KR20080089636A - 유도 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

환형 유도 디바이스는 보빈 권선 기술들이나 권선 자성 패턴 부재들의 이용을 통해 높은 효율성으로 제조된다.

Description

유도 장치 및 그 제조 방법{INDUCTIVE DEVICES AND METHODS OF MAKING THE SAME}
본 출원서는 "Electrical Core Coils and Transformers and Processes For Making Same"이라는 제목의 2006년 1월 18일에 출원된 미국 가출원 번호 제 60/759,577호; "Inductive Devices and Process for Making Same"이라는 제목의 2006년 1월 18일에 출원된 미국 가출원 번호 제 60/759,567호; 및 "Inductive Devices and Process for Making Same"이라는 제목의 2006년 1월 18일에 출원된 미국 가출원 번호 60/759,566호의 이익을 주장하고, 이들은 각각 그 전문이 본 명세서 인용 참조 된다.
본 발명은 일반적으로 전기 디바이스의 전기장(field)에 관한 것으로, 더 상세하게는 유도 장치 및 그 제조 방법들에 관한 것이다.
코일과 트랜스포머(transformer)와 같은 종래의 유동 장치들은 백 년에 걸쳐 광범위하게 사용되었다. 유도 장치들은 전력 분배, 모터 및 발생기, 파워서플라이 등을 포함하는 다수의 기술 영역들에 적용된다. 전력 분배는 발생원으로부터 최종 사용자(end user)에게 전력을 효율적으로 전달하기 위해, 분배 시스템 내의 다수의 지점들에서 유도 디바이스들에 의해 달성된 변환(transformation)을 포함할 수 있 다. 전력 분배와 같이 낮은 주파수 이용을 위해 구성된 유도 디바이스들은 통상적으로 고체 자성 재료(solid magnetic material)들을 통합한다. 유도 디바이스들에 사용된 자성 재료의 개선들이 행해졌지만, 이들 개선들은 통상적으로 증분적(incremental)이었다.
종래의 트랜스포머들은 일반적으로 3 개의 타입들 - 라미네이트 코어(laminate core), 권선 코어(wound core) 및 환형(toroidal) - 중 하나로 분류될 수 있다. 라미네이트 코어 트랜스포머들이 아마도 가장 폭넓게 사용되며, 전기 코일들이 권선된 자성 재료의 라미네이트된 시트 코어를 포함한다. 예를 들어, 라미네이트 코어 트랜스포머들은 소위 "E" 및 "I" 코어 라미네이트 디바이스들을 포함한다. 권선된 코어 디바이스들은 시트 스톡(sheet stock)으로 구성된 자성 코어를 포함한다. 권선된 코어 트랜스포머들은 흔히 전력 분배 어플리케이션들에 사용된다. 환형 트랜스포머들은 유틸리티 전력 분배에 통상적으로 요구되는 크기 범위 이하의 어플리케이션들에서 가장 많이 적용되었다.
환형 트랜스포머들 및 인덕터들은 흔히 많은 바람직한 동작 특성들을 갖지만, 앞서 언급된 다른 2 개의 타입들보다 제조 비용이 더 증가되는 경향이 있다. 또한, 환형 디바이스들은 유도 디바이스나 그와 연계된 회로의 손상과 고장을 유발할 수 있는 무거운 돌입 전류(heavy inrush current)와 연계된 고유한 문제를 갖는다. 돌입 전류 문제는 주로 종래의 환형 디바이스들에서 자성 갭 제어의 부족으로 인해 발생한다.
종래의 유도 디바이스 구성은, 특히 자성 재료들의 취급 및 자성 재료들을 전도체 코일들에 결합하는 것에 관련하여 흔히 수동 동작들의 사용을 수반한다. 또 다른 공통적인 한계는 상기 디바이스들이 동작 중에 자기장을 교란시키거나 왜곡시키는 지오메트리들의 사용과 관련된다.
라미네이트 트랜스포머들 및 권선된 코일 트랜스포머들은 흔히 제조시 상당한 수작업을 필요로 한다. 또한, 종래의 환형 타입 디바이스들은 복잡한 기계의 도움에도 제조 비용을 증가시키는 수동 구성 동작들을 수반한다. 몇몇 종래의 디바이스들에서는, 전기 권선들이 환경에 노출되며, 이는 전자기 간섭과, 종래의 유닛으로부터 주변 환경으로의 자속 손실을 유도할 수 있으며, 또한 상기 디바이스들이 외부 전자기 간섭을 겪게 할 수 있다. 또한, 종래의 디바이스 설계들은 그 주변에 고르지 않게 배치된 자성 구성요소들을 갖는 전도체들의 결과로서 자속 패턴(magnetic flux pattern)의 수차들을 나타낼 수 있다. 자성 재료의 고르지 않은 배치는 릴럭턴스에 영향을 주며, 자속 경로를 방해함에 따라, 기본 주파수에 영향을 주고, 바람직하지 않은 조화 활동(harmonic activity)을 촉진시킨다.
본 발명은 유도 디바이스들, 및 상술된 배경을 참작하여 고려된 관련 제조 방법들을 제공한다.
일반적으로, 유도 디바이스들 및 그 제조 방법들이 개시된다. 예를 들어, 본 발명은 일반적으로 환형 형상으로 구성된 전기 권선 구성요소들을 갖는 코일들, 초크(choke)들 및/또는 트랜스포머들에 적용될 수 있으며, 전기 권선 구성요소들은 디바이스의 물리적 코어를 구성한다. 와이어 또는 좁은 스트립 재료(strip material)의 자성 구성요소들은 전기 코어 주위에 권선될 수 있다. 와이어 또는 좁은 스트립(또는 그 조합)의 이러한 자성 구성요소들은 전기 코어 주위에 다중 원통 또는 스플레이 원통(splay cylinder)(즉, 섹터형(sector shaped) 구성요소)들을 형성하도록 권선될 수 있으며, 전기 구성요소 리드(lead)들은 자성 구성요소들의 방해를 최소화하는 방식으로 디바이스로부터 돌출된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 전기 코일은 원통형 섹터 형상의 코일을 형성하도록 편장(oblong) 구성으로 권선된다. 복수의 이러한 전기 코일들은 자성 와이어 등과 함께 결합될 수 있는 내부 "코어" 구조를 제공하도록 본질적으로 원통형 형상으로 함께 조립될 수 있다. 결과적인 구조는, 예를 들어 트랜스포머들 및 전기 모터 고정자(stator)에 적용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 유도 디바이스의 자성 구성요소(들)는 사행형(serpentine) 또는 맨드릴(mandrel) 상에 권선된 다른 와이어 패턴으로부터 형성될 수 있고, 환형 전기 코어는 동일한 맨드릴 상에 권선될 수 있음에 따라, 환형 유도 디바이스들이 단순한 제조 장치 상에 용이하게 조립될 수 있게 한다.
다음은 본 발명의 여러 특정 실시형태들의 예시이다.
A. 실질적으로 환형 형상을 갖는 전기 권선 및 상기 전기 권선 주위에 배치된 보빈(bobbin)을 제공하는 단계, 상기 보빈에 자성 재료를 부착하는 단계, 및 상기 전기 권선에 대해 상기 보빈을 회전시킴으로써, 상기 보빈 상에, 이에 따라 상기 전기 권선 주위에 자성 재료를 권선하는 단계를 포함하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
B. 일반적으로 세장형(elongated) 환형 구성으로 형성된 전기 코일, 및 세장 방향을 따라 상기 전기 코일 주위에 배치되고, 상기 전기 코일의 내부 개구부를 통과하지 않고 상기 전기 코일의 전기 권선 방향에 대해 횡방향으로(transversely) 감싸진 자성 구성요소를 갖는 유도 디바이스.
C. 실질적으로 환형 형상을 갖는 전기 권선, 복수의 보빈 - 그 각각은 상기 전기 권선 주위에 배치되고 서로 원주방향으로 오프셋(offset)됨 - , 및 복수의 자성 구성요소들 - 그 각각은 상기 복수의 보빈들 중 대응하는 하나 상에 권선됨 - 을 갖는 유도 디바이스로서, 상기 복수의 자성 구성요소들 중 1 이상은 복수의 별개의 자성 하위구성요소(discrete magnetic subcomponent)를 포함한다.
D. 실질적으로 환형 형상을 갖는 전기 권선, 상기 전기 권선 주위에 배치된 1 이상의 원통형 자성 구성요소, 및 상기 전기 권선 주위에 배치된 1 이상의 섹터 형상 자성 구성요소를 포함하는 유도 디바이스.
E. 일반적으로 환형 형상으로 형성된 전기 구성요소를 포함하는 유도 디바이스로, 상기 전기 구성요소는 제 1 일차 권선(primary), 제 2 일차 권선, 제 1 이차(secondary) 권선 및 제 2 이차 권선을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 이차 권선들은 서로 인접하여 배치되며, 상기 제 1 일차 권선은 환형 형상의 내주 부분 상에 배치되고, 상기 제 2 일차 권선은 상기 환형 형상의 외주 부분 상에 배치되며, 자성 구성요소가 상기 전기 구성요소를 전체적으로 또는 부분적으로 둘러싼다.
F. 복수의 제 1 세장형 전기 구성요소들 - 그 각각은 실질적으로 원통형 섹터 형태로 되어 있음 - , 및 복수의 제 2 세장형 전기 구성요소들 - 그 각각은 실질적으로 원통형 섹터 형태로 되어 있음 - 을 갖는 유도 디바이스로서, 상기 복수의 제 1 세장형 전기 구성요소들 및 상기 복수의 제 2 세장형 전기 구성요소들은 실질적으로 원통형 형상을 형성하도록 배치된다.
G. (a) 일 형태 상에 상기 자성 패턴 부재의 권선 방향에 대해 횡방향인 교번 방향(alternating direction)들로 연장되는 연속한 세장형 자성 재료를 포함하는 상기 자성 패턴 부재를 상기 형태 상에 권선하는 단계 ; 및 (b) 상기 교번 방향에 대해 횡방향인 권선 방향으로 상기 형태 상에 전기 구성요소를 권선하는 단계를 포함하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
H. 상기 G 문단에 설명된 방법에 따라 형성된 유도 디바이스.
본 발명의 이전 및 다른 실시형태들, 또한 그 다양한 특징들 및 장점들은 첨부한 도면들과 연계한 다음의 상세한 설명으로부터 더 쉽게 이해될 것이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 환형 유도 디바이스를 제조하는 방법을 설명하는 도면들;
도 4는 본 발명의 방법을 구현하기 위한 장치의 개략도;
도 5는 본 발명의 방법의 변형예를 설명하는 도면;
도 6은 본 발명의 또 다른 변형예를 설명하는 도면;
도 7a 내지 도 7c는 전기 코어 상에 완료된 자성 구성요소들을 체결(secure)하는 예시적인 수단을 도시하는 도면;
도 8a는 스플레이된 외부면을 갖는 자성 요소를 갖는 일 실시예의 도면;
도 8b는 예시적인 제거가능한 보빈의 개략도;
도 9는 스플레이된 자성 구성요소들을 갖는 일 실시예의 도면;
도 10은 스플레이된 자성 구성요소들 및 스플레이되지 않은 자성 구성요소들을 갖는 일 실시예의 도면;
도 11은 대안적인 스플레이된 자성 구성요소들 및 스플레이되지 않은 자성 구성요소들을 갖는 일 실시예의 도면;
도 12는 자성 구성요소의 권선을 용이하게 하는 직선 부분을 포함하는 전기 코어의 도면;
도 13은 환형 형상을 갖는 자성 구성요소가 권선된 환형 전기 코어를 갖는 일 실시예의 도면;
도 14는 각각 환형 형상을 갖는 2 개의 자성 구성요소들이 권선된 환형 전기 코어를 갖는 일 실시예의 도면;
도 15는 각각 환형 형상을 갖는 다수의 자성 구성요소들이 권선된 환형 전기 코어를 갖는 일 실시예의 도면;
도 16은 복수의 자성 구성요소들이 권선되고 섹터 형상으로 형성된 전기 코어를 갖는 일 실시예의 도면;
도 17은 세장형 형상을 갖는 예시적인 전기 코일의 단면도;
도 18은 본질적으로 원통형 섹터 형태를 갖는 세장형 전기 코일의 사시도;
도 19는 도 18에 도시된 코일의 평면도 및 단면도(end view);
도 20은 일반적으로 원통형 셩상을 갖는 구조를 형성하도록 배치된 원통형 섹터 세그먼트들을 갖는 일 실시예의 단면도;
도 21은 서로 근사 위치에 배치되고, 전기 리드 연결들을 갖는 원통형 섹터 형상의 세장형 권선 세그먼트들을 갖는 일 실시예의 단면도;
도 22는 직렬로 연결된 전기 코일들을 갖는 일 실시예의 단면도;
도 23은 복수의 직렬-연결된 일차 권선들 및 복수의 직렬-연결된 이차 권선들을 갖는 트랜스포머 실시예의 단면도;
도 24는 복수의 병렬-연결된 일차 권선들 및 복수의 병렬-연결된 이차 권선들을 갖는 트랜스포머의 단면도;
도 25는 세장형 전기 코일들 및 원통형 섹터 형상을 갖는 세장형 전기 코일들을 포함하는 트랜스포머 실시예의 단면도;
도 26은 자성 재료로 외부 상에 감싸지고 또한 함께 배치된 복수의 세장형 전기 코일들을 갖는 일 실시예의 도면;
도 27은 회전자가 전기 코일 조립에 의해 둘러싸이도록 코일 조립체의 중심에 배치된 회전자를 갖는 대신에 전기 코일 세그먼트들을 갖는 일 실시예의 도면;
도 28은 본 발명의 또 다른 방법에서 사용하기 위한 사행형 구성으로 형성된 예시적인 와이어 재료의 개략도;
도 29 및 30은 본 발명에서 사용될 수 있는 와이어 재료의 또 다른 형태를 도시하는 도면;
도 31은 예시적인 권선 장치의 개략도;
도 32는 일반적으로 환형 형태를 갖는 전기 코일에 대응하도록 적절한 아크 형상으로 형성된 자성 재료 구성요소의 측면도;
도 33은 본 발명에 따른 고리형 형상의 내부 및 외부 상에 도시된 자성 권선들의 부분들을 갖는 디바이스로의 도입 및 도출을 나타낸 리드들을 갖는 마무리된 예시적인 트랜스포머의 단면도(cut-away view);
도 34는 도 33에 도시된 디바이스의 외형도;
도 35는 도 33에 도시된 디바이스의 또 다른 외형도;
도 36은 전기 코일 코어의 내부 개구부를 통과하지 않는 보빈에 의해 에워싸인 세장형 전기 코어를 갖는 일 실시예의 도면;
도 37은 다수의 일차 및 이차 권선들을 갖는 일 실시예의 단면 측면도; 및
도 38은 도 37에 도시된 디바이스의 단면 정면도를 도시한다.
아래에 설명되는 실시예들은 본 발명의 비-제한적인 예시들을 나타낸다. 몇몇 경우들에서, 어떤 특징들은 특정 실시예의 더 명확한 이해를 쉽게 하기 위해 과장되거나 확대되어 도시된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 환형 유도 디바이스를 제조하는 방법을 설명하는 도면이다. 특히, 유도 디바이스를 제조하는 방법은 환형 전기 코어(12)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 환형 전기 코어(12)는 전기 리드들(14)을 포함할 수 있다. 유도 디바이스는 인덕터, 초크, 트랜스포머 등으로서 사용하도록 구성될 수 있다. 전기 코어(12)는, 예를 들어 전기 와이어나 전기 스트립으로 형성될 수 있다. 전기 코어(12)를 형성하는 전도성 재료는 바람직하게 전기 절연 재료로 코팅 된다. 환형 형상의 전기 코어(12)는 전기 코어가 자성 구성요소들에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 에워싸이도록 1 이상의 자성 구성요소들이 주위에 배치될 수 있는 형상을 제공한다.
전기 리드들(14)은 유도 디바이스를 또 다른 전기 디바이스, 시스템 또는 회로에 연결하기 위해 사용될 수 있다. 전기 코어로부터 연장된 리드들의 개수는 전기 코어 구성요소를 구성하는 개별 권선들 또는 코일들의 개수 및/또는 개별 권선들이 어떻게 전기 코어 구성요소 내에 연결되는지와 같은 다수의 요인들에 의존할 수 있다. 또한, 리드들의 배치는 특정 어플리케이션의 요건들에 의존하여 요구에 따라 선택될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 유도 디바이스를 제조하는 방법은 전기 코일 주위에 배치된 보빈(16)의 제공으로 계속된다. 보빈(16)은 전기 코어(12)에 대해 충분히 느슨하게 체결되므로, 보빈(16)은 전기 코어(12) 주위에 자성 구성요소의 권선을 가능하게 하도록 전기 코어(12)에 대해 용이하게 회전될 수 있다. 보빈(16)과 전기 코어(12) 간의 마찰을 최소화하고, 이에 따라 회전의 결과인 어느 구성요소의 마찰 손상을 감소시키거나 방지하기 위해, 테플론(Teflon), 실리콘 또는 다른 적절한 윤활제와 같은 윤활물이 전기 코어(12)의 외부면 및/또는 보빈(16)의 내부면에 적용될 수 있다. 윤활물은 전기 절연체일 수 있다.
보빈(16)은 플라스틱, 섬유 강화 플라스틱(fiber reinforced plastic), 또는 다른 적절한 재료로 형성될 수 있다. 보빈(16)은 이후에 제거가능하게 및/또는 재사용가능하게 만들어질 수 있거나, 유도 디바이스의 영구 부분이 될 수 있다. 보 빈(16)은 쇼울더(shoulder) 없이 원통으로서 형성될 수 있거나, 도시된 바와 같이 쇼울더를 갖는 원통으로서 형성될 수 있다. 보빈 상에 권선된 자성 재료가 파괴하여야 한다면, 자성 재료는 보빈에 단순하게 재부착될 수 있고, 권선이 계속될 수 있다. 또한, 다수의 자성 서브구성요소들이 보빈(16) 상에 권선될 수 있다. 자성 재료는 단일 스트랜드 와이어(strand wire), 다중-스트랜드 와이어, 단일 스트립, 다중 스트립들, 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
도 3은 와이어 또는 스트립 자성 재료(20)의 공급 릴(supply reel: 18)을 갖는 단일 와이어 권선 구성을 나타낸다. 공급 릴(18)은 보빈(16) 상으로의 권선을 위해 자성 재료(20)를 공급한다. 상기 보빈(16) 상으로의 자성 재료(20)의 권선은 수동으로, 자동으로, 또는 그 조합을 통해 수행될 수 있다.
실제로, 자성 재료(20)의 단부는 보빈(16)에 부착될 수 있다. 그 후, 보빈(16)은 전기 코어(12)에 대해 회전된다. 보빈(16)이 전기 코어(12)에 대해 회전하기 때문에, 자성 재료(20)는 공급 릴(18)로부터 보빈(16) 상으로 공급됨에 따라, 전기 코일(12) 주위에 권선된 자성 구성요소를 형성한다.
도 3은, 예를 들어 전기 코어(12) 상으로 권선된 제 1 자성 재료 섹터로서 보빈(16) 상으로 단일 와이어의 권선 시작을 나타낸다. 단일 공급 릴(18)이 단일 자성 와이어(20)를 운반하는 것으로 도시되어 있지만, 공급 릴은 복수의 와이어들 또는 스트립들을 운반할 수 있다. 자성 구성요소의 밀도를 증가시키기 위해, 자성 와이어는 상이한 형상들 및/또는 상이한 크기들을 갖는 와이어들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자성 와이어는, 예를 들어 5:1과 6:1 사이인 원주율(circumference ratio)을 갖는 2 개의 상이한 크기들을 갖는 둥근 와이어들을 포함할 수 있다. 자성 와이어는 상이한 단면 형상들, 크기들, 및/또는 단면 영역들을 갖는 와이어를 포함할 수 있다. 다수의 와이어들 또는 다수의 스트랜드들은 상술된 방법에 따른 유도 디바이스를 생성하는데 사용될 수 있으며, 이러한 사용은 보빈(16)의 더 적은 회전을 요구할 수 있음에 따라, 제조 공정의 효율성에 기여할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 4는 보빈을 맞물리게 하고, 전기 코일 상에 자성 매질을 권선하도록 기동력원을 갖는 일 실시예의 개략도이다. 특히, 상술된 요소들에 추가적으로, 도 4는 보빈 회전자(22)를 도시한다. 보빈 회전자(22)는 구동부(24)(예를 들어, 속도-제어 전기 모터) 및 상기 구동부(24)의 회전가능하게 구동되는 샤프트에 부착된 보빈 구동 휠(26)을 포함한다. 도시된 형태에서, 보빈 구동 휠(26)은 보빈(16)의 단부 플랜지들과 마찰적으로 맞물리고, 전기 코어(12)에 대해 보빈(16)을 회전시킨다. 회전 이전에 보빈(16)에 부착된 자성 재료(20)는, 보빈(16)이 보빈 구동 휠(26)에 의해 회전될 때, 보빈(16) 상에 권선되며, 이에 따라 전기 코어(12) 주위에 권선된다. 자성 재료(20)는 접착제, 접착 테이프, 패스너(fastener) 등과 같은 여타의 적절한 수단들에 의해 보빈(16)에 부착될 수 있다. 자성 재료(20)가 보빈(16) 상에 권선될 때, 자성 재료(20)는 공급 릴(18)로부터 권선되지 않는다. 공급 릴은 자성 재료(20)의 비권선(unwinding)에 반응하여 자유롭게 회전할 수 있거나, 전력하에서 회전할 수 있다. 보빈 단부 플랜지들과의 맞물림을 용이하게 하기 위해, 보빈 구동 휠은 보빈 플랜지들과 탄성적으로 맞물리는 탄성(예를 들어, 고무) 외부면을 가질 수 있다.
도 5는 전기 코일 상에 제 2 자성 구성요소의 권선을 도시하는 도면이다. 특히, 상술된 요소들에 추가적으로, 제 2 보빈(28)이 도시된다. 도 5는 제 1 보빈(16) 상에 권선된 하나의 완료된 자성 구성요소와, 제 2 보빈(28) 상에 권선될 제 2 자성 구성요소를 갖는 생성 공정의 연속을 나타낸다. 제 2 자성 구성요소는 상술된 것과 동일한 방식으로 권선될 수 있다.
각각의 보빈이 요구에 따라 자성 재료로 권선된 후, 자성 재료 공급으로부터 분리(detach)될 수 있으며, 조합된 권선 자성 구성요소와 보빈은 접착제, 접착 테이프 또는 절연성 피막 재료와 같은 적절한 수단에 의해 전기 코어 상에 그 자리에 유지될 수 있다. 원하는 레벨로 보빈을 권선하고, 자성 재료로 다음 보빈을 권선하도록 이동하는 구성 공정은, 전기 코어가 또 다른 보빈에 대해 추가 공간이 전혀 없거나 거의 없을 때까지(즉, 전기 코어가 실질적으로 보빈들/자성 권선 구성요소들에 의해 실질적으로 에워싸지거나 둘러싸일 수 있을 때까지), 또는 완료된 작동 특성을 위해 충분한 자성 재료가 그 자리에 존재할 때까지 계속될 수 있다.
도 6은 다수의 공급 릴로부터 또는 하나의 공통 공급 릴로부터 나오는 여러 길이의 자성 재료를 동시에 전기 코어에 권하는 2 개의 수단을 도시한다. 특히, 보빈(또는 전기 코어) 상으로의 권선을 위한 다수의 와이어들 또는 스트립들을 공급하는 제 1 수단은, 각각이 단일 와이어 또는 스트립을 공급하는 다수의 스풀(spool: 30, 32, 34)들을 포함할 수 있다. 보빈(또는 전기 코어) 상으로의 권선을 위한 다수의 와이어들 또는 스트립들을 공급하는 제 2 수단은, 보빈(또는 전기 코어) 상으로 권선하기 위해 다수의 와이어들 또는 스트립들을 공급하는 단일 공급 릴(36)을 포함할 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 고리형 전기 코어에 완료된 자성 구성요소들을 체결하는 몇몇 예시적인 기술들을 나타낸다. 특히, 도 7a는 보빈(16)이 전기 코어 주위에 배치되고, 스페이서(38)가 전기 코어(12)의 외부면과 보빈(16)의 내부면 사이에 배치된 전기 코어(12)(단면으로 도시됨)의 개략도이다. 이러한 복수의 스페이서들이 보빈(16)과 전기 코어(12) 사이에, 바람직하게는 꼭 맞게(tightly) 고정될 수 있음에 따라, 보빈을 그 자리에 유지하고, 이를 전기 코어 주위에 그 위치에 유지할 수 있다.
도 7b는 보빈(16)이 전기 코어 주위에 배치되고, 자성 재료(40)의 별도의 권선이 전기 코어(12)의 외부면과 보빈(16)의 내부면 사이에 배치된 전기 코어(12)의 개략도이다. 상기 자성 재료(40)의 별도의 권선은 와이어, 스트립, 시트 재료(sheet material) 등을 포함할 수 있다. 또한, 자성 재료(40)는 보빈(16) 상에 권선된 자성 재료와 동일하거나 상이할 수 있다. 자성 재료(40)는 전기 코어(12) 주위에 보빈(16)을 그 자리에 유지하도록 돕는 웨지(wedge) 또는 "심(shim)"으로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 자성 재료(40)는 전기 코어(12) 상에 권선될 수 있으며, 그 후 보빈(16)은 전기 코어를 따라 또한 자성 재료(40) 상에서 슬라이딩될 수 있다.
도 7c는 보빈(16)이 전기 코어 주위에 배치되고, 접착제(42)가 전기 코어(12)의 외부면과 보빈(16)의 내부면 사이에 배치된 전기 코어(12)의 개략도이다. 접착제(42)는 보빈(16)을 전기 코어(12)에 대해 그 자리에 유지하는데 사용될 수 있다. 접착제(42)는 비자성 접착제일 수 있거나, 자성 파우더 또는 입자들과 같은 자성 재료로 주입된 접착성 재료에 의해 구성된 자성 접착제일 수 있다.
도 8a는 스플레이된 자성 구성요소(44)를 갖는 일 실시예의 도면이다. 스플레이된 자성 구성요소(44)는 전기 코어(12)의 외경 원주면(46) 바깥쪽으로 스플레이된다. 자성 구성요소(44)는 (보빈에 대해 자성 재료를 유도함으로써) 권선 시에, 또는 권선 후에 스플레이된 구성요소로서 형성될 수 있다. 스플레잉은 수동으로, 자동으로, 또는 그 조합을 통해 수행될 수 있다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 자성 구성요소들을 일반적으로 섹터 형상으로 스플레이함으로써, 환형 전기 코어의 외부 부분은 더 넓게 덮일 수 있으며, 이에 따라 더 큰 자성 효율성과 향상된 자성 차폐를 제공할 수 있다.
도 8b는 예시적인 제거가능한 보빈의 개략도이다. 특히, 제거가능한 보빈(48)은 내부 단 부분들(54)을 연결시키는 결합부에서 서로 분리가능한 제 1 부분(50) 및 제 2 부분(52)을 포함한다. 제 1 부분(50) 및 제 2 부분(52)은 인터록킹 부재(interlocking member)들을 함께 스냅(snap)하거나, 접착체를 적용하거나, 패스터를 이용하거나, 또는 상기 언급된 결합부를 형성하도록 여타의 적절한 수단들을 이용하여 결합될 수 있다. 또한, 제 1 부분(50) 및 제 2 부분(52)의 각각은 제 1 부분(50)과 제 2 부분(52)이 각각 절반으로 분리되게 하는 길이방향 결합부(56)를 포함한다. 보빈은 상기 코어에 대해 각각의 부분(50 및 52)의 2 개의 절반을 조립한 후, 부분들(54)에서 상기 부분들(50 및 52)을 함께 결합시킴으로써 전기 코어 상에 장착될 수 있다. 상기 보빈은 이 과정을 반대로 하면 제거될 수 있다.
도 9는 5 개의 스플레이된 자성 섹터 구성요소들이 각각 전기 코어(12)를 둘러싸고 리드들(14)을 구비한 환형 전기 코어를 갖는 일 실시예의 도면이다. 제 1 자성 구성요소들(44) 및 1 이상의 제 2 자성 구성요소들(58)(하나만 도시됨)은 전기 코어(12) 주위에 배치되고, 서로 원주방향으로 오프셋된다. 상기 자성 구성요소들(44 및 58)은 동일하거나 상이한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 자성 구성요소들(44)은 보빈 상에 자성 재료를 권선함으로써 형성될 수 있고, 또한 상술된 바와 같이 스플레이될 수 있으며, 본 명세서에서 인용 참조 되는 국제 특허 출원 공보 제 WO2005/086186호에 개시된 바와 같이 자오면(meridional plane)에 갭을 제공하도록, 자성 구성요소(58)는 지그(jig) 상에 섹터 형상으로 형성된 후, 절단되고, 지그로부터 제거되며, 전기 코어 주위에 배치될 수 있다.
도 10은 스플레이된 자성 구성요소들과 스플레이되지 않은 자성 구성요소들을 갖는 일 실시예의 도면이다. 특히, 도 10의 유도 디바이스는 상술된 기술에 의해 모두 권선된 5 개의 스플레이된 자성 구성요소들(60)과 2 개의 스플레이되지 않은, 또는 원통의 자성 구성요소들(62)을 포함한다. 스플레이된 자성 구성요소들은 일반적으로 섹터 형상을 갖는다. 스플레이되지 않은 자성 구성요소들(62)은 스플레이된 자성 구성요소들(60)이 권선된 후에 전기 코일(12) 상에 용이하게 권선될 수 있으며, 따라서 섹터 구성요소들(60)이 형성된 후에 전기 코어 상에서 감소된 양의 이용가능한 공간을 수용한다.
도 11은 점재된 스플레이된 자성 섹터 구성요소들과 스플레이되지 않은 자성 섹터 구성요소들을 갖는 일 실시예의 도면이다. 특히, 도 11은 교번하는 스플레이된 자성 재료 구성요소 섹터들(60)과 스플레이되지 않은 자성 구성요소들(62)의 구성을 도시한다. 고리 주위의 스플레이된 및/또는 스플레이되지 않은 자성 구성요소들의 간격 내의 갭들은 매우 작을 수 있거나, 원하는 특성들에 의존하여 실질적일 수 있다. 예를 들어, 전기 코어 및 자성 구성요소들의 냉각을 용이하게 하기 위해서는 큰 갭들이 채택될 수 있다.
도 12는 직선 부분(64)을 갖는 전기 코어의 도면이다. 직선 부분(64)은 상기 직선 부분(64) 주위에 배치된 보빈이 전기 코어(12)에 대해 용이하게 회전할 수 있게 하는 충분한 길이로 되어 있음에 따라, 자성 재료의 권선을 용이하게 한다. 자성 구성요소가 권선되었으면, 직선 부분에 권선될 또 다른 자성 구성요소에 대한 공간을 만들기 위해, 직선 부분(64)으로부터 멀리, 그리고 전기 코어의 길이를 따라 슬라이딩될 수 있다.
직선 부분(64)은 전기 코어(12)의 권선 시에, 또는 전기 코어(12)의 권선 후에 형성될 수 있으며, 영구적이거나 일시적일 수 있다. 일시적인 직선 부분의 경우, 상기 직선 부분은 자성 구성요소들의 권선이 완료된 후에 둥근 형상으로 복귀될 수 있다.
도 13은 환형 형상을 갖는 자성 구성요소가 권선된 환형 전기 코어를 갖는 일 실시예의 도면이다. 특히, 도 13의 유도 디바이스는 전기 코어(12), 상기 전기 코어에 연결된 리드들(14), 및 상술된 방식으로 전기 코어(12) 주위에 권선된 자성 구성요소(66)를 포함한다. 전기 코일의 내부 구멍은 자성 구성요소(66)에 의해 실 질적으로 채워진다.
도 14는 환형 형상을 갖는 2 개의 자성 구성요소들(66)이 각각 상술된 방식으로 권선된 환형 전기 코어를 갖는 일 실시예의 도면이다. 도 14의 유도 디바이스는 전기 코어(12)(리드들은 도시되지 않음), 및 각각 전기 코어(12) 주위에 권선된 2 개의 자성 구성요소들(66)을 포함한다. 2 개의 자성 구성요소들(66)은 전기 코어(12)의 일반적으로 반대쪽 부분들 주위에 배치된다.
도 15는 이전에 언급된 바와 같이 각각 환형 형상을 갖는 복수의 자성 구성요소들(66)이 권선된 환형 전기 코어를 갖는 일 실시예의 단면이다. 도 15의 유도 디바이스는 전기 코어(12)(리드들은 도시되지 않음), 및 상기 전기 코어(12)에 권선된 다수의(3 개 이상, 여기서는 7 개) 자성 구성요소들(66)을 포함한다. 전기 코어(12) 주위에 배치된 각각의 자성 구성요소들(66)은 서로 원주방향으로 오프셋된다.
도 16은 복수의 자성 구성요소들(66)이 배치된 전기 코어(12)를 갖는 일 실시예의 도면이다. 복수의 자성 구성요소들은 서로 원주방향으로 오프셋되고, 상술된 바와 같이 보빈을 갖는 전기 코어(12) 상으로의 권선에 의해 형성된다. 권선된 자성 구성요소들은, 권선이 비-원형 경로를 따르는 반면, 자속은 원형임에 따라, 그들이 원형 자속 경로를 가로지를 때 권선의 연속한 차례(turn)들 사이에서 "점프"하도록 강제된다는 사실에 의해 효율적인 자성 갭(구체적으로는, 분배된 갭)을 제공한다.
도 17은 일반적으로 세장의 환형 구성으로 형성된 전기 코일(76) 및 상기 전 기 코일에 연결된 리드들(70)을 갖는 예시적인 유도 디바이스(68)의 측면도이다. 전기 코일(76)은 화살표(72)로 표시된 세장 방향을 따라 연장된다. 또한, 유도 디바이스(68)는 전기 코일(76)의 전기 권선 방향에 대해 횡방향인 권선 방향으로 전기 코일(76) 주위에 권선되고, 또한 전기 코일(76)의 내부 개구부(74)를 통과하지 않는 자성 구성요소(73)를 포함한다. 선택적으로, 와이어, 스트립, 파우더, 자성 접착제 등과 같은 추가 자성 재료가 내부 개구부(74)에 배치될 수 있다.
도 18은 본질적으로 원통형 섹터 형태를 갖는 세장형 전기 코일을 도시한다. 특히, 원통형 섹터(78) 전기 구성요소는 섹터 형상의 단 부분(82) 및 세장형 측면(84)들을 갖는 전기 권선(80)을 포함한다. 전기 권선(80)은 전기 리드들(86)을 통해 연결된다. 원통형 섹터(78)는 지그(jig) 상에 전기 와이어를 권선함으로써 형성될 수 있다. 원통형 섹터(78)의 형성 시 또는 형성 후에 전기 와이어를 결합시켜, 요구되는 형태를 유지하기 위해, 접착성 재료가 사용될 수 있다. 또한, 원통형 섹터(78)를 그 권선된 구성으로 체결하기 위해, 테입 또는 다른 결합 재료가 사용될 수 있다.
와이어, 스트립, 파우더 재료 등의 형태로 된 자성 재료는 연속한 구성요소나 구간들에서 전기 코일(78)의 루프들에 의해 형성된 내부 영역 내에 배치될 수 있다.
도 19는 도 18에 도시된 코일의 평면도 및 단면도를 나타낸다. 특히, 원통형 섹터(78) 전기 구성요소는 섹터 형상의 단 부분(82) 및 세장형 측면들(84)을 갖는 전기 권선(80)을 포함한다. 전기 권선(80)은 전기 리드들(86)을 통해 연결된다. 전 기 구성요소(78)의 섹터 형상 구성은 다수의 원통형 섹터 형상의 전기 구성요소들이 전체 원통형 구조를 형성하도록 배치되게 할 수 있다.
도 20은 일반적으로 원통형 형상을 갖는 구조를 형성하도록 배치된 원통형 섹터 구성요소들을 갖는 일 실시예의 단면도이다. 도 20에서, 유도 디바이스(88)는 각각이 실질적으로 원통형 섹터 형태로 된 복수의 세장형 전기 구성요소들(78)을 포함한다. 복수의 세장형 전기 구성요소들(78)은 실질적으로 원통형 구조를 형성하도록 배치된다. 인접한 구성요소들 간의 간격은 조립된 구성요소들의 구조적 무결성을 보장하기 위해 절연성 접착제나 포팅 재료(potting material)로 채워질 수 있다. 구성요소들이 서로 이격되어 도시되지만, 상기 구성요소들의 인접한 측면들이 전기적으로 접촉하지 않는 한, 이러한 간격은 엄격하게 요구되지 않는다. 이를 위해, 여타의 적절한 절연 재료가 구성요소들 사이에 배치될 수 있거나, 권선들이 절연으로 코팅될 수 있다. 또한, 와이어, 좁은 스트립, 파우더 재료 등의 형태로 된 자성 재료는 그들이 가운데로 모이는 원통형 섹터들(또는 웨지들)의 부분들에 의해 정의되는 디바이스의 중심 영역에 설치될 수 있다.
도 21은 서로 근사한 위치에 배치되고 전기 리드 연결들(86)을 갖는 유사한 원통형 섹터 형상의 세장형 권선 세그먼트들(78)의 일 실시예의 단면도이다.
실제로, 전기 구성요소들(78)은 다양한 방식으로, 예컨대, 개별적으로, 직렬로, 병렬로, 또는 실시예의 의도된 사용에 적합할 수 있는 그룹 구성들로 연결될 수 있다. 도 22는 전기 구성요소들(78)이 직렬로 연결된 구성을 도시한다. 도 23은 각각이 직렬 구성으로 연결된 원통형 섹터 형상의 전기 권선 구성요소들의 그룹들 로 구성된 일차 및 이차를 갖는 트랜스포머 구성의 단면도이다. 특히, 트랜스포머(94)는 일차를 형성하는 직렬-연결된 세장형 전기 구성요소들(99)의 그룹에 연결된 입력 리드들(96), 및 이차를 형성하는 직렬-연결된 세장형 전기 구성요소들(97)의 그룹에 연결된 출력 리드들(98)을 포함한다. 각각의 제 1 및 제 2 세장형 전기 구성요소들(97, 99)은 실질적으로 원통형 섹터 형태로 되어 있으며, 세장형 전기 구성요소들은 실질적으로 원통형 형상을 형성하도록 집합적으로(collectively) 배치된다.
작동 시, 일차 리드들(96)에 제공된 전기 에너지는 일차 전기 코일(99)과 이차 전기 코일들(97) 간의 유도성 결합에 의해 변환되고, 리드들(98)을 통해 출력된다.
도 24는 각각이 직렬 구성으로 연결된 원통형 섹터 형상의 전기 권선 구성요소들의 그룹들로 구성된 일차 및 이차를 갖는 트랜스포머 구성의 단면도이다. 특히, 트랜스포머(100)는 일차를 형성하는 병렬-연결된 세장형 전기 구성요소들(103)의 그룹에 연결된 입력 리드들(102), 및 이차를 형성하는 병렬-연결된 세장형 전기 구성요소들(105)의 그룹에 연결된 출력 리드들(104)을 포함한다. 각각의 제 1 및 제 2 세장형 전기 구성요소들(103, 105)은 실질적으로 원통형 섹터 형태로 되어 있으며, 세장형 전기 구성요소들은 실질적으로 원통형 형상을 형성하도록 집합적으로 배치된다.
도 25는 원통형 섹터 형상의 코일들(110) 및 세장형 환형 코일들(112)을 조합한 또 다른 트랜스포머의 단면도이다. 코일들(110 및 112)은 각각 도 17 및 도 18에 도시된 전기 코일들과 유사하다.
도 26은 자성 재료로 외부 상에 감싸진 (도 20 내지 도 25 중 어느 하나에 예시된 바와 같은) 전기 코일 구성요소들의 원통형 구성을 갖는 일 실시예의 도면이다. 자성 구성요소(120)는 자성 와이어, 자성 스트립, 또는 여타의 적절한 자성 재료로 형성될 수 있다. 자성 와이어 또는 스트립 재료는 바람직하게 원통형 코어(118)의 전기 권선들에 횡방향으로 권선될 것이다. 원통형 코어는 전기 리드들(124)(이 중 2 개만이 도면에 도시되어 있음)을 통해 회로에 연결될 수 있다. 리드들의 개수는 실시예의 의도된 사용과, 디바이스 내의 전기 권선들의 개수와 같은 다른 요인들에 의존하여 유동적일 수 있다.
자성 구성요소(120)는 원통형 코어(118) 내에 생성된 자속을 수용하고, 원통형 코어(118)에 대해 일 경로를 따라 상기 자속을 지향시키는 역할을 한다. 원통형 코어의 개개의 코일들 사이의 유도성 결합은 외부 자성 구성요소와 원통형 코어(118) 내부의 공기(바람직하다면, 자성 재료)에 의해 제공된다.
도 27은 회전자가 전기 코일 조립에 의해 둘러싸이도록 조립된 코일 구성요소들의 중심에 회전자가 배치된 전기 코일을 갖는 일 실시예의 도면이다. 특히, 전기 모터(126)는 고정자 코일들(128) 및 회전자(130)를 포함한다. 고정자 코일들(128)은 유도 디바이스(68), 원통형 섹터(78) 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 회전자는 그 길이를 따라 형성된 홈들을 갖는 샤프트의 형태나, 회전자의 회전을 수행하도록 고정자와의 전자기 상호작용을 제공하는 여타의 적절한 형태를 취할 수 있다. 또한, 당업자라면 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이 발생기 시행(generator action)이 제공될 수 있음은 물론이다. 다른 실시예들은 선형 동작을 제공할 수 있다.
조립된 고정자 코일들(128)은 와이어 또는 스트립 재료와 같은 자성 재료로 외부 상에 감싸질 수 있다. 또한, 고정자 코일들(128)은 포팅 재료, 클램프들, 세라믹으로 만들어진 튜브, 또는 다른 적절한 비금속 재료 등을 이용하여 함께 유지될 수 있다.
도 28은 사행형 구성으로 형성된 자성 와이어로 이루어진 자성 패턴 부재(132)의 개략도이다. 이러한 패턴 부재 및 1 이상의 환형 전기 구성요소들은 공통 형태 상에 동일한 방향으로 권선될 수 있음에 따라, 환형 유도 디바이스의 자성 구성요소로서 역할하는 자성 패턴 부재를 갖는 상기 디바이스의 제조를 용이하게 한다. 자성 패턴 부재(132)는 연속한 세장형 자성 재료(136)의 인접한 길이들(134)이 패턴 부재의 길이 방향(138)에 대해 횡방향인 교번 방향들로 연장되도록 형성된다. 연속적인 재료는 자성 와이어, 또는 자성 스트립 재료와 같은 다른 세장형 자성 재료로 구성될 수 있으며, 예를 들어 패턴 부재가 본질적으로 "스트립"의 길이 방향에 대해 횡방향으로 진행하는 길이들(134)을 갖는 스트립형 재료가 되도록 접착성 재료에 의해 그 형상으로 유지될 수 있다.
도 29 및 도 30은 자성 와이어로부터 패턴 부재를 형성하는 또 다른 기술을 나타낸다. 특히, 자성 와이어의 나선형 코일(140)은 먼저 형성 방향(142)을 따라 형성된다. 이후, 코일(140)이 평탄화되고, 선택적으로 세로 방향으로 압축되어, 상기 부재를 형성하는 재료의 인접한 부분들이 상기 형성 방향(142)에 대해 실질적으 로 횡방향으로 연장되는 자성 재료(144)의 실질적으로 평탄한 부재를 생성한다. 부재(132)와 마찬가지로, 상기 부재(144)는 접착성 재료 또는 여타의 적절한 수단들에 의해 그 형상으로 유지될 수 있다.
도 31은 예시적인 유도 디바이스 권선 장치(149)의 개략도이다. 상기 장치(149)는 맨드릴(150), 자성 재료 형상화 디바이스(화살표(151)로 개략적으로 표시됨), 모터(154) 및 샤프트(156)를 갖는 권선 장치(152), 공급 레일(158), 및 공급 릴로부터 공급된 자성 재료(160)를 포함한다. 자성 재료(160)는 도 28 내지 도 30에 도시된 바와 같이 형성된 자성 패턴 부재에 의해 구성된다.
자성 구성요소를 형성하기 위해, 자성 재료(160)는 맨드릴(150)에 부착되고, 권선 장치(152)는 상기 맨드릴 상에 자성 재료(160)를 권선하기 위해 맨드릴(150)을 회전시키도록 작동된다. 자성 스트립은 맨드릴(150) 상에 권선될 때 길게 진행되며, 그 인접한 부분들(134) 등은 권선 방향에 대해 횡방향으로 연장된다. 맨드릴(150)의 표면은 도시된 바와 같이, 마무리된 환형 유도 디바이스의 바람직한 환형 형상의 내부면에 대응하는 오목한 형태로 되어 있을 수 있다.
맨드릴(150) 상에 자성 부재(160)의 원하는 길이를 권선한 후, 전기 와이어의 1 이상의 코일들은 환형 전기 코어를 형성하도록 맨드릴 상에 존재하는 자성 재료 상에 권선될 수 있다. 최종적으로, 자성 재료(160)의 1 이상의 층들은 전기 권선(들) 상에 권선될 수 있다. 또 다른 자성 재료가 맨드릴(150) 주위에 권선되고 있을 때, 자성 재료 형상화 디바이스들(151)은 맨드릴 상에 아래놓인 재료(underlying material)를 에워싸고 순응하도록 자성 재료를 형상화하고 형성할 수 있다. 상기 형상화 디바이스들(151)은 맨드릴 상의 아래놓인 재료의 외부면과 일치하도록 진행하는 자성 재료를 가압하도록 구성된 단순한 수동 툴들일 수 있거나, 컴퓨터-제어 형상화 롤러 디바이스들과 같은 자동으로 제어되는 형상화 툴들일 수 있다. 또한, 형상화 툴은 전기 코어를 권선하기 이전에 제 1 자성 재료 권선 단계 동안에 채택될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도 32는 일반적으로 환형 형태를 갖는 전기 코일에 순응하도록 정확한 형태로 형상화된 자성 패턴 부재(162)를 도시하는 개략도이다.
또 다른 접근법에 따르면, 자성 패턴 부재는 와이어의 스풀(spool)의 형태로부터 맨드릴(150)로 공급됨에 있어서 "온 더 플라이(on the fly)"로 형성될 수 있을 것이다.
도 33은 도 31과 연계하여 설명된 기술에 의해 형성된 환형 트랜스포머(165)의 개략적 단면도이다. 트랜스포머(165)는 맨드릴 상에 권선되고, 또한 상술된 바와 같이 맨드릴 상에 권선된 중간 전기 코어에 순응하도록 형상화된 내부 및 외부 자성 패턴 부재들로 구성된 자성 구성요소(166)를 포함한다. 리드들(170 및 172)은 전기 코어(168)의 권선에 연결한다. 도 34는 측면에서 바라본 트랜스포머의 도면이다. 도 35는 대응하는 평면도이다.
도 36은 그 외부 교차-치수(cross-dimension)에서 코어 주위에 자성 재료를 권선하도록 세장형 전기 코어(166) 주위에 배치된 보빈(164)의 사용을 도시한다. 전기 코어(166)는 세장 방향(168)으로 연장되고, 1 이상의 전기 권선들을 포함할 수 있다. 자성 재료(예를 들어, 와이어)(170)는 코어의 세장 방향(168)에 대해 횡 방향인(즉, 보빈 내의 전기 코어 와이어들의 길이 방향에 대해 횡방향인) 권선 방향(172)으로 보빈(164) 상에 권선된다. 영역(174)은 세장형 전기 코어(166)의 내부면에 의해 정의된다. 도 36에 도시된 바와 같이, 코어(166)의 전체 외부 교차-치수는 보빈(164) 내에 수용되며(보빈(164)은 내부 코어 개구부의 영역(174)을 통과하지 않음), 이에 따라 결과적인 권선 구조는 도 17에 도시된 것과 흡사할 것이다. 보빈은 이전의 실시예들과 연계하여 설명된 바와 같이, 마무리된 디바이스의 일부분으로서 유지되거나 제거될 수 있다.
도 37 및 도 38은 양면 상에 높은 인장 요소들로 중심에 무거운 전류 요소들을 갖는 예시적인 유도 디바이스의 두 도면들이다. 특히, 환형 형상(178)을 갖는 유도 디바이스(176)는 제 1 일차 권선(180), 제 2 일차 권선(182), 제 1 이차 권선(184), 제 2 이차 권선(186), 및 리드들(188)을 포함한다.
제 1 및 제 2 이차 권선들(184 및 186)은 서로 인접하여 또한 토러스(torus)의 중심에 배치된다. 제 1 일차 권선(180)은 환형 형상의 내주 부분 상에 배치되고, 제 2 일차 권선(182)은 환형 형상의 외주 부분 상에 배치된다. 또한, 유도 디바이스(176)는 일차 및 이차 권선들로 구성된 복합 코어(composite core)에 대해 감싸진 자성 구성요소(187)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 자성 구성요소들은 도 1 내지 도 12와 연계하여 설명된 방식으로 보빈을 이용하여 전기 코어 상에 권선될 수 있다.
본 발명은 다수의 실시예들과 연계하여 설명되었지만, 당업자라면, 본 발명의 원리들과 범위를 벗어나지 않고 다수의 대안들, 수정들 및 변형들이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (49)

  1. 유도 디바이스를 형성하는 방법에 있어서,
    실질적으로 환형 형상(toroidal shape)을 갖는 전기 권선(electrical winding) 및 상기 전기 권선 주위에 배치된 보빈(bobbin)을 제공하는 단계;
    상기 보빈에 자성 재료를 부착하는 단계; 및
    상기 전기 권선에 대해 상기 보빈을 회전시킴으로써, 상기 보빈 상에, 이에 따라 상기 전기 권선 주위에 상기 자성 재료를 권선하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보빈은 상기 전기 권선의 내부면에 의해 정의된 개구부를 통과하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보빈은 상기 전기 권선의 내부면에 의해 정의된 개구부를 통과하지 않는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보빈 상에 상기 자성 재료를 권선하는 단계는 평면적으로(in plan view) 섹터 형상인(sector shaped) 자성 구성요소를 생성하도록 상기 자성 재료를 유도(guide)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 권선의 직선 부분을 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 보빈은 상기 전기 권선의 상기 직선 부분에 대해 회전되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 재료는 릴(reel)로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 재료는 복수의 릴들로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보빈은 상기 자성 재료의 권선이 완료될 때 상기 전기 권선에 대해 그 자리에(in place) 유지되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보빈은 상기 자성 재료의 권선이 완료될 때 상기 전기 권선으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 보빈이 제거된 후에, 상기 자성 재료는 평면적으로 일반적으로 섹터 형상을 형성하도록 외부면에 스플레이(splay)되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보빈은 상기 전기 권선 주위에 상기 보빈을 형성하도록 함께 결합되는 별도의 피스(piece)들에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 재료는 단일-스트랜드 와이어(single-strand wire)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 재료는 다중-스트랜드 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 재료는 단일 스트립(strip)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 재료는 복수의 스트립들을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 권선하는 단계는 상기 보빈 상에 복수의 별개의 자성 서브구성요소(discrete magnetic subcomponent)들을 권선하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  17. 유도 디바이스에 있어서,
    실질적으로 환형 형상을 갖는 전기 권선;
    복수의 보빈들 - 각각은 상기 전기 권선 주위에 배치되고 서로 원주방향으로 오프셋(offset)됨 - ; 및
    복수의 자성 구성요소들 - 각각은 상기 복수의 보빈들 중 대응하는 하나에 권선됨 - 을 포함하고,
    상기 복수의 자성 구성요소들 중 1 이상은 복수의 별개의 자성 서브구성요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 자성 재료는 단일-스트랜드 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 자성 재료는 다중-스트랜드 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 자성 재료는 단일 스트립을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 자성 재료는 복수의 스트립들을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  22. 유도 디바이스에 있어서,
    실질적으로 환형 형상을 갖는 전기 권선;
    상기 전기 권선 주위에 배치된 1 이상의 원통형 자성 구성요소; 및
    상기 전기 권선 주위에 배치된 1 이상의 섹터 형상의 자성 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 1 이상의 섹터 형상의 자성 구성요소는 자오면(meridional plane)에서 갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 1 이상의 섹터 형상의 자성 구성요소는 복수의 섹터 형상의 자성 구성요소들을 포함하고, 상기 1 이상의 원통형 자성 구성요소는 한 쌍 이상의 인접한 섹터 형상의 자성 구성요소들 사이에 각각 배치된 복수의 원통형 자성 구성요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  25. 유도 디바이스에 있어서,
    일반적으로 환형 형상으로 형성된 전기 구성요소 - 상기 전기 구성요소는 제 1 일차 권선, 제 2 일차 권선, 제 1 이차 권선, 및 제 2 이차 권선을 포함하며, 상 기 제 1 및 제 2 이차 권선들은 서로 인접하여 배치되고, 상기 제 1 일차 권선은 상기 환형 형상의 내주 부분 상에 배치되며, 상기 제 2 일차 권선은 상기 환형 형상의 외주 부분 상에 배치됨 - ; 및
    상기 전기 구성요소를 전체적으로 또는 부분적으로 에워싸는 자성 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 이차 권선 및 상기 제 2 이차 권선은 각각 스트립 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 스트립 재료는 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  28. 유도 디바이스에 있어서,
    일반적으로 세장형(elongated) 환형 구성으로 형성된 전기 코일; 및
    세장 방향을 따라, 또한 전기 권선 방향에 대해 횡방향으로(transverse) 상기 전기 코일 주위에 배치된 자성 구성요소를 포함하고, 상기 자성 구성요소는 상기 전기 코일을 전체적으로 또는 부분적으로 에워싸는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 전기 코일의 내부면에 의해 정의된 영역에 배치된 자성 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 자성 구성요소는 자성 와이어 또는 스트립 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  31. 유도 디바이스에 있어서,
    각각 실질적으로 원통형 섹터 형태로 된 복수의 제 1 세장형 전기 구성요소들; 및
    각각 실질적으로 원통형 섹터 형태로 된 복수의 제 2 세장형 전기 구성요소들을 포함하고, 상기 복수의 제 1 세장형 전기 구성요소들 및 상기 복수의 제 2 세장형 전기 구성요소들은 실질적으로 원통형 형상을 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 세장형 전기 구성요소들 및 상기 복수의 제 2 세장형 전기 구성요소들은 교번하여(alternately) 배치되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  33. 제 31 항에 있어서,
    세장 방향을 따라 상기 실질적으로 원통형 형상 주위에 형성된 자성 부재를 더 포함하고, 상기 자성 부재는 상기 제 1 및 제 2 세장형 전기 구성요소들의 권선 방향에 대해 횡방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  34. 제 31 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 세장형 전기 구성요소들의 각각은 일차 전기 부재를 형성하도록 직렬로 연결되고, 상기 복수의 제 2 세장형 전기 구성요소들의 각각은 이차 전기 부재를 형성하도록 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  35. 제 31 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 세장형 전기 구성요소들의 각각과, 상기 복수의 제 2 세장형 전기 구성요소들의 각각은 단일 전기 부재를 형성하도록 서로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  36. 제 31 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 세장형 전기 구성요소들의 각각과, 상기 복수의 제 2 세장형 전기 구성요소들의 각각은, 각각 각자의 전기 코일의 내부면에 의해 정의된 영역 내에 자성 재료가 없는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  37. 제 31 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 세장형 전기 구성요소들의 1 이상, 또는 상기 복수의 제 2 세장형 전기 구성요소들의 1 이상은 상기 각자의 전기 코일의 내부면에 의해 정의된 영역 내에 배치된 자성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  38. 제 31 항에 있어서,
    상기 유도 디바이스는 전기 모터를 포함하고, 상기 전기 모터는:
    회전자; 및
    상기 회전자 주위에 배치되고, 상기 복수의 제 1 세장형 전기 구성요소들 및 상기 복수의 제 2 세장형 전기 구성요소들에 의해 형성된 고정자를 포함하며, 상기 고정자는 원통의 세장 방향을 따라 상기 원통을 전체적으로 또는 부분적으로 에워싸는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 전기 모터는 단-상(single-phase) 전기 모터인 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  40. 제 38 항에 있어서,
    상기 전기 모터는 다-상(multi-phase) 전기 모터인 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  41. 제 38 항에 있어서,
    상기 자성 구성요소는 자성 와이어 또는 스트립 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스.
  42. 유도 디바이스를 형성하는 방법에 있어서,
    (a) 일 형태 상에 자성 패턴 부재의 권선 방향에 대해 횡방향인 교번 방향(alternating direction)들로 연장되는 연속한 세장형 자성 재료를 포함하는 상기 자성 패턴 부재를 상기 형태 상에 권선하는 단계; 및
    (b) 상기 교번 방향들에 대해 횡방향인 권선 방향으로 상기 형태 상에 전기 구성요소를 권선하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 자성 패턴 부재는 사행형(serpentine) 자성 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  44. 제 42 항에 있어서,
    상기 자성 패턴 부재는 평탄한(flattened) 자성 와이어 코일을 포함하는 것 을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  45. 제 42 항에 있어서,
    단계 (b)는 단계 (a) 후에 수행되며,
    (c) 상기 전기 구성요소에 걸쳐 상기 형태 상에 제 2의 상기 자성 패턴 부재를 권선하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  46. 제 42 항에 있어서,
    단계 (b)는 단계 (a) 이전에 수행되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  47. 제 43 항 또는 제 44 항에 있어서,
    상기 자성 패턴 부재는 단계 (a) 이전에 형성되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  48. 제 43 항 또는 제 44 항에 있어서,
    상기 자성 패턴 부재는 단계 (a) 중에 형성되는 것을 특징으로 하는 유도 디바이스를 형성하는 방법.
  49. 제 42 항 내지 제 48 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성된 유도 디바이스.
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