KR20050004288A - 복수의 시프트된 스테이터 극 및/또는 로터 극을 갖는로터리 전기 모터 - Google Patents

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

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KR20050004288A
KR20050004288A KR10-2004-7019747A KR20047019747A KR20050004288A KR 20050004288 A KR20050004288 A KR 20050004288A KR 20047019747 A KR20047019747 A KR 20047019747A KR 20050004288 A KR20050004288 A KR 20050004288A
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pole
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소고모니안자레살마시
마슬로브보리스에이.
벤슨마아크에이.
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웨이브크레스트 래버러토리스, 엘엘씨
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Abstract

로터리 전기 모터는 축방향으로 이격된 복수 세트의 상응하는 스테이터(36) 및 로터 요소(22, 23, 24)를 갖는 스테이터를 구비한다. 각 세트의 스테이터는 환형의 링이며, 극들은 회전축에 대해서 원주방향으로 위치된다. 각 세트의 로터는 스테이터 극의 반대편에 환형의 에어 갭을 따라서 원주방향으로 배치된 복수의 영구자석을 갖는다. 인접한 로터 요소 세트의 영구자석 및/또는 인접한 스테이터 세트의 극들은, 이들 세트 각각에 의해서 발생되는 코깅 토크의 효과를 상쇄시키도록 축방향으로 서로 오프셋된다.

Description

복수의 시프트된 스테이터 극 및/또는 로터 극을 갖는 로터리 전기 모터 {ROTARY ELECTRIC MOTOR HAVING A PLURALITY OF SHIFTED 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 출력을 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 공동 계류중인 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 있고, 그래서 토크 출력을 증대시킨다. 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 극 반대편의 평형 위치로 움직이는 경향이 있다. 스테이터의 전류 인가에 의해서 로터가 회전되도록 구동됨에 따라, 전류 인가되지 않은 전자석 세그먼트와의 자석 상호작용에 의해서 발생된 코깅 토크의 크기 및 방향은, 전류 인가된 스테이터 세그먼트에 의해 발생된 토크에 상반되도록 및 이 토크를 증대시키도록 주기적으로 바뀐다. 보상이 없으면, 코깅 토크는 로터의 회전에 의해서 갑작스럽게 방향을 바꿀 수 있다. 코깅 토크가 의미있는 크기를 갖는다면, 회전에 대한 장애로 될 뿐만 아니라, 정밀 속도 제어 및 원활한 동작이라는 목적에 유해한 기계적인 진동의 원인이 된다.
코깅 토크의 발달에 대한 예시로서, 공동계류 중인 특허 출원 제09/826,422호에 개시된 것과 같은 모터를 생각해 볼 수 있다. 이 특허 출원의 개시 내용은 본 명세서에 병합되어 있다. 도 1은 로터와 스테이터 요소를 나타내는 예시적인 도면이다. 로터 부재(20)는, 원통형의 백 플레이트(25)를 따라서 실질적으로 균일하게 분포된 영구 자석(21)을 갖는 환형 링 구조이다. 영구 자석은 환형 링의 내주(內週)를 따라서 자극성이 교호적으로 되는 로터 극이다. 로터는 스테이터 부재(30)를 둘러싸며, 로터와 스테이터 부재는 환형의 반경방향 에어 갭에 의해서 떨어져 있다. 스테이터(30)는 에어 갭을 따라서 균일하게 분포된 동일한 구성의 복수의 전자석 코어 세그먼트를 포함한다. 각각의 코어 세그먼트는 에어 갭과 마주하는 표면(32)을 갖는 2개의 극을 형성하는 대체로 U형상의 자성 구조(36)를 포함한다. 극 쌍의 레그(leg)에는 권선(38)이 감겨지지만, 코어 세그먼트는 극 쌍을 연접하는 부분에 형성된 단일의 권선을 수용하도록 구성될 수도 있다. 각각의 스테이터 전자석 코어 구조는 인접한 스테이터 코어 요소들로부터 분리되며, 자기 격리된다. 스테이터 요소(36)는 비투자성(非透磁性) 지지 구조에 고정되며, 그에 따라 환형의 링 구조를 형성한다. 이 구조는 인접한 스테이터 극 그룹들로부터의 스트레이 트랜스포머 자속 효과의 영향을 제거한다.
도 2는 모터 동작시에, 0-5로 지칭된 로터 자석에 대해서, 극 표면(32)이 A-D로 지칭된, 2개의 인접한 스테이터 코어 요소(36)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)과 남극 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 남극자석(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 변화가 일어난다. 로터 영구자석의 부근에서 에어 갭에 큰 자속 밀도를 부여하는 NdFeB(네오디움-철-붕소) 자성 물질과 같은 고 에너지 밀도 영구자석 물질의 사용은, 바람직하지 않은 진동이 두드러지게 될 수 있는 정도까지 이러한 효과를 증대시킨다.축방향으로 정렬된 복수 열의 스테이터 극 및 로터 자석과 같은, 다수의 스테이터 극과 로터 극을 갖는 모터는 훨씬 더 큰 코깅 토크 효과를 발생시킬 수 있다. 동일한 방식으로, 코깅 토크는 일체형 스테이터 코어를 갖는 모터에서 가변 크기로 발생될 수 있다.
코깅 토크의 효과를 최소화하기 위해서 다양한 방법들이 사용되어 왔다. 이러한 방법들에서는 로터 위치에 대한 자기 저항 변화율을 감소시키거나, 기계 내에서의 자속을 감소시키거나, 혹은 개별 극에 의해서 발생된 코깅 토크가 서로 상쇄되도록 일체형 스테이터 코어에서 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. 자속의 감소는, 새로운 영구자석 재료 및 앞에서 언급한 공동계류 중인 특허출원의 자속 집중 방법으로부터 얻어지는 이점을 축소시킨다. 종래의 일체형 스테이터 코어 구조에서의 극 위치의 시프팅은 극의 크기, 위치 및 개수에 있어서 제한을 가하며, 이는 최적 동작을 제공하는 구조를 불가능하게 할 수 있다.
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. 이용 가능한 적층 기계가공 프로세스는 특히 3차원적으로 종래의 패턴을 개조하는 능력에 있어서 한계를 갖는다. 이러한 적층 구조의 실질적인 변형 범위는 너무 복잡하며 또한 실행하기에는 너무 비용이 많이 든다.
그래서, 비용 및 적용에 있어서 실용성을 제공하면서 모터의 효율적인 동작 및 제어 성능을 손상시키지 않는, 특히 높은 자속 밀도 크기 및 자속 집중을 갖는 모터에 있어서의 효과적인 코깅 보상에 대한 요구가 존재한다.
공동계류 중인 미국 특허 출원(대리인 정리 번호 : 57357-023)에서는, 스테이터 극 표면의 기하학적 구성 및 로터 자석 표면의 기하학적 구성이 서로에 대해서 비스듬하도록 스테이터 극 표면 또는 로터 자석 표면을 성형함으로써 이러한 요구에 대해서 다루고 있다. 이러한 비스듬한 구조의 효과는, 영구자석이 그 회전 경로를 이동함에 따라 로터 자석과 전류가 인가되지 않은 스테이터 전자석의 하나의 극 사이의 상호 작용에 의해서 발생되는 코깅 토크의 변화율을 감쇠시키는 것이다. 스테이터 극을 선택적으로 성형할 수 있는 능력은, 다양한 구체화된 형상을 형성하는데 적합한 연질의 투자성 매체와 같은 코어 재료의 사용을 통해서 가능하게 된다. 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. 이들 재료는 초기에 임의의 원하는 3차원 형상으로 형성될 수 있으며, 그에 따라 이미 성형된 견고한 적층 재료의 기계 가공 가능성을 회피할 수 있다.
토크 출력 성능에 악영향을 미치지 않으면서 코깅 토크 효과를 최소화하는 것은 지속적으로 중요한 목적이 된다.
관련 출원
본 특허 출원은 2000년 5월 16일자로 출원된 핀티코브(Pyntikov) 외의 공동계류중인 미국 특허 출원번호 제09/571,174호, 2001년 4월 5일자로 출원된 마슬로브(Maslove) 외의 공동계류중인 미국 특허 출원번호 제09/826,423호, 2001년 4월 5일자로 출원된 마슬로브 외의 공동계류중인 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 제10/067,305호, 2002년 6월 4일자로 출원된 마슬로브 외의 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제10/160,257호에 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 복수의 축방향으로 이격된 로터 및 스테이터 극을 포함하며, 이들 축방향으로 이격된 로터 자석 또는 스테이터 자석은 서로 축방향 정렬 상태로부터 시프트된 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 공동계류 중인 특허 출원(대리인 정리 번호 : 57357-019)에 개시된 것과 같은 모터의 3차원 분해도.
도 4는 도 3에 도시된 것과 같은 모터의 스테이터 극 및 로터 영구자석 표면의 부분적인 평면 배치도.
도 5는 본 발명에 따른 모터의 스테이터 극 및 로터 영구자석 표면의 부분적인 평면 배치도.
도 6은 본 발명의 다른 양태에 따른 모터의 스테이터 극 및 로터 영구자석 표면의 부분적인 평면 배치도.
도 7은 본 발명에 따른, 도 6의 구조에 대한 변형예의 모터의 스테이터 극 및 로터 영구자석 표면의 부분적인 평면 배치도.
본 발명은 축방향으로 이격된 복수 세트의 로터 및 스테이터 요소에 발생된코깅 토크의 효과를 상쇄시킴으로써, 적어도 부분적으로는 상기한 요구를 충족한다. 스테이터 코어 구조의 형성에 연질의 투자성 재료를 사용함으로써 다른 이점이 얻어진다. 적층을 형성할 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.
본 발명의 이점은, 원주방향에 있어서의 스테이터 극들 사이의 위치 관계를 제한하는 일없이 코깅 토크의 효과를 상쇄시키도록 각각의 개별적인 축방향으로 배치된 스테이터 코어의 극들은 축방향으로 서로에 대해서 오프셋될 수 있다는 것이다.
본 발명의 다른 이점은, 영구자석의 총 개수 또는 원주방향으로의 이들의 위치를 제한하는 일없이 코깅 토크의 효과를 상쇄시키도록, 원주방향 및 축방향으로 배열된 로터 영구자석이 축방향으로 서로에 대해서 오프셋될 수 있다는 것이다.
본 발명의 구조적인 특징부는, 각각 환형 링 구성으로 배치되며 환형의 반경방향 에어 갭에 의해서 서로 이격된 로터 및 스테이터를 포함하는 모터로 구체화된다. 바람직하게는, 스테이터는 회전축에 대해서 동축으로 배치된 복수의 개별적인 일체형 전자석 코어 세그먼트를 포함한다. 각 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, 코어 세그먼트 각각은 회전축에 대체로 평행한 연접부에 의해 일체적으로 결합된 복수의 극을 포함한다. 전자석 코어 세그먼트는 바람직하게는 분말 금속 재료로 형성된다. 각 스테이터 코어 세그먼트의 극들은 축방향으로 서로 오프셋된다. 스테이터 극 모두는 에어 갭에서 공통의 표면 기하학적 구성을 갖는다. 로터는 에어 갭과 마주하는 표면을 갖는 복수의 영구자석을 포함하며, 이들 표면들은 공통의 기하학적 구성을 갖는다. 각 영구자석은, 에어 갭과 마주하는 표면에서는 하나의 자극성을 갖고 에어 갭으로부터 먼쪽으로 향하는 표면에서는 반대의 자극성을 가지며, 그에 따라 에어 갭에 수직한 방향으로 자극 배향을 형성하는 자성 쌍극자이다. 영구자석은 스테이터 극과 동일할 수 있는 공통의 표면 기하학적 구성을 가지며, 에어 갭을 따라서 원주방향으로 배치된 축방향 열로 정렬된다. 각각의 로터 영구자석은 그 각각의 링 및 축방향 열 내에서 인접한 영구자석의 자극성과 반대의 자극성을 갖는다.
축방향으로의 극의 시프팅에 의한 효과는, 축방향으로 인접한 요소에서의 전이점이 오프셋되므로, 로터 자석과 스테이터 극 사이의 각 전이점에서 발생된 코깅 토크가 상당히 상쇄된다는 것이다. 겹쳐지는 로터 자석과 스테이터 극 사이의 최대자속 결합은 모터링 토크 용량을 최대화시키도록 유지될 수 있다. 회전축에 대해서 스테이터 극의 기하학적 구성을 더 비스듬하게 하고 성형함으로써, 코깅 토크는 더 보상될 수 있다. 비스듬하게 한 구성 및 극 성형에 의한 이점에 대한 상세한 설명은 공동계류 중인 특허 출원(대리인 정리 번호 : 57357-023)을 참조할 수 있다.
본 발명의 변형예는, 인접한 축방향으로 이격된 링 내에 있는 영구자석을 서로 축방향으로 오프셋시킴으로써 구현될 수 있다. 각 스테이터 코어의 스테이터 극들은 축방향 정렬 상태가 될 수 있으며, 축방향으로 인접한 요소들에서의 스테이터 극과 자석 사이의 전이점은 로터 자석 위치에 의해서 오프셋될 수 있다. 다른 변형예로서, 스테이터 코어 세그먼트 극은 에어 갭에서 공통의 표면 기하학적 구성을 가질 수 있으며, 영구자석 표면은 스테이터 극의 표면 기하학적 구성과 다른 공통의 기하학적 구성을 가질 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.
본 발명의 개념은 축방향으로 이격된 2세트 이상의 로터 및 스테이터 요소를 구비한 모터에도 적용할 수 있다. 스테이터 및 로터 요소들 사이의 구조적인 상관 관계를 이해하기 위해서, 도 3은 공동계류 중인 특허 출원(대리인 정리 번호 : 57357-019)에 개시된 것과 같은 모터의 3차원 분해도를 예시한다. 모터(15)는 반경방향 에어 갭에 의해서 분리된 환형의 영구자석 로터(20) 및 환형의 스테이터 구조(30)를 포함한다. 투자성(透磁性) 재료로 만들어진, 복수의 강자성(强磁性) 격리된 스테이터 코어 세그먼트 요소(36)는 지지 구조(50)에 의해서 지지되며, 이는 세그먼트의 강자성 격리를 유지시킨다. 세그먼트(36)는, 극 표면(32)이 에어 갭과 마주하는, 투자성 재료로 형성된 일체적인 구조이다. 각 코어 세그먼트의 극 면(面)은 도시된 바와 같이 상이한 표면적을 가질 수 있거나, 혹은 동일한 표면 구성을 가질 수 있다. 각각의 스테이터 코어 요소(36)는 코어 재료 상에 형성된 권선(38)을 포함하는 전자석이다. 알려진 방식으로의 인가 전류의 방향의 반전은, 각각의 극의 자극성의 반전을 초래한다. 로터는, 에어 갭에 대해서 원주 방향으로 분포되고 축방향으로 이격된 3개의 링의 로터 자석(22-24)을 갖는 영구자석 섹션(21)과, 영구자석이 장착되는 백 아이언 링(25)을 포함한다. 스테이터 지지 구조(50)는 고정 샤프트에 부착될 수 있으며, 로터는 적절한 부싱과 베어링을 통해서 샤프트에 저널 결합된 하우징 내에 장착된다.
도 4는 로터가 휴지 상태로 취해진, 도 3에 도시된 것과 같은 모터의 스테이터 극 및 로터 영구자석 표면의 부분적인 평면 배치도이다. 도면의 상부는 4개의 인접한 스테이터 요소(36)를 나타내며, 이들 스테이터 요소 각각은 표면(32)을 갖는 3개의 스테이터 극을 포함한다. 도면의 하부는 자석(21)을 갖는 3개의 축방향으로 이격된 로터 링의 일부를 나타낸다. 실제 구성에서는 회전축의 둘레로 원주방향으로 배치된 스테이터 및 로터 요소는, 그 사이의 수평 공간으로 나타내어진 에어 갭을 가로지르는 그 공간적인 관계를 예시하기 위해서 수평의 평면상에 전개되어있다. 회전축은 수직방향으로 있다. 실제 구성에서는, 상부 열의 스테이터 극이 에어 갭을 가로질러 하부 열의 로터 자석과 정렬되고, 중앙 열의 스테이터 극은 에어 갭을 가로질러 중앙 열의 로터 자석과 정렬되며, 하부 열의 스테이터 극은 에어 갭을 가로질러 상부 열의 로터 자석과 정렬된다. 모터가 주행 동작일 때, 위에서 논의된 방식 및 도 2에 예시된 방식으로 스테이터 극 및 로터 자석의 정렬된 열 각각에서 코깅 토크가 발생된다. 각 세그먼트 내의 모든 스테이터 극이 서로 축방향 정렬 상태가 되고, 각각의 이격된 자석 링 내의 인접한 로터 자석은 서로 축방향 정렬 상태가 되며, 상응하는 스테이터 극 및 로터 자석 열은 동일한 코깅 토크 진동을 발생시키며 부가적으로 된다.
도 5는 본 발명에 따른 모터의 스테이터 극 및 로터 영구자석 표면의 부분적인 평면 배치도이다. 도시된 요소들에 대한 지지 구조는 도 3에 도시된 것과 유사할 수 있다. 스테이터 세그먼트(36)는 회전축 방향으로 정렬되며, 회전축 둘레로 원주방향으로 배치된다. 각 세그먼트 내의 모든 스테이터 극들은 서로 축방향 정렬 상태에 있다. 본 예시에서는, 모든 스테이터 극 표면이 동일한 기하학적 구성 및 치수를 갖는다. 축방향으로 이격된 로터 링(22-24)도 또한 회전축 둘레로 원주방향으로 배치된다. 도시된 바와 같이, 모든 자석 표면은 동일한 기하학적 구성 및 치수를 갖는다. 하지만, 인접한 링 내의 자석은 축방향으로 서로 시프트된다.
모터 동작시에, 로터는 정지한 스테이터 세그먼트에 대해서 수평 경로를 이동한다. 상응하는 로터 링/스테이터 극 세트의 스테이터 극과 로터 자석 사이의 정렬 전이점은 원주를 따라서 있는 위치에서 발생하며, 이는 가끔 상응하는 로터 및스테이터 요소의 다른 세트 각각과 다르다. 그래서, 각 세트는 시간에 따라 변하는 유사한 코깅 토크를 발생시키지만, 코깅 토크는 로터 자석의 오프셋에 관하여 각각으로부터 시프트된다. 통합된 코깅 토크 효과가 최소화될 수 있도록 가변 크기의 코깅 토크는 서로 상쇄된다. 각 코어 세그먼트의 스테이터 극의 치수 및/또는 로터 자석의 치수는 동일할 필요는 없으며, 예를 들면 도 3의 구조에 예시된 바와 같이 변경될 수 있다. 오프셋의 정도는 치수적인 특성을 고려하여 최적의 효과를 낼 수 있도록 적절히 선택될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 양태에 따른 모터의 스테이터 극 및 로터 영구자석 표면의 부분적인 평면 배치도이다. 도시된 요소들에 대한 지지 구조는 도 3에 예시된 것과 유사할 수 있다. 로터(21)는 3세트의 축방향으로 이격된 영구자석 링(22-24)을 포함한다. 인접한 링들에 있는 자석은 실질적으로 동일한 표면 치수를 가지며, 서로 축방향 정렬 상태에 있다. 스테이터 세그먼트(36)는 회전축의 방향으로 정렬되며, 회전축의 둘레로 원주방향으로 배치된다. 하지만, 각 세그먼트 내의 스테이터 극은 축방향으로 서로 오프셋된다. 세그먼트의 축방향으로 정렬된 베이스부에 대하여 시프트된 극 면의 위치는, 원하는 형상으로 성형될 수 있는 분말 금속 재료와 같은 연질의 투자성 매체로 형성될 수 있다.
도 5의 구조에서와 같이, 모터 동작시에 로터는 정지한 스테이터 세그먼트에 대해서 수평 경로를 이동한다. 상응하는 로터 링/스테이터 극 세트의 스테이터 극과 로터 자석 사이의 정렬 전이점은 원주를 따라서 있는 위치에서 발생하며, 이는 가끔 상응하는 로터 및 스테이터 요소의 다른 세트 각각에 있는 전이점과 다르다.각 세트는 시간에 따라 변하지만 스테이터 극의 오프셋에 의존하여 다른 것들로부터 시프트된 유사한 코깅 토크를 발생시킨다. 각 코어 세그먼트의 스테이터 극의 치수는 서로 다를 수 있으며, 로터 자석의 표면의 치수도 다를 수 있다. 오프셋의 정도는, 통합되는 코깅 효과의 최적의 상쇄를 위해서 적절히 선택될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른, 도 6의 구조에 대한 변형예의 모터의 스테이터 극 및 로터 영구자석 표면의 부분적인 평면 배치도이다. 인접한 링(22-24) 내의 로터 자석은 실질적으로 동일한 표면 치수를 가지며, 서로 축방향 정렬 상태에 있다. 각 스테이터 세그먼트(36)의 스테이터 극들은 서로에 대해서 및 코어 베이스 지지부에 대해서 정렬된다. 하지만, 스테이터 세그먼트(36)는 회전축에 대해서 비스듬하게 되어 있다. 축으로부터의 스테이터 세그먼트의 특정 오프셋 각도에 의한 변위는 도 6의 구조에서와 같이, 상응하는 로터 링/스테이터 극 세트의 스테이터 극과 로터 자석 사이의 정렬 전이점을 상응하는 로터 및 스테이터 요소의 다른 세트 각각에 있는 전이점으로부터 시프트시킨다.
동작시, 앞에서 설명한 본 발명의 변형예에서와 같이, 3세트의 로터 및 스테이터 요소는 각 세트가 시간에 따라 변하는 유사한 코깅 토크를 발생시키도록 실질적으로 동일한 표면 구성을 갖는다. 개별 세트에 의해서 발생된 코깅 토크가 비스듬한 관계에 발생하기 쉬운 스테이터 세그먼트의 극의 오프셋에 따라 각각으로부터 시프트됨에 따라, 소정의 코깅 토크는 서로 상쇄된다. 또, 이들 세트 각각에 의해서 발생된 코깅 토크는 스테이터 극과 상응하는 로터 자석 사이의 비스듬한 관계에 의해서 감소된다. 에어 갭을 가로질러 스테이터 극에 접근하는 자석의 선단 에지는, 스테이터 극의 비스듬한 각도에 의해서 이들 에지가 서로 평행한 관계로부터 벗어나므로, 스테이터 극의 전체 에지와 즉각적으로 겹쳐지지는 않게 된다. 그래서, 로터 자석이 에어 갭을 가로질러 스테이터 극과 겹쳐지는 관계로 접근할 때 전이점에서의 코깅 토크의 변화는, 앞에서 논의된 구조에서의 토크 변화보다 더 점진적으로 이루어진다. 그에 따라 코깅 토크 진동이 감소된다. 비스듬한 구조의 유익한 효과에 대한 보다 상세한 설명에 대해서는 공동계류 중인 미국 특허 출원 제10/160,257호를 참조하면 된다. 도 7의 실시예는 로터 요소와 스테이터 요소 사이의 시프트된 관계 및 비스듬한 관계 모두의 이점을 제공한다. 각 세그먼트의 스테이터 극이 축방향으로 정렬되고 로터 자석이 스테이터 극에 대해서 시프트된 동시에 비스듬하게 되어 있는 변형예로부터도 유사한 효과가 얻어질 수 있다.
상기 개시 내용에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 그 다용성의 몇 가지 예에 대해서만 도시되고 설명되었다. 본 발명은 다양한 다른 조합 및 환경에도 사용할 수 있으며 본 명세서에 명시된 신규 개념의 범위 내에서 변경 및 변형이 가능하다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 도면에 예시된 구성 각각은 유익한 결과를 갖도록, 서로 축방향으로 이격된, 분할된 스테이터 코어 대신에, 일체형의 스테이터 코어를 구비하도록 구현될 수도 있다.
스테이터 코어 요소의 구체적인 기하학적 구성이 예시되었으나, 분말 금속 기술을 이용하여 사실상 어떠한 형상도 성형될 수 있으므로 본 명세서의 신규 개념은 이들 구성에 대한 다양한 변형예도 포함한다는 것이 이해되어야 한다. 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 의해서 둘러싸인 모터에도 동일하게 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 로터리 전기 모터, 보다 구체적으로는 복수의 축방향으로 이격된 로터 및 스테이터 극을 포함하며, 이들 축방향으로 이격된 로터 자석 또는 스테이터 자석은 서로 축방향 정렬 상태로부터 시프트된 영구자석 모터에 이용할 수 있다.

Claims (18)

  1. 로터리 영구자석 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 대체로 상기 회전축의 방향으로 연장된 연접부에 의해서 일체적으로 결합된 복수의 극을 포함하는 스테이터와,
    상기 스테이터와 동심을 이루며 원통형의 환형 에어 갭에 의해서 상기 스테이터로부터 이격된 원통형의 환형 로터로서, 상기 로터가, 상기 에어 갭과 마주하는 표면을 구비하며 상기 에어 갭을 따라서 원주방향으로 배치된 분리된 자석으로 이루어진 축방향으로 이격된 링들을 형성하는 복수의 영구자석을 포함하며, 상기 링의 개수는 상기 스테이터 코어 세그먼트 내의 스테이터 극의 개수와 그 수가 동일한 원통형의 환형 로터를
    포함하며,
    각 스테이터 코어 세그먼트의 극들은 축방향으로 서로 오프셋되는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 로터 영구자석은 상기 에어 갭을 따라서 원주방향으로 배치된 축방향 열로 정렬되는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스테이터 코어 세그먼트의 극 및 로터 영구자석은 그들의 에어 갭 표면에서 공통의 기하학적 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스테이터 코어 세그먼트는 비강자성(非强磁性) 지지 구조에 부착되고 서로 강자성 접촉 없이 상기 스테이터 링 내에 분포되는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  5. 제2항에 있어서,
    전류가 인가될 때 인접한 스테이터 극들에 반대되는 극성의 자극(磁極)을 발생시키도록 상기 연접부 상에 권선이 형성되는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  6. 제5항에 있어서,
    각 로터 영구자석은 그 각각의 링 및 축방향 열 내에서 인접한 영구자석의 자극성에 반대되는 자극성을 갖는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  7. 제6항에 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 쌍극자(magnetic dipole)인 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전자석 코어 세그먼트는 분말 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 스테이터 코어 세그먼트 극은 상기 에어 갭에서 공통의 표면 기하학적 구성을 가지며, 상기 영구자석 표면은 상기 스테이터 극의 표면 기하학적 구성과는 다른 공통의 기하학적 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  10. 제1항에 있어서,
    각 스테이터 극은 상기 회전축에 대해서 비스듬한 표면 기하학적 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  11. 로터리 영구자석 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 대체로 상기 회전축의 방향으로 연장된 연접부에 의해서 일체적으로 결합된 복수의 극을 포함하는 스테이터와,
    상기 스테이터와 동심을 이루며 원통형의 에어 갭에 의해서 상기 스테이터로부터 이격된 원통형의 환형 로터로서, 상기 로터가, 상기 에어 갭과 마주하는 표면을 구비하며 상기 에어 갭을 따라서 원주방향으로 배치된 분리된 자석으로 이루어진 축방향으로 이격된 링들을 형성하는 복수의 영구자석을 포함하며, 상기 링의 개수는 상기 스테이터 코어 세그먼트 내의 스테이터 극의 개수와 그 수가 동일한 원통형의 환형 로터를
    포함하며,
    인접한 링 내의 영구자석은 축방향으로 서로 오프셋되는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  12. 제11항에 있어서,
    각 코어 세그먼트의 상기 스테이터 극들은 축방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전자석 코어 세그먼트는 분말 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스테이터 코어 세그먼트 극은 상기 에어 갭에서 공통의 표면 기하학적 구성을 가지며, 상기 영구자석 표면은 상기 스테이터 극의 표면 기하학적 구성과는 다른 공통의 기하학적 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  15. 로터리 영구자석 전기 모터로서,
    축방향으로 이격된 복수 세트의 상응하는 스테이터 및 로터 요소를 포함하며,
    각 세트는 회전축에 대해서 원주방향으로 위치된 극을 갖는 환형의 스테이터 링과, 상기 스테이터 극의 반대편에 환형의 에어 갭을 따라서 원주방향으로 배치된 복수의 영구자석을 갖는 원통형의 환형 로터를 포함하며,
    인접한 스테이터 세트의 상기 극들은 축방향으로 서로 오프셋되는
    것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  16. 제15항에 있어서,
    인접한 로터 요소 세트의 상기 영구자석들은 축방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  17. 로터리 영구자석 전기 모터로서,
    축방향으로 이격된 복수 세트의 상응하는 스테이터 및 로터 요소를 포함하며,
    각 세트는 회전축에 대해서 원주방향으로 위치된 극을 갖는 환형의 스테이터 링과, 상기 스테이터 극의 반대편에 환형의 에어 갭을 따라서 원주방향으로 배치된 복수의 영구자석을 갖는 원통형의 환형 로터를 포함하며,
    인접한 로터 요소 세트의 상기 영구자석들은 축방향으로 서로 오프셋되는
    것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
  18. 제17항에 있어서,
    인접한 스테이터 세트의 상기 스테이터 극들은 축방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 로터리 영구자석 전기 모터.
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