위한 선호도를 보여주는 Fe-9%Al-1%Si-O의 등치선도(도 44A(b)), 1000℃이하에서 BCC 구조를 보여주는 Fe-10%Al-C의 등치선도(도 44B(a)), 및 알루미나의 형성을 위한 선호도를 보여주는 Fe-10%Al-O의 등치선도(도 44B(b))를 보여주는 도 44A 및 44B의 상태도(phase diagram)에 나타나는 바와 같이, 1500℃ 미만의 온도에서 규소는 알루미나의 형성을 방해하지 않았다. 이러한 고려 이후에, 분무 형성 시험을 위해 Fe-9%Al-1%Si의 합금 조성을 선택하였다. 상기 농도를 갖는 파우더를 가스 분무 공정(gas atomization process)에 의해 성공적으로 제조하였고, 탄소의 농도를 0.04%로 감소시켰다. 규소의 첨가는 합금의 용융점을 근소하게 감소시킨다. 이는 더 큰 입자들의 분무에 유용할 것으로 기대된다.
합금 원소로서 알루미늄의 존재는 절연층의 형성을 촉진하였다. 그러나, 이는 또한 재료의 포화 자속 밀도를 감소시켰다. 10 중량%에서, 상기 합금의 포화 자속 밀도는 순수한 철의 포화 자속 밀도보다 20% 감소하였다. 그러므로, 하기 조건을 만족하는 입자 화학 조성을 갖는 것이 바람직한 것으로 결정되었다:
(a) 표면에 산화 알루미늄의 연속 층(contiguous layer)을 형성하도록 하고, 동시에, 높은 포화 자속 밀도를 보장하기 위해 표면 밑에 적은 알루미늄을 갖거나 알루미늄이 없도록 하기에 충분한, 표면에서의 알루미늄 농도; 및
(b) 표면의 알루미늄이, 원소 알루미늄의 형태가 아닌, 철과 알루미늄의 고용체의 형태로 존재해야 한다. 이는 원소 알루미늄이 열 분무의 작동 온도보다 낮은 용융점을 갖기 때문이다. 또한, 산화되지 않은 원소 알루미늄은 입자 도메인 주위에 바람직하지 않은 전기 전도성 경계를 형성할 것이다.
실시예 3
슬롯리스 모터(2000)의 대략적인 성능 특성을 얻기 위하여, 분석 모델을 컴퓨터 모델링 프로그램을 사용하여 개발하고 실행하였다. 상기 모델은 바람직한 세트의 모터 파라미터들, 예를 들어, 스테이터 및 로터 폴의 수, 와인딩 회전수(number of winding turns) 및 대략적인 자석과 스테이터 톱니 치수를 얻는데 사용하였다. 상기 모델에 기초하면, 20개의 로터 폴을 갖는 표 2의 치수에 부합하는 하이브리드장(hybrid field) 모터는 동일한 제약 조건으로 설계된 종래 모터보다 24% 더 높은 모터 상수를 가질 것이다.
| 스테이터 외경 (Stator outer diameter) |
172mm |
| 에어 갭 (반경 방향) |
1mm |
| 로터 보어 직경 (Rotor bore diameter) |
100mm |
| 모터 높이(자리 감김(end turns) 포함) | 21mm |
그러나, 연질 자성 재료 및 자속 포화(flux saturation)의 B-H 곡선의 비선형성(nonlinearity)을 고려하지 않기 때문에, 상기 분석적인 모델은 제한이 있다. 동일한 이유로, 상기 분석 모델은 다른 구성들을 위한 모터 상수 값을 산출하기에 충분하지 않았다. 더 정확한 해결책을 위하여, 다른 구성의 모터를 유한 요소 분석 기법(finite element analysis techniques)으로 분석하였다. 첫번째 단계로서, 모터들의 정확한 기하학적 모델을 개발하였고, 모터들의 유한 요소 분석을 수행하였다.
모터 설계 공정의 최적화 기준은 (a) 정적 및 등속 조건 하에서 모터 효율의 최대화 및 (b) 등속 작동 조건 하에서 토크 용량의 최대화를 포함한다.
정밀 형상(near-net shape) 제조를 상기 모터(2000)의 부품들을 형성하는데 사용하였다. 열 공정(thermal process)을 ASTM A773 표준으로 자성 특성을 측정하는데 사용되는 링 모양의(ring-shaped) 부품을 분무하는데 사용하였다. 상기 링 모양의 샘플을 얻는데 사용되는 상기 전략은 도 33에 보여지는 슬롯리스 및 코어리스 모터를 제작하는데 요구되는 스테이터 형상을 얻기 위해 수정되었다. 다른 모터들에서 스테이터 기하학은, 재료 부착 깊이의 측정에 반응하여 스텐실의 제어된 움직임(도 45에 보여지는 바와 같이)과 마스크 또는 스텐실의 사용을 수반하는 전략을 이용하였다. 이는 분무 시스템을 제어하는 로봇과 협동하는 스텐실 작동 메커니즘과 부착된 재료 두께를 측정하기 위한 측정 시스템이 요구된다. 컴퓨터는 측정 시스템(measurement system), 스텐실 작동 메커니즘(stencil actuation mechanism), 및 분무 시스템(spray system) 간의 협동 작업을 수행하는 마스터 컨트롤러(master controller)로서 작동하였다.
복잡한 형상들의 스텐실 및 마스크는 몰드의 제조에 이용될 수 있고, 이는 3-D 프린팅을 통해 얻을 수 있다. 3-D 프린팅된 몰드는 스테이터의 프로포타입(prototype)을 제작하는데 사용되었다. 이 프로토타입의 이용가능성은 특히 열 분무 기법을 이용한 공정과 관련된 스테이터 설계의 정밀 조사(scrutiny)를 용이하게 하였다.
지금부터 도 46a 내지 46c를 참조하면, 도 32에 도시한 모터의 다른 형태가 도시되어 있다. 도시된 구현예에 있어서, 상기 모터는 도 32에 도시된 슬롯리스 모터와 반대로 슬롯 모터(slotted motor)이다. 스테이터(1906’)는 스테이터(1906)와 유사한 해당 특징들을 가질 수 있고, 도 46c가 상기 모터에 대하여 축 방향으로 바라본 톱니(2202) 및 와인딩(2204)의 단면도를 보여주는 폴 또는 톱니를 갖도록 제공된다. 도 46a는, 스테이터에 대해 접선 향으로 바라보고 톱니(2202)의 중심을 통과하는 톱니(2202)와 와인딩(2204)의 단면도를 보여준다. 도 46b는, 스테이터에 대해 접선 방향으로 바라보고, 톱니(2202)의 중심으로부터 벗어나서 통과하고, 톱니(2202) 및 와인딩(2204)을 통하여 통과하는 톱니(2202)와 와인딩(2204)의 단면도를 보여준다. 톱니(2202)는 코어 부분(2210)에 의해 연결된 면(2206) 및 고리 부분(2208)을 갖는 것으로 나타나 있다. 여기서, 스테이터(1906’)가, 와인딩(2204)의 단면이 실질적으로 동일하게 유지되고, 톱니(2202)의 단면이 자속 경로를 따라 실질적으로 동일하게 유지되도록 구성된다. 면 부분(2206)은, 로터(1902)의 자석 부분과 접하는 원뿔형 표면 및 와인딩(2204)와 접하는 반대쪽 표면을 갖는 것으로 나타나 있다. 코어 부분(2210)은 면 부분(2206)으로부터 고리 부분(2208)까지 연장되고, 와인딩(2204)의 와이어가 그 주변에 감기는 구조를 형성한다. 여기서, 예를 들어, 도 46a 및 46c에 보여지는 바와 같이, 코어 부분(2210)은 균일하지 않은 단면을 가질 수 있으며, 그에 따라, 와인딩(2204)의 단면은 실질적으로 동일하게 유지되고, 톱니(2202)의 단면은 자속 경로를 따라 실질적으로 동일하게 유지된다. 링 부분(2208)은 도시된 바와 같이 삼각형 단면을 가질 수 있고, 인접한 톱니(adjoining teeth)에 대한 자속 경로 및 접속 구조(adjoining structure)를 제공할 수 있다. 스테이터(1906’)가 도시된 형상에 대해 기술되더라도, 임의의 적합한 형상이 제공될 수 있다. 기술된 바와 같이 스테이터(1906’) 또는 임의의 다른 스테이터는 도시된 또는 다른 분산된 와인딩과 같이 가장 중요한 와인딩을 갖는 것으로 제공될 수 있다. 유사하게, 기술된 임의의 스테이터들은 왜곡된(skewed) 폴들 또는 임의의 적절한 형상의 폴들을 가질 수 있다. 유사하게, 기술된 임의의 스테이터들은 예를 들어, 개시된 바와 같은 임의의 적절한 연질 자성 재료 또는 예를 들어, 소결된(sintered), 가공된(machined), 적층된(laminated), 또는 임의의 적절한 물질과 같은 다른 적절한 물질로 제조될 수 있다.
전술한 설명은 단지 예시적인 것으로 이해되어야 한다. 다양한 대안 및 변형이 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 고안될 수 있다. 예를 들어, 다양한 종속항에 언급된 특징들은 임의의 적절한 조합(들)과 서로 결합될 수 있다. 또한, 상술한 다양한 구현예들로부터의 특징들은 선택적으로 결합되어 새로운 구현예를 형성할 수 있다. 따라서, 상기 설명은 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 있는 모든 대안, 변형, 및 변화를 포함하도록 의도된다.
Claims (18)
- 슬롯리스 자속 모터(slotless flux motor)로서,
적어도 하나의 코어가 배치된 연속적인 표면 및 상기 적어도 하나의 코어 상에 배치된 와인딩, 상기 적어도 하나의 코어의 둘레로 원주 방향으로 위치한 외부 벽, 상기 적어도 하나의 코어 상에 배치된 상기 와인딩의 외부 모서리를 넘어 반경 방향으로 연장되고 상기 와인딩의 상부 모서리와 상기 와인딩의 하부 모서리 사이에 있는 상기 외부 벽의 모서리에 의해 획정되는 스테이터(stator);
로터 폴(rotor pole)을 갖고 상기 스테이터 내에 회전할 수 있게 장착된 로터; 및
상기 스테이터와 상기 로터 폴 사이에 장착된 적어도 하나의 자석을 포함하고,
상기 스테이터와 상기 적어도 하나의 자석 사이에 V-형상의 에어 갭이 획정되고, 상기 V-형상의 에어 갭이 스페이서를 포함하고 또한 상기 모터의 반경 방향, 축 방향 및 원주 방향을 따르는 자속 흐름을 허용하고; 및
회전 축에 수직인 분리 평면이 상기 스테이터와 상기 로터를 통과하여 연장되고, 상기 적어도 하나의 자석 및 상기 V-형상의 에어 갭은 상기 스테이터와 상기 로터 사이의 자속 흐름이 상기 분리 평면을 가로지르지 않도록 상기 자속 흐름을 3차원 자속 패턴으로 허용하도록 함께 구성되는, 슬롯리스 자속 모터. - 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 코어가 상기 스테이터의 내부 대향면 상에 그 자체로 지지되고(self-supported), 수평의 V-형상의 단면을 갖는 슬롯리스 자속 모터.
- 제1항에 있어서, 상기 스테이터의 뒤쪽 벽의 외부 대향면이 컷아웃(cutout)을 갖는 슬롯리스 자속 모터.
- 제1항에 있어서, 상기 스테이터의 뒤쪽 벽의 외부 대향면의 컷아웃이 상기 스테이터의 적어도 하나의 부분에 균일한 자속 분포를 제공하는 균일한 단면 형상을 갖는 슬롯리스 자속 모터.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 코어가 알루미나로 캡슐화된 철-함유 입자에 의해 획정된 연질 자성 복합 재료를 포함하는 슬롯리스 자속 모터.
- 제1항에 있어서, 상기 로터 폴 및 상기 스테이터가 상기 적어도 하나의 자석과 연계하여 상기 로터와 상기 스테이터 사이의 자속이 3차원적으로 단일 평면의 외부 방향으로 향하도록 하는 슬롯리스 자속 모터.
- 제1항에 있어서, 상기 스테이터가 상기 적어도 하나의 자석의 단면 형상에 상응하는 표면을 획정하는 단면 형상을 설정하도록 구성되는 슬롯리스 자속 모터.
- 제1항에 있어서, 상기 로터 폴이 상기 스테이터의 방향으로 연장되어 상기 스테이터와 상기 적어도 하나의 자석 사이의 상기 V-형상의 에어 갭을 생성하는 슬롯리스 자속 모터.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자석이 2개의 자석을 포함하고, 상기 2개의 자석 각각은 상이한 방향으로 자화된 슬롯리스 자속 모터.
- 제1항에 있어서, 상기 로터가 제1 로터 절반(first rotor half) 및 제2 로터 절반(second rotor half)을 포함하고, 상기 모터가 상기 제1 로터 절반 또는 상기 제2 로터 절반 중 어느 하나의 회전에 기초하여 작동하도록 구성되는 슬롯리스 자속 모터.
- 슬롯리스 자속 모터로서,
상부 모서리 및 하부 모서리를 갖는 연속적인 벽, 및 상기 연속적인 벽의 상기 상부 모서리 및 상기 하부 모서리와 동일 평면을 이루도록 상기 상부 모서리와 상기 하부 모서리 사이의 상기 연속적인 벽의 내부 대향면에 직접적으로 획정된 연질 자성 코어, 및 상기 연질 자성 코어의 내부 대향면에 배치된 삽입된 와인딩(potted winding), 상기 와인딩의 최외각 모서리를 넘어 종결되는 외부 대향면에 의해 획정되는 스테이터;
로터 폴을 갖고 상기 스테이터 내에 회전할 수 있게 장착된 로터; 및
상기 스테이터 및 상기 로터 폴 사이에 장착된 적어도 하나의 자석을 포함하고,
상기 스테이터와 상기 적어도 하나의 자석 사이에 V-형상의 에어 갭이 획정되고, 상기 V-형상의 에어 갭이 스페이서를 포함하고 또한 상기 모터의 반경 방향, 축 방향 및 원주 방향을 따르는 자속 흐름을 허용하고; 및
회전 축에 수직인 분리 평면이 상기 스테이터와 상기 로터를 통과하여 연장되고, 상기 적어도 하나의 자석 및 상기 V-형상의 에어 갭은 상기 스테이터와 상기 로터 사이의 자속 흐름이 상기 분리 평면을 가로지르지 않도록 상기 자속 흐름을 3차원 자속 패턴으로 허용하도록 함께 구성되는, 슬롯리스 자속 모터. - 제11항에 있어서, 상기 연질 자성 코어가 V-형상의 단면을 갖는 슬롯리스 자속 모터.
- 제11항에 있어서, 상기 로터가 제1 로터 절반 및 제2 로터 절반을 포함하고, 상기 모터가 상기 제1 로터 절반 또는 제2 로터 절반 중 어느 하나의 회전에 기초하여 작동하도록 구성되는 슬롯리스 자속 모터.
- 제11항에 있어서, 상기 연질 자성 코어가 알루미나로 캡슐화된 철-함유 입자에 의해 획정된 연질 자성 복합 재료를 포함하는 슬롯리스 자속 모터.
- 제11항에 있어서, 상기 로터 폴 및 상기 스테이터가 상기 적어도 하나의 자석과 연계하여 상기 로터와 상기 스테이터 사이의 자속이 3차원적으로 단일 평면의 외부 방향으로 향하도록 하는 슬롯리스 자속 모터.
- 제11항에 있어서, 상기 스테이터가 상기 적어도 하나의 자석의 단면 형상에 상응하는 표면을 획정하는 단면 형상을 설정하도록 구성되는 슬롯리스 자속 모터.
- 제11항에 있어서, 상기 로터 폴이 상기 스테이터의 방향으로 연장되어 상기 스테이터와 상기 적어도 하나의 자석 사이의 상기 V-형상의 에어 갭을 생성하는 슬롯리스 자속 모터.
- 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자석이 2개의 자석을 포함하고, 상기 2개의 자석 각각은 상이한 방향으로 자화된 슬롯리스 자속 모터.
Applications Claiming Priority (10)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201361884415P | 2013-09-30 | 2013-09-30 | |
| US61/884,415 | 2013-09-30 | ||
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