KR20050004286A - 복수의 비스듬한 스테이터 극 및/또는 로터 극을 갖는로터리 전기 모터 - Google Patents

복수의 비스듬한 스테이터 극 및/또는 로터 극을 갖는로터리 전기 모터 Download PDF

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KR20050004286A KR10-2004-7019745A KR20047019745A KR20050004286A KR 20050004286 A KR20050004286 A KR 20050004286A KR 20047019745 A KR20047019745 A KR 20047019745A KR 20050004286 A KR20050004286 A KR 20050004286A
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소고모니안자레살마시
마슬로브보리스에이.
벤슨마아크에이.
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웨이브크레스트 래버러토리스, 엘엘씨
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Abstract

로터리 전기 모터는, 회전축에 대해서 동축으로 배치된 복수의 분리되고 강자성 격리된 전자석 코어 세그먼트를 갖는 스테이터(22)를 구비한다. 연질의 투자성(透磁性) 매체와 같은 코어 재료는 여러 가지 구체화된 형상을 형성하는데 적합하다. 코어 세그먼트는 비강자성 구조에 의해서 지지된다. 로터(10)는, 스테이터로부터의 에어 갭 분리부에 마주하는 표면들을 갖는 복수의 영구자석을 포함하며, 이들 표면은 공통의 기하학적 구성을 갖는다. 스테이터 극의 표면 기하학적 구성 및 로터 자석의 표면 기하학적 구성은 서로에 대해서 비스듬하게 되어 있다. 이러한 비스듬한 구조의 효과는, 영구자석이 그 회전 경로를 이동함에 따라 로터 자석과 전류 인가되지 않은 스테이터 전자석의 극 사이의 상호작용에 의해서 발생되는 코깅 토크의 크기의 변화율을 감쇠시킨다는 것이다.

Description

복수의 비스듬한 스테이터 극 및/또는 로터 극을 갖는 로터리 전기 모터 {ROTARY ELECTRIC MOTOR HAVING A PLURALITY OF SKEWED STATOR POLES AND/OR ROTOR POLES}
상기의 마슬로브 외의 공동계류 중인 관련 미국 특허 출원 제09/826,423호에서는, 제작의 단순화가 용이하며 효율적이고 신축적인 동작 특성이 가능한 개선된 모터에 대한 필요성을 인식하여 이를 다루고 있다. 차량 구동 환경에서는, 예를 들면, 최소 동력 소비로 높은 토크 출력 및 낮은 리플(ripple)을 유지하면서, 넓은 속도 범위에 걸쳐서 원활한 동작을 달성하는 것이 매우 바람직하다. 이러한 차량 모터 구동부는 불편을 최소화하면서 부품 교체를 위한 다양한 구조적인 구성 요소로의 접근성을 유익하게 제공해야 한다. 상기 공동계류 중인 관련 미국 출원에서는 환형 링으로 구성된 격리된 투자성(透磁性) 구조로서의 전자석 코어 세그먼트의 형성에 대해서 기재되어 있다. 이러한 구조에 의해서, 종래 기술의 실시예와 비교하여 유익한 효과를 제공할 수 있도록, 자속이 집중될 수 있다.
상기의 마슬로브 외의 특허 출원에 설명된 바와 같이, 전자석 코어 세그먼트의 격리는, 다른 전자석 부재와의 유해한 트랜스포머 간섭 효과 또는 자속 손실을 최소로 하면서, 자심(magnetic core)에 개별적인 자속 집중을 가능케 한다. 단일 극 쌍을 격리된 전자석 그룹으로 구성함으로써 동작상의 이점이 얻어질 수 있다. 개별 극 쌍을 다른 극 그룹으로부터 자속 경로 격리하면, 극 쌍의 권선에 대한 전압 인가가 스위칭될 때 인접한 그룹에 미치는 자속 트랜스포머 효과를 제거할 수 있다. 그룹 내에 추가적인 극이 없으면, 그룹 내에서 이러한 효과를 회피할 수 있다. 축방향으로 정렬된 스테이터 극과 축방향으로 정렬된 로터 자석이 기계의 능동 에어 갭(active air gap)에 고도로 집중된 자속 밀도 분포를 제공하는 구성과 같이, 모터 구조의 3차원 특성을 이용함으로써 얻어지는 다른 이점이 기재되어 있다.이러한 구성은 동일한 에어 갭 직경을 갖는 종래 기술의 모터와 동일한 개별 능동 에어 갭 표면적 및/또는 더 넓은 능동 에어 갭 총 면적을 갖는 더 많은 수의 극을 제공한다.
상기한 구성에 의해서 얻어질 수 있는 자속 집중의 이점 외에, 최근 도입된 NdFeB(neodymium-iron-boron) 자성 물질은 브러시 없는 기계(brushless machine)에 이전에 사용되던 다른 영구자석 물질보다 더 큰 자속 밀도를 발생시킬 수 있다. 다수의 극을 포함하는 모터 내의 고밀도 발생 영구 자석의 사용은, 코깅 토크(cogging torque)에 의해 발생될 수 있는 바람직하지 않는 효과를 개선하는 것에 대한 관심을 제공한다. 코깅 토크는, 영구자석에 장착된 로터와 선택적으로 자화된 상태에 있지 않는 스테이터 극 사이의 자기 인력(magnetic attraction)에 의해서 발생된다. 이 인력은 로터 자석과 스테이터 극 사이의 자기 저항을 최소화하도록 로터 자석을 스테이터 극과 정렬 상태에 있는 평형 위치로 움직이는 경향이 있다. 스테이터의 전압 인가에 의해서 로터가 회전되도록 구동됨에 따라, 전압 인가되지 않은 전자석 세그먼트와의 자석 상호작용에 의해서 발생된 코깅 토크의 크기 및 방향은, 전압 인가된 스테이터 세그먼트에 의해 발생된 토크에 반대되도록 주기적으로 바뀐다. 보상이 없으면, 코깅 토크는 로터의 회전에 의해서 갑작스럽게 방향을 바꿀 수 있다. 코깅 토크가 의미 있는 크기를 갖는다면, 회전에 대한 장애 및 정밀 속도 제어 및 원활한 동작이라는 목적에 유해한 기계적인 진동의 원인이 된다.
여러 가지 코깅 토크 최소화 방법들이 종래 기술에 존재한다. 이러한 방법들에서는 로터 위치에 대한 자기 저항 변화율을 감소시키거나, 기계 내에서의 자속을감소시키거나, 혹은 개별 극에 의해서 발생된 코깅 토크가 서로 상쇄되도록 극을 시프트시키려고 한다. 영구자석과 전자석 표면들 사이에서 발생하는 전자석 상호 작용의 강도를 제어하기 위해서 전자 방식이 이용될 수 있다. 이러한 방법은 모터 제어 알고리즘과 동시에 실행되는 복잡한 제어 알고리즘을 수반하며 모터의 전반적인 성능을 저감시킬 수 있다는 점에서 결점을 갖는다. 다른 방법에서는 자기 회로 내의 자속 밀도를 감소시키고자 한다. 자속의 감소는, 새로운 영구자석 재료 및 상기한 공동계류 중인 특허출원의 자속 집중 방법으로부터 얻어지는 이점을 희생시킨다.
다른 방법은 스테이터 극의 형상을 변경함으로써 기계의 구조를 변형시키는 것을 포함한다. 전통적으로 적층된 박판(薄板)으로 만들어진 종래 기술의 스테이터 극은 변형에 대하여 별로 신축적이지 못하다. 이러한 제한된 개조 범위의 적층 구조에 실행하는데 요구되는 기계가공 프로세스는 복잡하고 또한 비용이 많이 든다.
그래서, 비용 및 적용에 있어서 실용성을 제공하면서 모터의 효율적인 동작 및 제어 성능을 손상시키지 않는 높은 자속 밀도 크기 및 자속 집중을 갖는 모터에 있어서의 효과적인 코깅 보상에 대한 요구가 존재한다.
관련 출원
본 특허 출원은 2000년 5월 16일자로 출원된 핀티코브(Pyntikov) 외의 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제09/571,174호, 2001년 4월 5일자로 출원된 마슬로브(Maslove) 외의 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제09/826,423호, 2001년 4월 5일자로 출원된 마슬로브 외의 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제09/826,422호, 2001년 10월 1일자로 출원된 마슬로브 외의 미국 특허 출원번호 제09/966,101호, 2002년 2월 7일자로 출원된 마슬로브 외의 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제10/067,305호에 관련된 내용을 포함하고 있으며, 이들 모두는 본 특허출원과 함께 일반 양도되어 있다. 이들 특허 출원의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 병합된다.
기술분야
본 발명은 로터리 전기 모터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 서로에 대해서 기하학적으로 비스듬한 표면을 갖는 복수의 로터 및 스테이터 극을 포함하는 영구자석 모터에 관한 것이다.
도 1은 공동계류 중인 미국 특허 출원 제09/826,422호에 개시된 것과 같은 모터의 로터 및 스테이터 요소를 나타내는 예시적인 도면.
도 2는 모터 동작시에 3개의 순간의 시간에 대한 스테이터 극 표면과 로터 표면의 상대적인 위치를 예시하는, 도 1에 도시된 요소의 부분적인 평면 배치도.
도 3은 본 발명에 따른 스테이터 극 표면과 로터 표면의 상대적인 위치에 대한 부분적인 평면 배치도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스테이터 극 표면과 로터 표면의 상대적인 위치에 대한 부분적인 평면 배치도.
도 5는 다양한 구성에 대한 위상당 토크(torque per phase) 대(對) 각도의 그래프.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스테이터 극 표면과 로터 표면의 상대적인 위치에 대한 부분적인 평면 배치도.
도 7은 도 6의 요소의 3차원 분해 구조도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스테이터 극 표면과 로터 표면의 상대적인 위치에 대한 부분적인 평면 배치도.
도 9는 도 8의 실시예에 대한 로터 및 스테이터 구조의 부분적인 3차원도.
도 10a - 도 10f는 도 3 및 도 8의 비스듬한 스테이터 극 구성 대신에 다른 기하학적 표면 패턴 구성을 갖는, 다양한 다른 스테이터 코어 요소 극 쌍을 예시하는 도면.
본 발명의 이점은 적어도 부분적으로는, 다양한 구체화된 형상을 형성하는데 적합한 연질의 투자성 매체와 같은 코어 재료의 사용을 통해서 달성된다. 예를 들면, 코어 재료는 연질 자석 등급의 Fe, SiFe, SiFeCo, SiFeP 분말 재료로 제조될 수 있으며, 이들 각각은 고유한 파워 손실, 투자성 및 포화 레벨을 갖는다. 적층을형성할 필요 없이 적절한 공차를 갖는 스테이터 요소의 코어 기하학적 형상 및 코어 치수가 이루어질 수 있으며, 그래서 결합된 로터 영구자석의 극과 스테이터 전자석의 사이에 발달된 자위(磁位) 그레이디언트(gradient)를 최적화하도록 이루어질 수 있다. 다양한 형상을 형성하기 위해서 연철(soft iron) 재료에 의해 제공되는 신축성을 이용함으로써, 코깅 토크의 변화가 덜 갑작스럽게 이루어지도록 자위 그레이디언트가 미세하게 변동될 수 있다. 그래서 모터 제어 토크 발생 성능을 손상시키지 않으면서 보다 부드러운 동작이 얻어질 수 있다.
본 발명의 이점은, 스테이터 극과 로터 극 사이의 관계가 영구자석 요소를 전류 인가되지 않은 전자석 극과 연접시키는 자속 분포를 제어하도록 그들 사이의 상대적인 위치의 함수로서 조정될 수 있다는 것이다. 본 발명의 일례의 이러한 구성의 구조적인 특징부는, 각각 환형 링 구성으로 배치되며 환형의 반경방향 에어 갭에 의해서 서로 이격된 로터 및 스테이터를 포함하는 모터로 구체화된다. 스테이터는 회전축에 대해서 동축으로 배치된 복수의 개별적인 일체형 전자석 코어 세그먼트를 포함한다. 각각의 코어 세그먼트는 서로 일체적으로 연접된 2개 이상의 극을 포함한다. 전류가 인가될 때 인접한 스테이터 극들에 상반되는 극성의 자극을 발생시키도록 연접부 상에는 권선이 형성된다.
스테이터 코어 세그먼트는 비강자성 지지 구조에 부착되며, 서로 강자성 접촉 없이 스테이터 링에 분포된다. 그래서, 전류 인가되지 않은 권선을 갖는 코어 세그먼트는, 다른 강자성 격리된 코어 세그먼트의 권선에 대한 전류 인가에 의해서 거기에는 자속이 발생되지 않게 된다. 하지만, 전류 인가되지 않은 전자석 코어 섹션은, 로터 영구자석이 스테이터 극과 마주하는 에어 갭 부분에 접근하여 통과할 때 로터 영구자석의 이동에 의해 발생된 자속에 의해 영향받게 된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 스테이터 극 모두는 에어 갭에서 공통적인 표면 기하학적 구성을 갖는다. 로터는 에어 갭과 마주하는 표면을 갖는 복수의 영구자석을 포함하며, 이들 표면은 공통적인 기하학적 구성을 갖는다. 스테이터 극의 표면 기하학적 구성 및 로터 자석의 표면 기하학적 구성은 서로에 대해서 비스듬하게 되어 있다. 스테이터 극 구성 및 로터 자석 구성의 어느 하나 또는 둘 모두는 회전축에 대해서 비스듬하게 될 수 있다. 이러한 비스듬한 구조의 효과는, 영구자석이 그 회전 경로를 이동함에 따라 로터 자석과 전류 인가되지 않은 스테이터 전자석의 극 사이의 상호작용에 의해 발생되는 코깅 토크의 변화율을 감쇠시킨다는 것이다.
본 발명은 이러한 이점을 상기한 특허 출원에 개시된 다양한 구조적인 실시예에 적용할 수 있다. 높은 자속 발생 재료를 포함하는 영구자석은, 쌍극자 극 자화(dipole polar magnetization)가 에어 갭과 마주하도록 로터 표면상에 배향된다. 축방향으로 정렬된 단일 열의 자석 및 스테이터 극을 갖는 모터에 있어서 코깅 토크의 발현을 완화시키기 위해서, 로터 자석 표면과 스테이터 극 표면 사이의 비스듬한 관계가 구현될 수 있다. 각 세그먼트의 스테이터 극이 회전축에 평행한 모터와 같이, 더 많은 수의 자석 및 스테이터 극을 갖는 모터에서는, 비스듬한 관계가 잠재적으로 큰 코깅 토크 교란을 효과적으로 보상한다. 후자의 모터의 일반적인 구조는 앞에서 언급된 공동계류 중인 특허 출원에 예시되어 있다. 분리된 로터 영구자석으로 이루어진 2개 이상의 축방향으로 이격된 링은 에어 갭을 따라서 원주방향으로 배치될 수 있으며, 링의 개수는 축방향으로 정렬된 스테이터 코어 세그먼트에 있어서의 스테이터 극의 개수와 그 숫자가 동일하다. 복수 열의 영구자석은 서로 축방향으로 이격되며, 각각의 로터 영구자석은 그 각각의 링 및 축방향 열 내에서 인접한 영구자석의 자극성과 반대의 자극성을 갖는다.
본 발명의 다른 이점은, 스테이터 극 표면을 영구자석 표면의 구성과 다른 기하학적 패턴으로 구성함으로써, 스테이터 극과 로터 극 사이의 관계가 코깅 토크를 발생시키는 자속 분포를 제어하도록 조정될 수 있다는 것이다. 예를 들면, 로터 자석은 직사각형 표면 패턴으로 형성될 수 있는 반면, 스테이터 극 표면은 규칙적이거나 혹은 불규칙적인 기하학적 패턴으로 형성될 수 있으며, 특정 패턴의 선택은 소정의 모터 적용에 바람직한 자속 분포에 적합하도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 이점은 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 보다 자명하게 드러날 것이며, 단지 본 발명을 실행하기 위해 고려되는 최상의 형태의 예시로서 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명된다. 알 수 있다시피, 본 발명은 다른 다양한 실시예도 가능하며, 그 몇 가지 구체적인 사항은 모두 본 발명을 벗어남이 없이 여러 가지 자명한 측면에서 변형이 가능하다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 본질상 예시적인 것으로 간주되어야 하지, 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다.
본 발명은 첨부된 각 도면에서 일례로서 예시되는 것이지 제한 사항으로서 예시되는 것은 아니며, 이들 도면에서 유사 참조 번호는 유사한 요소를 지칭한다.
도 1은 공동계류 중인 미국 특허 출원 제09/826,422호에 개시된 것과 같은 모터의 로터 및 스테이터 요소를 나타내는 예시적인 도면이며, 이 특허 출원의 개시 내용은 본 명세서에 병합되어 있다. 설명을 명료화하기 위해서, 본 발명의 설명에 유용한 요소들만 나타내었다. 본 발명이 적용될 수 있는 다양한 예시적인 모터 실시예의 몇 가지에 대한 보다 구체적인 설명에 대해서는 위에서 언급된 공동계류 중인 특허 출원들을 참조할 수 있다.
로터 부재(10)는 원통형의 백 플레이트(14)를 따라서 실질적으로 균일하게 분포된 영구자석(12)을 갖는 환형의 링 구조이다. 영구자석은 환형 링의 내주(內週)를 따라서 자극성이 교호적으로 되는 로터 극이다. 백 플레이트는 인접한 영구자석 극들(12) 사이에서 자속 복귀 경로로서 기능하는 투자성 재료를 포함할 수 있다. 로터는 스테이터 부재(20)를 둘러싸며, 로터와 스테이터 부재는 환형의 반경방향 에어 갭에 의해서 분리되어 있다. 스테이터(20)는 에어 갭을 따라 균일하게 분포된 동일 구조의 복수의 전자석 코어 세그먼트를 포함한다. 각 코어 세그먼트는 에어 갭과 마주하는 표면(26)을 갖는 2개의 극을 형성하는 대체로 U형상의 자성 구조(24)를 포함한다. 극 쌍의 레그에는 권선(28)이 감겨진다. 이와 달리, 코어 세그먼트는 극 쌍의 연접부 상에 형성된 단일의 권선을 수납하도록 구성될 수도 있다.
각각의 스테이터 전자석 코어 구조는 인접한 스테이터 코어 요소로부터 분리되어 있으며 자성 격리되어 있다. 스테이터 요소(24)는 비투자성(非透磁性) 지지 구조에 고착되며, 그에 따라 환형의 링 구조를 형성한다. 이 구조는 인접한 스테이터 극 그룹으로부터의 스트레이 트랜스포머 자속 효과의 영향을 제거한다.
도 2는 모터 동작시에, 0-5로 지칭된 로터 자석에 대해서, 극이 A-D로 지칭된, 2개의 인접한 스테이터 코어 요소(22)의 부분적인 평면 배치도를 나타낸다. 로터 자석의 위치는, 로터가 좌측으로부터 우측으로 이동한 기간 동안에 3개의 순간의 시간(t1-t3)에 대해서 (A)-(C)로 나타낸다. 시간 t1에서, A-B 스테이터 극 쌍의 권선에는, A에서 강한 남극(south pole)을 및 B에서 강한 북극을 형성하는 방향으로 흐르는 전류가 인가된다. C-D 스테이터 극 쌍의 권선은 전류가 인가되지 않는다. 로터의 위치는 (A)로 나타낸다. 북극 자석(1)과 남극 자석(2)은 스테이터 극 A와 겹쳐진다. 남극(2)과 북극(3)은 스테이터 극 B와 겹쳐진다. 이때, 자석(3)은 극 C와 겹쳐지는 위치로 근접한다. 남극 자석(4)은 극 C와 실질적인 정렬 상태에 있으며, 북극 자석(5)은 극 D와 실질적인 정렬 상태에 있다. 이때, 남극 A와 북극 자석(1) 사이의 인력, 북극 B와 남극 자석(2)사이의 인력, 및 북극 B와 북극 자석(3) 사이의 척력에 의해서, 모터링 토크(motoring torque)가 발생된다. 극(C와 D)은 각각, 자석(4와 5)의 인력에 의해 야기되는 약한 북 및 남 자성(磁性)을 갖는다. 최소의 자기 저항을 유지시키려고 하는 이 인력은 모터 구동 토크와는 반대 방향이다.
시간 t2에서, 로터는 (B)로 나타낸 위치로 움직였다. 극 쌍(A-C)의 권선에 대한 전류 인가는 OFF로 변경되었다. C-D 극 쌍의 권선은 전류가 인가되지 않는다. 자석(1과 2)은 극(A 및 B)과 각각 실질적으로 정렬 상태에 있다. 북극 자석(3)과남극 자석(4)은 극 C와 겹쳐진다. 남극 자석(4)과 북극 자석(5)은 극 D와 겹쳐진다. 극(A와 B)은 각각 약한 남 및 북 자성을 갖는다. 스테이터 극(C와 D)은 북극 및 남극의 로터 자석 모두에 의해서 영향을 받는다. 극 C는 북극 자석(3)과 남극 자석(4) 사이의 자속 경로에 있다. 극 D는 남극 자석(4)과 북극 자석(5) 사이의 자속 경로에 있다. 그래서, 로터 자석이 전류가 인가되지 않은 스테이터 극과 직접적인 정렬 상태로부터 부분적인 정렬 상태로 이동함에 따라, 모터 구동 토크에 반대가 되며 크기가 변하는 코깅 토크가 발생되었다.
시간 t3에서, 로터는 (C)로 표시된 위치로 이동하였다. A-B 극 쌍의 권선에 대한 전류 인가는 반대가 되었으며, 그에 따라 극 A에서는 강한 북극을 그리고 극 B에서는 강한 남극을 야기시킨다. C-D 극 쌍의 권선에는 전류가 인가되지 않는다. 북극 자석(1)과 남극 자석(2)은 스테이터 극 B와 겹쳐진다. 남극 자석(0)과 북극 자석(1)은 스테이터 극 A와 겹쳐진다. 이때, 남극 자석(2)은 극 C와 겹쳐지는 위치로 근접한다. 북극 자석(3)은 극 C와 실질적인 정렬 상태에 있으며, 남극 자석(4)은 극 D와 실질적인 정렬 상태에 있다.
상술한 바와 같이, 상반되는 코깅 토크는 회전이 진행됨에 따라 회전 각 위치에 대하여 변하는 방식으로 모터링 토크를 유발시킨다. 코깅 토크는, 로터 자석이 에어 갭을 가로질러 스테이터 극과 마주하려는 순간의 전이점(transitional point)에서 가장 두드러진다. 영구자석의 대체로 직사각형 표면의 선단 에지가 직사각형 스테이터 극의 평행한 에지에 접근함에 따라 코깅 토크에 갑작스런 변화가일어난다. 로터 영구자석의 부근에서 에어 갭에 큰 자속 밀도를 부여하는 NdFeB(네오디움-철-붕소) 자성 물질과 같은 강한 영구자석 물질의 사용은, 이러한 바람직하지 않은 효과를 상당한 정도까지 증대시킨다.
도 3은 본 발명에 따른 스테이터 극 표면과 로터 표면의 상대적인 위치에 대한 부분적인 평면 배치도이다. 도 3의 실시예는 스테이터 극의 표면의 구성에 있어서 도 2의 모터와는 구조적으로 다르다. 로터 자석 표면은 공통의 직사각형 구성을 갖는다. 스테이터 극 표면은 로터 자석 표면의 직사각형 배향에 대해서 비스듬한 공통의 기하학적 구성을 갖는다. 즉, 스테이터 극의 직사각형 표면은 그 에지가 더 이상 회전축 또는 로터 자석의 직사각형 표면의 에지와 평행하지 않도록 직사각형이 아닌 평행사변형으로 변경되었다. 자석, 예를 들면 북극(3)의 선단 에지 및 이로부터 나오는 자속은 극 D의 (도면에 도시된 바와 같은) 하부 에지와의 그 제1의 교차점과 극 D의 상부 에지 사이의 한정된 거리를 이동해야 한다. 그래서, 로터 자석이 에어 갭을 가로질러 스테이터 극과 겹쳐지는 관계로 접근할 때, 전이점에서의 코깅 토크의 변화는 도 2의 실시예에서의 토크 변화보다 더 점진적으로 이루어진다. 이 특정의 예시는 실례로서 나타낸 것이며, 비스듬함의 각도 및 방향은 원하는 바에 따라 효과를 변경시키도록 바꿔질 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스테이터 극 표면과 로터 표면의 상대적인 위치에 대한 부분적인 평면 배치도이다. 도 4의 실시예는 로터 자석의 표면의 구성에 있어서 도 2의 모터와는 구조적으로 다르다. 스테이터 극 표면은 공통의 직사각형 구성을 갖는다. 로터 자석 표면은 스테이터 극 표면의 직사각형 배향에 대해서 비스듬한 공통의 기하학적 구성을 갖는다. 로터 자석의 표면은, 더 이상 회전축 또는 스테이터 극의 직사각형 표면의 에지와 평행하지 않은 에지를 갖는 직사각형이 아닌 평행사변형이다. 자석, 예를 들면 북극(3)의 선단 에지 및 이로부터 나오는 자속은 극 D의 (도면에 도시된 바와 같은) 하부 에지와의 그 제1의 교차점과 극 D의 상부 에지 사이의 한정된 거리를 이동해야 한다. 그래서, 로터 자석이 에어 갭을 가로질러 스테이터 극과 겹쳐지는 관계로 접근할 때, 전이점에서의 코깅 토크의 변화는 도 2의 실시예에서의 토크 변화보다 더 점진적으로 이루어진다. 비스듬함의 각도 및 방향은 원하는 바에 따라 효과를 변경시키도록 바꿔질 수 있다.
도 5는 다양한 구성에 대한 위상당 토크(torque per phase) 대 각도의 그래프이다. 모터링 토크에 대한 코깅 토크의 효과는 이들 구체적인 예에서는 18도 내지 28도 사이의 범위에서 가장 두드러진다. 비스듬함의 각도를 조정함으로써, 상기 범위 내에서의 큰 토크 진동이 만족할만한 수준으로 평탄화될 수 있다. 도 3 및 도 4의 실시예에서, 스테이터 극 표면 구성 및 로터 자석 표면 구성은 서로에 대해서 비스듬하게 되어 있다. 각각의 예시에서, 로터 자석 표면 구성(도 3) 또는 스테이터 극 표면 구성 중 어느 하나는 회전축에 대해서 비스듬하게 되어 있지 않다. 하지만, 로터 자석 표면 구성 및 스테이터 극 표면 구성이 서로에 대해서도 비스듬하게 되어 있는 한, 이들 로터 자석 표면 구성 및 스테이터 극 표면 구성 모두가 회전축에 대해서 비스듬하게 될 수 있다는 것도 본 발명의 개념 내에 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스테이터 극 표면과 로터 표면의 상대적인 위치에 대한 부분적인 평면 배치도이다. 스테이터(22)는 축방향 정렬 상태의복수의 극을 갖는 복수의 개별적인 일체형 전자석 코어 세그먼트를 포함한다. 로터(10)는, 에어 갭에 대해서 원주방향으로 분포되며 스테이터를 둘러싸는 복수의 축방향 열의 쌍극자 자석(dipole magnet)을 포함한다. 예시를 위해서 3세트의 스테이터 세그먼트 극 및 자석 열(列)이 도시되어 있으나, 다른 개수의 스테이터 세그먼트 극 및 로터 자석 열도 본 발명의 개념 내에 있다는 것을 이해해야 한다.
스테이터 극 표면은 공통의 직사각형 구성을 갖는다. 도 4의 실시예와 유사한 방식으로, 로터 자석 표면은 스테이터 극 표면의 직사각형 배향에 대해서 비스듬한 공통의 기하학적 구성을 갖는다. 로터 자석의 표면은, 회전축 또는 스테이터 극의 직사각형 표면의 에지와 평행하지 않은 둘레의 에지를 갖는 직사각형이 아닌 평행사변형을 형성한다. 자석의 선단 에지 및 이로부터 나오는 자속은, (도면에 도시된 바와 같은) 하부 에지와의 그 제1의 교차점과 이 자석과 축방향으로 정렬된 스테이터 극의 상부 에지 사이의 한정된 거리를 이동해야 한다. 도 4의 실시예에서와 같이, 로터 자석이 에어 갭을 가로질러 스테이터 극과 겹쳐지는 관계로 접근할 때, 전이점에서의 코깅 토크의 변화는, 스테이터와 로터 모두에 있는 직사각형 표면에 의해서 발생될 수 있는 토크 변화보다 더 점진적으로 이루어진다. 코깅 토크 교란의 평탄화는 복수의 극 및 자석에 의해서 발생되는 다수의 전이점에 의해서 특히 유익하다.
도 7은 도 6에 도시된 요소의 3차원 분해 구조도이다. 축방향으로 이격된 복수 열(10)의 로터 쌍극자 자석은 원통형의 에어 갭에 대해서 원주방향으로 분포되며 스테이터 코어 세그먼트(22)를 둘러싼다. 로터 자석은 에어 갭을 따라 원주방향으로 자극성이 교호적으로 된다. 각각의 축방향으로 정렬된 열의 로터 자석에서, 중심 자석은 측방향 자석의 자극성과 반대되는 에어 갭 표면에서의 자극성을 나타낸다. 스테이터는 축방향 정렬 상태의 복수의 극을 갖는 복수의 개별적인 일체형 전자석 코어 세그먼트를 포함한다. 극 상에 또는 극을 연접하는 코어 부분 상에 권선이 형성될 수 있다. 스테이터 코어 요소를 위한 비강자성 지지 구조를 포함하여, 이들 로터 및 스테이터 요소를 위한 적용 가능한 지지 구조에 대한 보다 구체적인 논의에 대해서는 공동계류 중인 특허 출원 제10/067,305호를 참조할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스테이터 극 표면과 로터 표면의 상대적인 위치에 대한 부분적인 평면 배치도이다. 도 6의 배치도와 유사한 배치도에서, 스테이터(22)는 축방향 정렬 상태의 복수의 극을 갖는 복수의 개별적인 일체형 전자석 코어 세그먼트를 포함한다. 로터(10)는, 에어 갭에 대해서 원주방향으로 분포되며 스테이터를 둘러싸는 복수의 축방향 열의 쌍극자 자석을 포함한다. 예시를 위해서 3세트의 스테이터 세그먼트 극 및 자석 열이 도시되어 있으나, 다른 개수의 스테이터 세그먼트 극 및 로터 자석 열도 본 발명의 개념 내에 있다는 것을 이해해야 한다.
로터 자석 표면은 공통의 직사각형 구성을 갖는다. 도 3의 실시예와 유사한 방식으로, 스테이터 극 표면은 로터 자석 표면의 직사각형 배향에 대해서 비스듬한 공통의 기하학적 구성을 갖는다. 스테이터 극의 표면은, 회전축 또는 로터 자석의 직사각형 표면의 에지와 평행하지 않은 둘레의 에지를 갖는 직사각형이 아닌 평행사변형을 형성한다. 자석의 선단 에지 및 이로부터 나오는 자속은, (도면에 도시된바와 같은) 상부 에지와의 그 제1의 교차점과 이 자석과 축방향으로 정렬된 스테이터 극의 하부 에지 사이의 한정된 거리를 이동해야 한다.
로터 자석이 에어 갭을 가로질러 스테이터 극과 겹쳐지는 관계로 접근할 때, 전이점에서의 코깅 토크의 변화는, 스테이터와 로터 모두에 있는 직사각형 표면에 의해서 발생될 수 있는 토크 변화보다 더 점진적으로 이루어진다.
도 9는 도 8의 실시예에 대한 로터 및 스테이터 구조의 부분적인 3차원도이다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 로터 자석 열(10) 및 스테이터 코어 세그먼트(22)는 회전축에 평행하게 정렬된다. 하지만, 스테이터 극 표면은 회전축에 대해서 비스듬하게 되어 있다.
도 10a - 도 10f는 도 3 및 도 8의 비스듬한 스테이터 극 구성 대신에 다른 기하학적 표면 패턴 구성을 갖는, 다양한 다른 스테이터 코어 요소 극 쌍을 예시한다. 각각의 극 쌍은 다른 도면에서와 같이 강자성 격리된 코어의 일부이며, 도 6-도 9에서와 같이 회전축에 평행한 방향으로 정렬되거나, 도 1-도 4에서와 같이 회전축에 수직한 방향으로 정렬될 수 있다. 로터 자석은 바람직하게는 직사각형 표면 구성을 갖는다. 로터가 좌측으로부터 우측으로 이동함에 따라, 자석의 선단 에지 및 이로부터 나오는 자속은 코깅 토크 효과를 평탄화시키도록 스테이터 극과 가변적으로 겹쳐진다. 도시된 기하학적 패턴은 적용에 따라 원하는 효과를 제공하도록 적합하게 될 수 있다.
상기 개시 내용에서는, 본 발명의 바람직한 실시예 및 그 다용성의 몇 가지 예만 도시되고 설명되었다. 본 발명은 다양한 다른 조합 및 환경에도 사용할 수 있고 본 명세서에 언급된 바와 같은 진보성 개념의 범위 내에서 변경 또는 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 예를 들면, 도 10a-도 10f에 도시된 구성은 로터 자석으로 형성될 수도 있는 한편, 스테이터 극 표면은 직사각형 또는 다른 표면 기하학적 구성을 가질 수 있다.
스테이터 코어 요소의 구체적인 기하학적 구성이 예시되었으나, 본 명세서의 신규성 개념은 분말 금속 기술을 이용하여 실질적으로 어떠한 형상도 성형될 수 있으므로 상기한 구성에 대한 다양한 변형예도 포함한다. 그래서, 구체적인 코어 구성은 원하는 자속 분포에 적합하게 될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 로터에 의해 둘러싸인 스테이터를 예시하고 있으나, 본 발명의 개념은 로터가 스테이터에 의해 둘러싸인 모터에도 동일하게 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 로터리 전기 모터, 보다 구체적으로는 서로에 대해서 기하학적으로 비스듬한 표면을 갖는 복수의 로터 및 스테이터 극을 포함하는 영구자석 모터에 이용할 수 있다.

Claims (16)

  1. 로터리 전기 모터로서,
    환형의 원통형 스테이터 링을 형성하도록 회전축에 대해서 동축으로 배치된 복수의 분리되고 강자성(强磁性) 격리된 전자석 코어 세그먼트를 포함하는 스테이터로서, 상기 코어 세그먼트 각각이 복수의 극(pole)을 포함하는 스테이터와,
    상기 스테이터와 동심을 이루며 원통형의 에어 갭에 의해서 상기 스테이터로부터 이격된 원통형의 환형 로터로서, 상기 에어 갭과 마주하는 표면을 갖는 복수의 영구자석을 포함하는 원통형의 환형 로터를
    포함하며,
    상기 스테이터 코어 세그먼트의 상기 극은 상기 에어 갭에서 공통의 표면 기하학적 구성을 가지고,
    상기 영구자석 표면은 공통의 기하학적 구성을 가지며,
    상기 스테이터 극의 표면 구성 및 상기 로터 자석의 표면 구성은 서로에 대해서 비스듬하게 되어 있는
    것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스테이터 극의 구성은 상기 회전축에 대해서 비스듬하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 로터 자석의 구성은 상기 회전축에 대해서 비스듬하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스테이터 코어 세그먼트는 비강자성(非强磁性) 지지 구조에 부착되며 서로 강자성 접촉 없이 상기 스테이터 링 내에 분포되는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  5. 제1항에 있어서,
    각 스테이터 코어 세그먼트의 인접한 극들은 연접부(linking portion)에 의해서 서로 일체로 결합되며, 전류가 인가될 때 인접한 스테이터 극들에 상반되는 극성의 자극(magnetic pole)을 발생시키도록 상기 연접부 상에는 권선이 형성되는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  6. 제1항에 있어서,
    각 스테이터 세그먼트의 상기 복수의 극들은 상기 회전축에 평행한 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  7. 제1항에 있어서,
    모든 스테이터 극들은 상기 회전축에 수직한 방향으로 정렬되며, 축방향으로의 상기 스테이터 링의 치수 범위는 하나의 스테이터 극과 같은 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  8. 제6항에 있어서,
    각 코어 세그먼트는 적어도 3개의 극을 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 로터 영구자석은 상기 에어 갭을 따라 원주방향으로 배치된 분리된 자석으로 이루어진 축방향으로 이격된 링을 형성하고, 상기 링의 개수는 스테이터 코어 세그먼트 내의 스테이터 극의 개수와 그 수가 동일하며,
    상기 링 내의 상응하는 자석은 축방향으로 복수 열(列)로 정렬되는
    것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  10. 제9항에 있어서,
    각 로터 영구자석은 그 각각의 링 및 축방향 열 내에서 인접한 영구자석의 자극성에 반대되는 자극성을 갖는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전자석 코어 세그먼트는 분말 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  12. 제1항에 있어서,
    각 영구자석은, 상기 에어 갭과 마주하는 표면에서는 하나의 자극성을 갖고 상기 에어 갭으로부터 먼쪽으로 향하는 표면에서는 반대의 자극성을 가지며, 그에 따라 상기 에어 갭에 수직한 방향으로 자극 배향을 형성하는 자성 쌍극자인 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  13. 로터리 전기 모터용 스테이터로서,
    내경 및 외경을 갖는 환형의 원통형 스테이터 링을 형성하도록 회전축에 대해서 동축으로 배치된 복수의 분리된 전자석 코어 세그먼트를 포함하며,
    각 코어 세그먼트는 연접부에 의해서 서로 일체로 결합된 복수의 극을 포함하고,
    상기 극들 각각은 기초가 되는 베이스부와 상기 회전축에 대해서 비스듬한 극 슈 부분을 포함하며,
    상기 스테이터 코어 세그먼트는 비강자성 지지 구조에 부착되며 서로 강자성 접촉 없이 상기 스테이터 링 내에 분포되는
    것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터용 스테이터.
  14. 로터리 전기 모터로서,
    환형의 원통형 스테이터 링을 형성하도록 회전축에 대해서 동축으로 배치된 복수의 분리되고 강자성 격리된 전자석 코어 세그먼트를 포함하는 스테이터로서, 상기 코어 세그먼트 각각이 복수의 극(pole)을 포함하는 스테이터와,
    상기 스테이터와 동심을 이루며 원통형의 에어 갭에 의해서 상기 스테이터로부터 이격된 원통형의 환형 로터로서, 상기 에어 갭과 마주하는 표면을 갖는 복수의 영구자석을 포함하는 원통형의 환형 로터를
    포함하며,
    모든 스테이터 코어 세그먼트 극은 상기 에어 갭에서 공통의 표면 기하학적 구성을 가지고,
    모든 영구자석 표면은 상기 스테이터 극의 표면 기하학적 구성과 다른 공통의 기하학적 구성을 갖는
    것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  15. 제14항에 있어서,
    각 스테이터 세그먼트의 상기 복수의 극들은 상기 회전축에 평행한 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
  16. 제14항에 있어서,
    모든 스테이터 극들은 상기 회전축에 수직인 방향으로 정렬되며, 축방향으로의 상기 스테이터 링의 치수 범위는 하나의 스테이터 극과 같은 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
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