KR20020077339A

KR20020077339A - 인덕턴스가 낮은 전기 기계

Info

Publication number: KR20020077339A
Application number: KR1020027005125A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 엔. 튜퍼; 둔칸 지. 우드
Original assignee: 크리스토퍼 엔. 튜퍼; 둔칸 지. 우드
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2002-10-11
Also published as: EP1230724A4; CA2388048A1; KR100730762B1; MXPA02003967A; AU2614201A; US6175178B1; EP1230724A1; WO2001029955A1

Abstract

낮은 아마츄어 인덕턴스를 갖는 동기 발전기 또는 모터로서 사용될 수 있는 인덕턴스가 낮은 전기 기계(1)가 개시되어 있다. 상보적인 아마츄어 권선(40A,42A)의 배치가 제공되는 데, 이 경우에는 아마츄어 권선(40)의 전류에 의해 유도된 자속이 효과적으로 소거됨으로써, 결과적으로는 전기 기계(1)내에 낮은 자기 에너지가 저장되게 한다. 이는 낮은 실제 자속 레벨, 낮은 심손, 낮은 인덕턴스 및 감소된 자기 포화로의 경향을 초래시킨다. 자기 회로내에 추가적인 간극(54,56)이 포함되어 있음으로써, 공극 구조 및 아마츄어 인덕턴스가 독립적으로 조절될 수 있다. 회전자(22,24,25) 운동이 브러시가 없는 동기 발전기 또는 브러시가 없는 모터의 작동을 달성하는 개별 여기 계자 배치(8)가 개시되어 있다. 예시적인 구조는, 4개의 공극(50,52,54,56)만큼 고정자(2)로부터 분리된 회전자 구조(22,24,25)와 함께 2개의 환형 링(4,6) 및 집중 계자 권선(8)을 갖는 고정자(2)를 포함한다.

Description

인덕턴스가 낮은 전기 기계{LOW INDUCTANCE ELECTRICAL MACHINE}

관련 특허출원에 대한 상호참조

본 특허출원은 발명의 명칭이 "인덕턴스가 낮은 전기 기계(LOW INDUCTANCE ELECTRICAL MACHINE)"이며, 1999년 10월 21일자 특허출원된 튜퍼 크리스토퍼 엔.( Tupper, Christopher N.) 명의의 출원 계류중인 미국 특허출원 제09/422,476호의 일부 계속 출원(Continuation-In-Part;CIP)이다. 관련 특허출원의 내용은 본원에 참고가 된다.

당업자라면 잘 이해하고 있겠지만, 전기 기계는, 다른 시스템 임피던스와 상호작용하여 결합 시스템의 성능을 결정하는 내부 임피던스를 갖는다. 모터의 경우, 인덕턴스는, 전기 기계가 기계적인 작업을 이행하도록 동력을 받을 때 전기 기계내의 자기 에너지 저장과 관련된 그러한 부분의 내부 임피던스이다. 모터 구동형 전기 시스템은 인덕터에 저장된 에너지를, 이행될 기계적인 작업을 위한 에너지에 추가해서 공급하여야 한다. 이는 그러한 모터에 전력을 공급하는 데 필요한 발전기,배선 및 변성기의 용량을 증가시키게 한다.

동기 발전기 및 발전기의 경우에는, 내부 임피던스가 아마도 훨씬 더 중요하다. 동기 발전기 또는 발전기의 임피던스는 부하 임피던스와 결합하여 총체적인 시스템의 성능을 결정한다. 동기 발전기 또는 발전기의 내부 임피던스가 총체적인 임피던스의 일부이도록 제작되기 때문에, 이상적인 소오스에 의해 공급되는 이상(손실되기 이전) 전압의 대부분이 동기 발전기 또는 발전기의 출력 전압이 된다. 최근의 기술에 있어서는, 방산될 필요가 있는 폐열 및 동기 발전기 또는 발전기에서 소실되는 전력을 최소화시키며 내부 저항을 최소화시키기 위해 동기 발전기 또는 발전의 구리 권선에 낮은 저항 경로를 제공하는 데 관심을 갖은 것이 일반적이다.

동기 발전기 또는 발전기에 있어서의 또 다른 인자는 출력 권선의 인덕턴스이다. 이러한 인덕턴스는 동기 발전기 또는 발전기에 있어서의 자기 경로 둘레에 출력 권선을 감아서 직접 얻어진 결과인 데, 이는 대개 출력 전압을 생성시키는 데 사용되는 기법이다. 그러한 권선에서의 임의의 출력 전류는, 잘 이해하고 있는 바와 같이, 동일한 자기 경로에 자기 에너지를 저장한다. 이같은 회로의 인덕턴스(L)는 이하의 수학식(1)에 의하면 이러한 저장 에너지에 비례한다.

출력 권선의 인덕턴스는 내부 인덕턴스의 일부이며 부하에 걸린 출력 전압을 필터링하는 작용을 한다. 주파수가 높아짐에 따라, 이러한 유도성 인덕턴스는 동기 발전기 또는 발전기에 의해 제공되는 이상 전압의 증가 부분을 차단시켜 그같은 이상 전압의 증가 부분이 부하에 걸리지 않게 한다. 이러한 것이 60Hz 동기 발전기에 대한 문제점의 대부분은 아니었지만, 이는 고주파 발전기에 대한 실질적인 설계상의 문제로 제기되고 있다. 이는 오래전부터 공지되어 온 것이다. 예를 들면, 그리핑(Griffing) 및 글로클러(Glockler)는 미국 특허 제3858071호에서 "인덕턴스가 낮은 고주파 발전기(High Frequency Low Inductance Generator)"의 설계를 제시한다.

고주파 동기 발전기 또는 발전기는 고 출력 레벨이 실제로 작은 자기 경로, 결과적으로는 실제로 콤팩트한 유니트를 사용하여 달성될 수 있다는 점에서 바람직스럽다. 클로 폴(claw pole)형 동기 발전기는 실제적인 고주파 발전기의 설계의 전형적인 것이며 다수의 교번 극을 지님으로써 고주파를 획득한다. 이같은 실제로 작은 클로 폴형 유니트의 단점은 다수의 자기 경로 및 다수의 극의 근접 배치가 상당량의 자기 에너지를 불필요하게 저장함으로써, 결과적으로는 높은 출력 인덕턴스를 초래시킨다.

높은 출력 임피던스는 고주파 동기 발전기 또는 발전기의 작동에 있어서 여러가지 어려움을 야기시킨다. 인덕터의 임피던스(Z)는 이하의 수학식(2)에서 알 수 있는 바와 같이 동작 주파수(ω;rad/sec)와 비례 관계로 증가한다.

주파수가 높아짐에 따라, 임피던스 및 필터링도 커진다. 이같은 필터링을 극복하기 위하여는, 주파수가 증가됨에 따라 이상 전압이 증가되어야 한다. 대개 자장의 자기 여기 레벨을 증가시킴으로써 이상(손실되기 이전) 전압이 대개 증가되는데, 이는 자기 경로에서의 자기 강도 레벨을 높게 한다. 와류(eddy current)의 생성으로 인한 심손(core loss)이 주파수의 제곱과 자기 강도 레벨의 제곱 모두에 비례하기 때문에, 출력의 유도성 임피던스를 극복하기 위한 과도한 여기의 필요성으로 결과적으로는 고주파 동작에서 심손이 커진다는 점을 이해할 것이다. 자기 경로가 포화되는 지점에 여기 레벨이 도달하는 극한적인 경우에는, 부가적인 여기가 배제되고, 동작 주파수가 부가적으로 증가함에 따라 디바이스의 출력이 떨어진다.

이에 대한 대안으로서, 내부 인덕턴스가 무시될 수 있는 경우에는, 시간 변화에 따라 자속의 변화가 증가되기 때문에 주파수를 증가시키는 경우 출력 전압이 상승하게 된다. 이리하여, 주파수가 증가됨에 따라 여기 레벨이 감소될 수 있으므로써, 결과적으로는 디바이스가 포화 상태로 되지 않게 된다. 여기 레벨의 감소로 인해 심손이 감소되는 경우, 심손이 동작 주파수에 대하여 거의 일정하게 유지되도록 주파수의 증가로 인한 예상된 심손의 증가가 가감(offset)된다.

그러므로, 본 발명의 한 목적은 출력 인덕턴스가 낮은 고주파 동기 발전기로서 사용될 수 있는 전기 기계를 제공하는 것이다.

더군다나, 고주파 동기 발전기는 종종, 그의 출력을 정류, 스위칭, 코뮤테이팅 (commutating), 또는 쵸핑(chopping)시켜 이를 DC 또는 원하는 전력 주파수(50 또는 60Hz 등등)의 AC 형태로 변형시키도록 고체 회로와 함께 사용되는 다상 디바이스이다. 그같은 디바이스에서는, 각각의 동기 발전기의 출력 위상이 고주파에서 턴온 또는 턴오프되어, 다시 출력 인덕턴스의 필터링을 야기시킨다. 또한, 한 위상에서의 전류의 돌발적인 변화(스위칭)가 다른 위상에서의 원치않는 전압 천이를 발생시킬 정도로 한 위상의 출력 인덕턴스가 상호 인덕턴스에 의해 다른 위상의 출력에 연계되어 있는 것이 일반적이다.

그러므로, 본 발명의 부가적인 목적은 위상과 위상간의 상호 인덕턴스에 의해 야기되는 악 영향이 최소로 되는 다상 고주파 동기 발전기로서 사용될 수 있는 전기 기계를 제공하는 것이다.

고주파 동기 발전기의 출력 전압이 고주파 동기 발전기의 회전 속도와 무관하게 제어되는 것이 종종 바람직스럽다. 이는 외부적으로 인가된 전류가 동기 발전기내의 자기 여기 레벨을 제어하게 하는 계자 권선의 사용으로 대개 달성된다. 계자 권선 자기 회로는 대량의 자기 에너지의 저장을 위한 경로를 제공하고 출력 회로의 인덕턴스에 기여한다.

당업계에서는 회전자와 아마츄어 사이의 작은 공극 길이가 회전자의 극과 아마츄어 회로 사이를 통과하는 자속의 플린징 효과(fringing effects)의 부분을 감소시킨다는 것이 잘 알려져 있다. 전기 기계의 효율 및 전압 파형을 제어하기 위해, 이같은 플린징 효과의 감소는 중요하다. 또한, 작은 공극은 필요한 계자 여기 레벨 및 부수적인 에너지 손실과 아울러, 누설 자속 레벨을 감소시킨다. 그러나, 작은 공극은, 출력 회로가 계자 권선 자기 회로에 저장하는 자기 에너지의 양을 증가시킴으로써, 결과적으로는 전기 기계의 출력 인덕턴스를 증가시킨다.

영구 자석 발전기 및 동기 발전기는, 영구 자석 자체가 리럭턴스가 높은 요소이며 출력 회로의 전류에 의해 저장될 수 있는 자기 에너지를 제한하기 때문에 출력 회로 인덕턴스에 기여하는 이같은 계자 권선 자기 회로의 문제를 회피한다.그러나, 영구 자석 기계는 회전 속도와 무관하게 출력 전압을 제어하지는 못한다.

클로 폴 형태와 같은 전형적인 고주파 동기 발전기에 대해 주지한 바와 같이, 다수 극 및 자기 경로의 근접 배치는 대량의 자기 에너지의 불필요한 저장을 야기시킨다. 이는 앞서 언급된 포화 및 심손 문제로 인해 출력 회로 뿐만 아니라 계자 여기 회로에서 중요하다. 대부분의 자기 에너지는, 포화 및 심손 현상이 생기는 리럭턴스가 낮은 강자성 경로에 의해 상호접속되는 리럭턴스가 높은 공극에 저장된다는 점에 유념하여야 한다. 소위 "누설 자속(leakage flux)"은 출력 권선을 연계하는 의도된 경로를 통과하지 않고서 자기 회로를 완성시키도록 공극을 통과한다. 다수의 극 및 경로가 근접 상태로 배치되어 있는 실제로 콤팩트한 기계에서는 누설 자속이 자속의 점유율이 높아져서, 기계를 비효율적이게 만든다.

그러므로, 본 발명의 한 목적은 효율성 및 플린징 누설 자속의 최소화를 도모하기 위하여 회전자 및 아마츄어 사이의 공극을 작게 하며 출력 전압을 회전 속도와 무관하게 제어할 수 있는 인덕턴스가 낮은 전기 기계를 제공하는 것이다.

환형 링과 같은 형상으로 이루어진 고정자 둘레에 폴로이달(poloidal) 권선을 갖는 아마츄어를 토대로 한 전기 기계는 오래전부터 알려져 왔다. 키르클리( Kirkley) 및 스미스(Smith)는 미국 특허 제4087711호에서 방사상의 공극을 토대로 한 발전기의 설계를 제시한다. 란글리(Langley) 및 피셔(Fisher)는 미국 특허 제4547713호에서 이러한 구조를 토대로 한 DC 모터를 개시한다. 부가적인 개선점은 미국 특허 제5798594호에서 라도프스키(Radovsky)에 의해 제시되었는 데, 미국 특허 제5798594호의 명세서에서는, 계자로부터의 누설 자속을 극히 제한하는 방식으로 환형 링 고정자를 통해 자기 회로를 완성시키는 축을 중심으로 한 공극이, 브러시가 없는 동기 기계에 제공된다. 이같은 설계에서의 회전자는 비교적 복잡하며, 공극 유간(游間;clearance)의 확립에 있어서 어려움을 주고, 위상과 위상간의 상호 인덕턴스 또는 출력 인덕턴스의 문제점을 해결하지는 못한다.

그러므로, 본 발명의 부가적인 목적은 다수의 공극을 독립적으로 확립하기 위한 단순화된 회전자 구성 및 설비와 결부된 계자 자속의 누설이 적은 브러시가 없는 동기 발전기로서 사용될 수 있는 인덕턴스가 낮은 전기 기계를 제공하는 것이다.

미국 특허 제5565836호에 개시된, 그로엘(Groehl) 명의의 최근의 방법은 크기가 동일하며 방향이 반대인 전류가 자속을 소거하도록 콘센트릭 권선(concentric windings)의 전기 접속과 결부된 토로이드의 아치형 축 둘레에 콘센트릭 권선을 사용함으로써 토로이탈 형태로 권선된 인덕터내의 불필요한 자속 성분을 소거하기 위한 방법을 제공한다. 토로이드 또는 환형 링내의 내부 자속의 소거는 인덕턴스를 낮게 하는 데 사용될 수 있으며, 통상적인 전력 변성기의 설계 및 작동에 중요하다. 그러므로, 본 발명의 부가적인 목적은 환형 링, 또는 달리 폐쇄된 형상내의 자속 소거의 이점이 기계적 에너지 및 전기적 에너지 사이의 효율적인 변성을 위한 장치와 결합될 수 있는 전기 기계를 제공하는 것이다.

앞선 언급된 고주파 동기 발전기는 미국 특허 제3916284호에서 힐겐도르프 (Hilgendorf)에 의해 개시된 방법 및 발명의 명칭이 "고주파 동기 발전기 계자의 공진 여기를 위한 장치(Apparatus for Resonant Excitation of High FrequencyAternator Field)"인 미국 특허 제6051959호에서 튜퍼(Tupper)에 의해 제시된 개선점을 통한 (저) 전력 주파수 (60Hz) AC 전력의 생성용으로 사용될 수 있다. 이러한 용도에서는, 고주파 동기 발전기의 계자 여기는 60Hz 진폭 변조를 필요로 한다. 이로 인해 동기 발전기의 자심 전반에 걸친 자계의 60Hz 요동과 아울러, 와류 심손에 대한 부수적인 가능성이 초래된다. 여러 전형적인 동기 발전기는 본질적으로 일정한 레벨의 자기 여기용으로 설계된다. 이같은 전형적인 동기 발전기는 와류손을 감소시키기에 최적화되지 않은, 고형 철(solid iron) 회전자와 같은 심 구조를 사용하는 것이 전형적이다. 일정한 여기 레벨의 경우, 이는 계자 여기에 있어서 거의 변화가 없기 때문에, 결과적으로는 심손이 거의 없기 때문에 허용된다. 이같은 전형적인 동기 발전기는 계자의 60Hz 진폭 변조와 함께 사용하기에 적합하지 않는 데, 왜냐하면 계자 변조에 기인한 심손이 매우 커지기 때문이다.

그러므로, 본 발명의 부가적인 목적은 심손이 최소화되면서, 계자 여기가 전력 주파수에서 진폭 변조될 수 있는 전기 기계를 제공하는 것이다.

알다시피, 여러 전기기계식 디바이스는 모터 또는 발전기 모드 중 어느 하나로 작동될 수 있다. 내부 인덕턴스가 낮은 발전기는 또한 내부 인덕턴스가 낮은 모터로서 작동될 수 있다. 모터 작동시, 낮은 내부 인덕턴스는 전기 공급 시스템이 그같은 디바이스의 자장에 저장되는 에너지를 조종하기 위한 요건들을 감소시킨다. 더군다나, 높은 아마츄어 인덕턴스는 자장 및 아마츄어 극 전류의 신속한 변화를 방해함으로써, 모터의 고주파 응답을 제한할 수 있다. 아마츄어 인덕턴스가 낮은 모터는 모터의 비교적 높은 주파수 동작을 허용하는 데, 이는 가변 속도 용도에 유용하다.

그러므로, 본 발명의 부가적인 목적은 아마츄어 회로의 인덕턴스가 낮은 모터로서 사용될 수 있는 전기 기계를 제공하는 것이다.

스테퍼(stepper) 모터 작동시, 샤프트(shaft) 위치의 정확한 제어는 아마츄어 여기 및 회전자 극 위치 사이의 개별 스텝 관계의 제공을 통해 달성된다. 이는 샤프트 위치의 세밀한 제어를 필요로 하는 여러 산업 용도에 유용하다. 그러므로, 본 발명의 부가적인 목적은 아마츄어 인덕턴스가 낮으며 스테퍼 모터와 같이 작동될 수 있는 전기 기계를 제공하는 것이다.

스테퍼 모터 작동과는 대조적으로, 동기 모터 작동시, 샤프트의 유연한 회전을 달성하는 것이 바람직스럽다. 본 발명의 추가적인 목적은 샤프트를 유연하게 회전시키는 동기 모터로서 사용될 수 있는 인덕턴스가 낮은 전기 기계를 제공하는 것이다.

모터가 재생 제동의 요건을 갖는 시스템에 사용되는 경우, 샤프트의 RPM으로부터 독립적으로 재생 전압 및 전류를 제어할 수 있는 것이 바람직스럽다. 예를 들면, 신호등에서의 정지를 위해 재생 제동을 사용하는 전기 동력 자동차는 자동차가 정지하기 위해 서행하는 경우에도 자동차 배터리를 일정하게 재충전시키는 데 적합하도록 재생 전력을 제어할 필요가 있다.

모터의 회전자 관성은 모터 작동의 기계적인 측면에서 에너지 저장 메카니즘을 나타낸다. 특히 스테퍼 모터의 경우에서와 같은 제어 상태의 경우, 모터에서의 기계적인 관성을 최소화시키는 것이 바람직스럽다. 그러므로, 본 발명의 추가적인목적은 모터의 기계적인 관성을 감소시키는 특징을 선택하는 것이다.

본 발명은 일반적으로는 전기 기계의 설계에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 아마츄어 회로에서 낮은 인덕턴스를 갖는 동기 발전기, 발전기, 및 모터의 설계에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 인덕턴스가 낮은 전기 기계의 바람직한 실시예의 일부 절취된 단면 사시도이다.

도2A는 본 발명의 인덕턴스가 낮은 전기 기계의 바람직한 실시예의 단면도이다.

도2B는 자기 경로에 3개의 직렬 공극을 갖는 제1의 변형 실시예의 단면도이다.

도2C는 제2의 변형 실시예의 단면도이다.

도3A는 바람직한 실시예의 외부 고정자 링의 원주를 따라 전개된 도면이다.

도3B는 바람직한 실시예의 아마츄어 권선의 변형 구조를 보여주는 도면이다.

도4A는 바람직한 실시예의 한쌍의 상보적인 아마츄어 권선의 부하 전류에 의해 생성된 자속의 이동 방향 및 외부 고정자 링을 통한 자기 경로의 개략적인 다이어그램이다.

도4B는 바람직한 실시예의 외부 고정자의 원주 둘레에 이격된 다수 쌍의 상조적인 아마츄어 권선의 개략적인 다이어그램이다.

도5는 본 발명의 폴로이달 아마츄어 권선의 부하 전류에 의해 유도된 자속의 이동 방향 및 회전자를 통한 자기 경로의 개략적인 다이어그램이다.

도6은 바람직한 실시예의 폴로이달 형태로 감겨진 아마츄어 권선의 여러가지 구조를 사용하여 회전자 자속 이동의 상호 인덕턴스를 분석하기 위한 방법을 보여 주는 도6A-도6F를 포함하는 도면이다.

도7은 바람직한 실시예의 외부 고정자 링 둘레에 3개의 위상을 권선하는 한가지 방법을 보여주는 도면이다.

도8은 본 발명의 바람직한 실시예의 외부 정류기에 다상 동기 발전기를 접속하는 한가지 방법의 개략적인 다이어그램이다.

도9는 바람직한 실시예의 외부 고정자 링 둘레에 여러 위상중 하나의 위상을 권선하는 변형 방법을 보여주는 도면이다.

도10은 아마츄어 권선 코일을 수용하기 위한 외부 고정자 링내의 슬롯의 세부를 보여주는 도면이다.

도11은 방사상으로 배향된 아마츄어 권선을 토대로 한 회전자 자속 이동의 상호 인덕턴스의 분석 결과를 나타내는 도면이다.

도12는 방사상으로 배향된 극을 사용한 제3의 변형 실시예의 단면도이다.

도13은 제3의 실시예의 원주 부분의 확대도이다.

위에서 설명한 목적과 아울러, 본 발명의 부가적이고도 다른 목적 및 이점은 이하에서 설명되는 본 발명의 실시예에 의해 달성된다. 본 발명은 회전자 및 고정자를 포함한다. 비-자성 재료로 만들어질 수 있는 샤프트는 외부 회전 부하상의 외부 소오스 또는 회전 전원에 디바이스를 연결하는 수단을 제공한다. 고정자는 낮은 심손 특성을 갖는 적층된 전기 또는 자성 강철 또는 기타 적합한 자성 재료로 만들어진 아마츄어 구조 및 아마츄어 권선을 포함하여, 고정자에서의 와류손 및 히스테리시스손(hysteresis loss)을 최소화시킨다. 환형 링으로서 권선된 절연 구리 또는 기타 적합한 재료의 계자 권선은 고정자와 동축으로 그리고 고정자 내측에 배치되어 외부 전류가 디바이스를 여기시켜 디바이스내의 자계를 제어하는 수단을 제공한다. 손실이 적은 자성 재료의 하나 또는 그 이상의 내부 환형 링은 계자 권선과 동축으로 그리고 계자 권선 내측에 배치된다. 계자 권선 및 내부 링은 회전자 또는 고정자 중 어느 하나에 부착될 수 있으며, 계자 권선 및 내부 링에는 회전자 및 고정자 사이의 회전을 허용하도록 유간이 제공될 수 있다. 회전자 조립체는 일반적으로 비-자성이며 도전성이 낮은 재료로 만들어질 수 있는 2개의 회전자 디스크를 포함하고, 각각의 회전자 디스크는 원주 방향으로 균일하게 이격된 동일 수의 회전자의 극 바(pole bar)를 유지한다. 이같은 회전자의 극 바는 전반적으로 와류손 및 히스테리시스손을 최소화시키도록 적은 심손 특성을 갖는 적층된 전기 또는 자성 강철 또는 기타 적합한 자성 재료로 만들어진다. 회전자 디스크는 원하는 길이의공극이 회전자의 극 바 및 고정자 사이에 확립되도록 샤프트의 축을 따라 독립적으로 배치된다. 2개의 회전자 디스크는 1 극간격의 거리(한 디스크상의 회전자 극 바의 원주 간격의 절반과 동일한 거리)만큼 서로 각지게 만곡됨으로써, 한 고정자의 극 바가 외부 고정자 링의 원주 둘레를 전진함에 따라 회전자 극 바와 외부 고정자 링에 인접한 공극이 한 디스크에서 다른 한 디스크로 교번하게 된다. 회전자 극 바는 계자 권선의 전류에 의해 유도된 여기 자속을 전달하도록 회전자 극을 형성하기 위해 자화될 수 있다. 아마츄어 권선에서는 하나 또는 그 이상의 위상이 제공된다. 각각의 위상의 아마츄어 권선은 고정자의 주변 둘레에 균일하게 이격된 상보 쌍을 이루면서 권선되는 데, 상보 쌍의 각각의 부재는 권선의 전류에 의해 유도된 자계가 동일한 크기를 갖지만, 각각의 권선에서의 정반대의 의미를 갖도록, 결과적으로는 권선의 전류에 의해 유도된 자계가 소거되도록 반대 방향으로 권선되며 직렬로 접속되어 있다. 각각의 회전자의 극 바 쌍에 대한 각각의 위상에 대하여는 한쌍의 상보적인 권선이여야 한다. 다른 위상에 대한 권선은 마찬가지로 배열되지만, 원하는 전기적인 위상 관계를 이루도록 적합한 극간격의 일부분 만큼 원주 둘레에 각지게 배치되어야 한다.

본 발명은 계자 권선 및 아마츄어 권선의 전류에 의해 유도된 자속에 대한 특정한 일련의 자기 경로를 확립한다. 그같은 자속 경로는, 아마츄어 구조를 통한 다음, 직렬로 공극을 거쳐 제1 회전자 디스크상의 제1 회전자 극으로 이어지며, 이어서 제1 회전자 극 바를 통한 다음에, 직렬로 내부 환형 링 및 내부 환형 링과 관련된 최소한 하나의 추가적인 자기 간극을 통한 후에, 직렬로 제2 회전자 디스크상의 제2 회전자 극 바를 통해서, 마지막으로는 공극을 통해 다시 아마츄어 구조체로 이어져서 축을 중심으로 하여 원주의 형상을 이룸으로써 자기 회로를 완성한다.

동기 발전기 또는 발전기 작동 모드에 있어서는, 계자 권선이 여기되고 샤프트 및 회전자가 외부 수단에 의해 회전됨으로써, 회전자 극 바는 고정자 링의 주변을 따라 가동 형태로 계자 여기를 집중시킨다. 외부 고정자 링에서의 자속 변화에 기인하여 전압이 아마츄어 권선에서 유도된다.

모터 작동 모드에 있어서, 아마츄어 권선은 제어 방식으로 여기되어 회전자 극 바를 원하는 위치로 유인한다. 회전자 극 바 그 자체는 계자 권선의 전류에 의해 부가적으로 자화되어, 아마츄어 권선 및 회전자 극 바 사이의 인력 레벨이 제어됨으로써, 결과적으로 샤프트 및 탈출 토오크(pullout torque)가 제어될 수 있게 한다.

중요한 점으로는, 자기 경로가 회전자 및 아마츄어 사이의 공극을 작게 함으로써, 자속의 프린징 및 누설 효과가 최소화된다는 점이다. 그와 동시에, 직렬 경로는 추가적인 고 리럭턴스 부분, 내부 공극 또는 자기 간극을 포함하는 데, 이는 자기 회로의 리럭턴스를 증가시키고 아마츄어 출력 회로의 인덕턴스를 감소시킨다. 추가적인 고-리럭턴스 자기 간극 중 어느 하나 또는 그 이상의 자기 간극은 공기 또는 고형의 비-자성 재료로 충진될 수 있거나, 또는 실질적으로 진공 상태로 될 수 있다. 계자 권선에 인가된 외부 전류는 디바이스내의 자기 여기 레벨을 제어하고 그같은 외부 전류에 기인하여 외부 출력이 디바이스의 회전 속도와 무관하게 제어될 수 있다.

본 발명을, 그의 기타 및 부가적인 목적과 함께, 양호하게 이해하기 위하여는, 첨부 도면 및 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명을 참조하며 본 발명의 범위를 첨부된 청구항에 기재한다.

제1 실시예에 있어서, 본 발명의 인덕턴스가 낮은 전기 기계는 고주파 동기 발전기로서 구성된다. 본 발명의 출력 인덕턴스가 낮은 전기 기계(1)는 고정자 조립체(2)를 포함하며, 고정자 조립체(2)는 외부 환형 링(4) 및 내부 환형 링(6)을 포함하며, 이들 모두는 대체로 고정자에서의 히스테리시스손 및 와류손을 최소화시키도록 낮은 심손 특성을 갖는 적층된 전기 또는 자성 강철 또는 기타 적합한 자성 재료로 만들어지며, 이러한 실시예에서는 적합한 재료의 나선형 권선을 만들므로써 제조된다. 절연 구리선 또는 기타 적합한 도체의 환형 계자 권선(8)은 2개의 고정자 링(4,6) 사이에 동축으로 배치되어, 고정자 및 회전자가 외부 전류 소오스에 의해 여기될 수 있는 수단을 제공한다. 아마츄어 권선(40)은 이후에 상세하게 설명되는 특정한 방식으로 외부 고정자 링(4)의 단면 둘레에 폴로이달 형태로 감겨진다. 외부 환형 링(4)은, 아마츄어 권선(40)과 함께, 이러한 디바이스용의 아마츄어로서 작용한다. 이같은 고정자 요소(4,6,8,40) 모두는 견고하게 결합되어 고정 상태로 유지된다. 고정자 요소(4,6,8,40)는 에폭시와 같은 재료와 함께 접착되거나 또는 레이디얼 핀(radial pin)과 같은 기계 수단에 의해 고정되어 외부 하우징에 부착됨으로써 고정 상태로 유지될 수 있다.

또한, 출력 인덕턴스가 낮은 전기 기계(1)는 회전자 조립체를 포함하며, 회전자 조립체는, 바람직하게는 비-자성 재료로 만들어질 수 있는 공통 샤프트(22), 및 바람직하게는 비-자성 및 불량 도전 재료로 만들어질 수 있는 2개의 회전자 디스크(24,25)를 포함하며, 각각의 회전자 디스크에는 또한 동일 갯수의 회전자 극 바(26,27)가 고정되어 있는 데, 회전자 극 바(26,27)는 방사상으로 배향되어 있으며 전반적으로 회전자 극 바에서의 와류손 및 히스테리시스손을 최소화시키도록 낮은 심손 특성을 갖는 적층된 전기 또는 자성 강철 또는 기타 적합한 자성 재료로 만들어진다. 회전자 조립체는 또한 선택 축 스페이서(30)를 포함할 수 있는 데, 선택 축 스페이서(30)는 비-자성 재료로 만들어지며 2개의 회전자 디스크(24,25)의축 간격을 유지시키는 데 일조한다. 그같은 회전자는 또한 디스크의 축 및 회전 위치를 유지하도록 샤프트에 회전자 디스크(24,25)를 고정시키는 수단으로 고정된다.

도2A는 동기 발전기의 단면도이다. 베어링과 같은 수단(32)은 샤프트(22)가 고정자 조립체(2)에 대하여 회전될 때 고정자 조립체(2)에 대한 회전자 조립체(20)의 축 및 방사 위치를 유지하도록 제공된다. 도2A는 또한 고정자 조립체(2) 및 회전자 극 바(26,27)통한 자기 경로(58)의 축 성분을 도시한 것이다. 자기 경로(58)에서 이동하는 자속의 양은 계자 권선(8)의 여기 및 자기 경로(58)의 자기 리럭턴스에 의해 제어되며, 자기 경로(58)의 리럭턴스는 다시 회전자 극 바(26,27) 및 내부 고정자 링(6)의 대응 면 사이의 2개의 축 공극(54,56)의 리럭턴스 및 회전자 극 바(26,27) 및 외부 고정자 링(4)의 대응 면 사이의 2개의 축 공극(50,52)의 리럭턴스에 의해 주로 제어된다. 보다 일반적으로는, 이들 공극(50,52,54,56)은 자기 경로(58)의 고 리럭턴스 부분이며 자기 간극으로서 언급될 수 있다. 도2A에 도시된 바와 같이, 내부 공극(54,56)은 외부 공극(50,52)과는 다른 축 길이를 지닐 수 있다. 고정자 부근에 단지 2개의 공극만을 갖는 설계는, 공극(50,52)과 마찬가지로, 자기 경로에 대한 보다 통상적인 구성을 제공한다. 2개의 추가적인 공극(54,56)을 자기 경로(58)에 직렬로 추가하는 것은 계자 권선에 필요한 여기를 증가시키지만 다음과 같은 이점을 제공한다.

(a) 공극(54,56)의 추가된 리럭턴스는, 아마츄어 권선의 출력 전류에 의해 여기될 때 자기 경로(58)에서 이동하는 반응 자속을 감소시킨다. 이같은 계자 자기 경로에서의 감소된 반응 자속 이동은 출력 전류로부터 초래되는 이러한 경로에 전장된 자기 에너지를 감소시킴으로써 결과적으로는 이러한 디바이스의 출력 회로의 인덕턴스를 감소시킴에 있어서의 하나의 중요한 단계이다.

(b) 외부 공극(50,52)의 치수는 외부 고정자 링(4) 및 회전자 바(26,27) 사이의 공극 자속의 형태를 제어한다. 외부 공극(50,52)의 축 길이가 증가됨에 따라, 누설 자속의 형태는 외부 링(4)의 원주를 따라 부가적으로 확산함으로써, 아마츄어 권선을 통한 의도된 통로를 우회하여 전기 기계의 성능을 저하시킨다. 전기 기계의 출력 인덕턴스를 감소시키기 위하여 자기 경로(58)의 리럭턴스를 증가시킬 수 있는 것이 유리하다. 그와 동시에, 누설 자속을 최소화시키기 위하여 출력 공극(50,52)의 작은 축 길이를 유지하는 것이 바람직스럽다. 내부 공극(54,56)의 도입으로 자기 경로(58)의 리럭턴스가 외부 공극(50,52)의 축 길이를 변경시키지 않고서도 조절될 수 있다. 이는 아마츄어 인덕턴스 및 누설 자속의 레벨 사이에 새로운 자립도를 제공한다.

(c) 잘 이해하고 있는 바와 같이, 공극이 없으면, 자속 이동은 자기 경로내의 모서리의 내부 에지에 집중하려는 경향을 가짐으로써, 증가된 자속 강도의 국부화된 부위를 형성하는 데, 그같은 부위는 자기 포화 및 보다 높은 심손의 경향을 나타낸다. 공극(54,56)의 도입으로 자속이 공극의 폭에 걸쳐 강제로 확산되게 함으로써, 자기 경로를 보다 균일하게 이용하여, 국부화된 집중, 포화, 및 심손을 감소시킨다.

(d) 전형적인 2개의 공극 기계에 대하여, 공극(54,56)이 없는 경우, 본 발명의 고정자의 내부 링(6)인 부분은 고정자 대신에 회전자에 부착된 유사 부분으로대체된다. 이때에는, 그러한 회전자 부분이 고정자의 방해를 받지 않고 회전할 수 있도록 그러한 회전자 부분 및 계자 권선(8) 사이에 방사 유간을 유지하는 것이 필요하다. 이같은 본 발명에 있어서, 공극(54,56)의 도입으로 내부 링(6)이, 내부 링(6)의 구조가 회전으로부터의 원심력을 견딜 어떠한 요건도 없이 그리고 내부 링(6) 자체 및 계자 권선 사이의 어떠한 방사 유간 요건도 없이 고정자의 고정 부분이 될 수 있다.

(e) 공극의 길이가 자기 경로 외측에 있는 스페이서(30)에 의해 제어될 수 있다는 점에서 현재 기술에 관련하여 구조가 간단하게 된다. 자기 경로의 리럭턴스 및 공극에 대한 조절은 그같은 경로에서의 적층된 자성 재료를 개질하지 않고서도 이루어질 수 있다.

(f) 회전자 디스크(24,25)를 갖지 않는 샤프트가 고정자 조립체(2)의 중심을 통해 삽입된 다음에, 디스크(24,25)가 샤프트의 양 단부상의 정위치에 조립되고, 스페이서(30)에 의한 임의의 도움으로 독립 배치되며 그리고 고정 수단(28) 및 베어링 수단(32)에 의해 고정될 수 있다는 점에서 현재 기술에 관련하여 구조가 간단하게 된다.

(g) 도2A에서 알 수 있는 바와 같이, 샤프트(22), 스페이서(30), 회전자 플레이트(24,25)는 자기 경로의 필수 부품이 아니며 이같은 부위에서의 심손을 감소시키도록 비-자성 및 불량 도전 재료로 만들어질 수 있다.

(h) 회전자 조립체(20)로부터 내부 고정자 링(6)의 일체를 분리시키는 경우,회전자 조립체(20)가 비교적 경량이며 회전자와 비교해서 낮은 관성을 지닐 수 있는 데, 이 경우에는 내부 고정자 링(6)에 의해 나타나게 되는 등가의 자속 경로가 회전자내에 포함된다.

도2A 및 기타 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 외부 고정자 링(4), 내부 고정자 링(6), 계자 권선(8)이 모두 동심 형태로 적층되어 있으며, 계자 권선(8)이 여기될 때 회전자 디스크(24)와 관련된 회전자 극 바(26) 모두가 동일한 자기 극성을 지니고, 그리고 회전자 디스크(25)와 관련된 회전자 극 바(27)가 반대 극성을 갖는다는 점에서 모두 동일한 동기 발전기(1)에서의 자기 경로(58)의 배치가 계자 여기로 인한 최소의 누설 자속량을 제공하는 점을 이해할 것이다. 이는 클로 폴 설계에서와 같은 대량의 누설 자속을 갖는 설계보다 낮은 심손 및 최적의 자성 재료의 사용을 초래시킨다.

도2B는 직렬 관계에 있는 3개의 자기 간극, 즉 2개의 외부 공극(50,52), 및 1개의 내부 자기 간극(55)을 갖는 자기 경로가 제공된 제1의 변형 실시예의 단면도이다. 내부 링은 현재 회전자 구조에 견고하게 부착되어 있는 2개의 부분(7A,7B)으로 구성되어 있으며, 이러한 부분에는 고정자에 고정되는 계자 권선(8)내에서 회전될 수 있도록 방사 유간이 제공된다. 내부 자기 간극(55)은 부분(7A,7B) 사이에 확고하게 유지된 공극 또는 비-자성 스페이서일 수 있다. 간극(55)이 내부 링 부분 중 하나 및 회전자 바(26) 사이에 배치될 수 있는 데, 이 경우에 부분(7A,7B)은 회전자 디스크(25) 및 인접한 회전자 바(27)에 견고하게 부착된 단일 부분으로 결합될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 이러한 변형 실시예는 위에서 기술한 바와 같은 이점(a,b,e,f)을 달성하지만 바람직한 실시예에 대하여 위에서 기술한 이점(c,d,h)을 실현하지 못한다.

도2B는 또한 브라케트 및 볼트와 같은 수단(151)에 의해 기준 프레임(152)에 고정된 외부 케이싱(150)을 보여준다. 도2B는 또한 벨트 및 풀리와 같은 수단(153)에 의해 샤프트(22)에 결합된 풍차(windmill) 또는 차량 엔진과 같은 회전 동력 소오스(154)를 보여준다. 본 발명이 모터로서 작동하는 경우에는, 요소(154)는 팬 블레이드 또는 차량 트랜스미션과 같은 회전 부하를 나타낼 수 있다.

도2C는 제2의 변형 실시예를 도시한 것이며, 이러한 변형 실시예에서는 회전자 디스크(24,25)가, 회전자 디스크의 외경에 배치되어 고정자 구조 없이 회전하며 회전자 바(26,27) 및 외부 환형 링(4) 사이의 자기 인력에 내성을 갖는 비-자성 축 스페이서 요소(156)에 의해 개별적으로 유지되어 있다. 요소(156)는 단일의 완전한 링 또는 회전자 디스크의 원주 둘레에 이격된 다수의 개별 요소일 수 있다. 이러한 실시예에서, 회전자 디스크는 베어링(32)에 의해 샤프트에 대해 회전하게 되며 고정자는 방사 커넥터(9)에 의해 샤프트(22)에 고정되고 샤프트(22)는 다시 기준 프레임(152)에 고정된다. 회전 동력 소오스(154)는 회전자 디스크에 직접 결합된다.

고정자 및 케이싱이 고정되며 샤프트 및 회전자가 회전하는 것이 전형적이지만, 단지 고정자 구조체 및 회전자 구조체 사이의 상대적인 운동이 디바이스의 작동에는 필수적이며 어느 한 요소는, 다른 한 요소가 회전하는 동안 기준 프레임에 대하여 정지될 수 있다.

대체로, 동기 발전기의 자성 재료는 와류손 및 히스테리시스를 최소화하도록 작은 심손을 갖는 적층된 자성 또는 전기 강철 또는 기타 적합한 자성 재료이다.적층된 재료의 적은 심손 특성을 이용하기 위하여, 자속은 각각의 적층 면내에서나 또는 각각의 적층의 만곡된 표면과 나란하게 이동하여야 하며 그러한 적층의 면 또는 표면과 수직으로 이동하는 성분을 지녀서는 안된다. 유도 전압 및 결과적으로 생성된 와류는 자속선과 수직인 면에서의 변하는 자속선 둘레에 배향된다. 층류간 저항이 와류의 순환을 방해하도록 적층이 와류의 면에 수직인 것이 바람직스럽다. 적층이 와류 성분의 면과 나란한 것은 바람직스럽지 않은 데, 그 이유는 이같은 성분이 비교적 방해받지 않고 순환함으로써, 대량의 손실을 야기시키기 때문이다. 도1 및 도2는 자성 재료 적층이 모두 자속을 적층의 표면과 나란하게 이동하게 하도록 배향된 것을 도시한 것이다. 적층이 본질적으로 샤프트(22)의 축과 동심을 이루게 하기 위하여, 외부 고정자 링(4) 및 내부 고정자 링(6)은 자성 재료의 나선형 권선으로 만들어지는 것이 바람직스럽다. 이러한 요소에서의 자속 이동은 축을 중심으로 하여 원주 형상을 이루며 적층의 만곡된 표면과 나란하다. 자기 경로(58)에서의 계자 자속 레벨이 원하는 전력 주파수에서 진폭 변조될 수 있는 상태에서는, 내부 고정자 링(6) 또는 외부 고정자 링(4)의 나선형 권선 층이 한 층으로부터 다른 한층으로 단락되지 않도록 주의를 기울려야 하는 데, 왜냐하면 그같은 단락 회로가 결과적으로는 경로(58)에서의 자속의 축 성분을 에워싸는 폐쇄된 도체를 형성하게 되기 때문이다. 알다시피, 시간 변화에 따른 자속을 에워싸는 폐쇄된 도체내로 유도되는 전압 및 전류는 상당히 많다. 그같은 전류는 본질적으로 와류이며 전력을 소비한다. 회전자 극 바(26)는 샤프트(22)의 축 및 회전자 극 바(26)의 중심을 통한 방사 치수를 포함하는 면과 나란한 면에 적층되는 자성 재료의 적층으로만들어진다. 마찬가지로, 회전자 극 바(27)는 샤프트(22)의 축 및 회전자 극 바(27)의 중심을 통한 방사 치수를 포함하는 면과 나란한 면에 적층되는 자성 재료의 적층으로 만들어진다. 회전자 극 바(26,27)에서의 자속 이동은 본질적으로 근소한 축의 성분과 방사 형태를 이루며 이같은 이동은 완전히 적층의 면내에서 이루어진다.

도3A는 외부 고정자 링(4)의 원주를 따라 전개된 도면을 보여주는 것이다. 이같은 발명에서는, 회전자 디스크(25)가 회전자 디스크(24)에 관련하여 원주 방향으로 1 극간격(10)으로 이동됨으로써, 회전자 극 바(26,26A) 및 회전자 극 바(27 ,27A) 및 그들에 대응하는 공극이 외부 고정자 링(4)의 원주를 따라 엇갈려지게 된다. 계자 권선 여기는 회전자 극 바(26,26A)가 북극으로서 작용하고 회전자 극 바(27,27A)가 남극으로서 작용하기에 충분하다고 가정하면, 도3A는 회전자 링(4)의 원주를 따르는 계자 유도 자속 요소(60,62)의 방향 및 분포의 간략화된 개략도를 보여주는 것이다. 본질적으로 북극 바(26)로부터의 자속은 그의 절반이 자속 이동(60)으로서 시계방향이고 나머지 절반이 자속 이동(62)으로서 반시계 방향인 관계로 분할되는 데, 그 각각은 부근의 남극 바(27,27A)로 이동한다. 회전자 극 바(26,26A,27,27A 등등)가 외부 고정자 링(4)의 원주에 대하여 이동하기 때문에, 도면 부호(40)와 같은 어느 한 아마츄어 권선에 의해 에워싸인 계자 유도 자속(60,62)은 교번으로 방향을 바꾸며 이같은 자속의 시간 편차는 그러한 권선내에 전압을 유도한다.

이같은 자속 교번을 이용하기 위하여, 아마츄어 권선(40)이 외부 고정자링(4)상에 배치되어 한 방향으로 주어진 권수(number of turns)로 감겨지며, 상보적인 아마츄어 권선(42)이 외부 고정자 링(4)의 원주를 따라 1 극간격(10)을 두고 배치되어 동일한 권수이지만 다른 한 방향으로 감겨짐으로써, 권선이 기준점(44)에서 직렬로 접속될 경우, 회전자 극 바(26,26A;27,27A)가 외부 고정자 링(4)에 대하여 이동함에 따른 자속의 변화에 의해 야기된 전압이 서로 편각을 이루게 한다. 기준점(44)이 권선의 종단점일 필요는 없지만, 연속 권선의 방향이 반대인 점일 수는 있다는 점이 자명해질 것이다. 계자에 의해 유도된 역 자속 형태의 선간 거리에 기인하여, 각각의 쌍의 상보적인 회전자 극 바(26,27)에 대하여 상보적인 한쌍의 아마츄어 권선(40,42)이 있어야 한다.

도3B는 아마츄어 권선(40)의 부하 전류(I)가 아마츄어 권선(42)의 부하 전류에 대하여 역전된 의미의 원주 방향으로 흐르도록 공통 접점(44)이 변경되는 동안권선(40,42)이 외부 고정자 링(4) 둘레에 동일한 물리적인 방향으로 감겨지는 경우에 상보 쌍의 아마츄어 권선의 동일한 효과가 달성될 수 있다는 것을 보여주도록 외부 고정자 링(4)상에 상보 쌍으로 배치되며 직렬로 접속된 아마츄어 권선(40,42)의 변형 구조를 도시한 것이다.

도3A 및 도3B에서, 상보 쌍의 권선(40,42;40A,42A 등등)은 단상 아마츄어 회로로 언급한다. 추가적인 출력 위상을 위한 상보 쌍의 권선은, 필요에 따라, 외부 고정자 링(4)상에 배치될 수 있으며, 각 위상의 위치는 원하는 전기적인 위상 천이를 달성하기 위해 적합한 극간 거리 일부분 만큼 외부 고정자 링(4)의 원주를 따라 가감된다. 그같은 추가적인 위상 권선은 이후에 설명되겠지만, 서로간의 상부에나또는 외부 고정자 링(4)의 개별 세그먼트 상부에 직접 감겨질 수 있다. 각각의 위상에서는, 상보 권선(40,42) 사이의 선간 거리는 1 극간격(10)이여야 한다. 계자 여기에 의해 유도된 역 자속 형태의 선간 거리로 인해, 각각의 쌍의 상보적인 회전자 극 바(26,27)에 대한 각각의 위상에 대하여 상보적인 한쌍의 아마츄어 권선(40 ,42)이 있어야 한다.

계자 여기에 의해 유도된 자속에는 아마츄어 권선에 흐르는 임의의 부하 전류에 의해 유도된 자속이 중첩된다. 자성 재료의 자기 포화 한계치보다 낮은 자속 강도 레벨에서는 이같은 상이한 자속 계자의 효과가 개별적으로 분석되어 선형적으로 결합하여 추가될 수 있다. 전기 및 자성 강철의 경우, 그같은 한계치는 종종 약 1.2 내지 1.5 테슬라이다. 명료한 설명을 위해, 이러한 바람직한 실시예의 나머지 설명은 디바이스가 선형 범위내에서 작동한다는 가정에 따른다. 그러나, 중첩된 자속 계자의 자속 강도 레벨이 자성 재료의 포화 한계치를 초과하는 경우에는, 디바이스의 자기 응답이 비-선형이라는 점을 이해할 것이다. 여러 전기-기계식 기계의 경우에서와 같이, 본 발명은 여전히 자기 포화에 의해 야기되는 비-선형 범위로 작용한다.

도4A에서는, 아마츄어 극 권선(40)의 부하 전류 및 아마츄어 극 권선(42)의 전류는 동일한 크기이며, 동일 크기의 자속 이동(64,66)을 유도하지만, 외부 고정자 링(4)의 낮은 리럭턴스 재료 둘레에는 완전히 원주의 반대 방향으로 이동한다. 이같이 동일하지만 정반대인 자속 이동(64,66)은 중첩하여 아마츄어 전류에 대하여 이러한 자기 회로의 유도 효과를 효과적으로 소거한다.

동일하지만 정반대인 자속 이동의 중첩은 자속 소거로서 언급될 수는 있지만, 사실상 2개의 권선이 여전히 상호 인덕턴스에 의해 연계된다. 권선(40)에서의 1볼트의 리액턴스 전압은 상보적인 아마츄어 권선(42)에서의 1볼트의 리액턴스 전압을 발생시킨다. 그같은 상보적인 직렬 전기 접속에 의해, 실제 리액턴스 전압은 제로(0) 볼트가 된다. 이는 아마츄어 회로로 하여금 작은 값(이론적으로는 제로임)의 인덕터로서 작동하게 한다.

상보 쌍의 아마츄어 극(40,42)은 이같은 원주 자속 이동(64,66)의 효과적인 소거를 위해 필요하다. 외부 고정자 링(4)내에서의 원주 방향의 결과적인 자속 강도 레벨(테슬라 단위의 B 자계)은 이같은 소거(중첩) 효과의 결과로서 극히 낮아 진다(이론적으로는 제로임). 낮은 결과적인(실제) 자속 강도 레벨은 외부 링(4)으로 하여금 자기 포화 상태로 되지 않고서 고 부하 전류로부터의 반응 자속을 갖게 할 수 있다. 외부 링(4)에서의 와류 및 히스테리시스 손(심손)은 낮은(실제) 자속 강도의 제곱에 비례한다. 외부 고정자 링(4)의 낮은 리럭턴스 경로 둘레내에서 원주 방향으로 흐르는 자속에 기인한 결과적인 출력 인덕턴스는 극히 낮게 된다(이론적으로는 제로임). 이와는 대조적으로, 상보적인 아마츄어 권선(42)의 부하 전류에 의해 유도된 자속의 소거 효과가 없는 경우, 아마츄어 권선(40)의 부하 전류에 기인한 외부 링(4)에서의 자속 강도 레벨, 자기 포화 상태로의 경향, 및 심손은 모두 상당히 커져서 본 발명의 목적에 상반된다.

낮은 인덕턴스, 적은 자기 포화 상태로의 경향을 갖는 낮은 자속 강도 레벨, 및 낮은 심손의 이점은 자속이 효과적으로 소거되도록 중첩하는 자기 회로내의 각각의 위치에서 획득된다. 이같은 이점은 실제 자속 강도 레벨의 제곱에 관련된 심손을 제외하고는 효과적인 소거의 양에 비례한다.

부가적으로는, 추가적인 상보 쌍의 아마츄어 권선(40a,42b)이 외부 고정자 링(4)상에 배치될 수 있으며, 그같은 쌍의 부재가 1 극간 거리 만큼 이격되어 있고, 각각의 상보 쌍이 그 자체상에서 제로 인덕턴스의 실제 효과를 가지며 임의의 유사한 상보 쌍상의 제로 상호 인덕턴스가 외부 고정자 링(4)의 원주 둘레에 배치된다는 것을 도4B로부터 알 수 있을 것이다. 다시, 합쳐서 고려된 원주 자속 이동( 64,66)에 기인하여 그같은 쌍으로 만들어진 위상과 위상간의 상호 인덕턴스 및 일련의 상보 쌍의 아마츄어 권선의 상호 인덕턴스가 (이론적으로는) 제로가 된다는 것이다.

상보 쌍(40,42)의 배치가 없이는, 고 레벨의 실제 자속이 외부 고정자 링(4)의 낮은 리럭턴스에 기인하여 외부 고정자 링(4)의 원주 둘레에 이동하게 된다는 점에 중점을 두어야 한다. 이는 결과적으로 자성 재료에서의 고 레벨의 자기 강도, 및 비교적 낮은 레벨의 출력 전류에서의 포화를 초래하게 된다. 이같은 바람직스럽지 못한 배치에서는, 동기 발전기의 출력 인덕턴스가 극히 높아지며 여러 출력 위상의 상호 인덕턴스가 극히 높아지게 된다. 또한, 외부 고정자 링(4)이 토로이드와는 달리 폐쇄된 형상일 수 있으며 여전히 상보 쌍의 아마츄어 권선(40,42)에 기인한 자속의 소거 특성을 나타낸다는 점을 알 수 있을 것이다.

도5는 아마츄어 권선(40)의 전류에 의해 여기되는 다수의 자속 경로를 개략적으로 나타낸 도면이다. 위에서 논의된 바와 같이, 원주 자속 이동(64)에 부가해서, 아마츄어 권선(40)의 전류에 의해 유도되는 다른 자속이 존재하며 이러한 자속이 외부 고정자 링(4)의 낮은 리럭턴스 재료를 통한 완전한 회로를 완성시키는 못하지만 공극 및 회전자를 포함하는 높은 리럭턴스 경로(부하에 의해 유도된 회전자 자속, 자속 이동(68,70) 참조)를 통해서나, 또는 국부적으로 권선(40) 부근(국부 자속, 자속 이동(76) 참조)을 통해 병렬 회로를 완성시킨다는 점을 알 수 있다. 이하에 설명되는 추가적인 설계상의 고려할 문제는 이같은 교번 자속 경로의 유도성 효과를 최소화시킬 것이다.

도5에서는, 부하에 의해 유도된 회전자 자속 이동(68,70)이 아마츄어 권선( 40)의 부하 전류에 의해 유도된 자속에 의해 취해지는 회전자에서의 자기 경로를 보여준다. 자기 에너지는 이같은 자속 경로를 따라, 특히 높은 리럭턴스 공극 부위에 저장된다. 이러한 에너지 저장은 아마츄어 권선(40)에서의 자기 인덕턴스로서 나타나게 된다. 또한, 이같은 자속이 아마츄어 권선(42)을 통해 그리고 다른 위상으로부터의 아마츄어 권선을 통해 이동하기 때문에, 아마츄어 권선(40) 및 다른 아마츄어 권선 사이에는 상호 인덕턴스가 존재하게 된다.

도6A 내지 도6F는 여러 구조의 아마츄어 권선을 사용하여 회전자 자속 이동의 자기 및 상호 인덕턴스를 분석하기 위한 방법을 보여준다. 원내의 숫자는 관련 화살표로 표시된 상대 자속 강도 레벨을 언급하고 있는 데, 그같은 자속 강도 값은 각각의 권선의 부하 전류로부터 여기되는 유사한 암페아 회수(amp-turn)를 토대로 한다. 도6A는 아마츄어 권선(40)의 부하 전류에 의해 유도된 회전자 자속 이동(68 ,70)에 대한 자속 이동 경로의 각각의 분기 성분을 보여 준다. (위에서 논의된 원주 자속 이동(64)이 도6A 내지 도6F에는 도시되어있지 않다는 점에 유념하기 바란다.) 권선(40)에서의 상대 자속 강도가 "4"이라는 점에 유념하기 바란다. 도6B는 상보적인 아마츄어 권선(42)을 통해 흐르는 부하 전류에 의해 유도된 자속 이동(72,74)에 대한 유사한 분석을 보여주는 데, 아마츄어 권선(42)의 역전된 권선 방향에 기인한 자속 이동 방향의 변화를 유념하기 바란다.

도6C는 자속 이동(72,74)상에 중첩되는 자속 이동(68,70)을 보여준다. 도6D는 실제 자속 이동을 보여주는 데, 양 방향으로의 이동이 각각의 효과를 "소거"하려는 경향을 갖는다. 상보 쌍의 아마츄어 권선(40,42)에서의 동일 전류에 의해 야기되는 유도된 회전자 경로 자속이 완전히 소거되지는 않지만 어떤 공극 부분에서, 어떤 외부 고정자 링(4) 부분에서 및 어떤 회전자 극 바 부분에서 높은 자속 강도 레벨 및 실제 인덕턴스를 갖게 된다는 점을 알 수 있다. 그러나, 권선(40,42)에서의 상대 자속 강도가 현재 "3"의 실제값으로 감소된다는 점에 유념하기 바란다.

도6E는 아마츄어 권선(40,42)으로부터 외부 고정자 링(4)상에 직경 방향으로 배치된 제2의 상보 쌍의 아마츄어 권선(40A,42A)에 의해 야기되는 실제 자속을 보여준다. (도4B와 비교 바람.) 이같은 실제 자속이 도6D의 실제 자속의 역이라는 점에 유념하기 바란다. 도6F는 2쌍의 상보적인 아마츄어 권선(40,42;40A,42A)의 동일 전류에 의해 유도된 실제 자속 이동을 보여준다. 중첩 이후에, 권선(40) 등에서의 상대 자속 강도 레벨이 "2"로 감소되었다는 점을 알 수 있을 것이다. 이는 이들 4개의 아마츄어 권선 코일(40,42,40A,42A)의 상호 인덕턴스가 결합하여 유도된 회전자-경로 자속으로부터의 실제 유도성 효과를 감소시킨다는 것을 의미한다. 공통 자기 경로상의 동일 권수의 4개의 직렬 권선의 전형적인 추가가 결과적으로는 단일 권선의 인덕턴스에 (4의 제곱) 16을 곱한 총체적인 인덕턴스를 제공하도록 결합한 상호 인덕턴스를 초래한다는 점을 알 수 있다. 그러나, 여기서, 상보 쌍의 권선의 배치, 즉 한쌍의 회전자 극 바에 대한 한쌍의 권선이 결과적으로는 유도성 효과의 실질적인 소거를 초래시킨다. 도시되어 있는 경우에서는, 4개의 권선이 결합하여 각각의 권선에서의 실제 자속을 그 자체의 인덕턴스 자속의 절반까지 감소시키는 데, 왜냐하면, 4개의 권선의 총체적인 직렬 인덕턴스는 단지 단일 권선의 인덕턴스의 2배에 불과하기 때문이다.

이같은 유도된 회전자-경로 자속에 대한 인덕턴스의 효과적인 소거 조건은 하나의 상보 쌍의 아마츄어 권선이 존재하며, 그같은 쌍의 부재가 각 쌍의 회전자 극 바에 대하여, 1 극간격(10)으로 외부 회전자 링(4)의 원주를 따라 이격되어 있는 경우에 적용된다는 것이 본 발명자에 의해 발견되었다. 또한, 출력의 총체적인 직렬 유도가 권선 쌍의 수에 따라 산술적으로 증가하는 데, 다시 말하면 7개의 회전자 극 쌍 둘레에 이격된 7개의 상보적인 권선 쌍의 인덕턴스가 단일 회전자 극 쌍 둘레에 이격된 하나의 권선 쌍의 인덕턴스의 7배이라는 것도 본 발명자에 의해 발견되었다.

명료한 설명을 위해, 도5 및 도6A 내지 도6F는 회전자 극 바(26,26A,27,27A) 및 그와 관련된 공극이 외부 고정자 링(4)의 내측에 방사상으로 적층된 형태로 도시되도록 배치되었다. 이는 클로 폴형 동기 발전기에서의 회전자 극의 위치와 유사하며 여기에서 제공된 분석은 도1, 도2A 및 도2B에 도시된 회전자 구조를 갖는 동기 발전기에 뿐만아니라 클로 폴 회전자를 갖는 폴로이달 형태로 감겨진 동기 발전기에 적용할 수 있을 것이다. 더군다나, 도5 및 도6A 내지 도6F가 본 발명의 4개의 공극 구조를 도시하고는 있지만, 그 분석의 결론은 보다 통상적인 2개의 공극 설계에서와 같이 공극(54,54A,56,56A)의 제거에 의해 변경되지는 않을 것이다.

또한, 각각의 아마츄어 권선에 대한 도5의 국부 자속(76)의 효과가 결과적으로는 출력의 추가적인 자기 인덕턴스를 초래시킨다. 국부 자속(76)의 리럭턴스가 높은 긴 공기 복귀 경로 때문에, 리럭턴스가 낮은 자성 재료에서 수반되는 자속 레벨에 비하여 자속 이동(76)이 적어진다. 또한, 국부 자속(76)이 다른 부근의 아마츄어 권선과 연계됨으로써, 결과적으로는 어느 정도의 실제 상호 인덕턴스를 초래시킨다는 점에 유념하여야 한다. 이같은 실제 인덕턴스는 소거 없이도 전개되는 출력 인덕턴스에 비하여 작다는 점을 알 수 있을 것이다. 실제 결과는, 자성 재료 또는 경로의 포화 없이 대량의 부하 전류를 조종할 수 있는 능력 및 낮은 심손과 결부되는, 이러한 동기 발전기에 대한 낮은 출력 인덕턴스이다. 도7은 외부 고정자 링(4)의 둘레에 3개의 위상을 권선하는 한가지 방법을 보여준다. 제1 위상이 2개의 부분 위상(i,i')으로서 도시되어 있는 데, 이 경우에는 한 방향으로 감겨진 요소( 40,40A 등)이 부분 위상(i)을 구성하며 다른 한 방향으로 감겨진 요소(42,42A 등)이 부분 위상(i')을 구성한다. 제2 위상이 2개의 유사한 부분 위상(ii,ii')을 포함한다. 제3 위상도 또한 2개의 부분 위상(iii,iii')을 포함한다. 이러한 도면에서, 각각의 아마츄어 권선의 코일은 외부 고정자 링(4)의 원주의 개별 섹션을 따라 집중된다. 인접한 권선은 도7에 도시된 순서(i,ii',iii,i',ii,iii',i...)를 취하며각각의 권선은 그의 가장 이웃하는 권선과는 정반대 방향의 의미를 갖는다. 각각의 권선의 집중된 성질로 인해, 순시 계자 자속은 어느 한 아마츄어 권선의 모든 권수를 통해 거의 동일한 데, 이는 결과적으로 자속이 회전자의 운동에 기인하여 변화함에 따라 높은 전압을 초래시킨다.

도8은 3상 동기 발전기 권선의 전기 회로도를 보여준다. 상보 쌍의 아마츄어 권선(40,42;40A,42A)은 직렬로 접속되어 함께 위상(A)을 형성하는 부분 위상(i) 및 부분 위상(i')을 형성한다. 위상(B,C)은 마찬가지 방식으로 형성된다. 도시된 바와 같이, 회로는 M-ab 및 M-ac에 의해 부가적으로 영향을 받으며, 위상(B,C)에서의 아마츄어 전류로부터의 자속의 상호 인덕턴스 각각은 위상(A)의 권선에 작용한다. 이와 같은 효과 및 결과적인 출력 인덕턴스를 최소화하는 것이 중요하다는 점을 이해할 것이다. 도8은 또한 임의의 외부 정류기 회로(102)를 도시한 것이며, 이는 당업계에서 잘 인식된 방식으로 본 발명의 고주파 동기 발전기 구조와 관련하여 정류된 출력을 발생시키는 데 사용될 수 있다. 비록 도8에서의 3상 권선이 공통 "Y형 연결부(wye)" 구조로 접속된 것으로 도시되어 있지만, 본 발명의 이점이 통상적인 "델타(delta) 연결부" 구조에도 동등하게 적용될 수 있다는 점을 이해할 것이다.

본 발명의 구조의 낮은 인덕턴스 출력은 부하의 형태에 관계없이, 단상 및 다상 동기 발전기에 대하여 유효하다.

DC 또는 제어 주파수 AC 전력을 생성하도록 다상 전압 출력이 부가적으로 고체 수단에 의해 정류 또는 스위칭되는 고주파 동기 발전기에 사용하기 위하여, 인덕턴스가 낮은 부가적인 실시예가 가능하다.

외부 정류기 회로(102)에 Y형 연결 접속된 3상 동기 발전기로서 사용되는 본 발명의 특정한 경우에 대하여는, 위상과 위상간의 상호 인덕턴스가 소거되려는 경향을 갖는다. 도7 및 도8을 참조하면, 도시된 위치에 대해, 위상(A;i/i') 및 위상( C;iii/iii')의 아마츄어 권선이, 회전자 극 바(26,27)가 운동함에 따라 계자에 의해 유도된 자속 요소(60,62)가 급속하게 변화하는 영역에 존재한다는 점을 이해할 것이다. 자속의 급속한 변화는 위상(A;i/i') 및 위상(C;iii/iii')내에서 높은 전압을 유도시킨다. 당업자라면, 정류형 3상 Y형 연결 접속 시스템에 대하여, 위상(A; i/i') 및 위상(C;iii/iii')의 아마츄어 권선이 도시된 바와 같이 동일(직렬) 전류(I)로 전도된다는 점을 이해할 것이다. 이러한 동안, 위상(B;ii/ii')은 첨두의 (느리게 변화하는) 계자 유도 자속의 부위에 존재하고, 낮은 전압을 가지며, 그리고, 정류 효과에 기인하여, 어떠한 전류도 전도시키지 않게 한다. 또한, 도7에 도시된 바와 같은 부분 위상(i',iii')의 권선에서의 유도된 전류(I)의 방향이 각각 고정자 링(4)을 통해 반대 방향으로 이동하는 반응 자속을 생성하는 데, 그 결과 이와 같은 동일 및 반대 자속이 효과적으로 소거된다는 점을 이해할 것이다. 이는 또한 회전자를 통해 이동하는 실효 자속이 제로인 상태를 야기시킨다. 따라서, 각각의 권선의 국부 누설 자속(76)에 기인하는 인덕턴스를 제외하고는, 정류형 아마츄어 위상을 통해 흐르는 전류의 유도성 효과가 전혀 존재하지 않는다. 앞에서와 같이, 위상과 위상간의 상호 인덕턴스의 이같은 언급한 감소를 위하여는, 여전히 하나의 상보 쌍의 아마츄어 권선, 즉 각 위상에 대한 각 쌍의 회전자 극 바에 대하여, 1 극간격(10)으로 외부 고정자 링(4)의 원주를 따라 이격된 쌍의 부재가 존재하여야 한다.

도9는 외부 고정자 링(4)의 둘레에 단일 위상을 권선하는 변형 방법을 보여주는 데, 이 경우에는, 권선(40;위상(i))이 1 극간격 또는 극간 거리(10)와 동일한 간격에 대하여 외부 고정자 링(4)의 원주 대부분을 점유하도록 (즉, 회전자 극 바(26,27) 사이의 간격 대부분에 걸쳐) 전개되어 있으며, 그리고 상보적인 권선(위상(i'))이 회전자 극 바(27)에서 다음 회전자 극 바(26A)까지의 상보적인 원주 대부분을 점유하도록 전개되어 있다. 이같은 구조는, 권선(40,42)이 외부 고정자 링(4)의 원주를 따르는 보다 작은 원호에 집중되어 있는 도7의 구조에 비하여 대략 절반까지 위상(A)의 국부 인덕턴스를 감소시킨다. 위상(B,C)은, 권선 역전(44,44A)의 위치가 극간 거리의 1/3 만큼 가감되면서 위상(A)상에(위상(A)과 동축으로) 감겨짐으로써 이러한 구조에 적응될 수 있다. 보다 많거나 적은 위상은 적합한 위상 가감 조절에 의해 적응될 수 있다. 위상과 위상간의 상호 인덕턴스는 또한 이러한 변형 구조의 경우 약 절반 정도 감소된다.

이같은 변형 구조에 대하여는, 서로간의 권선 위상(A,B,C)이 권선(40,42) 및 회전자 극 바(26,27) 간의 유간을 제공하도록 공극(50,52)을 크게 할 필요가 있을 수 있다는 점을 이해할 것이다. 공극 치수는 외부 고정자 링(4)을 따른, 결과적으로는 권선(40,42)을 통한 자속의 원주 분포를 위한 설계상의 밀접한 관계를 지님으로써, 결과적으로는 공극 치수는 회전자의 운동에 의해 생성된 전압 파형에 영향을 준다. 동기 발전기의 유도된 전압 파형을 제어하도록 다른 설계상의 요인과 무관하게 공극 치수를 제어할 수 있는 것이 바람직스럽다. 필요한 경우, 작은 공극 길이를 적응시키기 위하여, 도10은, 내부에 A, B, 및 C의 권선(40,42,40A,42A 등)의 개별 권수가 배치될 수 있으며 자성 재료의 공극 표면 모두를 따라 거의 방사 방향으로 이어져 있는 표면 홈(100)으로 외부 고정자 링(4)이 형성될 수 있는 변형 실시예를 보여준다. 이같은 홈이 진 외부 링(4)은, 공극 치수가 권선 배치와 무관하게 제어될 수 있도록 임의의 권선 구조와 함께 사용될 수 있다는 점을 알 수 있다. 도10에 도시된 바와 같이, 홈과 홈 간의 자성 재료는 계자 유도 자속으로 하여금 권선 둘레에 집중하여 통과할 수 있게 하여, 공극을 효과적으로 감소시킨다.

계자 권선(8)은, 샤프트 속도 및 부하의 가변 조건하에서 출력 전압이 일정하게 유지될 수 있도록 동기 발전기로서 사용될 경우 이러한 디바이스에 대한 출력 전압 레벨 및 여기 레벨의 제어를 허용한다는 점을 알 수 있을 것이다. 분명한 점으로는, 계자 권선(8)을 포함하는 계자 여기 시스템은 제거될 수 있으며 내부 고정자 링(6) 또는 회전자 극 바(26,27)는 출력 전압이 샤프트의 속도에 의존하는 낮은 아마츄어 영구 자석 동기 발전기를 제작하도록 적합한 극성을 갖는 영구 자석으로 대체되어 본원 명세서에 개시된 아마츄어 권선 방법과 함께 사용될 수 있다는 점이다. 그같은 디바이스가 몇몇 시스템에 사용되고 있으며 낮은 아마츄어 인덕턴스가 이점이 될 것이다.

본 발명의 변형 실시예에서는, 본 발명이 인덕턴스가 낮은 스테퍼 모터로서 사용될 수 있다. 이러한 실시예의 경우, 계자(8)는 회전자 극 바(26,27)의 자기 분극을 생성시키도록 여기된다. 이어서, 아마츄어 권선(40)은 상보 쌍(40,42)에서 (본 발명의 인덕턴스가 낮은 특징을 유지하기 위하여) 특정한 순서로 여기되어 회전자 극 바(26,27)를 외부 고정자 링(4)의 원주 둘레의 일련의 위치에 유인하게 함으로써, 샤프트(22)의 위치를 결정한다. 토오크가 상기 극 바(26,27)의 유인에 의해 생성되기 때문에, 외부 고정자 링(4)을 따른 공극, 즉, 모멘트 아암이 길고 전위 토오크가 크다. 탈출 토오크는 권선(8)에서의 계자 여기 레벨에 의해 제어될 수 있다. 4-공극형 동기 발전기 실시예에서 설명한 비교적 낮은 회전자 관성은 이같은 스테퍼 모터 구조에 유용하다.

다른 한 실시예에서는, 본 발명이 평활(smooth) 및 침묵(quiet) 동기 모터로서 사용될 수 있다. 비록 계자 권선(8)이 여기된 경우라도, 국부 자속 형태(76)를 확립하도록 아마츄어 권선(40)에 전류가 존재하지 않는 한 회전자 조립체(2)가 외부 고정자 링(4)의 원주를 따라 어떠한 원하는 위치도 지니지 못한다는 점을 알 수 있을 것이다. 그 의미는 아마츄어의 여기에 의해 제공된 것을 제외하고는 어떠한 코깅 토오크(cogging torque)도 존재하지 않는다는 것을 뜻한다. 이는 평활 작용하는 침묵 동기 모터를 확립하는 데 사용될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 계자(8)는 회전자 극 바(26,27)의 자기 분극을 생성하도록 여기된다. 3개의 아마츄어 위상(i-i'84,ii-ii'89,iii-iii'94)은 3상 정현 전력에 의해 여기되어 (본 발명의 인덕턴스가 낮은 이점을 달성하도록 상보 쌍의 아마츄어 권선(40,42)을 유지할 경우) 자속파를 생성하며, 자속파는 외부 고정자 링(4)의 원주 둘레를 평활하게 이동하고 회전자 극 바(26,27)를 유인하여 외부 고정자 링(40)의 원주 둘레를 평활하게 따라 감으로써, 샤프트(22)가 유연하게 회전되게 한다. 탈출 토오크는 권선(8)에서의 계자 여기 레벨에 의해 제어될 수 있다.

추가적인 실시예에 있어서는 본 발명이 위에서 언급한 모터 모드 중 한 모드로 사용될 수 있으며, 이어서 재생 제동이 필요한 경우, 디바이스가 동기 발전기 모드로 작동하도록 용이하게 스위칭될 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다. 재생 제동시, 동기 발전기 출력 전압은 계자 코일(8)에서의 계자 여기 레벨을 변화시킴으로써 샤프트 속도와 무관하게 제어될 수 있다. 아마츄어 권선의 출력 전압은 외부 정류기 회로에 연결되어 배터리의 재충전 또는 기타 에너지 저장 공정을 위해 제어형 DC 전력을 제공할 수 있다. 외부의 피드백 제어 회로는 계자 여기 전류를 변조시킴으로써, 비록 샤프트가 제동 작동에 기인하여 저속화되는 경우라도 적합한 저장 배터리의 재충전을 위해 필요에 따라 출력 전류 및 전압을 조절할 수 있다.

이전의 관통(through)-모터 아마츄어 인덕턴스의 분석이 상보 쌍의 폴로이달 아마츄어 권선(40,42 등)을 토대로 제공되었지만, 도11에 도시된 바와 같이, 회전자 극 쌍에 대한 하나의 상보 권선으로 감겨진 보다 통상적인 방사상으로 배향된 권선(41,43)의 유사한 분석이 부합된 결과를 제공한다. 권수에 대한 아마츄어 인덕턴스는 단일의 폴로이달 권선의 권수의 경우보다 4배 만큼 크지만, 각각의 방사상으로 배향된 권선은 2배의 계자 여기 자속을 에워싸는 데, 이 의미는 방사상으로 배향된 권수의 절반만 필요하다는 것을 뜻한다. 결국, 등가의 출력 전압이 동일한 계자 여기를 제공하는 경우, 아마츄어 출력 인덕턴스는 폴로이달 또는 방사상으로 배향된 아마츄어 권선의 선택에 관계없이 동등하게 된다.

도12는 바람직한 실시예의 낮은 누설 자속, 고정된 계자 권선, 및 고정된 내부 링 특징을 유지하면서 방사상으로 배향된 아마츄어 권선을 사용하는 제3의 변형실시예의 단면을 보여주는 도면이다. 외부 환형 링(4A)은 도시된 바와 같이 적층된 링으로 만들어진다. 수평 극 바(5)는 도시된 바와 같이 배향된 적층 스트립으로 만들어지며 외부 환형 링(4A)의 내측에 맞대어져 있음으로써 원주 및 축상의 맞대 이음(butt joint) 면을 형성한다. 외부 공극(51,53)이 이러한 실시예에서는 방사상으로 배치되어 있다. 이러한 실시예는 외부 공극에서의 아마츄어 인덕턴스 및 자속 누설 형태 간의 독립성을 제공하도록 4개의 직렬 공극 배치를 포함하여, 제1의 실시예의 동일 이점 대부분을 갖는다.

도13은 제3의 변형 실시예의 원주 부분의 확대도이다. 수평 회전자 바 및 외부 링을 통한 자속의 축 및 원주상의 경로(60,62)가 방사상으로 배향된 아마츄어 권선(41,43)에 대한 한가지 가능한 배치와 함께 도시되어 있는 데, 이 경우에는 아마츄어 권선이 방사 바(5) 및 외부 환형 링(4A) 사이의 맞대 이음 면을 효과적으로 에워싸고 있다.

지금까지 여러 형태의 실시예에 대하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 또한 첨부된 청구의 범위의 정신과 깊이에 속하는 다양한 부가적이고 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해하여야 한다.

Claims

인덕턴스가 낮은 전기 기계에 있어서,

a. i. 실질적으로 손실이 적은 자성 재료로 만들어진 아마츄어 구조를 포함하고;

ii. 상기 아마츄어 구조에 결합된 하나 또는 그 이상의 아마츄어 권선의 위상을 포함하며, 각각의 상기 아마츄어 권선의 위상이 하나 또는 그 이상의 상보 쌍의 아마츄어 권선의 직렬 회로를 포함하고, 상기 하나 또는 그 이상의 상보 쌍의 아마츄어 권선의 직렬 회로는, 상기 아마츄어 구조내에서, 상기 상보 쌍의 아마츄어 권선을 통한 전류에 의해 유도된 자속이 소거되려는 경향을 지님으로써, 결과적으로는 다른 상기 아마츄어 권선의 위상의 전류에 관계없이 각각의 상기 아마츄어 권선의 위상에서의 낮은 인덕턴스를 초래시키도록 배치되어 있으며;

iii. 상기 아마츄어 구조내에 동축으로 배치되어 있는, 손실이 적은 자성 재료로 만들어진 내부 환형 링을 포함하고; 그리고

iv. 외부적으로 가해진 전류가 고정자 구조를 여기시켜 고정자 구조내의 자계를 제어하는 수단을 제공하도록 상기 내부 환형 링 및 상기 아마츄어 구조 사이에 동축으로 고정되어 있는 절연 구리 권수의 환형 계자 권선을 포함하는,

고정자 구조를 포함하며;

b. 각각의 회전자 디스크가 상기 고정자 구조와 관련된 한 세트의 동수의 방사 회전자 극 바를 유지하도록 배치된 2개의 회전자 디스크를 갖는 회전자 구조를포함하며; 각각의 상기 세트의 회전자 극 바는 1 극간격 만큼 서로에 대하여 원주 방향으로 이동하고; 각각의 상기 쌍의 회전자 극 바에 대한 각각의 상기 아마츄어 권선 위상에 대하여 상기 상보 쌍의 아마츄어 권선 중 하나가 존재하며; 상기 회전자 구조는 다수의 공극에 의해 상기 고정자 구조로 부터 분리되어 있고; 그리고 상기 회전자 구조는 전기기계식 에너지 변환을 위한 수단을 제공하도록 상기 계자 권선 및 상기 아마츄어 권선의 전류에 의해 유도된 자속과 상호작용하는 자극을 형성하도록 구성되어 있으며;

c. 상기 계자 권선의 전류에 의해 유도된 자속을 전도하도록 확립된 복수 개의 자기 경로를 포함하고, 상기 자기 경로 각각은 한쌍의 상기 회전자 극 바를 통과하며, 상기 한쌍의 회전자 극 바는 각각의 상기 쌍의 회전자 극 바 또는 회전자 극 바로부터의 한 부재를 포함하고, 그리고 상기 자기 경로 각각은 직렬을 이루는 4개의 공극을 포함하며, 자속은 다음과 같은 자기 회로를 통해 직렬로 이동하는 데,

i. 상기 아마츄어 구조를 통해 축 방향 및 원주 방향으로 이동하며;

ii. 이어서, 상기 공극 중 제1 공극을 통해 이동하고, 상기 제1 공극은 상기 쌍의 회전자 바의 제1 부재 및 상기 아마츄어 구조 사이에 확립되어 있으며, 상기 제1 부재는 상기 회전자 디스크 중 제1 회전자 디스크상에 배치되어 있고;

iii. 이어서, 상기 제1 회전자 바를 통해 실질적으로 방사상으로 이동하며;

iv. 이어서, 상기 공극 중 제2 공극을 통해 축방향으로 이동하고, 상기제2 공극은 상기 제1 회전자 바 및 상기 내부 환형 링 사이에 확립되어 있으며;

v. 이어서, 상기 내부 환형 링을 통해 축방향으로 이동하고;

vi. 이어서, 상기 공극 중 제3 공극을 통해 이동하며, 상기 제3 공극은 상기 쌍의 회전자 바의 제2 부재 및 상기 아마츄어 구조 사이에 확립되어 있고, 상기 제2 부재는 상기 회전자 디스크 중 제2 회전자 디스크상에 배치되어 있으며;

vii. 이어서, 상기 제2 회전자 바를 통해 실질적으로 방사상으로 이동하고; 그리고

viii. 마지막으로, 상기 공극 중 제4 공극을 통해 이동하며, 상기 제4 공극은 상기 자기 회로를 완성시키도록 상기 제2 회전자 바 및 상기 아마츄어 구조 사이에 확립되어 있으며;

상기 내부 환형 링과 관련되어 있는 상기 공극 중 상기 제2 공극 및 상기 제3 공극은,

ix. 상기 자기 회로에서 유도된 자속에 의해 야기되는 상기 아마츄어 회로의 인덕턴스를 감소시키기 위하여, 상기 아마츄어 구조와 관련되어 있는, 상기 제1 및 제4 공극의 공극 길이와 실질적으로 무관하게 상기 자기 회로의 리럭턴스를 제어하는 수단;

x. 상기 회전자 구조 및 상기 내부 환형 링 사이의 상대적인 운동을 허용하는 수단; 및

xi. 자속 이동이 강제로 상기 제2 및 제3 공극을 가로질러, 결과적으로는 상기 내부 환형 링의 면을 가로질러 균일하게 퍼지게 하는 수단

을 제공하고;

d. 상기 내부 환형 링 및 상기 아마츄어 구조내에 동축으로 배치되어 있는 샤프트를 포함하며, 상기 샤프트는 이를 상기 자기 회로로 부터 효과적으로 제거하도록 바람직하게는 비-자성 재료로 만들어지고;

e. 전기 기계를 외부의 기계식 회전 동력 소오스, 또는 외부의 기계식 부하에 연결하는 수단, 및 하나가 회전하는 동안 나머지 하나가 정지하도록 상기 고정자 구조 및 상기 회전자 구조를 유지하는 수단을 포함하는,

것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 아마츄어 구조는 환형 링이며 상기 아마츄어 권선은 상기 환형 링의 원주의 섹션 둘레에 폴로이달 형태로 감겨지고 상기 제1 공극 및 상기 제4 공극은 축을 중심으로 한 공극인 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 아마츄어 구조는 복수 개의 원주 및 축의 맞대 이음 면을 형성하도록 자성 재료의 환형 링의 내측에 방사상으로 맞대어져 있는 자성 재료의 축 바를 포함하고, 상기 아마츄어 권선은 상기 맞대 이음 면을 효과적으로 에워싸도록 배치되어 있으며, 상기 제1 공극 및 상기 제4 공극이 방사 공극인 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제2항에 있어서, 상기 고정자 구조는 상기 샤프트에 고정되어 있으며, 상기 회전자 구조는 상기 샤프트 및 상기 고정자 구조에 대하여 그리고 상기 샤프트 및 상기 고정자 구조의 외측으로 회전하고 상기 회전자 디스크는 상기 디스크의 외경에의 축 구조 부재에 의해 서로에 대하여 고정된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 전기 기계가 동기 발전기이며 상기 회전자 구조가 여기되어 회전될 경우 상기 회전자 구조가 상기 계자 권선에서의 상기 외부적으로 가해진 전류에 의해 제어될 수 있는 원하는 출력 전압을 생성시키도록 상기 아마츄어 권선 및 상기 아마츄어 구조와 관련된 이동 자속 형태를 형성하는 것을 특징으로 하는, 인던턴스가 낮은 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 전기 기계가 스테퍼 모터이며 상기 회전자 구조가 여기될 경우 상기 회전자 구조가 자극을 형성하고 상기 아마츄어 권선의 위상 중 각각의 위상이 여기되어 상기 아마츄어 구조의 원주 치수를 따르는 특정한 위치로 상기 회전자 극을 유인함으로써 상기 샤프트의 운동을 달성하는 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 전기 기계가 동기 모터이며 상기 아마츄어 구조의 원주 치수를 따라 이동 자속 파를 형성하도록 3-상 정현 전력 소오스에 연결된 상기위상 권선이 3개 존재하고 상기 회전자 구조가 여기될 경우 상기 회전자 구조가 상기 이동 자속 파를 따라서 상기 샤프트의 운동을 야기시키는 자극을 형성하는 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 전기 기계가 동기 발전기이며 전기 사이클의 1/3 만큼 서로로부터 가감되는 출력 아마츄어 권선이 3개 존재하고, 상기 3개의 출력 위상은 2개의 위상이 어느 한 순간에 직렬로 도전성을 띠고 나머지 한 위상이 그러한 순간에 도전성을 띠지 않도록 외부의 정류기 회로에 접속되어 있으며, 상기 아마츄어 권선의 위상 및 상기 쌍의 회전자 극 바는, 직렬로 도전성을 띠는 상기 2개의 위상에 의해 전달된 전류에 의해 유도되는, 상기 회전자 바에서 및 상기 내부 환형 링에서의 자속이 실질적으로 소거되어, 결과적으로는 상기 도전성을 띠는 아마츄어 권선의 위상 각각에서의 낮은 인덕턴스를 초래시키도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
인덕턴스가 낮은 전기 기계에 있어서,

a. i. 실질적으로 손실이 적은 자성 재료로 만들어진 아마츄어 구조를 포함하며;

ii. 상기 아마츄어 구조에 연결된 하나 또는 그 이상의 아마츄어 권선의 위상을 포함하고, 각각의 상기 아마츄어 권선의 위상은 하나 또는 그 이상의 상보 쌍의 아마츄어 권선의 직렬 회로를 포함하며, 상기 상보 쌍의 아마츄어 권선의 직렬 회로는, 상기 아마츄어 구조내에서, 상기 상보 쌍의 아마츄어 권선을 통한 전류에 의해 유도되는 자속이 소거되는 경향을 지님으로써, 결과적으로는 다른 상기 아마츄어 권선의 위상에서의 전류와 무관하게 각각의 상기 아마츄어 권선의 위상에서의 낮은 인덕턴스를 초래시키도록 배치되어 있고; 그리고

iii. 외부적으로 가해진 전류가 고정자 구조를 여기시켜 고정자 구조내의 자계를 제어하는 수단을 제공하도록 상기 아마츄어 구조 내측에 동축으로 고정되어 있는 절연 구리 권수로 만들어진 환형 계자 권선을 포함하는,

고정자 구조를 포함하며;

b. i. 각각의 회전자 디스크가 상기 고정자 구조와 관련된 한 세트의 동수의 방사상의 회전자 극 바를 유지하도록 배치되어 있는 2개의 회전자 디스크를 포함하고; 각각의 상기 세트의 회전자 극 바는 1 극간 거리 만큼 서로에 대하여 원주 방향으로 이동되며; 각각의 상기 쌍의 회전자 극 바에 대한 각각의 상기 아마츄어 권선의 위상에 대하여 상기 상보 쌍의 아마츄어 권선 중 하나가 존재하고; 회전자 구조가 전기기계식 에너지 변환을 위한 수단을 제공하도록 상기 계자 권선 및 상기 아마츄어 권선에서의 전류에 의해 유도된 자속과 상호작용하는 자극을 형성하도록 구성되어 있으며; 그리고

ii. 손실이 적은 자성 재료로 만들어진 하나 또는 그 이상의 내부 환형 링을 포함하며, 상기 내부 환형 링 각각은 상기 회전자 디스크 중 인접한 회전자 디스크에 견고하게 부착되어 있고 상기 내부 링 각각은 상기 아마츄어 구조내에 동축으로 연장되어 있는,

회전자 구조를 포함하며;

c. 상기 계자 권선의 전류에 의해 유도된 자속을 전도하도록 확립된 복수 개의 자기 경로를 포함하고, 상기 자기 경로 각각은 한쌍의 상기 회전자 극 바를 통과하며, 상기 한쌍의 회전자 극 바는 각각의 상기 쌍의 회전자 극 바 또는 회전자 극 바로부터의 한 부재를 포함하고, 그리고 상기 자기 경로 각각은 직렬을 이루는 3개의 자기 간극을 포함하며, 자속은 다음과 같은 자기 회로를 통해 직렬로 이동하는 데,

i. 상기 아마츄어 구조를 통해 축 방향 및 원주 방향으로 이동하며;

ii. 이어서, 상기 자기 간극 중 제1 자기 간극을 통해 이동하고, 상기 제1 자기 간극은 상기 쌍의 회전자 바의 제1 부재 및 상기 아마츄어 구조 사이에 확립되어 있으며, 상기 제1 부재는 상기 회전자 디스크 중 제1 회전자 디스크상에 배치되어 있고;

iii. 이어서, 상기 제1 회전자 바를 통해 실질적으로 방사상으로 이동하며;

iv. 이어서, 상기 자기 간극 중 제2 자기 간극 및 상기 내부 환형 링을 통해 축방향으로 이동하고, 상기 제2 자기 간극은 공기, 진공 또는 비-자성 스페이서이며;

v. 이어서, 상기 제2 회전자 바를 통해 실질적으로 방사상으로 이동하고;그리고

vi. 마지막으로, 상기 자기 간극 중 제3 자기 간극을 통해 이동하며, 상기 제3 자기 간극은 상기 자기 회로를 완성시키도록 상기 제2 회전자 바 및 상기 아마츄어 구조 사이에 확립되어 있는 공극이고;

상기 내부 환형 링과 관련되어 있는 상기 자기 간극 중 상기 제2 자기 간극은, 상기 자기 회로에서 유도된 자속에 의해 야기되는 상기 아마츄어 회로의 인덕턴스를 감소시키기 위하여, 상기 아마츄어 구조와 관련되어 있는 상기 제1 및 제3 자기 간극의 공극 길이와 실질적으로 무관하게 상기 자기 회로의 리럭턴스를 제어하는 수단을 제공하며;

d. 상기 내부 환형 링 및 상기 아마츄어 구조내에 동축으로 배치되어 있는 샤프트를 포함하며, 상기 샤프트는 이를 상기 자기 회로로부터 효과적으로 제거하도록 바람직하게는 비-자성 재료로 만들어지고;

e. 전기 기계를 외부의 기계식 회전 동력 소오스, 또는 외부의 기계식 부하에 연결하는 수단, 및 하나가 회전하는 동안 나머지 하나가 정지하도록 상기 고정자 구조 및 상기 회전자 구조를 유지하는 수단을 포함하는,

것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제9항에 있어서, 상기 아마츄어 구조는 환형 링이며 상기 아마츄어 권선은 상기 환형 링의 원주의 섹션 둘레에 폴로이달 형태로 감겨져 있고 상기 제1 자기 간극 및 상기 제3 자기 간극은 축을 중심으로 한 간극인 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제9항에 있어서, 상기 아마츄어 구조는 복수 개의 원주 및 축의 맞대 이음 면을 형성하도록 자성 재료의 환형 링의 내측에 방사상으로 맞대어져 있는 자성 재료의 축 바를 포함하고, 상기 아마츄어 권선은 상기 맞대 이음 면을 효과적으로 에워싸도록 배치되어 있으며, 상기 제1 자기 간극 및 상기 제3 자기 간극이 방사 공극인 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제9항에 있어서, 상기 전기 기계가 동기 발전기이며 상기 회전자 구조가 여기되어 회전될 경우 상기 회전자 구조가 상기 계자 권선에서의 상기 외부적으로 가해진 전류에 의해 제어될 수 있는 원하는 출력 전압을 생성시키도록 상기 아마츄어 권선 및 상기 아마츄어 구조와 관련된 이동 자속 형태를 형성하는 것을 특징으로 하는, 인던턴스가 낮은 전기 기계.
제9항에 있어서, 상기 전기 기계가 스테퍼 모터이며 상기 회전자 구조가 여기될 경우 상기 회전자 구조가 자극을 형성하고 상기 아마츄어 권선의 위상 중 각각의 위상이 여기되어 상기 아마츄어 구조의 원주 치수를 따르는 특정한 위치로 상기 회전자 극을 유인함으로써 상기 샤프트의 운동을 달성하는 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제9항에 있어서, 상기 전기 기계가 동기 모터이며 상기 아마츄어 구조의 원주 치수를 따라 이동 자속 파를 형성하도록 3-상 정현 전력 소오스에 연결된 상기위상 권선이 3개 존재하고 상기 회전자 구조가 여기될 경우 상기 회전자 구조가 상기 이동 자속 파를 따라서 상기 샤프트의 운동을 야기시키는 자극을 형성하는 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
인덕턴스가 낮은 전기 기계에 있어서,

a. i. 아마츄어 구조

ii. 상기 아마츄어 구조에 결합된 하나 또는 그 이상의 아마츄어 권선의 위상

을 포함하는 고정자 구조를 포함하며;

b. 외부적으로 가해진 전류가 상기 고정자 구조를 여기시켜 상기 고정자 구조내의 자계를 제어하는 수단을 제공하는 절연 구리 권수로 만들어진 계자 코일을 포함하고;

c. 다수의 공극에 의해 상기 고정자 구조로 부터 분리되어 있는 회전자 구조를 포함하며; 그리고 상기 회전자 구조는 전기기계식 에너지 변환을 위한 수단을 제공하도록 상기 계자 권선 및 상기 아마츄어 권선의 전류에 의해 유도된 자속과 상호작용하는 자극을 형성하도록 구성되어 있는 자성 재료의 회전자 극을 포함하고;

d. 상기 계자 권선의 전류에 의해 유도된 자속을 전도하도록 확립된 복수 개의 자기 경로를 포함하며, 상기 자기 경로 각각은 한쌍의 상기 회전자 극 중 최소한 하나의 회전자 극을 통과하고, 그리고 상기 자기 경로 각각은 직렬을 이루는 3개 또는 그 이상의 자기 간극을 포함하며, 자속은 다음과 같은 자기 회로를 통해 직렬로 이동하는 데,

i. 상기 아마츄어 구조 및 상기 위상 권선을 통해 이동하며;

ii. 이어서, 상기 자기 간극 중 제1 자기 간극을 통해 이동하고, 상기 제1 자기 간극은 상기 아마츄어 구조 및 상기 회전자 구조 사이에 확립되어 있는 공극이며;

iii. 이어서, 상기 회전자 구조상의 하나 또는 그 이상의 상기 자기 극을 통해, 상기 자기 간극 중 하나 또는 그 이상의 추가적인 자기 간극을 통해 그리고 상기 회전자 또는 상기 고정자 중 어느 하나와 관련된 개재 자성 재료를 통해 이동하고;

iv. 마지막으로, 상기 자기 간극 중 최종의 자기 간극을 통해 이동하며, 상기 최종의 자기 간극은 상기 자기 회로를 완성시키도록 상기 회전자 구조 및 상기 아마츄어 구조 사이에 확립되어 있는 공극이고;

상기 자기 회로에서 유도된 자속에 의해 야기되는 상기 아마츄어 회로의 인덕턴스를 감소시키기 위하여, 상기 자기 간극 중 추가적인 자기 간극이, 상기 아마츄어 구조와 관련되어 있는 공극인 상기 제1 및 최종의 자기 간극의 공극 길이와 실질적으로 무관하게 상기 자기 회로의 리럭턴스를 제어하는 수단을 제공하며;

e. 샤프트를 포함하며, 상기 샤프트는 이를 상기 자기 회로로부터 효과적으로 제거하도록 바람직하게는 비-자성 재료로 만들어지고;

f. 전기 기계를 외부의 기계식 회전 동력 소오스, 또는 외부의 기계식 부하에 연결하는 수단, 및 하나가 회전하는 동안 나머지 하나가 정지하도록 상기 고정자 구조 및 상기 회전자 구조를 유지하는 수단을 포함하는,

것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
인덕턴스가 낮은 전기 기계에 있어서,

a. 아마츄어 구조 및 상기 아마츄어 구조에 연결된 하나 또는 그 이상의 아마츄어 권선의 위상을 갖는 고정자 구조;

b. 공극 만큼 상기 고정자 구조로부터 이격되어 있는 회전자 구조;

c. 각각의 자기 경로가 직렬을 이루는 3개 또는 그 이상의 자기 간극을 포함하는, 상기 고정자 구조 및 상기 회전자 구조를 통과하는 복수 개의 자기 경로;

d. 상기 경로에 자기적으로 결합되어 있는 계자 권선;

e. 전기 기계를 외부의 기계식 회전 동력 소오스, 또는 외부의 기계식 부하에 연결시키는 수단, 및 하나가 회전하는 동안 나머지 하나가 정지하도록 상기 고정자 구조 및 상기 회전자 구조를 유지하는 수단

을 포함하는 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제16항에 있어서, 상기 자기 간극 중 2개의 자기 간극은 상기 공극 그룹의 부재인 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제17항에 있어서, 상기 자기 간극의 나머지 자기 간극 중 어느 하나 또는 그이상의 자기 간극은 공기 또는 고형의 비-자성 재료로 충진될 수 있거나, 또는 실질적으로 진공 상태로 될 수 있는 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제18항에 있어서, 상기 샤프트는 실질적으로 비-자성 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.
제17항에 있어서, 상기 자기 간극의 나머지 자기 간극은 상기 공극의 극간 거리와 실질적으로 무관하게 상기 고정자 구조, 상기 계자 권선, 및 상기 회전자 구조를 통해 확립되는 자기 회로의 리럭턴스를 실질적으로 제어하는 것을 특징으로 하는, 인덕턴스가 낮은 전기 기계.