KR20060079197A - 저손실 물질을 갖는 축방향 공극 전기 장치의 고정자의선택적 정렬 방법 - Google Patents

Abstract

축방향 공극 다이나모일렉트릭 모터는 중간 회전자와 동축으로 배치된 제1 및 제2 고정자를 포함한다. 상기 고정자는 그 각각의 치형부 및 슬롯들 위치의 사이에 축방향 오프셋과 선택적으로 정렬된다. 상기 고정자는 비결정 및 나노입자 금속들 및 최적화된 Fe-기반의 합금들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 물질로 구성되는 적층된 층을 갖는 환상의 심을 포함한다. 임의적으로 상기 모터는 고정자의 오프셋을 조정하기 위한 어긋남 수단을 더 포함한다. 선택적인 조정을 통하여 상기 모터는 모터의 역 EMF를 줄이는 모드로 작동하게 되어, 속도가 증가하여도 전압이 일정하게 유지되도록 한다. 선택적으로 상기 모터는 예컨대, 낮은 속도에서 일정한 토크 모드로 동작될 수 있다. 상기 모터는 개선된 연 자성물질을 사용하므로써 얻어질 수 있는 높은 극 갯수를 적용할 수 있다. 또는 동작중 토크 리플을 줄이는 기법들 및 이중전파 브릿지 정류기 구성과 함께 고정자 오프셋을 이용하는 기법들이 제공된다.

축방향 공극, 고정자, 회전자, 비결정 및 나노입자 금속

Description

저손실 물질을 갖는 축방향 공극 전기 장치의 고정자의 선택적 정렬 방법{SELECTIVE ALIGNMENT OF STATORS IN AXIAL AIRGAP ELECTRIC DEVICES COMPRISING LOW LOSS MATERIALS}

본 발명은 회전하는, 역학적 에너지와 전기적 에너지의 변환에 관련된 기계에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 2 개 이상의 고정자를 갖는 축방향 공극에 관한 것으로서, 본 발명의 기계장치에서 생성된 EMF는 복수개의 고정자 중에서 기준 고정자와 연관된 하나 또는 복수 개의 고정자의 선택적 회전 정렬을 통하여 제어된다.

전기 모터 및 발전기 산업분야에서는 향상된 성능 및 전력 밀도를 갖는 다이나모일렉트릭(dynamoelectric : 역학적 에너지와 전기적 에너지의 변환에 관련된), 회전 기계를 제공하는 방법을 끊임없이 연구하고 있다. 본 발명에 있어서, "모터"라는 용어는 전기적 에너지를 회전 운동으로 변환하거나, 그 역으로 변환하는 모든 종류의 회전운동 발생 장치 및 발전기를 의미한다. 그러한 장치는 모터, 발전기, 및 재생모터로 선택적으로 불리는 장치를 포함한다. "재생 모터"라는 용어는 전기 모터 또는 발전기로 동작하는 장치를 의미하는 것으로 사용된다.

영구자석, 권선 필드, 유도, 가변 자기저항, 스위치된 자기저항, 및 브러쉬 및 브러쉬리스 타입을 포함하는 여러 종류의 모터가 있다. 그러한 모터들은 전기 배선망 전원, 전지, 또한 기타의 선택적 전원에 의해서 공급되는 직류 또는 교류 전류원에 의해서 전원을 공급받는다. 선택적으로는, 모터는 전원 구동 회로를 사용하여 합성되는 필수적인 파형을 갖는 전류에 의해서 공급된다. 기계적 소스로부터 얻어지는 회전 에너지는 발전기를 구동한다. 발전기의 출력은 직접 부하에 연결될 수 있고, 또는 파워 전자 회로를 사용하여 조절된다. 선택적으로, 장치는 그것이 동작하는 동안의 상이한 기간에 기계적 에너지의 소스 또는 싱크로서 동작하는 기계적 소스에 연결된다. 그 장치는 4-사분원(quadrant) 동작을 할 수 있는 파워 조절 회로를 통한 연결에 의해서 재생 모터로서 동작한다.

회전 기계장치는 일반적으로 고정자로 불리는 정지 부품과, 회전자로 불리는 회전 부품을 포함한다. 회전자 및 고정자의 인접하는 표면은 회전자 및 고정자를 연결하는 자속에 의해서 가로지르는 작은 공극에 의해서 분리된다. 본 발명의 기술분야의 통상이 기술을 가진 자는 회전 기계장치는 복수의 기계적으로 연결된 회전자와 복수의 고정자를 포함한다는 것을 알고 있다. 실질적으로 모든 회전 기계장치는 일반적으로 레디얼(radial) 또는 축방향 공극 타입으로 분류된다. 레디얼 공극 타입은 회전자 및 고정자는 반지름 방향으로 분리되고 가로지르는 자속은 회전자의 회전축에 직각으로 향한다. 축방향 공극 장치에 있어서는, 회전자 및 고정자는 축이 분리되어 있으며, 자속 흐름은 회전축에 평행하다.

어떤 특정 타입을 제외하고는, 모터 및 발전기는 하나 이상의 종류의 연 자성 물질을 사용한다. "연(soft) 자성 물질" 이라는 것은 용이하게 또는 효과적으 로 자화되고 소자되는 것을 의미한다. 각각의 자화 사이클에서 자성 물질에서 불가피하게 소모되는 에너지는 히스테리시스 손실 또는 코아 손실로 불린다. 히스테리시스 손실의 크기는 여기 진폭 및 주파수의 함수이다. 연 자성 물질은 고 투자율 및 저 자기 보자력을 갖는다. 모터 및 발전기는, 하나 또는 그 이상의 영구 자석에 의하거나, 전류를 흘리는 권선에 의해서 둘러싸인 추가적인 연 자성 물질에 의해서 제공된다. "경 자성 물질"로 불리는 "영구 자성 물질"은 고 자기 보자력을 갖고 자화를 강하게 유지하고 소자에 강하게 저항하는 자기 물질을 의미한다. 모터의 종류에 따라서, 영구 자성물질 및 연 자성물질이 회전자 또는 고정자에 배치된다.

최근에 생산된 성능 좋은 모터는 Si, P, C, 및 Al를 포함한 하나 또는 그 이상의 합금 요소와 Fe의 합금인 다양한 등급의 전기 또는 모터 강을 연 자성 물질로 사용한다. 가장 일반적으로는, Si가 가장 유력한 합금 요소이다. 개량된 영구 자성 물질로 만들어진 회전자와, 비결정 금속과 같은 개량된, 저손실 소프트 물질로 만들어진 코어를 갖는 고정자를 갖는 모터 및 발전기는 종전의 레디얼 공극 모터 및 발전기와 비교하여 실질적으로 더 높은 효율과 전력 밀도를 제공할 수 있는 가능성을 갖는다고 일반적으로 믿어지지만, 그러한 축방향 또는 레디얼 공극 타입의 기계를 제작하는 것은 지금까지는 성공적이 못하였다. 비결정 물질을 기존의 레디얼 또는 축방향 공극 기계장치에 적용하려는 종전의 시도는 상업적으로 성공적이지 못하였다. 초기의 디자인은, 내부 또는 외부 표면을 통하여 톱니로 자르는, 비결정 금속의 원형 연철판 또는 코일로 고정자 및/또는 회전자를 대체하는 것을 포함한다. 비결정의 금속은 특이한 자기적 및 기계적 성질을 갖고 있어, 기존에 디자 인된 모터에서는 일반적인 철을 직접적으로 대체하는 것은 어렵거나 불가능하다.

전기 모터 및 발전기 산업에서의 많은 응용은 그것들이 일반적으로 사용되는 동안에는 어떤 기저 회전 속도를 현저하게 초과하여 동작할 수 있는 기계장치를 요구한다. 기저 속도는 전기 장치가 일정-토크 모드에서 동작할 때 얻을 수 있는 가장 높은 값이다. 기저 속도에서는, 역 EMF는 일반적으로 정상적인 공급 전압을 초과한다. 그러나, 디자인 최적화는 기계장치가 넓은 범위의 속도에서 동작하여야 하는 많은 응용에 대해서 도전적이다. 다양한 비율의 기어박스 또는 기타의 속도 매칭 장치를 사용하지 않은 시스템에 대해서는 문제가 심각하다. 전기 자동차에서 저속 동작은, 기저 속도보다 훨씬 낮은 속도로 동작하는, 큰 부하를 이동하거나, 산길과 같은 거친 지형이나, 경사길에서 이동하기 위해서는 일정 토크 동작이 요구된다. 그러나, 고속 동작, 예를들어, 평편한 길이나, 개발된 산업단지 등에서 이동할 경우에는 기저 속도의 두 배 또는 세 배로 동작하여야 한다. 고속으로 이동하기 위해서는, 토크의 요구는 일반적으로 낮고, 유효한 토크가 속도에 반비례하므로, 일정한 파워 동작은 상당한 장점을 제공한다.

일반적인 영구 자석 기계장치의 알려진 단점은 기계장치의 생성된 EMF는 기계장치의 회전 속도의 직접적인 선형 동작이다. 생성된 EMF 는 주어진 전류에 대해서 파워 출력이 직접 비례한다. 더 큰 파워가 더 높은 속도에서 얻어질 수 있지만, 더 높은 전압이 발전 어플리케이션의 동안에 부수적으로 생성된다. 유사하게, 어플리케이션을 모니터하는 경우에, 파워 공급 전압은 기저 속도에서 전압 필요 이상에서 될 수 있도록 증가하여야 한다.

양 경우에 있어서, 구조 기술과, 특히, 절연물과, 제어 회로의 전자 요소 및 반도체 등의 물질은 적절하게 선택되어야 한다. 결과적으로, 더 높은 전압은 비용을 효과적으로 제어하기 위해서는 불가능하지는 않지만 매우 어렵다. 따라서, 제어되고, 제어가능하게 생성된 EMF는, 속도 제한이 관대하기 때문에 기계장치에서 바람직한 특징이다.

종래 기술의 문헌은 회전자 및 고정자 사이에서 공극을 조정하는 것에 기초하여, 전기 장치의 동작 기간에 일정한 단말 전압을 유지하는 방법을 개시하고 있다. 공극에 있어서 약간의 감소는 고정자 권선에서 발생된 전압(EMF)의 증가를 초래하고, 역도 또한 같다.

미국 특허 No. 2,892,144 및 2,824,275호는 회전자의 반대편에 위치한 싱글 고정자를 포함하는 발전기를 개시한다. 여기서, 고정자는 동작 중에 토크가 증가하면 회전자를 향해 고정자가 동작하도록 하여, 공극을 감소시킨다. 출력 전압을 감소시키는 증가된 부하(토크)에 의해서 공극의 감소를 초래하고, 그 결과 전압이 증가하게 된다.

선택적인 실시예에 있어서, 미국 특허 제2,824,275호는 로터의 반대편에 위치한 하나의 고정된 고정자를 포함하는 발전기를 개시하고 있고, 여기서, 회전자는 동작 중에서 속도가 증가하면 회전자가 고정자로부터 이격되도록 이동하여 공극이 증가하게 된다. 출력 전압이 속도에 비례하기 때문에, 속도가 증가하면 전압이 증가하게 된다. 그러나, 공극이 증가하면 전압이 감소하게 된다.

다른 타입의 전기 장치의 공극을 조정하는 다른 예로서, 미국 특허 제 5,627,419호는 스핀-업 또는 스핀-다운 기간에 고정자에 인가된 전기 자기적 토크에 응답하여 고정자 및 플라이 휠 사이의 조정가능한 공극을 자동적으로 감소시키고 또한, 자유 회전 동작 기간에 조정가능한 공극을 증가시키기 위한 자기-부가 수단을 갖는 변형된 레디얼 공극 플라이휠를 개시한다.

레디얼 공극 기계장치에서 회전자 및 고정자 사이의 중복부분을 조정하는 것에 의해서 동작 동안에 전기 장치의 출력 파라메터를 제어하기 위한 다른 방법이 공지된다. 동작 기간에 일정한 속도를 유지하기 위한 방법으로서, 미국 특허 제403,017호는 회전자 및 고정자 사이의 축의 중복부분을 감소하기 위해서 레디얼 공극의 회전자에 부착된 조절기에의 원심력을 이용하는 것이 개시된다. 모터의 부하가 감소하면, 속도가 증가하게 된다. 속도의 증가는 조절기에의 원심력이 증가하게 되고, 그 결과 고정자에 대한 회전자의 축 방향의 변이가 발생하여 회전자와 고정자 사이의 중복이 감소하게 된다. 회전자 및 고정자 사이의 감소된 중복부분에 의해서 토크가 감소하게 되고, 속도가 증가하는 경향을 억제한다.

최근에 미국 특허 제6,555,941호는 고정자에 대해 회전자를 축방향으로 변위시켜서, 즉, 중복부분을 감소시켜서 레디얼 공극 모터의 역 EMF를 감소시키는 방법이 개시된다. 회전자가 오프세트되어 고정자와 더 크게 축방향으로 비정합되면, 고정자 필드 코일 상의 자속은 감소하고, 속도를 제한하는 역 EMF가 감소된다.

회전자가 비정합되면, 모터는 일정 파워 모드에서 동작하고, 여기서, 유효한 토크는 속도에 반비례한다.

미국 특허 제 6,194,802호는 축방향 공극 모터에서 회전자 및 고정자 사이의 중복부분를 감소하는 것에 의해서 역 EMF를 감소시키는 방법을 개시한다. 회전자 자석 블록은 동작 기간의 속도의 증가가 자석 블록에서 원심력을 증가시키도록 하고, 모터의 중심으로부터 외부방향으로 자석 블록이 이동하도록 하여 로터에 탑재된다. 이런 외부방향으로의 이동은 자석 블록과 고정자 사이의 중복부분을 감소시켜서 자속의 결합이 감소되고, 역 EMF가 발생하게 된다. 따라서, 기계장치는 더 높은 속도로 회전할 수 있게 된다.

고속 (높은 rpm) 전기 기계장치는, 높은 주파수에서 동작하는 전기 기계장치에서 자성물질이 비효율적인 모터 디자인에 기여하는 과도한 코아 손실을 경험하지 않도록 하기 위해서, 거의 항상 저 극 갯수(low pole count)로 생산된다. 그것은 대다수의 현재 사용되는 모터에서 사용되는 연 물질은 실리콘 철 합금(Si-Fe)이라는 사실 때문이다. 통상의 Si-Fe 기반 물질에 약 400 Hz 보다 더 큰 주파수에서 변화시키는 것에 의해서 생기는 손실은 물질이 장치가 어떤 수용가능한 수단에 의해서 냉각될 수 없을 만큼 되는 점까지 가열되는 것이 알려져 있다.

고속 기계장치, 우주용 모터 및 작동기, 압축기 구동기와 같은 다양한 기술분야를 포함한 현재 기술의 다양한 응용분야는 15,000 - 20,000 rpm, 또한 어떤 경우에는 100,000 rpm까지의 고속에서 동작가능한 전기 모터를 필요로 한다.

저 손실 물질의 장점을 이용할 수 있는 용이하게 생산가능한 전기 장치를 저비용으로 제공하는 것은 지금까지 매우 어려운 것으로 판명되었다. 저 손실 물질을 기존의 기계장치에 적용하려는 시도는, 초기의 디자인은 기계장치의 자기 코아로 비결정 금속과 같은 새로운 연 자성물질을 실리콘-철과 같은 기존의 합금으로 대체하기 때문에, 실패했다.

결과적으로 전기 기계장치는 적은 손실을 갖는 증가된 효율을 갖도록 제공된다. 그러나, 그것들은 파워 출력이 허용가능하지 않을 정도로 감소되는 문제가 발생하여 비결정 금속을 취급하고 형성하는데 연관된 비용이 심각하게 증가하게 된다.

따라서, 저손실 물질과 연관된 특정의 특성의 완전한 장점을 이용하여, 기존의 축방향 공극 장치와 연관된 단점을 제거하는 높은 효율의 축방향 공극 전기 장치에 대한 필요가 본 발명의 기술분야에 존재한다. 이상적으로는 개선된 기계장치는 기계적 및 전기적 에너지 형태 사이의 변환을 매우 효율적으로 제공하는 것이다. 화석 연료에 의해 에너지를 얻어서 발전하는 장치에서 효율을 개선하면 부차적으로 공기 오염을 감소시킬 수 있다. 기계장치는 더 소형화, 경량화되고, 토크, 파워, 및 속도 등의 더욱 요구되는 요건을 만족하게 된다. 또한 냉각 요건도 감소된다. 전지에 의해서 동작하는 모터는 더 오래 동작하게 된다. 또한, 일정한 토크 모드로, 또는 적절한 역 EMF 제어를 갖고, 일정한 파워 모드로 효율적으로 동작할 수 있는 장치에 대한 요구가 존재한다. 또한, 바람직한 것은 토크의 리플 및 코깅, 부수적인 전기적 리플이 증가된 극 갯수에 의해서 감소된다.

본 발명은, 제 1 고정자 및 제 2 고정자, 고정자 사이에 축 방향으로 배치되고, 축에 대해서 회전하도록 지지되는 회전자를 포함하는 축 방향 공극 다이나모일렉트릭 기계장치를 제공하는 것이다. 고정자는 제 1 및 제 2 세트의 권선을 갖는다. 제 2 고정자는, 제 2 고정자가 제 1 고정자로부터 오프세트되도록 제 1 고정자에 대해서 선택적으로 정렬된다. 고정자는 비결정의 나노 결정 금속 및 최적화된 Fe 기반 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 구성된 적층된 층을 갖는 환상면체의 코아를 포함한다. 어떤 실시예에 있어서는, 고정자의 정렬은 비정렬 수단에 의해서 조정된다.

저 코아 손실, 개선된 연 자성 물질을 사용하는 것에 의해서, 넓은 가능한 동작 속도의 범위, 높은 동작 효율, 또한 높은 파워 밀도를 유지하면서, 더 넓은 범위의 극 갯수 및 정류 주파수가 가능하므로, 디자인에 상당한 탄력성을 갖게 된다.

다른 측면에 있어서, 고정자의 권선은 각각의 제 1 및 제 2의 전파 다이오드 브리지에 별도로 연결된다. 고정자의 오프세팅의 결과로, 개별적인 권선의 파형은 상대적으로 위상천이된다. 브리지 출력은 서로 연결되어 DC 버스 전압에 제공된다. 출력되는 파형은 오프세트 없이 얻어지는 파형과 비교하여 감소된 전류 리플을 갖고, 복수의 고정자 파형 직렬 연결되어, 필터 회로가 단순화된다. 고정자의 오프세트는, 모터의 역 EMF가 허용되고 및/또는 동작 동안에 생성된 토크 리플가 감소될 수 있도록 모터가 동작하는 것을 허용한다.

본 발명은 장치의 하나 또는 그 이상의 고정자를 기준 고정자에 대해서 통제가능하도록 비정렬하는 것에 의해서 전기 장치의 동작 동안에 토크 리플을 감소 또는 제거하는 기술을 제공한다. 또한, 이중 전파 다이오드 브리지 배열은 전기 기계장치의 DC 버스에서 전류 리플이 감소되도록 돕는 것이 개시된다.

종래기술에서, 선택가능하고 조정가능한 기어 비율을 갖는 변속이 채용되어, 백 기전력(back-electoromotive force: back-EMF)에 의해서 일반적으로 제한되는, 최대 모터 속도보다 더 빠른 샤프트 출력 속도를 제공한다. 기어 감소는 낮는 유효 토크를 갖게 되지만 높은 출력 속도를 갖게 된다. 한편, 변속 시스템에서 고유의 마찰 손실, 기계적 단순화, 신뢰성 고려 등은 변속을 회피하는 기계장치에 강한 운동력을 제공한다. 본 발명에 따른 고정자의 비정렬 방법은 일정한 토크 모드에서 일정한 파워 모드 (예를 들어 일정한 전압에서 동작)로 천이하여, 변속 및 기어 없이 기저속도를 상회하는 속도를 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면은, 축상의 공극 다이나모 일렉트릭 기계장치와, 인터페이싱하고, 기계장치를 제어하고 기계장치와 결합되어 동작하는 파워 전자 수단을 포함하는 축상의 공극 기계장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 의해서 제공되고 동작하는 전기 기계장치의 예는, 전기 모터, 발전기, 재생 모터를 포함하지만 그것들에 제한되지는 않는다. 전기 기계장치의 하나 또는 그 이상은 복합 장치 또는 시스템의 하나의 부품이 될 수 있다. 그러한 복합 장치의 하나의 예는, 하나 또는 그 이상의 전기 모터를 포함하고, 전기 모터는 팬과 합체되는 압축기이다.

본 발명은 본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 다음의 상세한 설명과 첨부된 도면이 참조될 때, 보다 완전하게 이해되고 추가적인 이점이 자명해질 것이며, 전반적인 도면에 나타난 유사한 참조번호는 유사한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 축방향 공극 타입 고정자의 일면도를 도시한다.

도 2는 축방향 공극 타입 회전자의 일면도를 도시한다.

도 3 내지 도 9는 2개의 고정자 사이의 상이한 오정렬을 정도를 위한 회전자의 위치에서 직렬로 연결된 고정자에서 정현파의 중첩 결과를 도시한다.

도 10은 직렬로 연결되고 1/2 전체 극 피치 만큼 어긋난 2개의 고정자에서의 두가지 타입의 사다리꼴 파형의 중첩 결과를 도시한다.

도 11 및 도 12는 1/2 슬롯 피치만큼 어긋난 고정자의 0 전류에서의 토크 섭동을 도시한다.

도 13은 단일 회전자와 2개의 고정자를 구비한 전기 장치의 실시형태의 평면도와 측면도를 도시한다.

도14 및 도 15는 하나 또는 두개의 고정자의 회전 오정렬을 제어하기 위한 외부의 제어 시스템의 서로 다른 2개의 위치를 도시한다.

도 16, 도 17 및 도18은 일 고정자의 회전 오정렬을 위한 기계 조절기 스타일의 속도 종속적인 제어의 동작을 도시한다.

도 19 및 도 20은 고정자가 회전 오정렬의 제어를 위한 스프링 상에 장착되어 있는 것을 도시한다.

도 21 및 도 22는 회전 오정렬의 제어를 위한 등각 물질에 장착된 고정자를 도시한다.

도 23은 본 발명에 따라 동작하는 동안의 발전기 파라미터 도면을 도시한다.

도 24는 정류된 전압과 정류된 3상 전압과 리플을 포함하는 전기기기로부터 생성되는 전형적인 단상 교류전압의 비교를 도시한다.

도 25는 전기기기에서 전파정류 다이오드 브릿지 연결에 대한 전형적인 종래기술을 도시한다.

도 26은 도25의 배열에서 정류된 3상 전압에 대한 전형적인 종래기술을 도시한다.

도 27은 도 26의 파형과 관련되는 전형적인 DC 전압 리플의 상세를 도시한다.

도 28은 도 25에 도시된 것과 같은 전기기기 배열과 관련되는 전형적인 평균 DC 전력을 도시한다.

도 29는 전기기기의 이중 고정자와 관련되는 이중 전파 다이오드 브릿지를 도시한다.

도 30은 도 29의 배열로부터 정류된 3상 전압을 도시한다.

도 31은 도 30의 파형과 관련되는 DC 전압 리플의 상세를 도시한다.

도 32는 도 29의 전기기기 배열과 관련되는 평균 DC 전력을 도시한다.

본 발명의 바람직한 실시형태는 첨부된 도면을 참조하여 아래와 같이 상세하게 설명될 것이다.

일 측면에서, 본 발명은 하나 또는 그 이상의 회전자와 2 또는 그 이상의 고정자를 갖고, 상기 고정자는 고주파수 동작이 가능한 저손실의 연자성 물질로부터 얻어지는 자기 코어를 구비하는 브러시리스(brushless) 전동기와 같은 축 방향 공 극 전기 장치와 관련된다. 바람직하게는 고정자의 자기 코어는 기본적으로 비결정 또는 나노결정체 금속이나 최적화된 Fe 기반 연자성 합금으로 이루어지는 얇은 스트립 또는 리본 형태의 물질을 사용하여 만들어진다. 일반적으로 회전전기기기에 사용되고 비결정 또는 나노 결정체 물질보다 높은 포화 유도를 빈번하게 가지는, 결정체보다 적은 철손을 가진 결정지향 및 비결정지향 Fe 기반 물질, Fe 기반 전동기 및 전기 강철 물질은, 이하 총괄하여 "최적화된 Fe 기반 자성 물질"이라 한다.

본 발명의 전기장치에서의 비결정, 나노 결정체 또는 최적화된 Fe 기반 자성 물질의 포괄은 기계의 주파수가 대응하는 철손의 증가 없이 증가될 수 있으며, 따라서, 증가된 전력밀도를 공급할 수 있는 아주 충분한 전기 장치를 제공한다. 더하여, 정류하는 주파수를 증가할 수 있는 능력은 최대 허용 기계 속도의 감소 없이 높은 극 카운트(pole count)를 허용한다.

하나 또는 그 이상의 회전자는 영구 자석 형식의 회전자일 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술분야에 공지된 다른 형식의 회전자 또한 본 발명의 실시에 사용될 수 있다.

비결정 금속( Amorphous Metals )

금속 글라스라고도 알려진 비결정 금속은 본 발명의 전동기에서의 사용에 적합한 많은 상이한 화합물로써 존재한다. 금속 글라스는 일반적으로 용해물로부터 예를 들어 적어도 약 10⁶℃/s의 속도로 냉각하는 것과 같이 급속하게 냉각된 필수적 인 화합물의 합금으로부터 구성된다. 그것들은 긴 범위의 원자배열을 보이지 않으며, 무기산화물 글라스에서 관찰되는 것과 유사하게 단지 확산 원광만 보여주는 X-ray 회절무늬를 가진다. 적합한 자기적 성질을 가지는 다수의 화합물은 미국 특허번호 제 RE32,925 to Chen et al.에서 출발한다. 비결정 금속은 일반적으로 20cm 또는 그 이상의 폭으로 얇은 리본(예를 들어, 약 50μm의 두께)이 길이가 연장된 형태로 공급된다. 한계가 없는 길이의 금속 글라스 스트립의 형성에 사용되는 방법은 미국등록특허 제4,142,571호 to Narasimhan에 개시된다. 본 발명에서의 사용에 적합한 예시적인 비결정 금속 물질은 약 20cm까지의 폭과 20 내지 25μm의 두께와 무한한 길이를 가진 리본형태로 SC주 Conway에 있는 Metalglas, Inc.에 의하여 판매되는 METGLAS®2605SA1이다(http://www.metglas.com/products/page5_1_2_4.htm 참조). 또한, 필수적인 특성을 가진 다른 비결정금속도 사용될 수 있다.

비결정 금속은 자기 기구의 생산과 사용에서 고려되어야만 하는 다수의 특성을 가지고 있다. 대다수의 연자성 물질과 다르게, 금속 글라스는 특히 연자기 특성을 최적화하는데 일반적으로 사용되는 열처리 후에는 단단하고 부쉬지기 쉽다. 그 결과로, 일반적인 전동기용 연자기 물질을 처리하는데 통상적으로 사용하는 많은 기계적인 동작은 비결정 금속에서 수행하기에는 어렵거나 불가능하다. 기생산된 물질을 스탬핑, 펀칭 또는 절단하는 것은 일반적으로 부적합한 도구로 귀착되며, 부dd숴지기 쉽고 열처리된 물질에는 가상적으로 불가능하다. 일반적인 철에 종종 수되는 일반적인 드릴링이나 용접 또한 통상적으로 배제된다.

더하여, 비결절금송은 일반적인 Si-Fe 함금보다 낮은 포화 플럭스 밀도(또는 인덕션)를 보여준다. 낮은 플럭스 밀도는 정상적으로 일반적인 방법에 따라 설계된 전동기에서 낮은 전력 밀도로 나타난다. 또한, 비결정금속은 Si-Fe 합금보다 낮은 열 전도도을 가진다. 열 전도도는 열이 금속을 통해 따뜻한 지점으로부터 차가운 지점으로 얼마나 빨리 전도되는가를 결정하기 때문에, 열 전도도가 낮은 값을 가지는 것은 자성물질에서의 철손이나, 권선에서의 옴 손실, 마찰, 풍손 및 기타 손실원으로부터 발생되는 폐열을 적절히 제거하기 위한 전동기의 신중한 설계를 필요로한다. 바꾸어 말하면, 폐열의 부적절한 제거는 전동기의 온도를 허용할 수 없을 정도로 증가시킬 수 있다. 과도한 온도는 전기 절연물이나 다른 전동기 구성요소의 조기 고장을 유발할 수 있다. 다른 경우에서, 과열은 쇼크 위험이나 트리거 대참사 화재나 건강이나 안전에 심각한 위험을 유발할 수 있다. 또한, 비결정금속은 일부 일반적인 물질보다 높은 자기변형계수를 나타낸다. 낮은 자기변형계수를 가지는 물질은 자장의 영향 하에서 작은 치수 변화가 생기며,이는 바꾸어 말하면 기기로부터의 가청 노이즈를 감소시키며, 또한 기기의 제작이나 동작 동안 유발되는 스트레스의 결과로서의 자성의 열화를 물질이 더 허용하게 한다.

이러한 도전에 불구하고, 본 발명의 일 양태는 진보적인 연자성 물질을 성공 적으로 적용하는 전동기를 공급하고, 예를 들면, 약 400Hz보다 높은 정류 주파수와 같은 고주파수 여기로 전동기가 동작하는 것을 허용한다. 또한, 전동기의 제작을 위한 구축 기술이 제공된다. 구성의 결과와 진보된 물질, 특히 비결정 물질을 사용하는 것에 의하여, 본 발명은 고주파수(약 400Hz보다 큰 정류 주파수로 정의)에서 높은 극 카운트를 가지고 동작하는 전동기를 공급한다. 비결정 금속은 고주파수에 서 더 낮은 히스테리시스손을 보여주고, 그 결과 더 낮은 철손이 생긴다. Si-Fe 합l금과 비교하여, 비결정금속은 더 낮은 전기 전도도를 가지며, 일반적으로 200μm이상의 두께를 가지는 통상적인 Si-Fe 합금보다 더 얇다. 이러한 두 특성은 낮은 와류 철손을 조성한다.

한편으로는 진보된 물질을 사용하기 위한 이전의 시도에서 직면된 도전들을 피하면서, 낮은 철손과 같은 비결정금속의 유익한 성질을 허용하는 구조를 사용하는 것에 의하여 본 발명은 이러한 유리한 속성 중 하나 이상으로부터의 이익을 얻는 전동기를 성공적으로 제공하며, 따라서, 고주파수에서 효율적으로 동작한다.

나노결정체 금속들

나노결정체 금속들은 평균적 100nm 또는 이보다 작은 입자를 갖는 폴리결정체 금속들이다. 종래의 입자가 굵은 금속들과 비교하면, 나노결정체 금속들은 일반적으로 증가된 강도 및 경도, 강화된 확산도, 향상된 탄력성 및 인성, 감소된 밀도, 감소된 계수(modulus), 높아진 전기적 저항, 증가된 비열(specific heat), 높아진 열 팽창 계수, 저하된 열 전도성 및 탁월한 연자성 특성과 같은 특징을 갖는다. 또한, 나노 결정체 금속들은 대부분 철을 주물질로 하는 비결정질의 금속들에 비해 일반적으로 어느 정도 더 높은 포화 유도을 갖는다.

나노결정체 금속들은 수많은 기술에 의해 형성될 수 있다. 바람직한 하나의 방법으로는 최초에 일정하지 않은 길이의 금속질의 유리리본과 같은 필요한 구성을 주조하고, 상술한 바와 같은 기술을 사용하여, 상기 리본을 wound 모양과 같은 원 하는 배열로 형성하는 것이다. 이후, 최초의 비결정질의 금속은 열처리를 통해 나노결정체 미세구조로 형성된다. 상기 미세구조는 약 100nm이하, 바람직하게는 50nm이하, 보다 바람직하게는 대략 10-20nm의 평균적인 크기를 작는 입자들의 높은 밀도에 의해 특징지어진다. 바람직하게는, 상기 입자들은 철을 주물질로 하는 합금의 부피의 적어도 50%를 차지한다. 바람직한 금속들은 낮은 코어 손실과 낮은 자기변형을 갖는다. 또한, 후자의 특성은 상기 구성요소를 포함하는 장치의 제작 및/또는 동작으로부터 발생되는 스트레스에 의한 자성의 열화에 덜 약점이 있는 물질을 제공한다. 제공된 합금에 포함된 나노결정체 구조를 형성하기 위한 열처리는 내부의 전반적인 유리성분의 미세구조를 경화시키기 위해 제시된 필요한 온도보다 높은 온도 또는 긴 시간동안 수행되어야 한다. 현재 이미 알려져 있는 소자의 자기적 요소를 구성하는 데 쓰일 수 있는 대표적인 나노결정체 합금들은 요시자와의 미국 특허 4,881,989호 및 스즈키의 미국 특허 5,935,347에 개시되어 있다. 상기 금속들은 히다치 금속 및 알프스 일렉트로닉에서 제공받을 수 있다. 바람직하게는, 상기 나노결정체 금속은 철을 주물질로 하는 금속이다. 그러나, 상기 나노결정체 금속은 코발트나 니켈등과 같은 강자성체 금속들을 주물질로 하거나 포함할 수 있다.

최적화된 철을 주물질로 하는 합금들

현재의 기계들은 최적화된 낮은 손실의 철을 주물질로 하는 합금금속으로 구성되어 진다. 바람직하게는, 이러한 금속은 200um 이상의 두께, 또는 400um 이상의 두께를 갖고 자동차등에 주로 사용되는 강철보다 얇은 대략 125um 이하의 두께를 갖는 스트립(strip)으로 구성된다. 결정지향(grain-oriented) 금속 또는 비결정지향 금속 모두 사용된다. 상술한 결정지향금속중 하나는 결정체 입자 요소의 중요한 결정학적 축들이고 이는 랜덤하게 이루어지며, 바람직하게는, 주로 적어도 하나의 방향으로 상호 연관되어 이루어진다. 상술한 미세입자의 결과에 따라, 결정지향된 스트립 금속은 다른 방향으로부터의 자기적 자극에 다르게 반응하나, 이에 반하여 비결정지향 금속은 스트립의 평면에 있어서, 어떤 방향으로부터의 자극에 대하여 주로 동일한 등방성 반응을 나타낸다. 바람직하게는, 결정지향금속은 주로 자기 플럭스 방향과 대체로 일치하는 자화가 쉬운 방향을 갖는 모터에 배치된다.

상술한 바와 같이, 종래의 Si-Fe는 중량으로 보면 실리콘이 대략 3.5% 이하인 실리콘-철 합금으로 설명된다. 실리콘의 중량비를 3.5%로 제한한 것은 실리콘의 비율이 그 이상이면 상기 Si-Fe합금의 산업에 있어서 금속으로서 활용될 수 있는 금속적 특성이 약해지기 때문이다. 종래의 Si-Fe 합금의 코어 손실은 손실이 낮은 금속의 주파수보다 높은 400Hz 이상의 주파수를 갖는 자기장에서 동작되기 때문이다. 예를 들면, 종래의 Si-Fe의 손실은 경우에 따라서는 현재 기계들의 주파수 및 플럭스 단계 이하에서 동작하는 기계들에서 측정되는 비결정질의 금속에 적용되는 주파수 및 플럭스 단계 보다 10배에 가까울 수 있다. 결과적으로, 고주파수에서 동작하는 종래의 금속은 발열하여 일정 포인트가 되면 어떤 가능한 방법으로도 냉각이 되지 않을 수 있다. 그러나, 상기한 최적화된 Si-Fe와 같은 어떤 실리콘-철 합금들은 고주파수 기계를 생산하는데 바로 적용할 수 있다. 본 발명은 중량비 3.5% 이상이며, 바람직하게는 4% 이상의 실리콘을 포함하는 최적화된 철을 주물질로 하 는 합금을 포함한다. 본 발명에 적용되어 기계를 구성하데 이용되는 비결정지향의 철을 주물질로 하는 금속은 바람직하게는 대략 중량비 4 내지 7.5% 범위의 Si를 갖는 Si-Fe 합금이다. 바람직하게는 상기 함금은 종래의 Si-Fe 합금보다 Si를 더 포함한다. 또한, 샌더스트(Sendust)와 같은 Fe-Si-Al 합금도 적용가능하다.

보다 바람직하게는, 최적화된 비결정지향 합금은 Fe를 필수적인 구서요소로 갖고 중량비 6.5±1%의 Si를 갖는다. 좀더 바람직하게는, 6.5%의 Si를 갖는 합금은 상기 금속을 포함한 소자의 동작 또는 제작 중에 인가되는 스트레스로 인해 자기적인 특성이 저하되는 것에 취약하지 않기 위해 0에 가까운 포화 자기변형 값을 갖는다.

상기 최적화의 목적은 상기 합금이 증가된 자기적 특성, 저감된 자기변형 및 특히 저감된 코어 손실을 갖도록 하는 것이다. 이러한 유용한 특성은 적용가능한 제조 방법에 의해 포함되는 실리콘의 증가시킴으로써 합금에 포함될 수 있다. 경우에 따라서, 이러한 최적화된 Si-Fe 합금은 비결정질 금속과 유사한 자기 포화 및 코어 손실과 같은 특성을 갖는다. 그러나, 4%이상의 Si를 포함하는 합금은 좁은 범위의 밀집(short-range ordering)에 따른 취약성 때문에 종래의 방법으로는 제조하기 어렵다. 특히, 종래의 Si-Fe를 제조하는 종래의 롤링기술 일반적으로 최적화된 Si-Fe를 제조하기에는 불가능하다. 그러나, 이미 공지된 다른 기술은 최적화된 Si-Fe를 제조하는데 유용하다.

예를 들면, 일본 동경의 JFL 철강 주식회사(http://www.jfe-steel.co.jp/en/products/electrical/supercore/index.html에 기재됨)에서 제공되 는 Fe-6.5Si 합금은 자기적 스트립 50 및 100um의 두께를 갖고 있다. 고속 응고 공법에 의해 제조된 Fe-6.5%Si는 미국 특허 4,865,657호(Das et.al) 및 미국 특허 4,265,682호(Tsuya et al.)에 개시되어 있다. 또한, 고속 응고 공법은 상술한 샌더스트 및 관련된 Fe-Si-Al 합금들로 공지되어 있다.

회전자 원료

본 발명의 모터에서의 회전자는 어떠한 유형의 영구자석을 포함할 수 있다. 사마리움-코발트(samarium-cobalt) 자석과 같은 희토-전이금속 합금 자석, 다른 코발트-희토 자석 또는 예컨대 NdFeB 자석인 희토 전이금속-메탈로이드 자석이 바람직하다. 선택적으로, 회전자 자석 구조는 소결되거나(sintered), 플라스틱 결합되거나, 또는 세라믹 영구자석 물질들을 포함한다. 바람직하게는, 상기 자석은 높은 최대 BH 에너지 산물, 높은 보자력(coercivity) 및 높은 포화자성 뿐만 아니라 선형 2사분면 일반 자성 곡선을 갖는다. 고가의 영구자석물질의 부피가 작아지도록 하면 그 높은 에너지 산물이 플럭스 및 그로 인한 토크를 증가시키기 때문에, 보다 바람직하게는 지향되고(oriented) 소결된 희토 전이금속 합금 자석이 사용된다. 다른 실시예에서, 회전자는 하나 또는 그 이상의 전자석을 포함한다.

저손실 물질들을 포함하는 축 에어갭 전기모터

본 발명의 방법은 하나 또는 그 이상의 고정자 구조에 축상 인접하여 위치하고 있는 둘 또는 그 이상의 고정자 구조를 포함하는 전기모터에 적용한다. 이를 설 명하기 위한 하나의 회전자와 두개의 고정자를 갖는 실시예에서, 고정사들은 동일한 축상에서 회전자의 반대편에 위치된다. 바람직한 실시예에서, 상기 둘 또는 그 이상의 고정자는, 비결정 또는 나노결정 금속들, 또는 최적화된 Fe-기반의 합금, 결정-지향 Fe-기반 비결정-지향 Fe-기반 물질들과 같은 저손실, 고주파수 물질들을 포함한다.

상기 고정자는 바람직하게는 저손실 고주파수 스트립 물질을 환상체(toroid)로 나선형으로 감은 금속 코어를 포함한다. 상기 환상체는 일반적으로 축 방향에서 봤을 때 내부 직경 및 외부 직경을 갖는 오른쪽으로 회전하는 나선형 조개의 형태를 하고 있다. 내부에서 외부 직경으로 급하게 돌출한 환상 단면영역과, 전체 환상체의 완만한 영역이 표면영역을 정의한다. 축 방향으로 연장된 금속코어는 환상체의 높이를 정의한다. 그 후에 권철심은 슬롯으로 기계화되어 고정자를 형성하는데 이는 일반적으로 급격하게 진행된다. 상기 슬롯의 깊이는 상기 환상체의 높이만큼 축상 한쪽 방향으로만 연장된다. 상기 슬롯은 상기 금속심의 총면적 및 표면적을 감소시킨다. 도1은 고정자의 내부직경(d) 및 외부직경(D)을 나타내는 고정자의 정면도를 나타낸다. 또한 고정자를 형성하기 위하여 금속심으로 기계화된, 외부 폭(w)을 가지는 고정자 슬롯(12)을 나타내었다. 슬롯을 제거하고 나서 남겨진 환상 영역은 총 면적(TA)으로, 또한 저손실, 고주파수 물질이 비결정 금속인 실시예에서 비결정 금속 영역(AMA)으로 언급된다. 상기 슬롯들은 내부 직경(d)로부터 외부직경(D)로 연장되기 때문에, 환상체의 슬롯화된 영역에서의 상기 고정자심의 내부직경은 연속적이지 않다. 상기 슬롯 공간이 제거되고 나서, 코어 환상 영역에서 슬롯 깊이 방향으로 연장되고 남은 부분은 치형부(tooth)(14)라고 불린다. 치형부와 슬롯의 수는 같다.

슬롯(12)들은 전도성 고정자 권선(도1에는 도시하지 않음)으로 본 전기 모터 디자인에서 미리 선택되는 권취방법에 따라서 권취된다. 바람직한 권취방법은 치형부(14)당 하나의 코일을 사용하는 것이다. 각 코일은 대개 전도성 와이어로 복수회 감는다. 이 구성은 본 발명의 방법에 따른 최대의 효과를 얻는데 필요한 최소한의 고정자 변위(misalignment)를 제공한다. 그러나, 당업게에 알려진 모든 권취배열이 모두 사용될 수 있다.

본 발명을 실시하는데 적합한 고정자 구성은 또한, 일반적으로 지정되는 미국 특허출원 제 10/769,094호(2004년 1월 30일 출원)에 기재되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 참고문헌으로 포함되어 있다.

도2는 상기 전기모터의 둘 또는 그 이상의 고정자들 사이에 교대로 위치하는 축형 회전자 구조의 정면도를 나타낸다. 상기 회전자 및 고정자들은 실질적으로 동축이다. 바람직한 실시예에서, 상기 회전자(20)는 교차 극성을 갖는 복수개의 자석(22)들을 포함하는데, 이는 회전자의 주변에 위치한다. 위치, 각, 스큐(skew), 형태 등과 같은 회전자 자석의 다른 파라미터들은 당업계에 알려진 바와 같이 다양할 수 있다. 그러나, 본 발명의 방법은 상기 전기모터에 여전히 적용된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 회전자는 복수개의 영구자석을 포함하여 구성된다. 어떤 실시예에서, 상기 회전자 자석들은 회전자의 두께방향으로 연장되지만, 다른 실시예에서는 그렇지 않다. 바람직하게, 상기 회전자 구성은 주변에 서로 떨어져있는 고에너지 산물 영구자석들, 예컨대, N극 및 S극으로 정의되는 대응 극을 갖는 희토-전이금속, 또는 SmCo, 철 희토(NdFeB), 또는 철-코발트 희토 자석(NdFe, CoB)과 같은 희토-전이금속-메탈로이드 자석을 포함하는 디스크 또는 축형 회전자이다. 상기 회전자(20) 및 그 자석들(22)은, 예컨대 둘 또는 그 이상의 고정자들에 인접한 미리 결정된 경로를 따라서 자석의 극들이 접속가능한 샤프트(shaft) 또는 다른 적합한 배열을 가지고 모토축 주변을 회전하도록 지지된다. 본래 상기 샤프트는 회전하는 모터로 알려진 적합한 형태의 베어링들에 의하여 지지된다. 상기 회전자의 자석 영역은 외측 직경과 내측 직경을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 축상 에어갭형 회전자는 상기 자석(22)들의 외측직경 및 내측직경은 실질적으로 고정자(10)들의 외측직경 및 내측직경과 동일하다. 만일 자석(22)의 외측 직경이 고정자(10)의 외측직경보다 크다면, 상기 회전자의 외부 영역은 성능에 큰 영향을 미치지 못한다. 만일 회전자(20)의 외측직경이 고정자(10)의 외측직경보다 작다면, 상기 전자모터의 성능이 감소하는 결과를 갖게 된다. 양쪽의 경우에 있어서, 상기 모터에 존재하는 단단한 또는 부드러운 자석 물질들 중 일부는 가격 및 무게를 증가시키지만 성능을 향상시키지는 않는다. 어떤 경우에는 초과 물질은 오히려 모터의 성능을 감소시킨다.

극당 상에 대한 슬롯( Slot Per Phase Per Pole Ratio )

본 발명에 있어서, 극(pole)은 비시간 변화(non-time-varying) 자기장(이하, DC장(DC field)이라고 한다)으로, 자기장의 변화에 상호작용한다. 즉 시간 및 위치 에 따라 크기 및 방향이 변화한다. 따라서, 바람직한 실시예에서 회전자에 마운트된 영구자석은 DC장을 제공하고, 그리하여 많은 수의 비시간 변화 자극(이하 DC 극이라 한다)을 제공한다. 다른 실시예에서, DC 전자석이 DC장을 제공할 수 있다. 고정자 권선의 전자석은 변화하는 자기장, 즉 시간 및 위치에 따라 변화하는 자기장을 제공한다.

전기모터의 극당 상에 대한 슬롯(SPP)값은 고정자 슬롯(12)들의 수를 고정자 권선에서 상의 수 및 DC 극들의 수로 나누는 것에 의하여 결정된다(SPP=slots/phases/poles). SPP값의 계산에 있어서, 극은 변화하는 자기장과 상호작용하는 DC장을 나타낸다. 슬롯은 본 발명의 모터의 고정자에 교대로 존재하는 치형부들 간의 사이의 공간을 나타낸다.

본 발명의 기법들은 어떠한 SPP값을 갖는 전기장치들에 적용될 수 있다. 유익하게도, 본 발명의 모터의 디자인은 임의적인 SPP비의 선택에 상당한 유연성을 갖도록 한다. 바람직한 실시예에 있어서, 영구자석(22)들은 DC장을 제공하고, 그리하여 많은 수의 CD극들을 제공한다. 다른 실시예에서, DC 전자석 구조는 DC장을 제공한다. 상기 고정자 권선들의 전자석은 변화하는 자기장을 제공하는데, 이는 시간 및 위치에 따라서 변화한다.

전통적인 모터들은 허용가능한 기능성 및 소음수준을 얻기 위하여, 그리고 보다 나은 권선 분배로 인하여 보다 원활한 출력을 제공하기 위하여 흔히 SPP값이 1~3을 갖도록 디자인한다. 그러나, SPP값을 보다 낮게, 예컨대 0.5로 디자인하면 단부(end turn)의 효과가 감소하게 된다. 단부란 고정자에서 슬롯들간의 권선들을 연결하는 영역이다. 물론 이러한 접속은 필요하지만, 상기 단부는 모터의 토크 및 힘에 영향을 미치지 않는다. 이러한 의미에서, 이는 필요한 와이어의 양을 늘리고, 모터의 저항손실(ohmic loss)을 발생시키므로 유익하지 않다. 따라서, 모터를 디자인할 때의 목적은 단부를 축소하고, 모터에 처리가능한 수준의 소음 및 코깅(cogging)을 제공하는 것이다. 다른 한편으로, 본 발명의 모터를 실시하는 바람직한 방법은 바람직하게 낮은 소음 및 코깅 뿐만 아니라 감소한 SPP비를 제공하는 것이다. 이러한 유효한 효과는 높은 극 및 슬롯 갯수로 작동시키는 것에 의하여 얻어지게 된다. 정류 주파수를 충분히 증가시키는 것은 개선된 저손실 고정자 물질을 사용하지 않고는 불가능하였기 때문에, 이러한 선택은 이전 모터들에서는 유효하지 못하였다.

다른 응용예에서, 이러한 모터는 단일 고정자 치형부 주변에 노출된 미리 형성된 코일들을 포함하고 있기 때문에, SPP의 단편값을 갖는 모터를 제조하는 것이 유리하다. 본 발명의 모터에 관한 다른 실시예에서, SPP비는 0.25, 0.3, 또는 0.5와 같은 정수비이다. 1.0 또는 1.0보다 큰 SPP값 또한 가능하다. 바람직하게 SPP값은 0.25~4.0의 범위 내의 값이다. 그러나, 본 발명의 모터에 관한 보다 바람직한 실시예에서 바람직하게 디자인된 SPP비는 1 이하이고, 보다 바람직하게는 0.5 이하이다. 다중 슬롯들을 동일 자기 구역으로 권취하여 SPP를 0.5보다 크게 할 수 있다. 이는 회전자 극보다 많은 수의 고정자 슬롯이 존재하기 때문으로, 이로인해 권선이 분산된다. 0.5 이하의 SPP값은 분산권선(distributed winding)이 하나도 없다는 것을 의미한다. 산업기준은 고정자에 존재하는 분산권선도 포함한다. 일반적으 로, 극당 슬롯의 수가 큰 분산권선을 갖도록 디자인된 종래의 모터들은 낮은 주파수 동작을 보인다. 그 결과, 0.5 이하의 SPP를 갖고 저주파수에서 동작하는 전통적인 모터에서는, 낮은 극 갯수와 제어하기 곤란한 코깅이 존재한다. 다른 한편으로, 본 발명에서의 개선된 자석 물질을 사용하면 정류 주파수를 높이므로써, 커깅을 줄이고 모터의 속도를 줄이지 않으면서도, 낮은 SPP값들이 유지될 수 있다. 그러나, 본 발명의 방법이 0.5보다 작은(예컨대 0.25) 값들을 갖는 전자기기에 적절하지만, 보다 높은 정류 주파수가 필요한 증가한 모터 리액턴스, 회전자 자석으로부터 누설된 증가한 플럭스 및 보다 작고 많은 회전자 자석들에 적합하게 하도록 하는데 필요한 기술적 지원을 포함하여 실질적으로 고려해보면, 때로는 이러한 구성이 보다 덜 바람직하고, 전자기기의 다른 중요한 파라미터들보다 덜 유용하다.

다른 한편으로, SPP값의 증가는 효과적으로 모터의 극 피치를 증가시킨다. 예컨대, 다중 고정자 슬롯(12)은 공통 자기 구역으로 권취될 수 있고, 이는 0.5보다 큰 극당 상에 대한 슬롯(SPP)에 상호작용한다. 본 발명을 실시함에 있어서 이러한 구성은 적용할 수 있지만, 바람직하게 증가한 고정자 이동의 양은 다른 장치에서 불리할 수 있다.

비록 본 발명의 모터가 단상 장치, 또는 많은 수의 상들과 각 고정자에 대한 적당한 수의 권선들을 갖는 복수상 장치로 디자인되어 사용될 수 있지만, 3상 권선을 갖는 3상 모터는 산업 협약에 따라 바람직하고, 바람직한 파워밀도 뿐만 아니라, 경 및 연 자성 물질의 효과적인 응용을 제공한다. 0.5의 SPP비를 갑는 실시예는 특히 3상 장치에 적합하다. 예컨대, 0.5의 SPP비(slot/pole/phase)를 갖는 3상 모터에서, 회전자 극의 개수는 고정자 슬롯 개수의 2/3이고, 슬롯의 개수는 상의 개수의 복수배이다. 일반적으로 모터는 산업 협약에 따라 3상의 Y-구성으로 권취되지만, δ-구성 또한 채용될 수 있다.

높은 극 갯수, 저손실 물질을 사용한 고주파수 디자인

특정 실시예에서, 본 발명은 또한 고주파수, 즉 약 400Hz보다 큰 정류주파스에서 동작하는 높은 극 갯수를 갖는 축상 에어갭 전기기기를 제공한다. 몇몇 경우에, 상기 기기는 약 500Hz에서 3kHz 또는 그 이상의 범위의 정류주파수에서 작동할 수 있다. Si-Fe와 같은 전통적인 고정자 심 물질은, 높은 극 갯수에 의하여 필요하게 되는 고주파수에서 작동할 수 없기 때문에, 디자이너들은 고속 모터에서 높은 극 갯수를 기피하였었다. 특히, Si-Fe를 사용하는 알려진 기기들은, 물질 내부에서 자기 플럭스의 변화로 인한 코어손실(core loss)로 인하여 400Hz보다 조금만 높은 자기 주파수에서 스위치될수 없다. 상기 한계를 초과하면 코어손실로 인하여 상기 물질은 적절한 수단을 통하여 식힐 수 없는 정도까지 가열된다. 특정 조건 하에서는 Si-Fe 물질의 이러한 발열은 모터가 어떻게 해서도 식힐 수 없어 고장날 정도까지 심해질 수 있다. 그러나, 비정형, 나노 결정 및 비-입자-지향된 금속의 저손실 특성은 전통적인 Si-Fe 물질들보다 높은 스위칭율을 가능하게 한다. 바람직한 실시예에서, METGLAS®2605SA1 합금과 같은 비결정 금속 합금을 사용하게 되면 고주파수 동작에 의한 발열에 따른 시스템 제한을 제거하지만, 회전자 디자인과 모든 모터구성은 비결정 물질의 특성들을 활용함으로써 더욱 개선된다.

보다 높은 흥분주파수를 사용할 수 있는 능력은 본 발명에 따른 모터가 가능한 극 갯수의 범위를 보다 넓게 디자인되도록 허용한다. 본 발명의 장치에 있어서의 극의 개수는 허용가능한 모터의 크기(물리적인 제약) 및 기대되는 성능 범위에 따라 다양하다. 허용가능한 여기주파수 한계에 따라, 극의 수는 자기 플럭스 누수가 바람직하지 않은 값으로 증가하거나, 성능이 감소하기 시작할 때 까지 증가될 수 있다. 또한, 고정자 슬롯은 회전자 자석들과 일치시켜야 하기 때문에, 회전자 극의 갯수에 따른 고정자 구성에 의한 기계적 한계가 존재한다. 부가적으로, 고정자에 형성될 수 있는, 교대로 모터의 프래임 크기의 기능이 되는 슬롯들의 갯수에 따라 기계적 및 전자기적 한계가 존재한다. 어떤 경계값들은 구리와 연 자성물질의 적절한 균형을 갖는 주어진 고정자 프래임에 대한 슬롯 갯수의 상한을 결정하기 위하여 설정될 수 있는데, 이는 축방향 갭 모터를 유용하게 사용기 위한 파라미터로 사용될 수 있다. 본 발명은 당업계에서 사용되는 모터들보다 4 도는 5배 더 많은 수의 극을 갖는 모터를 제공한다.

예컨대, 당업계에서 6~8개의 극을 갖는 전형적인 모터에 있어서, 모터속도는 약 800~3600rpm이고, 정류주파수는 약 100~400Hz이다. 상기 정류 주파수(CF)는 회전속도에 극쌍의 갯수를 곱한 것으로, 여기에서 상기 극쌍의 갯수는 극들의 갯수를 2로 나눈 것이고, 회전속도는 초당 회전수이다(CF=rpm/60×극/2). 또한 당업계에서 16개 이상의 극을 갖는 기기들은, 속도는 1000rpm보다 작고, 이에 따라 주파수도 400Hz보다 낮다. 선택적으로, 상대적으로 낮은 극 갯수(예컨대, 6개 미만), 및 정류주파수가 400Hz보다 적을 때 속도가 30000rpm까지인 모터가 바람직하다. 상징적 인 실시예에서, 본발명은 96개의 극, 1000Hz에서 1250rpm; 54개의 극, 1080Hz에서 3600rpm; 4개의 극, 1000Hz에서 30000rpm; 및 2개의 극, 1000Hz에서 60000rpm인 모터를 제공한다. 본 발명에 따른 고주파수 모터들은, 통상적인 물질들 및 디자인을 갖는 알려진 축방향 에어갭 모터들에 비하여 약 4~5배 높은 주파수에서 동작할 수 있다. 본 발명에 따른 모터들은 동일한 속도범위에서 동작했을 때 종래의 전형적인 모터들 보다도 효과적이고, 그 결과 보다 큰 속도 옵션을 제공한다. 본 발명의 상기 구성은 매우 큰 모터를 제조하는 것에도 적합하다. 높은 극 갯수(예컨대, 적어도 32개) 및 높은 정류주파수(예컨대 500~2000Hz)를 조합하므로써, 고에너지 효율, 높은 파워밀도, 조립의 용이성 및 고가의 연 및 경 자성물질의 효율적인 이용을 조합하는 방식으로, 본 발명에 따라 매우 큰 모터를 제조할 수 있다.

열특성( Thermal Properties )

통상적인 Si-Fe 합금을 사용하는 전기모터 및 비결정, 나노입자, 최적화된 Si-Fe 합금, 결정-지향된 Fe-기반 또는 비-결정 지향된 Fe-기반의 물질들을 사용하는 전기모터를 포함하는 모든 전기모터에 있어서, 장치의 출력 효율성을 제한하는 특성들중 하나는, 열을 낭비하는데 따른 에너지의 손실이다. 이러한 열의 낭비는 많은 소스에서 발생하는데, 특히, 저항손실, 권선에서의 스킨 또는 근접효과 손실(proximity effect loss), 자석 및 다른 회전자 구성요소에서 소용돌이 전류에 따른 회전자 손실 및 고정자 심으로부터의 심 손실이 있다. 많은 양의 열의 낭비가 일어나기 때문에, 통상적인 모터들은 낭비되는 열을 버리는 능력의 한계점에 곧 도 달한다. 통상적인 모터의 "연속적인 파워 한계"는, 모터가 만들어지는 모든 낭비되는 열을 계속 방산하면서 연속적으로 동작할 수 있는 최고속도에 의하여 결정된다. 상기 연속적인 파워 한계는 전류의 함수이다.

본 발명을 적용할 수 있는 최적의 고주파수, 높은 극 갯수 전기기기에 있어서, 비결정, 나노입자, 최적화된 Si-Fe 합금, 결정-지향된 Fe-기반 또는 비-결정 지향된 Fe-기반의 물질들은 통상적인 Si-Fe보다 손실이 적기 때문에 낭비되는 열이 덜 생겨난다. 디자이너는 주파수, 속도 및 파워를 증가시키고, 저항손실에 대하여 낮은 심 손실을 정확하게 균형잡고 "거래"하는 것에 의하여, 상기와 같은 물질들의 저손실 특성들을 적용할 수 있다. 전반적으로, 통상적인 모터와 동일한 파워에서 본 발명에 최적으로 적용가능한, 고주파수, 높은 극 갯수를 갖는 전자기기는 낮은 손실을 나타내고, 그리하여 높은 토크 및 속도를 나타내며, 따라서 통상적인 모터에 비하여 높은 연속적인 속도 한계를 가질 수 있다.

개선된 효율( Improved Efficiency )

본 발명에 최적으로 적용가능한, 고주파수, 높은 극 갯수를 갖는 전자기기의 하나의 장점은, 가격유효성을 유지하면서 장치의 효율을 최대화할 수 있는 능력이다. 상기 효율은 파워 입력에 의하여 구분되는 유효한 파워 출력으로 정의된다. 상기 본 발명에 최적으로 적용가능한, 고주파수, 높은 극 갯수를 갖는 전자기기는 높은 극 갯수를 갖는 높은 정류주파수에서 동시에 동작하고, 그 결과 낮은 심 손실 및 높은 파워 밀도를 갖는 보다 효율적인 장치가 된다. 상기 400Hz의 고주파수 한 계는 산업 표준을 넘어서는 것으로, 만일 실질적인 응용을 행한다 하더라도 이런 경우는 거의 없다.

본 발명에 최적으로 적용가능한, 고주파수, 높은 극 갯수를 갖는 전자기기의 성능 및 증가하는 효율은 전통적인 Si-Fe를 비결정 금속으로 교체하는 것으로 단순히 얻어지는 것이 아니다. 많은 수의 디자인이 제안되었으나, 성능 실패를 접하게 되었다(과열 및 낮은 출력파워를 포함). 이러한 실수는 주로 새로운 물질들(예컨대 비결정 금속들)을 전통적인 물질(Si를 약 3.5중량% 포함하는 Si-Fe)에 적합하도록 디자인된 방식의 제조방법에 적용함으로서 상당수 발생한다. 이러한 초기의 성능 실패는 비결정 금속의 모터로의 처리에 필요한 것으로 파악된 비용에 더하여 당업계의 모든 회사들로 하여금 연구를 포기하도록 하였다.

본 발명에 최적으로 적용가능한, 고주파수, 높은 극 갯수를 갖는 전자기기는 비결정, 나노입자, 최적화된 Si-Fe 합금, 결정-지향된 Fe-기반 또는 비-결정 지향된 Fe-기반의 물질들의 특성을 적용한 회전 전기장치의 디자인을 통하여 종래기술의 성능실패를 극복하였다. 또한, 다양한 개선된 물질들의 물리적 및 기계적 특성들과 양립가능한 제조방법들이 제안되었다. 이러한 디자인들과 방법은 고효율 및 높은 파워 밀도에서 높은 극 갯수를 갖고 400Hz보다 큰 정류주파수에서 동작하는 것을 포함한 다양한 유리한 특성들을 갖는 모터들을 제공한다. 종래의 방법들은 4개의 특성들 중에서 많아야 하나 또는 두개만을 갖는 모터를 제공할 수 있지만, 본 발명의 명세서에 기재된 실시예들은 고주파수, 높은 극 갯수 전기기기들은 4개의 특성들 중에서 몇개, 바람직하게는 모두를 동시에 제공한다.

본 발명의 다양한 실시예에서, 고주파수, 다수의 극을 갖는 전기모터는 바람직하게는 고효율 손실을 나타낸다. 이러한 장점에 대한 큰 원인은 현저히 감소된 히스테리시스 손실 때문이다. 종래에 이미 공지된 바와 같이, 히스테리시스 손실은 모든 연자성체가 자화되는 동안 지연된 도메인-벽 이동에서 기인한다. 이러한 손실은 본 발명의 모터에 바람직하게 적용되는 개선된 물질에서 보다 종래에 사용되는 자성체, 예를 들어 종래의 방향성 Si-Fe 합금 및 비방향성 모터 및 전기강판 등에서 일반적으로 더 크다. 또한 고 손실은 코어의 과열에 영향을 미칠 수 있다. 효율이 증가됨에 따라서 본 발명에서 최적으로 적용할 수 있는 고주파수, 다수의 극의 전기기기는 더 큰 연속적인 속도범위를 구현할 수 있다. 종래의 모터는 고속 범위(저 전력)에서의 낮은 토크나 저속 범위에서의 높은 토크를 모두 제공하는데는 한계가 있다. 본 발명에서 최적으로 적용할 수 있는 고주파수, 다수의 극의 전자기기는 전자기기에 고속 범위에서의 높은 토크를 성공적으로 제공한다.

고정자의 오정렬(Misalignment of Stators)

본 발명의 일 실시형태에서, 하나 이상의 기준 고정자에 대한 전기 모터의 하나 이상의 회전가능한 고정자를 선택적으로 제어하는 방법을 제공한다. "선택적인 정렬(selective alignment)" 또는 "오정렬(misalignment)"은 본 발명에 따른 모터에서 기준 고정자, 회전 고정자 및 관련된 회전자가 모두 동축으로 배치될 때, 하나 이상의 기준 고정자의 대응되는 슬롯 및 치형부에 대하여, 하나 이상의 고정자의 슬롯 및 치형부의 오프셋 또는 각도 변위를 의미한다. 본 발명의 실시형태에 서, 본 발명에 따른 모터에서 상기 하나 이상의 기준 고정자는 모터 하우징에 대하여 고정된 위치에 배치되며, 상기 모터는 그 모터가 연결되는 기계적 시스템의 추가적인 요소에 통상적으로 확보된다. 부가적으로, 상기 기준 고정자 또는 회전 고정자 둘다는 원하는 오정렬을 구현하기 위하여 상기 하우징에 대하여 각도로 회전될 수 있다. 선택적인 실시형태에서, 상기 오정렬은 모터 프레임 또는 하우징을 기준으로 해서가 아니라, 두 고정자 간에 상대적으로 측정되는 것으로 이해되어야 한다.

특히, 본 발명의 선택적 오정렬 방법은 축 공극 모터 및 발전기에 적용이 가능하다. 전기모터의 하나 이상의 회전 고정자에 대한 오정렬의 제어는 상기 전기모터의 다른 파라미터들에 대한 규칙을 생성한다. 예를 들어 고정자의 구조는 실질적으로 일정한 전압 특성을 유지하거나 또는 실질적으로 토크 리플을 제거하도록 적절하게 조정돌 수 있다.

본 발명에 의한 방법에 있어서, 축 공극 모터(axial airgap machine)내의 적어도 하나의 고정자는 고의적으로 그 들의 동축에 대한 기준 고정자와 비교해 축방향으로 회전을 일으키고, 결국 회전 오정렬이 된다(즉, 하나의 고정자는 다른 고정자에 대하여 방위각으로 '오프셋'이 된다). 그 결과, 고의적으로 오정렬된 고정자들의 필드 패턴인 사인파형(즉, 사인파 또는 유사-사인파)은 회전자의 위치와 부합되지 않는다(즉, 대체적으로 최적의 부합이 되는 전기 위상은 아니다). 상기 생성된 EMF가 고정자에 의해 발생된 사인파형과 중첩됨으로써, 상기 중첩되어 발생된 파형에서의 어떤 변화가 상기 전기기기에서 발생된 EMF 특성을 변화시킨다.

비록 본 발명의 많은 실시예들이 하나의 회전자와 두 개의 고정자를 갖는 전기기기에 대해서 기술되어 있으나, 본 발명은 다수의 고정자를 구비하고 다수의 회전자를 갖는 전기기기들에도 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 모터는 하나의 공통 샤프트상에 두 개의 회전자를 구비할 수 있고, 상기 두 개의 회전자는 각각 축방향으로 인접한 고정자들 사이에 위치하고, 그 치형부(teeth)는 상기 회전자들 간의 반대면에 각각 대향한다. 일부 실시예에 있어서 상기 회전자들은 공통의 샤프트에 결합된다.

회전자의 극 피치와 고정자의 슬롯 피치

본 발명에 의한 방법의 다양한 실시예에 있어서, 고정자들의 이상적인 오정렬 각도는 회전자의 극 피치 또는 고정자의 슬롯 피치에 의하여 정의된다. 슬롯 피치는 인접한 고정자 전기 슬롯들의 중심간의 회선 간격으로서 정의된다. 도 1은 18개의 전기 슬롯을 갖는 고정자의 슬롯 피치를 나타낸다. 슬롯 피치는 일반적으로 각도, 다른 한편으로서 라디안(radians)이나 각도 측정 분야에서 잘 알려져 있는 다른 바람직한 단위로 측정된다.

극 피치는 인접 회전자의 자극(magnetic pole) 중심간에 측정된 회전 거리로서 정의된다. 도 2는 12개의 회전자 자석을 구비한 회전자에서의 극 피치를 나타낸다. 한편, 상기 극 피치는 일반적으로 표현된 각도, 라디안 또는 각도 측정 분야에서 알려져 있는 다른 바람직한 단위로 표현된다.

극 피치와 고정자 피치 모두 각도(degree)와 같은 기계적 또는 전기적인 각 도 단위(degree unit)로 기술할 수 있다. 전기적 각도는 (동기 운용에 있어서의) 모터 샤프트가 두 2극 모터에서 완전 선회, 또는 2개 이상의 극을 갖는 모터에서의 그 비율로 회전하는 동안에, 각 전류 사이클의 주기에 대하여 측정된다. 가장 일반적으로, 토크 리플(ripple)과 코깅(cogging)이 최소화된 경우에서의 오정렬은 슬롯 피치에 기초한 기계적 각도로 측정된다. 역 EMF가 조절되는 응용들은 고정자 오정렬 동작을 측정하기 위하여 극 피치에 기초한 기계적 각도를 이용하지만, 바람직한 전기적 반응을 위해서는 전기적 각도를 이용한다. DC 버스 리플을 최소화하는 응용들은 통상적으로 DC 버스 리플 주파수 대전류 주파수의 자연적인 6:1 비율의 반에 기초하여 극 피치에 대한 전기적 각도로 명시된다.

본 발명의 실시에 있어서, 적어도 하나의 고정자는 기준 고정자를 나타낸다. 이는, 상기 하나 이상의 회전 고정자의 오정렬 각도가 상기 기준 고정자에 대해서 측정되는 것을 의미한다. 본 발명의 일부 실시 예에 있어서, 상기 하나 이상의 기준 고정자들은 고정되는 반면에, 상기 하나 또는 그 이상의 회전 고정자들은 상기 하나 이상의 기준 고정자들에 대하여 원하는 양으로 회전된다. 상기 상대적인 회전량은 원하는 오정렬량에 의존하여 최소 0도에서 최대 하나의 완전한 극 피치 또는 하나의 완전한 슬롯 피치일 수 있다. 또한 하나 이상의 기준 고정자들과 하나 이상의 회전 고정자들이 원하는 회전 오정렬 량, 즉 상대적인 위상 차를 갖도록 움직이는 실시 예를 제공한다.

본 발명의 일부 실시예에서 전기-기계 에너지 변환 모터는 두 개 이상의 고정자들과 하나의 회전자를 채용한다. 이런 모터에 있어서, 적어도 하나의 고정자가 기준 고정자이고, 다른 고정자들은 상기 기준 고정자로부터 오프셋 이외에 배치될 수 있는 회전 고정자이다. 가급적 상기 회전 고정자들은 독립적으로 배열될 수 있다. 비록 본 발명의 실시예에서 배열 수단은 각 조정가능한 고정자들을 위하여 분리 작동 시스템들이 요구되지만, 부가적으로 가요성을 가질수 수 있다. 예를 들어, 2개의 회전자와 4개의 고정자를 갖는 실시 예에 있어서, 3개의 고정자들은 토크 코깅(cogging) 감소를 위하여 보통 우선된 량에 의해 기준으s로부터 벗어난다. 후면 EMF의 제어를 위하여, 상기 회전 고정자들은 견인 모터(traction motor) 또는 재생 모터 응용에서 설계되는 바와 같이, 요구된 가속 반응에 따르는 최선의 감소를 이루기 위하여 적응적으로 제어된다. DC 버스 리플이 최소화되는 모터에 있어서, 상기 부가적인 자유도는 오정렬 패턴의 선택을 허용하고, 그 결과 다양한 고정자들로부터 DC 기여(contribution)들 사이의 상쇄 간섭을 최적화된 두 개의 고정자와 하나의 회전자 구현에서 가능한 것보다 크게 한다.

일정한 단자 전압 획득

고정자 권선의 병렬 전기 접속은 가능하지만, 본 발명의 실시 예에서는 보통 우선되지 않는다. 하나의 파형, 즉 파형(30)은 일반적으로 시간상으로 어떤 순간에서 다른 파형(32)보다 높거나 낮은 차전압을 갖는다. 그래서 상당한 전류가 한 고정자에서 다른 고정자로 병렬 연결로 흐를 가능성이 높다. 이런 전류를 순환 전류(circulating current)라 한다. 상기 유동 전류는 전력 손실과 내부의 열을 발생시킨다. 순환 전류는 유용한 토크를 제공하지 않고, 몇몇 경우에는 전기기기에 해로울 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따라서 상기 고정자 권선의 병렬 접속 은 금지되지 않는다.

본 발명의 우선 실시 예에 있어서, 두 개 이상의 고정자 전기적으로 직렬로 연결되고, 그 결과 그들의 전기 파형은 수학적으로 더해진다. 도 3~9에 나타낸 바와 같이, 두 고정자 권선에 대응하는 파형(30,32)은 직렬로 연결되고, 그 결과 어떤 순간의 전압(즉, 파형(34))은 그 순간에서 각 파형에서의 순시 전압의 합이다. 이 기술 분야에서 알려져 있는 바와 같이, 동일 주파수를 갖지만 위상이 다른 두 개의 정확한 사인곡선의 파형의 합은 상기 구성요소의 파형들에 대하여 위상 이동을 발생시키지만 동일 주파수의 또 다른 사인 곡선을 발생시킨다.

한 관점에서, 본 발명은 일정한 단자 전압을 획득되는 전기 기기를 운용하는 기술을 제공한다. 이런 기술의 한 구현 예는 단일 회전자에 마주보도록 위치된 두개의 고정자를 구비한 전기 기기의 형태로 나타난다. 도 3 내지 도 9의 그래프는 두 고정자로부터의 파형들이 중첩된 결과를 나타낸 것으로, 오프셋 편차량에 의해서 오정렬된다. 도 3 내지 9의 각 그래프에 있어서, 고정자 A로부터의 파형은 부호 30으로 표시한 반면에, 고정자 B로부터의 파형은 부호 32로 표시한다. 상기 두 파형들의 중첩(더함)은 부호 34로 표시한다.

일정한 전압이 인가되는 동안, 생성된 EMF는 증가된 속도에서 0%의 극 피치 오정렬에서의 100% 베이스 전압과 100%의 극 피치 오정렬에서의 0% 베이스 전압 사이의 범위를 갖는다. 이로써 편의상 오정렬 각도는 하나 이상의 고정자에 대한 극 피치로 표현된다. 오정렬 각도는 무-오정렬에서부터 하나의 전체 풀 피치 오정렬까지 변하는 전체 극 피치의 함수로 표현된다(도 9). 오정렬의 중간값은 각각 30,60,90,120,150 및 180도의 전기적 오정렬을 도시하고 있는 도 4-8의 파형에서 도출된다.

도 3은 오정렬이 없거나 최소의 오정렬을 갖는 각 고정자에 대하여 실질적으로 동일한 파형(30,32)의 중첩을 예시적으로 도시한 도면이다. 상기 고정자들의 상대적인 회전은 제로이기 때문에 두 고정자는 100%의 위상을 갖는다. 상기 두 고정자의 각각에서부터 기여된 상기 파형(30)(32)은 실질적으로 일치하며 구조적으로 합쳐서 파형(34)을 생성한다. 따라서 고정자로부터의 파형을 구조적으로 합쳐서, 회전자의 위치에서 고정자의 최대 자속 반영을 나타내는 최대(거의 두배의) 크기를 갖고 동일 위상의 동기된 사인파형(34)을 생성하기 때문에, 모터에서 생성된 EMF는 또한 최대가 된다.

상기 회전 고정자(고정자B)는 기준 고정자에 대하여 다른 위상으로 회전함으로써 상기 두 고정자로부터의 파형의 중첩은 도 3에 도시된 최대값보다 작게 합쳐진다. 이는 전기기기 시스템에서 회전자의 위치에서 두 고정자에서 발생한 자속이 최대크기보다 작다는 것을 의미한다. 그 결과, 전체 생성된 EMF는 고정자의 오정렬 각도의 함수로 감소하게 되고, 이로써 두 개의 서로 다른 위상의 파형의 중첩에서 서로 다른 값을 갖게 된다. 예를 들어, 도 7은 생성된 EMF를 초기값의 1/2로 줄이기 위해서는 고정자가 2/3의 극 피치 위상차 만큼 오정렬이 되어야 하는 것을 도시한 도면이다. 따라서 결합된 동기의 발생 EMF는 상기 회전 고정자가 기준 고정자에 대하여 오정렬됨에 따라 그 크기가 제로로 감소되며, 그 제로 크기는 상기 회전 고정자가 전체 한 극 피치(도 9를 참조)만큼 오정렬되었을 경우에 발생된다.

도 3 내지 도 9에 도시된 파형들은 순수한 사인 함수로서 도시되어 있다. 다양한 주기의 파형들, 예컨대 구형파, 사다리꼴파, 삼각파 등의 중첩들은 사인파형으로 설계될 수 있다. 이러한 파형들은 예를 들어 가변속도 구동 용용장치에 종종 사용되는 형태의 전력 전자 제어기에서 생성된다. 순수한 사인파가 바람직하지만 거의 순수한 사인파도 양호한 결과를 도출할 수 있다. 도 10은 직렬로 연결되며 전체 극 피치의 1/2 만큼 오정렬된 두 개의 고정자로부터 발생된 두 타입의 사다리꼴 파형(35,36)의 중첩 결과를 도시한 도면이다. 비록 도면에는 본 발명이 두 개의 사다리꼴 파형으로 실시되는 것으로 있으나, 삼각 파형(37)이 원래의 사다리꼴 파형으로부터 왜곡되는 결과를 낳는다. 본 발명을 사인파에 근접하도록 실시함으로써 파형의 모양이 덜 왜곡되어 출력되도록 크기를 변화시킬 수 있다. 정현파에 근접한 파형을 사용함으로써 근본적으로 더 간편한 전력 전자장치를 본 발명의 바람직한 장치에 연결하여 사용될 수 있다.

상기와 같은 오정렬의 결과로서, 하나 또는 그 이상의 회전된 고정자가 기준 고정자와 "다른 위상(out of phase)"을 갖는다고 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 회전에 따른 오정렬 량은 극 피치의 함수로서 정의된다. 고정자 B의 회전각도는 생성된 EMF의 감소와 직접적인 관계가 있다. 그러나 상기 감소는 회전에 직선적인 비례 관계 보다는 사인형태의 관계를 갖는다. 그렇다고 하더라도, 극 피치와 생성된 EMF의 감소와의 직접적인 관계는 직렬 연결을 포함하는 실시형태들에서 성립될 수 있다.

이상적으로, 발생된 EMF를 원하는 만큼 지속적으로 감소시키는 동안, 가능한 적은 회전이동으로 오정렬이 구현될 수 있다. 요구된 회전이동을 최소화함으로써 회전 관리에 사용되는 설계 및 구성요소(예컨대, 베어링, 접촉면, 회전기기, 등등)가 간편화될 수 있을 것이다.

상기에서 기술한 바와 같이, 종래기술에서 제시된 적은 극 개수를 갖고 높은 극 피치값을 갖는 모터는 일반적으로 본 발명의 실시에는 적합하지 않다. 높은 극 피치값을 갖는 모터에서, 생성된 EMF의 적은 감소를 위해 충분한 오정렬을 구현하는데 필요한 물리적인 회전량은 때로는 너무 커서 기계적으로 실시할 수 없는 경우가 있다. 종래기술에서는 축 공극 모터에서 다른 수단에 의해, 예를 들어 공극의 길이를 줄이거나(US특허 제2,892,144호 및 제2,824,275호) 또는 회전자와 고정자 간의 오버랩을 줄임으로써(US특허 제403,017호 및 제6,555,941호), EMF를 줄이는 것이 기술이 제시되어 있다.

그러나, 원래 보다 적은 극 피치를 가지면서 많은 개수의 극을 갖는 모터에서 오정렬을 구현하는 것은 매우 쉬운 일이다. 따라서, 생성된 EMF의 큰 감소를 구현하기 위한 오정렬의 아크 길이는 종래의 모터에서 보다 많은 극 개수, 고주파 모터에서 더 작다. 본 발명에 따른 방법은 고주파, 많은 극 개수, 적은 극 피치, 축 공극을 갖는, 개선된 연자성체를 사용하는 전자장치에 더 유용하게 적용된다. 이러한 연자성체는 전술한 비결정의 나노크리스탈 금속, 최적화된 방향성 및 비방향성 철이 함유된 금속을 포함한다.

따라서, 본 발명은 회전자와 고정자 간의 오버랩을 줄이거나 또는 축방향으로의 공극 길이를 줄일 필요 없이 생성된 EMF를 줄이는 방법을 제공한다. 그러나, 본 발명에 따른 오정렬은 공극을 줄이거나 또는 회전자와 고정자 간의 물리적인 오버랩을 변경하는 방법과 연계하여 선택적으로 실시된다.

토크 리플의 감소

본 발명의 일 실시 예에 따른 모터에서, 하나 이상의 기준 고정자에 대한 하나 이상의 고정자의 선택적 정렬기술은 토크 리플을 줄이는데 실용화될 수도 있다.

전기모터 설계자는 바람직하게는 실질적으로 일정한 토크로 부드럽게 출력하기 위하여 토크 편차를 줄이도록 한다. 바람직하게는 모터는 토크로 동작하지만 그 토크는 회전자의 각 위치(angular position)에 따라 변하지 않는다. 그러나, 주어진 전기기기에서, 대부분 회전자는 자기회로의 자기 투자율이 다른 위치에서 보다 더 높은 위치에 불가피하게 위치하게 된다. 영전류(zero-current) 및 인가 전류 조건에서 회전자가 증가된 토크를 갖는 고유 위치가 존재한다. 기계-전기 변환장치(dynamoelectric machine)의 기술에서, 토크 코깅(torque cogging)과 토크 리플 간의 차이가 종종 발생된다. 전자는 해당 모터에 전류의 입/출력 없이 회전위치를 갖는 토크의 섭동 또는 편차를 의미하며, 후자는 동작 중, 즉 전력 부하 상태에서의 토크 편차를 의미한다. 그러나, 리플 및 코깅은 물리적으로 관련된 현상이며, 때로는 상호 호환성이 있는 것으로 간주된다. 토크 리플은 전기기기의 설계 및 전력 전자 동작에 의해 영향을 받는다. 토크 코깅은 모터 설계 파라미터에 크게 의존한다. 본 발명은 상기 전기기기의 설계와는 거의 연관이 없지만 토크 코깅 및 토크 리플은 함께 고려될 수 있다.

회전자에서 자석이 고정자에 가장 큰 자속 링크를 제공하는 경우는 자석이 고정자 치형부와 직접적으로 인라인으로 형성되는 경우이다. 따라서, 본 발명의 모터에서 이러한 물리적인 정렬의 위치를 변경함으로써, 즉 기준 고정자에 대하여 고정자를 회전하여 오정렬되게 함으로써, 각 고정자가 자신의 최대 순간 자속링크를 나타내는 각 위치들은 일치하지 않는다. 예를 들어, 고정자들은 오정렬되게 하여 다른 고정자가 최소 자속링크를 나타내는 위치에서 하나의 고정자가 자신의 최대 자속링크를 나타내도록 할 수 있다. 따라서 적절히 선택된 정렬은 토크 리플의 주파수를 증가시키게 하지만 실질적으로 토크 리플의 크기를 줄이게 된다.

속도와 상관 없이, 토크 리플은 0%의 슬롯 피치 오정렬에서의 최대값(100%)과 50%의 슬롯 피치 이동에서의 최소값 사이의 값을 갖는다. 따라서 토크 리플을 줄이기 위한 오정렬 각도 또는 오프셋 값은 슬롯 피치로 표현될 수 있다. 토크 리플의 최소화를 위한 적절한 오정렬 회전각도는 기준 고정자에 대하여 정확히 1/2 플롯 피치만큼의 회전 고정자 오프셋을 갖는다.

도 11 및 도 12는 영 전류에서 1/2 슬롯 피치(사인파형(70))만큼 오정렬된 고정자에 대한 토크 섭동을 도시한 것으로서, 고정자가 정렬될 때(사인파형(72)) 생성되는 섭동에 대하여 표준화된 토크 섭동을 도시한 것이다. 회전자 자석으로부터 발생된 자속은 사인파형(74)로 표시된다.

도 11-12에는 SPP 값이 0.5인 전기기기에 대하여 도시하였으나, 상기 방법은 다른 SPP 값을 갖는 모터에도 동일하게 적용된다. 기준 고정자에 대하여 1/2 슬롯 피치 값만큼 오정렬된 회전 고정자에 있어서, 토크 리플 크기는 일반적으로 1/2 만 큼 줄어들고, 반면에 토크 리플 주파수는 2배로 증가한다. 토크 리플의 고유 주파수는 다른 SPP 값에 대하여 변한다. 예를 들어, 0.5의 SPP 값을 갖는 전기기기의 토크 리플은 상기 전기기기의 정류 주파수의 6배가 되는 특유의 고유 주파수를 갖는다.

상기한 바와 같이, 두 고정자의 상호 오정렬은 생성된 EMF를 줄이게 한다. 만약 고정자가 1/2 슬롯 피치만큼 오정렬된 경우 SPP 값이 0.5일 때 생성된 EMF의 감소량은 약 3.5%이다. 비 기준 고정자에 대하여 1/2 슬롯 피치의 회전보다 더 많이 회전하게 되면 실제로 토크 리플이 재차 증가하게 되고, 슬롯은 점차 인라인이 되어가면서 자속링크도 증가하게 된다. 1/2 슬롯 피치 회전의 경우, 설계자는 토크 리플의 50% 감소에 대하여 전력에서 3.5%가 감소됨을 인식한다. 다른 SPP 비율에 대한 토크 리플 동작은 유사하게 측정될 수 있다.

다중 회전자 장치에서의 토크 리플(Torque Ripples)의 제거

본 발명의 다른 특징에서, 선택된 정렬 기술이 적용되어 토크 리플 및 코깅(cogging)을 감소시키거나 또는 바람직하게 거의 제거할 수 있다. 2개 또는 그 이상의 회전자들을 포함하는 전기 장치에 대한 실시 예에서는, 기준 회전자에 대한 회전자와 고정자의 최적의 회전 오정렬이 토크 리플의 실질적인 제거를 초래할 수 있다.

하나의 회전자를 포함하는 전기 장치의 실시 예가 설명되지만, 본 발명의 기술은 하나 이상의 회전자를 포함하는 실시 예에서 구현될 수 있다. 2개의 회전자를 갖는 구조에 대해서는, 하나의 공통 축 상에 회전자들이 장착되고, 각각의 회전자 는 하나 또는 그 이상의 각각의 고정자들에 의해서 구동될 수 있다. 또한, 고정자들을 구성하는 데에도 유연성이 있다. 예를 들면, 2-회전자, 4-회전자 전기 장치에서, 서로에 대해 물리적으로 가장 근접한 고정자들은 하나의 공통적인 고정자로 결합되어 효과적인 그리고 효율적인 2-회전자, 3-회전자 장치를 얻을 수 있다.

이와 같은 실시 예에서, 2 개의 회전자들은 하나의 공통 축 상에 장착된다. 종래의 구조에서는, 2 개의 회전자들은 폴들이 원주방향으로 배열되도록 장착된다. 그러나, 토크 리플을 제거하기 위하여 본 발명의 선택된 정렬 기술을 구현하기 위해서는, 상기 2 개의 회전자들이 오정렬되어 하나의 회전자가 다른 회전자에 대해 1/2 슬롯 피치만큼 회전되고, 그들 각각의 고정자들은 상기 회전자들에 맞추어서 오정렬된다. 그 결과, 토크 동요(perturbation)는 180도 다른 위상으로 되며, 효과적으로 서로를 상쇄시킨다.

상기 회전자와 고정자들의 선택된 정렬 기술은 토크 리플에 대하여 보다 높은 차수의 고조파 편차 영향을 주는 것을 제거할 수 있다. 실제로, 이와 같은 높은 차수의 고조파 몇몇은 오정렬에 의해서 구조적으로 향상될 수 있다. 그러나, 이와 같은 보다 높은 차수의 것(terms)은 일반적으로 제1 차수의 것보다 훨씬 작은 크기이고, 그에 따라서 전기 장치의 대부분의 적용 예에서 무시될 수 있다. 또한 토크 리플의 파형들은 완벽한 싸인(sine) 파들이 아닌 경향이 있고, 이는 다소의 왜곡을 포함하는 중첩을 초래하기도 한다.

전기적 리플을 감소시키기 위한 이중 전파( dual full wave ) 정류기의 사용

리플은 기계-전기 변환장치 분야에서 어느 한 장치의 전기적인 특성의 AC 상황을 파악하기 위하여 사용된다. 정류기 수단, 예를 들면 전파 정류기는 여러 분야의 종래의 발전 장치 및 특히 교류 발전기에서 사용되며, 권선부로부터 다상의 AC 출력을 얻어서, 그것을 상대적으로 완만한 DC 출력으로 변환시킨다. 3상의 장치에 대하여, 이러한 정류작용은 종래의 "전파 브릿지" 또는 "다이오드 브릿지" 라고 알려진 6개의 다이오드 배열을 통하여 이루어진다. 다른 다이오드 브릿지 배열들도 3상의 연결이 아닌 단상 및 다상 시스템을 위하여 알려져 있다. 브릿지로의 입력은 권선부에서 발생된 싸인 파형의 전압/전류이고; 출력은 DC 버스로서 알려진 DC 레벨(level)이다. 도 24는 단상, 진폭 0.5의 싸인파형 AC 출력(임의의 유닛)을 해당 전파의 정류된 단상 AC 출력과 DC 버스 상의 조합된 3상 출력을 함께 나타내는 단일 그래프이다. 비록 상기 DC 버스 상의 전압이 상수(즉, Vdc=Vrmsline*(~1.35))인 것으로 알려지지만, 실제로 상기 DC 버스 파형은 평균적이지만 엄격하게 일정한 DC 레벨과 보다 작은 AC 성분의 중첩 값이다. 전파 다이오드 브릿지 구조에서 공칭 DC 버스 전압의 전형적인 편차가 도 24에 도시되어 있다. AC 성분, 즉 상기 버스 상의 평균 DC 레벨로부터의 편차가 전기적 리플로 알려져 있다. 전기적 리플은 평균 DC 레벨로부터 퍼센트(에러)로 일반적으로 표현되어 있다. 이상적인 3-상 전파 브릿지에 대하여, 이러한 리플은 임의의 본래의 싸인파 형의 상 전압 주파수의 6배의 주파수에서 일어난다.

전기적 리플은 여러 가지 이유에서 바람직하지 한다. 이와 같은 이유들은 잘 알려진 것이고, 차량에 적용되어서는 열악한 충전 특성, 모든 장치에서는 증가된 고조파 손실, DC 레벨을 손실 없는 싸인 파 전압으로 변환하는 어려움 등을 포함한다. 따라서, DC 버스에서 전기적 리플을 감소시키고 바람직하게는 제거시키는 것이 좋다.

상기 DC 버스 상에서 리플을 감소시키는 종래의 시도는 DC 부하에 평행으로 연결된 하나 또는 그 이상의 캐패시터를 제공하는 것이었다. 이러한 캐패시터들은 수용가능한 레벨로 상기 리플 량을 감소시키도록 작용한다. 그러나, 캐패시터들은 비싸고 크기가 큰 것이다. 따라서, 캐패시터들은 전기 장치에 비용을 부가시키는 것이고, 장치 내에 설치되기 어려우며, 특히 그 크기는 문제가 된다. 몇가지 경우에서, 캐패시터들은 신뢰성의 문제도 제기한다. 도 25는 전형적인 종래의 전기장치에서 DC 부하를 가로질러 연결된 캐패시터를 도시한다. 이와 같은 정전 용량의 부가는 필터링으로 알려져 있으며, 원치않는 리플이 제거되고, 즉 순수한 DC 레벨로부터 필터링 되는 것이다. 도 26은 도 25의 구성으로 생성된 전형적인 종래의 정류된 3상 전압을 도시한다. 적은 량의 리플은 DC 버스에서 보여질 수 있다. 도 27은 이러한 리플을 보다 자세히 도시하고 있다. 도 28은 도 25에 도시된 바와 같은 전기 장치 구조에 관련하여 전형적인 중첩된 리플을 갖는 평균 DC 전원을 도시한다.

도 29에는, 전기장치가 도시되어 있으며, 3-상 타입의 이중 전파 다이오드 브릿지와 3-상의 권선을 갖는 이중 고정자를 구비하고 있다. 상기 브릿지 중의 하나는 각각의 고정자와 연결되고, 고정자의 권선부에 연결된다. 대조를 위하여, 전형적인 종래의 구조에서, 상기 고정자 출력은 단일 전파 브릿지에 연결되기 전에 조합된다. 도 29에 도시된 이중 전파 다이오드 브릿지 구조는 선택적으로 정렬되는 (또는 오정렬되는) 이중 고정자들을 구비하여 유용하며, 그 고정자들은 상기에서 설명한 바와 같이 서로에 대해 순환적으로(rotationally) 오프셋 되어 있다. 일 실시예에서, 하나의 고정자는 다른 것에 대하여 30°전기적으로 오프셋된 선택된 배열로 물리적으로 회전되어 있다. 이와 같은 이중 다이오드 브릿지 정류기로부터의 출력은 병렬로 연결된다. 연결 DC 버스 상에서 생성된 리플은 하나의 브릿지로부터 피크들을 가지며, 이들은 상기 언급된 30°오프셋의 결과, 다른 브릿지로부터 골(valleys) 만큼 오프셋 된다. 상기 리플의 불완전한 싸인 파 본성에 기인하여, 상기 리플의 감소는 영(zero)까지 이르지는 않는다. 그러나, 새롭고 조합된 리플은 공칭적으로 1/4의 진폭과 2배의 주파수를 구비한 파형을 갖는다. 즉, 조합된 신호에서 피크 대 피크 구간은 구성 파형의 1/2 피크 대 피크 구간인 것이다. 이상적인 경우에 대하여, 새로운 DC 리플은 종래 기술 리플의 대략 1/4 진폭일 것이며, 종래 기술의 리플 주파수 2배에서 일어날 것이다. 또한, 도 32에 도시된 바와 같이, 이중 전파 다이오드 브릿지와 보다 작은 캐패시터를 사용하는 전기 장치 구조의 평균 DC 전원은 단지 하나의 전파 다이오드 브릿지를 구비하여 도시된 종래의 구조(즉 도시된 특정 시뮬레이션에 대한 11KW)와 대략적으로 동일한 것이다. 비록 이중 전파 다이오드 브릿지 구성, 예를 들면 도29에 도시된 구성이 부가적인 다이오드 브릿지의 비용을 추가한다 하여도, 보다 작은 캐패시터의 감소된 비용과 그 작은 캐패시터에 대한 보다 작은 공극으로서 실제적인 절감을 이루는 것이다. 그리고, 각각의 다이오드 브릿지와 그 개별적인 다이오드들은 보다 값싼 다이오드들을 사용하면서 동일한 정격전원의 장치에 사용되는 종래의 단일 브릿지에서 전송되는 전류의 단지 반만을 전송한다.

증가된 리플 주파수와 감소된 리플 진폭의 부가적인 결과로서, 보다 적은 정전 용량이 충분히 상기 리플을 수용가능한 레벨로 감소시키는 것이다. 도 29에 도시된 바와 같이, 종전에 요구되었던 정전 용량의 대략 1/8 만큼이 사용될 수 있고, 상기 DC 버스 상의 리플은 도 30 및 31에 도시된 바와 같이, 보다 큰 캐패시터를 갖고 단지 하나의 전파 다이오드 브릿지 구성을 갖는 전형적인 종래 장치의 것과 대략 동일한 것이다.

상기에서 설명된 바와 같이, 명백하게 분리된 고정자들의 정렬에서 물리적인 변화는 전기 장치로부터 생성된 결과적인 EMF에서의 변화를 초래한다. 실제로, 분리된 고정자(즉, 제1 고정자와 제2 고정자)들의 선택적인 정렬은 원치 않는 DC 리플을 감소시킬 수 있음이 발견되었다. 특히, 직접적으로 정렬되는 것 대신에, 제1 고정자와 제2 고정자들은 선택적으로 정렬되어 기본 주파수(즉 동기 주파수)의 1/12 만큼 직접 정렬로부터 벗어난다. 물리적인 관점에서, 이는 폴-쌍 각도의 1/12(즉 폴 피치의 1/6) 이라 할 수 있다. 이것에 대한 근본적 이유는 가장 공통적인 적용예(즉, 전파 다이오드 브릿지를 구비한 3-상 장치)에 대하여, 상기 DC 버스 상의 리플 주파수(즉 다이오드 브릿지의 출력)가 상기 3-상 장치의 동기 주파수의 6배 주파수이다. 다른 식으로 설명하면, 상기 리플 주파수의 피크들 사이의 시간 간격은 동기 주파수의 피크들 사이의 시간 간격의 1/6이다. 따라서, 이러한 리플 주파수들을 가능한 한 많이 제거하기 위해서는, 상기 선택적으로 정렬된 고정자가 리플 시간 간격의 1/2 만큼 또는 동기 시간 간격의 1/12 만큼 회전되어야만 한다.

이중 전파 정류기들을 구비한 선택적으로 배열된 고정자들의 상기 설명된 구성에 대한 부가적인 잇점은 DC 부하를 가로질러서 사용된 캐패시터의 크기와 비용이 상기 리플의 진폭과, 리플 주파수의 역(inverse)에 직접적으로 관련된다는 점이다. 따라서, 본 발명은 종래 기술의 캐패시터에 비교하여 DC 부하를 가로질러서 사용된 캐패시터의 크기와 비용을 줄일 수 있다는 잇점을 갖는다. 전형적으로, 종래의 기술에서 요구되었던 캐패시터 크기의 1/8 배 크기의 캐패시터가 모든 것이다. 몇가지 적용 예에서, 상기 리플은 충분히 낮아서 아무런 정전 용량이 필요치 않을 수 있다.

고정자의 회전 오정렬을 위한 메카니즘

본 발명의 장치는 상대적 오프 셋의 고정식 또는 조정식 정도 각각으로 배치된 고정자들을 구비하여 구현될 수 있다. 조정식 오프셋을 구비한 실시 예에서, 임의의 적절한 타입의 오정렬 수단은 최소 및 최대 오프셋 량 사이에서 조정을 허용한다. 바람직하게는, 상기 오프셋은 실제적으로 해당 치차와 각각의 고정자 슬롯의 완전 정렬과 오정렬 사이에서 슬롯 피치의 반 또는 완전한 폴-피치만큼 조절가능한 것이다. 각각의 수동 또는 자동 조절기능을 구비한 실시 예들은 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

다수의 오정렬 수단들이 적합하며, 이하에서 설명되고, 각각 다른 입력 파라메터들을 갖는 3가지 다른 종류의 시스템에서 사용되는 것들을 포함한다. 첫번 째 시스템은 외부 동력원을 통하여 회전가능한 고정자의 이동 제어를 통한 EMF의 능동 제어를 포함한다. 두번 째 시스템은 속도-종속 메카니즘을 통한 제어를 포함한다. 세번 째 시스템은 토크-종속 메카니즘을 통한 제어를 포함한다. 이와 같은 3가지 시스템 또는 그와 유사한 시스템들은 임의의 전기 장치 또는 그 조합체 내에서 단독으로 구현될 수 있다. 상기 시스템들은 생성된 EMF의 감소에 관련하여 설명되었지만, 당업자들은 상기에서 개시된 내용에 따라서 토크 리플을 감소시키거나 실제로 제거시키도록 상기 시스템들을 채용할 수 있을 것이다.

외부 제어

하나 또는 그 이상의 기준 고정자들에 대한 하나 또는 그 이상의 고정자들의 제어된 선택적 정렬 기술은 생성된 EMF 값을 제어하기 위한 외부 제어원을 사용하여 이루어질 수 있다. 바람직한 실시 예에서, 외부 제어원은 제어되는 전기 장치와는 무관한 동력원을 갖는다. 회전가능한 고정자의 적절한 위치 선택을 통하여, 요구되는 EMF가 얻어질 수 있다. 적절한 위치 조정을 이루기 위한 여러 가지 다른 수단들이 당 업계에서 사용가능하다.

몇 가지 실시 예에서, 고정자 오정렬은 2가지 또는 그 이상의 별개의 오정렬 단계로 조절될 수 있고, 그 중의 하나는 거의 완전 정렬일 수 있다. 다른 실시 예는 최소 내지 최대 오프 셋에 걸쳐서 연속적으로 변화하는 오정렬을 고려한다. 이와 같은 오정렬은 기계적인 동작의 적절한 동력원에 의해서 기동될 수 있으며, 공압, 유압, 피에조 전기식, 전기식 또는 자기식 액튜에이터 또는 그와 유사한 것들을 포함한다.

상기 오정렬 수단은 적절한 위치조정 장치를 포함하며, 이는 2 위치 솔레노이드; 보이스 코일 모터; 피에조 전기식 액튜에이터; 기어, 리드 스크류 또는 그와 유사한 것을 갖는 스테퍼(stepper) 또는 다른 모터; 진공 실린더; 공압 실린더; 유압 실린더; 및 선형 모터들 중의 어느 하나 또는 그 이상을 비 배타적으로(nonexclusively) 포함할 수 있다. 리드 스크류를 갖는 스테퍼 모터는 그 작동신뢰도, 기계적 안정성 및 구현 용이성 및 정밀한 제어에 의해서 바람직한 것이다. 그리고, 탄성적으로 변형가능한 복귀 부재, 예를 들면 스프링 등이 제공될 수 있다. 다르게는 몇몇 또는 모든 오정렬들이 수동으로 조작될 수 있다.

도 13은 단일 회전자(40)와 2 개의 고정자(42, 44)를 포함하는 전기 장치 실시예의 평면도와 측면도를 나타낸다. 하나의 고정자는 고정된 참조 고정자(44)이고, 다른 고정자는 회전 가능한 고정자(42)이다. 고정자 정렬 제어기(control)(46)가 참조 고정자(44)에 연결된다. 외부 제어 시스템(48)은 회전 가능한 고정자(42)를 0 오정렬(misalignment) 위치로부터 바람직한 정도의 오정렬만큼 회전시키는 회전 수단을 제공한다. 도 14와 15는 회전 가능한 고정자(42)의 오정렬을 제어하기 위한 외부 제어 시스템(48)의 2 개의 서로 다른 위치를 나타낸다. 외부 제어 시스템(48)의 위치는 예컨대 발생한 EMF의 바람직한 감소를 일으키는 바람직한 정도의 오정렬과 상관(correlation)된다.

실시예에서, 솔레노이드가 회전 고정자에 부착된다. 이 솔레노이드는 바람직한 EMF 발생을 달성하도록 회전 고정자를 위치시킨다. 발생된 EMF에 대한 요구 에 따라 제어 신호가 도달한다. 솔레노이드는 회전 고정자를 요구된 2 개의 위치 중의 하나에 위치시킨다.

모터-리드 스크루 조립체를 사용하여 고정자를 위치시키는 것도 역시 가능할 뿐만 아니라 특히 바람직하다. 이는 더 단순한 2 위치 솔레노이드보다 더 많은 위치를 제공한다. 또한, 전기, 공압, 유압, 압전 또는 다른 기계적 위치 설정(배치) 장치의 조합에 의해 회전 고정자를 위치시킬 수 있다. 전술한 모든 수단을 포함하는 장치에서, 위치 설정 조립체에 의해 초래되는 고정자의 불균형 문제를 보정하도록 하나 이상의 균형추(counter weight)(도시 생략)가 선택적으로 제공된다.

속도 의존 제어

회전 오정렬의 속도 의존 제어에 관련된 실시예는 일반적으로 기계 EMF로부터의 피드백을 필요로 하지 않는다. 그 대신, 발생된 EMF는 속도 의존 장치에 의해 제어될 수 있는 범위에 있도록 설계된다. 속도 의존 장치는 속도가 증가함에 따라 회전 고정자를 기본 위치(일반적으로 거의 0 오정렬)로부터 바람직한 정도의 오정렬만큼 이동하게 한다. 하나 이상의 회전 고정자의 오정렬 회전 속도는 발생된 EMF의 원하는 감소 속도에 따라 규정된다. 오정렬은 가역적인 것이다. 즉, 속도가 감소함에 따라, 하나 이상의 회전 고정자의 오정렬은 감소하여, (0일 수 있는) 지정된 최소 속도에서 0 오정렬인 기본 위치로 복귀한다.

속도 의존 제어기를 포함하는 실시예가 도 16 내지 18에 도시되며, 이들 도면은 단일 회전자(40)와 2 개의 고정자(42, 44)를 포함하는 전기 장치의 실시예에 서, 회전 오정렬을 위한 기계적 조절기 형태의 속도 의존 제어기의 동작을 보여준다. 원심 조립체(55)는 복수의 추(50)를 포함하며, 이들 추(50)는 회전 샤프트(52)에 장착된 플랜지에 연결된다. 추(50)는 속도가 증가함에 따라 (회전 중심으로부터) 더 큰 작업 반경 방향 거리로 스윙할 수 있게 되어 있다. 또한, 원심 조립체는 추(50)를 후퇴한 작업 반경 방향 거리에, 매우 낮은 속도로 복귀시키는 스프링 시스템을 포함한다. 도 16 내지 18의 도시에서, 추(50)는 컵(54)과 상호 작용하는 만곡된 삼각형 캠도 역시 포함한다.

동작 중에 속도가 증가함에 따라, 원심력은 더욱 더 큰 힘을 가하여 추(50)에 작용하는 (스프링의) 탄성력을 극복하여 추(50)가 계속 증가하는 반경 방향 거리로 스윙하게 한다(도 18). 그 결과, 만곡된 삼각형 캠은 컵(54)이 도면의 우측으로 이동하도록, 즉, 고정된 고정자(44) 쪽으로 압박된다. 컵(54)은 추력 베어링(56)에 지지되고, 추력 베어링(56)은 기본 피치(low pitch) 나사(58)에 부착되고, 나사(58)는 회전 가능한 고정자(42)에 연결된다. 컵이 압박되면, 최종적으로 회전 가능한 고정자(42)가 고정된 고정자(44)에 대해 회전 오정렬된다. 기본 피치 나사(58)는 그 내경이 선형 스플라인 상에서 이동한다. 기본 피치 나사(58)는 복귀가 억제되어, 축방향으로 평행한 선형 스플라인에 의해 고정된다. 기본 피치 나사(58)는 축방향으로 이동함에 따라, 회전 가능한 고정자(42)를 바람직한 각 위치로 회전시키게 된다. 이들 선형 스플라인은 최종적으로 지지 스포크에 의해 참조 고정자(44)에 부착된다. 저속 및 그에 따른 낮은 원심력에서, 추는 도 16과 17에 도시한 것과 같이 탄성력에 의해 최소의 작업 반경 거리로 후퇴한다. 그 결과, 컵 (54)과 기본 피치 나사(58)는 도면의 좌측으로 이동한다.

기본 피치 나사(58)는 복귀가 억제되므로, 회전 가능한 고정자(42)가 회전하도록 힘을 가한다. 이를 달성하기 위해, 회전 가능한 고정자(42)는 작은 각도로 회전할 수 있는 베어링 시스템을 필요로 한다. 나사 피치, 나사 길이, 추의 질량, 추의 길이, 캠-컵 설계 등과 같은 특징의 선택을 비롯한, 주어진 기계 시스템을 위한 회전 시스템의 정확한 설계는 EMF의 바람직한 변경을 제공하도록 최적화된다. 이들 매개변수는 모두 극절 또는 극 피치의 정도의 함수로서 선택 또는 최적화될 수 있다.

토크 의존 제어

회전 오정렬의 토크 의존 제어에 관한 실시예는 토크 단독 또는 속도-토크 제어를 제공할 수 있다.

발생된 EMF의 토크 단독 제어에 관한 실시예는 원칙상, 일정한 속도에서 전류가 증가함에 따라 동력이 증가하는 것에 기초한다. 동력 = 속도 X 토크이므로, 동력이 일정 속도로 증가하면, 토크도 역시 증가해야 한다. 회전 가능한 고정자가 가변 지점에 장착되면, 고정자는 회전자로부터의 토크의 방향을 따라 회전할 수 있다. 이 회전은 발생된 EMF 및 그에 따른 전류 요구량을 변경시킨다. 본 발명의 본 실시예에서, 회전 편향의 양은 전류 요구량의 함수이다.

속도-토크 의존 제어에 관한 실시예는 전기 장치의 출력이 증가함에 따라 회전자 샤프트의 속도도 역시 증가하도록 제어된다. 속도 비율 증가는 동력 비율 증 가만큼 크지 않아야 한다. 출력 = 속도 X 토크이므로, 장치의 토크도 역시 증가해야 한다. 증가하는 토크는 회전 고정자를 위치 설정하여, 발생된 EMF를 제어하는데 사용된다.

전기 장치가 속도를 변경할 수 있는 가에 관계없이, 회전 가능한 고정자(42)는 하나 이상의 가변 지점에서 참조 고정자에 연결될 수 있다. 도 19 내지 22에 도시한 고정자 정열 제어기(46)에서의 가변 지점과 회전 가능한 고정자(42) 사이에는 탄성 소재 또는 장치가 장착된다. 도 19 내지 22에는 도시의 편의상 하나의 가변 지점과 하나의 고정자 정력 제어기(46)만이 도시된다. 하지만, 다른 실시예에서는 2 이상의 고정자 정력 제어기(46) 또는 가변 지점이 있을 수 있다.

도 19 및 20의 실시예에서, 회전 가능한 고정자(42)는 스프링(47)과 같은 하나 이상의 전기적으로 변형 가능한 부재에 장착된다. 스프링(47)은 회전 가능한 고정자(42)가 변경되는 토크에 의해 제한된 회전 각도만큼 이동할 수 있게 해 준다. 상기 스프링은 바람직하게는 압축 스프링일 수 있다. 하지만, 용이하게 적용 가능한 다른 선택 사항으로 텐션 스프링, 코일, 박판(leaf) 등이 있다. 스프링(47)은 고무 또는 다른 장착 구성으로 수정될 수 있다.

도 21 및 도 22의 실시예에서, 회전 고정자(stator)42는 공형 재질(conf ormal material)(49)상에 장착된다. 상기 공형 물질(49)은 우선적으로는 우레탄(urethane)의 형태로 될 수 있다. 그러나 이와 같은 공형 물질은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 다른 재질 예를 들어, 러버(rubber), 라텍스(latex), 실리콘 (silicone), 진동(oil filled shocks), 공기 압(air pressure) 또는 그와 유사한 것들을 포함할 수 있다.

장치 시스템 및 전력 기기 제어( Machine System And Power Elecrtronics Control )

다른 측면에 있어서, 장치를 인터페이스(interface)하고 제어하기 위한 축 공극(axial air gap) 전기 장치와 전력 기기 수단(power elecrtronics means)을 포함하는 기계에너지를 전기에어지로 변환시키는 장치(dynamoelectric machine)가 제공된다. 상기 시스템은 구동모터 또는 발전기나 혹은, 이들의 조합으로 구성될 수 있다, 구동 장치(motoring machine)는 직접적으로는 교류(AC) 전원이 공급되어야 하지만, 직류(DC) 전원이 정류(commutation)을 통하여 공급될 수 있다. 지금까지는 브러쉬-형(brush-type) 장치를 이용한 정류가 오랫동안 이용되어 왔지만, 고-출력(high-power) 반도체 기기의 성능 향상으로 브러쉬 없는 모터, 여러 개선된 영구 자석 모터들을 사용하는 전기 정류 수단(electronic commutation means)들의 설계가 가능하게 되었다. 통상적인 형태(mode)에서, (기계적으로 전환될 수 없는) 장치는 기본적으로는 교류 전원을 발생시킨다. 즉, 대부분의 장치는 교류 입,출력 전원이 회전 주파수와 다수의 극(pole)을 갖는 적당한 주파수를 포함함으로서 동기적으로 운전되었다. 동기 모터(snychronous motor)는 직접적으로는 전원 그리드(grid) 예를 들어 전기 유틸리티 또는 선박,항공 시스템에서 종종 400Hz로 사용되는 50 또 는 60 Hz의 그리드와 직접적으로 연결되어 있고, 따라서 특정 속도에서 치입 극 수의 변화에 따라 얻어지는 여러 형태로 운전된다. 동기 운전의 경우, 원동기(prime mover)의 회전 주파수는 안정적인 주파수를 제공하도록 제어되어야 한다. 지금까지 알려진 구조를 갖는 장치에서 제한된 극수를 갖는 모터로 구현되는 원동기는 너무 높거나 낮은 회전 주파수로 구동된다. 이와 같은 경우, 구동 장치(rotating mach ine)는 장치 샤프트(shaft)에 직접 연결될 수 없어 기어박스가 사용되어야 함에 따라 추가적인 복잡한 작업이 필요하고 효율성도 저하된다. 예를 들어, 권선형 터빈(wind turbine)들은 너무 느리게 회전되어 통상의 모터에서는 보다 많은 극(pole)을 필요로 하게 된다. 그러나 반대로 원하는 장치 효율을 갖는 적당한 운전을 얻는 경우 예를 들어, 가스 터빈은 너무 빠르게 회전되기 때문에 극수는 감소되지만 그 발전 주파수는 과도하게 높다. 따라서 모터와 발전기의 조합이 원활한 출력 전환에 유용할 것이다. 역 EMF 제어(back EMF control)용의 오정렬 수단을 포함하는 본 실시예의 전기 장치는 전원 변환기(conversion) 특히, 광범위한 속도 범위 및/또는 이종 전원(disparate power)이 필요한 장치에서 유용하게 사용될 수 있다.

이하에서 사용되는“전력 기기”(power electronics)는 직류(DC) 또는 특정 주파수의 교류(AC) 및, 직류 또는 교류의 출력 전원에 해당하는 파형의 형태로 공급되는 전기 전원을 변화시키는 전기 회로를 의미하는데, 예를 들어 전압, 주파수 및 파형중 적어도 하나로 차별화된 입력과 출력의 전원을 변환시키는 전기적인 회로를 의미한다. 이와 같은 변환은 전력 변환 회로로 구현된다. 주파수를 유지하는 통상의 트랜스포머를 사용하는 교류 전원의 전압 변환기와 직류를 제공하는 간단한 교류의 브릿지 정류(bridge rectification)를 이용하기 보다는, 현재에는 비선형 반도체 장치와 다른 활성 제어를 가능하게 하는 구성요소(components)들을 기본적으로 사용한다.

보다 구체적으로 살펴보면, 본 발명에 관련된 장치는 통상의 장치들보다 더 광범위한 속도 범위 이상으로 구동되는 모터 또는 발전기에 관한 것이다. 지금까지 통상적으로 구동모터와 발전기 모두에 사용되어 왔던 기어박스의 제거를 가능하게 한다. 그러나, 이경우 통상 장치보다 광범위한 전기 주파수 범위 이상으로 운전되지만 전력 기기 사용은 그대로이다.

기계에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치(dynamoelectric machine)의 모터 구동시, 장치는 전력 기기 그리드, 전기화학 건전지,연료 전지, 태양 전지, 또는 다른 적당한 전기 에너지 발생원 등의 전기 공급원과 전기적으로 연결되어 있다. 필수적으로 발생되는 기계적인 부하(load)가 장치 샤프트에 가해진다. 통상의 경우, 장치 샤프트는 기구적으로 원동기(동력원)에 연결되고, 시스템은 어떤 형태의 전기 기기나 전기 에너지 저장기기를 포함하는 전기 소자(load)와 연결될 수 있다. 또한 상기 장치 시스템은 재생 모터 시스템으로 사용될 수 있는데, 예를 들어 자동차, 바람직하게는 자동차의 추진력을 제공하고 정지시 남은 운동에너지를 건전지에 충전되는 전기 에너지로 변환하는 자동차의 구동바퀴와 연결될 수 있다.

기본적으로 본 발명의 축 공극 장치 시스템에 유용한 전력 기기 수단(power electronics means)은 전기-기계적인 운전, 규칙 및 제어를 충분하게 유지하는 기계-전기적인 부하의 변이를 조절하도록 충분한 가동 범위를 갖는 활성 제어(active control)를 포함해야 한다. 어떤 형태의 동력 변환 위상이 사용될 수 있는데, 브스트(boost), 벅(buck) 및 플라이백 변환기(flyback converter)를 사용하는 스위칭 조정기(regulator) 및, 펄스폭 변조를 포함한다. 바람직하게는 전압 및 전류 모두가 독립적으로 위상-제어 될 수 있고, 전력 기기 제어는 직접적인 샤프트 위치 감지를 통하거나 또는 통하지 않고 모두 구현될 수 있다. 추가로 모터 또는 발전 모드에서 시계 또는 반시계반향으로의 장치 운전을 가능하게 하는 4-분할 제어(four-quadrant control)가 제공되는 것이 바람직하다. 바람직하게는 전류-루프(current-loop)와 속도-루프(velocity-loop) 모두의 제어 회로가 포함되는데, 이는 토르크-모드와 스피드-모드 제어가 사용됨으로서 가능하다. 안정적인 운전을 위하여 바람직하게는 전력 기기 수단은 원하는 주파수의 크기의 10배에 해당하는 범위의 주파수 제어 범위를 갖추어야 한다. 예를 들어, 본 발명의 시스템에서 대략 2kHz 이상의 정류 주파수를 유지하는 구동 장치는 적어도 20 kHz 이상의 주파수 제어-루프 범위를 갖추어야 한다. 통상 모터 운전에 사용되는 제어기(controller)는 1 GBT의 반도체 스위칭 소자를 사용한다. 이 기기는 주파수의 스위칭 손실이 증가하는 것을 차단하고, 따라서 대략 1000 kHz 이상의 정류 주파수대에서 가동되는 것이 바람직하다. 따라서 모터 시스템은 잇점(예를 들어 전원 밀도의 증대)을 제공하면서 결과 적으로는 저 손실 재질로 제조하는 것을 가능하게 하는 보다 높은 정류 주파수를 제공하는 덜 비싼 1 GBTs의 사용을 가능하게 하는 600-1000 Hz 범위의 정류 주파수 범위로 것이 가장 이상적이다. 실제 운전시, 적당한 정류기 브릿지들(rectifier bridges)은 보다 높은 정류 주파수(commutating frequency)에서의 운전을 가능하게 할 것이다.

다른 바람직한 실시예에서, 장치는 외부로 부터 인가된 전기 신호에 의하여 작동되는 오정렬 수단(misalignment means)과 상기 오정렬 수단을 가동시키는 적당한 신호를 제공하는 회로를 추가로 포함하는 전력 기기 수단을 포함한다. 바람직하게는, 역 EMF 를 제어하기 위한 오정렬 수단의 사용은 전력 기기 수단의 복잡성과 전기적인 정격(rating)을 감소시키는 것을 가능하게 하고, 따라서 전력 기기 수단의 간소화된 제조와 비용 절감을 가능하게 한다. 특히 오정렬은 고속 운전중에도 전력 기기 수단에 의하여 조작되는 전압을 선택적으로 제한하는 것을 가능하게 한다. 바람직하게는, 오정렬은 전력 기기 수단으로부터 상기 오정렬 수단으로 전송되는 신호를 사용함으로서 제어될 수 있다. 또한 바람직하게는 오프 셋(off set) 량이 조정될 수 있다. 즉, 상기 오프셋 량은 장치 속도를 가지고 공통적으로 조정된다. 예를 들어 부분적으로 속도 증대가 가능하다.

다음의 실시예들은 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위해 제공되었다. 본 발명의 원리와 실행을 도시하도록 제시한 특정한 기법, 조건, 재료, 성질 및 기록 데이터는 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석할 수 없다.

실시예

가변 속도 발전기

발전기에서, 토크는 항상 일정한 방향을 갖는다. 즉, 원동기의 회전에 저항한다. 원동기는 발전기를 구동하는 장치로서, 예컨대, 가솔린 또는 디젤 엔진, 터빈, 수차 또는 회전 기계 에너지원 등이다. 저속에서, 원동기는 낮은 출력을 가지므로, 발전기의 전력 발생 능력은 낮다. 원동기는 대개 고속에서 더 큰 동력을 발생하므로, 발전기는 고속에서 더 큰 동력을 발생하도록 설계되어야 한다.

발전기 출력은 모든 속도에서 원동기 출력과 부합해야 이상적이다. 전력용 반도체의 개선으로 인해, 전력용 전자 변환기가 주파수 범위에서 대량의 전력을 받아, 출력 동력을 DC 또는 다른 주파수의 합성 파형으로 효율적이고도 비용 효과적으로 전달할 수 있다. 따라서, 설계자들은 요구되는 출력 주파수에 매인 고정 속도로 회전하거나 변속장치와 같은 속도 정합 장치를 포함해야 하는 동력원에 한정되는 대신, 더욱 고속 또는 가변 속도로 동작하는 원동기를 얻도록 설계를 최적화할 수 있다.

모든 속도에서 출력 전압이 일정하면 바람직하다. 이들 특징은 매우 간단하고 덜 비싼 동력 전자 제어 기법을 가능하게 한다. 따라서, 가변 속도와 가변 동력의 상황을 위해 가장 바람직한 상태는 출력 전류만이 변하거나 최소로 변하는 것이다.

회전 가능한 고정자가 가변 지점에 장착되면, 회전 고정자는 가해진 토크의 함수로서 제한된 양만큼 이동할 수 있다. 회전 가능한 고정자는 0 오정렬 위치에 안착되면, 최대치의 발생 EMF를 낳을 수 있다.

바람직한 원동기 속도 프로파일은 원동기가 고출력을 위해 고속으로 작동하고 저출력을 위해 저속으로 작동하는 것이다.

저속에서, 출력과 전류는 낮다. 토크는 발생한 출력을 속도로 나눈 함수이므로, 토크도 역시 낮다. 따라서, 원동기 속도는 더 큰 출력, 전류 및 토크를 공히 발생하도록 통상 증가한다. 증가하는 토크는 회전 고정자를 탄성력에 의해 결정되는 정도만큼, 다소 이동하게 한다. 회전 고정자 자체는 발생한 EMF를 감소하게 하지만, 동시에 증가한 속도가 발생한 EMF를 증가시킨다. 이들 적어도 부분적인 오프셋 증가와 감소는 바람직한 거의 일정한 출력 전압을 발생시키도록 장치 설계자에 의해 주의 깊게 설계된다. 당업자라면, (스프링의) 탄성력, 최소 오정렬에서의 발생 EMF, 회전 정도에 따른 EMF의 비선형 감소, 속도에 의한 발생 EMF의 선형적인 증가 및 전체적인 전기 회로도와 그에 따른 위상도를 주의 깊게 고려할 때, 바람직한 일정 전압 출력을 발생하는 장치를 설계할 수 있다.

고정자에 발생한 토크가 고정자를 이동시킬 힘을 공급하도록 할 수도 있다. 도 23은 본 발명의 본 실시예에 따른 작동하고 있는 발전기의 매개변수를 플로팅한 것을 보여준다. 회전자 토크는 동력 출력과 전류의 증가에 따라 증가한다. 고정자에 작용하는 증가하는 회전자 토크는 회전 가능한 고정자에 부착된 스프링에 의해 공급되는 장력을 최종적으로 극복하여, 회전 가능한 고정자가 회전하게 한다. 회전 가능한 고정자의 회전은 발생한 EMF를 떨어뜨려, 전압을 제한한다. 따라서, 본 발명의 본 실시예에서, 회전자는 일정량의 토크를 양쪽 고정자 내의 코일에 흐르는 전류의 직접 함수로서 발생시킨다. 이렇게 해서, 본 발명은 거의 일정한 전압을 제공하는 자기 조정 장치를 제공한다.

비록 본 발명을 다소 상세히 기재하였지만, 위 세부 내용으로 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 추가적으로 변형 및 수정을 할 수 있다. 예컨대, 고정자는 임의의 수의 서로 다른 각도로 오프셋되어 서로 다른 결과를 제공할 수 있다. 이러한 수정물은 첨부한 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 범위에 당연히 포함된다.

Claims (19)

1. (a) 제1 권선부 세트가 배치된 제1 고정자;

   (b) 제2 권선부 세트가 배치되고, 상기 제1 고정자에 대하여 선택적으로 정렬되어 상기 제1 고정자로부터 오프셋되는 제2 고정자; 및

   (c) 상기 고정자들 사이에서 축방향으로 배치되고, 축을 중심으로 회전하도록 지지되는 회전자를 포함하고, 상기 고정자들은 아몰포스(amorphous), 나노 크리스탈린(nanocrystalline) 금속 및 최적화된 Fe- 베이스 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어진 박판층(laminated layer) 들을 갖는 도넛 형의 코어(toroidal core)들을 포함하는 축방향 공극 전기 장치.
2. 제1항에 있어서,

   (d) 상기 제1 권선부 세트에 연결된 제1 전파 다이오드 브릿지; 및

   (e) 상기 제2 권선부 세트에 연결된 제2 전파 다이오드 브릿지를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 고정자와 제2 고정자 사이의 오프 셋은 상기 축방향 공극 장치의 기본 주파수의 1/12인 것임을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 고정자들의 오프 셋을 조정하기 위한 오정렬 수단을 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 오프 셋은 실제적인 완전 정렬로부터 슬롯-피치의 반 및 완전 폴-피치(full pole-pitch) 중의 어느 하나의 오프셋 량만큼의 오정렬에 걸친 범위의 오프셋 량 만큼 조절가능한 것임을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
6. 제3항에 있어서, 상기 오정렬 수단은 적어도 2위치 솔레노이드; 보이스 코일 모터; 피에조 전기 액튜에이터; 기어 또는 리드 스크류를 갖는 스태퍼 또는 다른 모터; 진공 실린더; 공압 실린더; 유압 실린더; 및 선형 모터 중의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 오정렬 수단은 스태퍼 모터와 리드 스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 박판 층은 아몰포스 금속으로 이루어지는 것임을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 자석은 희토류-천이 금속 합금(a rare earth-transition metal alloy)으로 이루어지는 것임을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 슬롯/상/폴 비율(the slot per phase per pole ratio)은 대략 0.25 내지 1임을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 슬롯/상/폴 비율은 0.50임을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
12. 제1항에 있어서, 적어도 16 폴(poles)들을 갖는 것임을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
13. 제1항에 있어서, 대략 500 Hz 내지 3 KHz 에 걸치는 정류 주파수(commutating frequency)로서 작동되는 것임을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 장치를 인터페이스하고 제어하며 그것에 작동가능하게 연결되는 전력 기기 수단을 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 공극 장치.
15. (a) 제1 권선부 세트가 배치된 제1 고정자; 제2 권선부 세트가 배치된 제2 고정자; 및 상기 고정자들 사이에서 축방향으로 배치되고, 축을 중심으로 회전하도록 배치되는 회전자를 포함하고, 상기 고정자들은 아몰포스(amorphous), 나노 크리스탈린(nanocrystalline) 금속 및 최적화된 Fe- 베이스 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어진 박판층(laminated layer) 들을 갖는 도넛 형의 코어(toroidal core)들을 포함하는 축방향 공극 전기 장치를 제공하는 단계; 그리고

    (b) 상기 제1 고정자에 대하여 제2 고정자를 선택적으로 정렬하여 상기 제2 고정자가 제1 고정자로부터 오프셋 량만큼 오프셋 되도록 하는 단계;를 포함하는 축방향 공극 장치의 작동 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 오프셋 량은 장치의 토크 리플을 감소시키도록 선택됨을 특징으로 하는 방법.
17. 제15항에 있어서, 상기 장치는 최소 오프셋으로부터 최대 오프셋에 걸친 범위의 량만큼 상기 고정자들의 오프셋을 조절하기 위한 오정렬 수단을 추가 포함하고, 상기 오정렬 수단을 사용하여 상기 오프셋 량을 조절하는 단계를 추가 포함함을 특징으로 하는 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 오프셋 량은 실제적으로 일정한 전압 특성을 유지하도록 조절되는 것임을 특징으로 하는 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 전력 기기 수단으로부터 상기 오정렬 수단으로 전송된 신호를 사용하여 상기 오프셋 량의 조절을 적합하게 제어하는 단계를 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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