KR20100125259A - 가역의 발전기-전동기 동작이 가능한 모듈 전자기 장치 - Google Patents

Abstract

모듈 전자기 장치(7)는 고정자(16, 20a, 20b, 18, 22a, 22b)와 고정자(16, 20a, 20b, 18, 22a, 22b)의 마주보는 표면 사이에서 회전하며 실질적으로 링 형태의 패턴에서 교대로 분배된 다수의 자석(14)을 유지하는 회전자(12)를 포함한다. 고정자(16, 20a, 20b, 18, 22a, 22b)는 회전자(12)의 양면에 대칭적으로 위치한 적어도 한 쌍의 자기 요크(16, 18)를 포함한다. 각각의 요크(16, 18)는 자석(14)을 향해 연장하며 전기적 파워를 장치(10)에 공급하거나 장치로부터 전기적 파워를 수집하는 코일(20a, 20b, 22a 22b)을 유지하는 한 쌍의 돌출 암을 포함한다. 요크(16, 18)는 마주보는 자석(14)에 대한 요크의 위치를 조절하도록 배치된 조절 유닛을 포함하는 자신의 서포트 상에 개별적으로 설치되고, 코일(20a, 20b, 22a, 22b; 20'; 22'), 서포트, 조절 유닛, 및 요크의 조절을 제어하는 감지 및 제어 수단과 함께, 단일 위상 또는 다상 모듈을 형성하도록 복제될 수 있는 기본적인 고정자 셀을 형성한다.

Description

가역의 발전기-전동기 동작이 가능한 모듈 전자기 장치{MODULAR ELECTROMAGNETIC DEVICE WITH REVERSIBLE GENERATOR-MOTOR OPERATION}

본 발명은 가역의 발전기-전동기 동작이 가능한 전자기 장치, 즉 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하거나 그 반대로 변환할 수 있는 장치에 관한 것이다.

많은 산업 분야에서, 회전 부재를 구비하는 시스템 내에 가역의 전기 기계를 설치하고자 하는 요구가 많아지고 있다. 기계가 설치되는 시스템의 동작 조건에 따라, 이러한 회전 부재의 회전 운동에 의해 전기 에너지를 생성해서 다른 시스템 요소에 공급하거나, 기계에 전기 에너지를 공급해서 회전 부재를 회전시키는 것이 가능하다.

이러한 기계에 대한 일반적인 요구는, 비용의 절감뿐만 아니라, 지상의 차량이나 비행기와 같은 수송 수단에 특히 필요한 소형화 및 경량화이다.

이러한 종류의 기계의 예는 미국특허 6,832,486으로부터 알 수 있다. 본 특허문헌에는, 터빈의 회전을 사용함으로써 다양한 용도의 전기 에너지를 생성하기 위해 또는 반대로 엔진을 기동시키기 위해, 항공기 엔진의 터빈과 연결된 항공 애플리케이션을 위한 가역의 전기 기계를 개시하고 있다. 기계의 회전자(rotor)는 터빈 내의 블레이드 링(blade ring)에서 블레이드의 자화된 방사상 바깥쪽 단부에 형성된다. 고정자 링(stator ring)은 회전자가 이동하는 내부에서 코일을 포함한다. 일실시예에서, 고정자(stator)는 연속 링(continuous ring) 또는 일련의 불연속하는 말발굽형 부재로 이루어지고, 회전자는 회전하는 채널을 규정한다. 이 경우, 코일은 대향하는 고정자 연장부 상에 권취되며, 동일 자석의 양극을 마주본다.

이러한 종래 기술의 문제점은 개별의 말발굽형 코어 또는 고정자 링의 연장부 사이에 형성된 채널의 폭이 고정되어 있어서, 회전자의 두께 및 가능한 회전자 발진을 보상하기 위해 필요한 소정의 최소값보다 더 작게 할 수 없다는 것이다. 따라서, 소정의 고정자 및 회전자의 경우, 또한 고정자와 자석 사이의 에어 갭이 일정하게 고정되어, 소정의 값보다 더 작게 할 수 없게 된다. 따라서, 최대 효율 및 최대 동작 변동성을 얻기 위해 고정자와 회전자의 상대적 위치를 조절 및 최적화하는 것이 불가능하다.

미국특허 5,514,923에는, 플라이휠(flywheel)로서 사용될 수 있으며 2개의 회전자 디스크를 구비하는 가역의 전기 기계를 개시하고 있다. 회전자 디스크는 자석에 대해 다수의 코일 오프셋을 보유하는 고정자에 상대적으로 대칭으로 배치된다. 이러한 경우, 2개의 자석은 이들 자석 사이에 위치한 코일에 전기장을 유도하는 데에 사용된다. 자기 회로는 폐쇄되어 있지 않으며, 이에 의해 높은 에너지 낭비가 생기고, 그 결과 전자기 간섭이 강해지게 된다.

벨기에 특허 BE 867.436에는 아이언 링(iron ring)에 의해 연결되고 자신의 주변으로 규칙적인 간격으로 분배된 다수의 자석을 갖는 2개의 알루미늄 디스크를 구비하는 회전자를 갖는 전기 장치를 개시하고 있다. 회전자는 축 방향의 암(arm)[돌출된 막대형 기계(projecting pole machine)]과 함께 U자형의 자석 요크의 링을 갖는 2개의 고정자 플레이트 사이에서 회전하고, 각각의 요크(yoke)는 회전자 디스크 내에의 한 쌍의 자석을 향하며, 자석은 요크를 향해 번갈아 대향하는 일련의 폴(pole)을 제공한다. 기계는 가역적이지 않고 동기 전동기(synchronous motor)로서만 작용한다. 고정자와 회전자 사이의 에어 갭은 고정되어 있어서, 미국특허 6,832,486과 관련해서 고찰한 사항이 본 장치에도 적용된다. 사용된 재료는 높은 주파수에서 많이 손실되며 매우 강한 푸코(Foucault) 전류와 히스테리시스 손실이 생길 수 있어서, 디스크의 온도가 매우 높아지며, 자석의 자화가 소자되고, 알루미늄 디스크가 타버릴 수도 있다.

미국특허 6,137,203에는 2개의 고정자와, 고정자에 의해 생성된 자계에 따라 고정자 사이에 회전가능하게 장착된 회전자를 가진 브러시리스 축 전동기를 개시하고 있다. 기계는 "권선"(winding)형의 다상(multiphase) 기계이다. 즉, 각 상의 코일이 다수의 인접한 폴 연장부(polar expansion) 위에 권취되고, 이들 사이에는 상이한 상의 코일이 전혀 없다. 고정자는 에어 갭이 작은 상태에서 전동기가 낮은 속도에서 높은 토크를 만들 수 있도록 하고, 에어 갭이 더 커진 경우에 높은 속도에서 토크를 계속해서 생성할 수 있도록, 전동기의 에어 갭을 변화시키기 위한 동작 중에 축 방향으로 조절가능하다. 고정자의 조절은 축 방향으로만 이루어지며, 특히 유체에 의해 동작하는 터빈에 대한 바람직한 애플리케이션에서 장치의 동작 중에 도달되는 높은 온도에 의해 생기는 변형에 대처할 수 없으며, 코일과 고정자의 과열에도 대처할 수 없다.

미국특허 4,710,667에는 회전자와 고정자 사이의 갭이 축 방향으로만 그리고 조립 단계에서만 조절될 수 있는 권선 타입의 다이나모일렉트릭(dynamoelectric) 기계를 개시하고 있다. 고정자는 코일용의 연자성 재료의 페라이트 코어(soft-ferrite core)를 포함하고 있다.

상기 언급한 종래 기술의 문헌은 모두 유연성이 없는 구조로 되어 있어서, 변형이 쉽지 않기 때문에, 여러 상이한 요구에 맞추기가 쉽지 않으며 장치의 효과적인 조립 및 유지가 어렵다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해소하고, 넓은 범위의 애플리케이션, 예를 들어 지상 차량, 선박 및 항공기, 바람직하게는 장치가 터빈에 통합되거나 유체의 이동에 의해 구동되는 기기의 임펠러에 통합되는 애플리케이션에 사용될 수 있는 돌출 폴(projecting pole)의 가역 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 장치는 고정자(stator)와 고정자의 앞에서 회전하는 회전자(rotor)를 구비한다. 회전자는 링 패턴에서 교호적으로 배향되고 규칙적으로 분배된 다수의 자석을 유지한다. 고정자는 회전자를 향해 연장되고 응용 장치 또는 파워 구동기에의 전기적 연결을 위한 코일을 유지하는 한 쌍의 돌출 암을 갖는 하나 이상의 자기 요크(magnetic yoke)를 포함한다. 자기 요크는 소정의 시점에서 요크 암을 마주하는 한 쌍의 자석과 함께, 폐쇄된 자기 회로를 구성한다. 하나 이상의 자기 요크는 마주보는 자석에 대한 요크의 위치를 조절하도록 배치된 조절 유닛을 포함하는 자신의 서포트 상에 개별적으로 설치되고, 코일, 서포트, 및 조절 유닛과 함께, 단일 위상 또는 다상 모듈을 형성하도록 복제될 수 있는 기본적인 고정자 셀을 형성한다.

이러한 모듈 구조에 의하면, 다음과 같은 장점을 갖는다.

- 제한된 파워를 발생시키는 애플리케이션에 적합한, 자석 링의 하나의 영역 또는 몇 개의 이산된 영역의 대응 지점에 위치한, 제한된 수의 고정자 셀을 갖는 구조를 구축할 수 있다.

- 고정자 셀의 완전한 링을 따라 위상 모듈성(phase modularity)을 가질 수 있다. 이러한 모듈성은 외부 기기에의 연결을 감소시키는 데에 사용될 수 있다.

- 장치 모듈에서 발전기 기능과 전동기 기능을 모두 가질 수 있다. 발전기 및 전동기 모듈의 성능을 개별적으로 조절할 수 있다.

- 모듈을 개별적으로 설치할 수 있어서, 장치의 조립을 용이하게 할 수 있다.

- 모듈을 개별적으로 제어 및 진단하고 고장이 생긴 모듈을 턴오프할 수 있어서, 나머지 모듈의 동작에 영향을 미치지 않는다.

단일 세트의 셀이 제공될 수 있으며, 자석이 회전자의 일면 상에 일련의 교번 폴을 형성한다. 회전자는 강자성 재료로 이루어질 수 있다. 자기 회로는 한 쌍의 자석과 하나의 셀의 요크를 포함하며, 요크와 자석 사이의 에어 갭과 회전자에 의해 폐쇄된다. 자석이 없는 부위에서, 회전자는 비자성 재료로 이루어지며, 셀을 바라보는 자석은 강자석 요소에 의해 연결될 것이며, 자기 회로가 폐쇄된다.

대안으로서, 자석이 없는 영역에서 회전자가 비자성 재료로 이루어진 경우, 고정자는 회전자에 대해 대칭적으로 정렬된 두 세트의 셀을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 한 쌍의 일련의 자석은 제1 세트에서의 하나의 자기 요크와 제2 세트에서 하나의 자기 요크를 가진 폐쇄된 자기 회로를 형성한다. 각 세트에서의 셀은 다른 세트에서의 셀과 독립적으로 지지 및 조절가능하다.

요크의 세트는 자석으로 이루어진 전체적인 링을 바라볼 수 있거나, 이러한 링의 하나의 아크 또는 여러 개의 아크를 볼 수 있다.

요크가 자석으로 된 전체 링을 바라보게 된 경우에, 회전자는 요크의 수보다 2배가 많은 수의 자석(즉, 돌출 암 또는 폴 연장부의 수와 동일한 수의 자석)을 포함할 수 있다. 또한, 폴 연장부의 수와 다른 수의 자석을 포함할 수도 있다. 이 경우, 암과 마주보는 자석 사이의 소정의 기하학적 위상 관계는 주기적으로 발생한다. 이러한 구성에서, 마주보는 자석과 동일한 기하학적 위상 관계를 갖는 암에 권취된, 전기적 파워를 수집 또는 공급하기 위한 코일은 장치의 내부에 함께 연결될 수 있으며, 파워 구동기 또는 응용 장치에 공통으로 연결될 수 있다. 또한, 마주보는 자석과 동일한 기하학적 위상 관계를 갖는 암에 권취된 코일 중에서 제2 코일을 함께 연결하는 것이 가능하다. 180도만큼 편이된 전기적 위상을 갖는 파워 구동기 또는 응용 장치에 2개의 코일 그룹을 연결시키는 것도 가능하다.

본 발명의 장치는 여러 가지의 애플리케이션을 가질 수 있다. 특히, 풍력 발전기 또는 비행기나 선박 터빈 엔진이나 프로펠러에서, 유체의 이동에 의해 구동되는 기기의 임펠러와 연관될 수 있다. 예를 들어, 항공 또는 선박 애플리케이션에서, 터빈에 통합된 발전기로서 또는 터빈용의 기동 또는 피드백 전동기, 또는 선박이나 비행기 프로펠러와 연관된 전동기로서 사용될 수 있다. 가스 파이프라인용의 펌프에도 다른 애플리케이션을 사용할 수 있다.

다른 특징에 의하면, 본 발명은 풍력 발전기와 같이 유체의 이동에 의해 구동되는 기기의 임펠러, 항공 또는 선박의 터빈 엔진, 선박 및 비행기 프로펠러의 스크류, 가스 파이프라인용의 펌프 등에 관련될 수 있으며, 본 발명에 따른 장치에 사용할 수 있다.

본 발명의 장치에 대하여, 이하의 첨부 도면을 참조해서 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 축 방향으로 설치된 본 발명의 장치의 제1 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 2는 한 쌍의 요크 및 관련 코일을 포함하는, 도 1에 나타낸 장치의 회전자를 나타내는 사시도이다.
도 3은 자기 회로의 개략적으로 나타낸다.
도 4는 회전자의 회전 동안 자석과 요크 사이의 공간적 관계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은 축 방향으로 설치한 실시예의 변형예에 관련된, 도 2 및 도 3과 유사한 도면이다.
도 7은 자석 링의 이산적인 부분의 앞에 위치한 요크를 포함하는, 도 1 내지 도 3의 변형예를 개략적으로 나타낸다.
도 8 내지 도 12는 자석과 요크를 방사상으로 설치한 다수의 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 13 내지 도 15는 다상 기계에서 사용된 다수의 자석 및 요크 패턴을 개략적으로 나타낸다.
도 16의 (a) 및 (b)는 도 13 내지 도 15의 다상 기계에 사용되는 요크 및 요크 암의 축 방향 부분을 확대한 도면이다.
도 17의 (a)~(d)는 이중 테이퍼링이 있는 자석의 상이한 도면이다.
도 18 및 도 19는 자석의 가능한 설치를 나타내는, 외부 및 내부 회전자를 가진 방사상 기계의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 20 내지 도 22는 위치를 조절하기 위한 수단과 연관된 요크의 상이한 도면이다.
도 23은 수지 층에 내포된 요크를 나타낸다.
도 24는 병진 및 피벗 조절을 나타내는 요크를 나타낸다.
도 25는 페라이트의 투자율을 나타내는 차트이다.
도 26은 선박이나 항공기 프로펠러에 대한 본 발명의 애플리케이션이다.
도 27은 고정자 셀의 원리를 나타내는 도면이다.
도 28은 전자기 플라이휠로서 본 발명의 장치를 사용한 원리를 나타내는 도면이다.

도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 장치의 제1 실시예를 도시하고 있는데, 본 발명의 장치는, 그 전체를 도면부호 10으로 나타내고 있으며 축 방향 기계(axial machine)를 구축한다.

장치(10)는 크게 2개의 구조체를 포함한다.

그 중 하나의 구조체는 디스크 또는 링(12)(이하, 간단히 "디스크"라고 함)으로서, 장치(10)의 회전자를 형성하며, 샤프트(shaft)(13) 상에 장착된다. 디스크(12)의 주 표면(main surface)에는, 외주를 따라 외부 디스크 에지의 부근에 규칙적으로 분배된 영구 자석(14)으로 된 링이 형성되어 있다. 자석(14)은 디스크(12)의 표면에 교대로 대향하는 일련의 폴(pole)을 형성하도록 배치된다. 도 1~도 3에 나타낸 실시예에서, 자석(14)이 없는 부분의 디스크(12)는 비자성(non-ferromagnetic) 물질로 이루어진다. 디스크(12)의 중앙 부분에는 다수의 블레이드(blade)(15)가 형성되어 있다. 블레이드는 추진 기능을 가지며 냉각 공기를 자석(14) 및 코일 쪽으로 전달해서, 장치에 의해 생성된 전기적 파워를 수집 및/또는 공급한다.

자석(14)은 도 2에 나타낸 바와 같이 단면이 원형이며, 그외에도 곡선형, 다각형, 볼록형(특히, 직각이나 사각형) 또는 오목형이 가능하다.

자석은 높은 자기장 강도[오늘날의 기술에서는 예를 들어 대략 1.5 테슬라]를 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 재료의 선택은 응용장치의 종류, 동작 조건, 특히 동작 환경의 온도에 따라 달라질 것이다. 이러한 기계에 일반적으로 사용되는 재료는 최대 150℃에서 동작할 수 있는 NdFeB, 최대 350℃에서 동작가능한 Sm-Co(일반적으로 희토류, 코발트), 또는 최대 500℃에서 동작가능한 AlNiCo이다. 재료에 따라, 자석(14)은 디스크(12)의 자화된 영역으로 이루어지거나, 디스크 내에 형성된 시트에 삽입되는 자석 부분이 될 수 있다.

두 번째 구조는 두 세트의 자석 요크(magnetic yoke)(16, 18)로 이루어진다. 자석 요크는 디스크(12) 둘레의 링 내에 대칭적으로 배치되며, 장치의 고정자를 형성한다. 도시한 예에서, 자석 요크(16, 18)는 자석(14)의 앞에서 디스크(12) 둘레에 규칙적으로 분배된다. 요크는 실질적으로 C자형 또는 U자형의 형상을 갖거나, 오목형으로서 디스크(12) 쪽을 향해 개방되어 있으며, 2개의 실질적으로 평행한 암 또는 폴 연장부[요크(16)에 대해서는 17a, 17b이고, 요크(18)에 대해서는 19a, 19b)이다](도 3 참조)를 포함한다. 암(17a, 17b, 19a, 19b)은 전기 도전성 물질(예를 들어, 구리 또는 알루미늄, 알루미늄은 특히 낮은 비중에 기인한 항공 애플리케이션에서 바람직함)인 코일(20a, 20b, 22a, 22b)을 포함한다. 코일에는, 장치의 사용 조건에 따라, 생성된 전기적 파워의 응용 장치 또는 전원 공급 장치(더 구체적으로는, 펄스 생성기 또는 브러시리스 파워 구동기)에의 개별 연결부를 포함한다. 코일(20, 22)은 히스테리시스 손실, 수평으로 노출된 표면에서의 푸코 전류(Foucault current), 및 스킨 효과(skin effect)를 감소시키기 위해, 각각의 암에 권취된 얇은 시트로 이루어지는 것이 바람직하다.

자석(14)과 마찬가지로, 요크(16, 18)의 암(17a, 17b, 19a, 19b)은 단면이 원형이거나 다른 곡선형 또는 다각형 단면이나, 볼록형(특히, 정사각형이나 직사각형)이나 오목형이 가능하다. 자석 및/또는 요크 암의 비정칙(non-regular) 형태 및/또는 자석 및 요크에 대한 상이한 단면 형상은 완전 대칭적인 구조인 코깅(cogging)을 감소시키는 데에 도움이 될 수 있다. 암과 자석의 단면 형성이 어떤 것이든, 그 영역은 유사 또는 실질적으로 동일한 크기를 가져야 하는 것이 중요하다. 자석과 암의 영역의 크기가 유사 또는 실질적으로 동일한 것은, 요크(16, 18)와 자석(14)에서 순환하는 자속 밀도의 균일성을 보장하는 데에 필요하다.

원형의 단면을 가진 자석과 암을 사용함으로써, 자석과 암의 마주보는 표면의 오버랩의 사인파 행동(도 4 참조)을, 회전자가 회전하는 동안 얻을 수 있다. 이것은 장치를 발전기로 사용하는 경우에, 거의 순수한 사인파 기전력(electromotive force: emf)을 얻을 수 있다. 구성 요소의 구입 가능성과 코깅을 감소시키기 위해 원형의 단면을 가진 자석과 사각의 단면을 가지며 측면이 자석의 직경과 실질적으로 동일한 암을 구비하는 요크를 사용하게 된다. 생성된 emf가 거의 사인파 형태인 경우, 실질적으로 손실을 발생시키지 않는 일부 높은 차수의 고조파에 의해, 요크를 구성할 수 있는 재료의 큰 대역폭을 고려한다. 자석과 암에 대해 추정될 수 있는 횡단 크기(예를 들어, 몇 센티미터)를 고려하게 되면, 자석과 암의 유사성의 요구를 계속해서 만족시킨다.

설명의 편의를 위해, 자석과 암은 동일한 원형의 단면을 가지며 이들의 직경을 D로 표시하고, 생성된 파형의 대칭을 보장하기 위해, 요크(16, 18)의 암은 거리 D만큼 이격되어 있어야, 요크의 길이가 3D가 된다. 요크(16, 18)와 관련해서, 회전자(12)는 4D·N의 길이의 외주를 갖는다. N은 링에서의 요크의 수이다. 따라서, 원하는 수의 요크를 장착할 수 있는 회전자를 구축할 수 있다. 또는 이와 반대로, 요크의 수를 회전자의 크기에 맞출 수 있다. 소정의 회전자 직경의 경우, 요크와 자석에 의해 규정되는 외주의 직경을 변경함으로써[즉, 실제로, 회전자(12)의 에지로부터 자석의 거리를 변경함으로써] 요크의 수를 변경할 수 있다.

자석(14)의 수(M)는 요크의 수(N)와 관련되어 있으며, 구축할 장치의 종류에 따라 달라진다. 동기형 기계의 경우, M=2N의 관계식이 적용되며, 후속하는 자석(14)들 사이의 거리는 이들의 직경(D)과 동일하고, 장치(10)의 정적 구성에서, 한 쌍의 후속하는 자석(14)이 요크(16 또는 18)의 양쪽 암의 정확히 앞에 위치할 수 있다. 이와 반대로, 비동기형 기계의 경우, 관계식 M≠2N이 적용되며, M은 짝수이고, 후속하는 자석(14)들 사이의 거리는 M>2n인지 M<2N인지에 따라 D보다 작거나 크게 된다.

요크(16, 18)의 암은 회전자(12)와 자석(14)의 표면에 평행한 평면에서 끝난다. 요크(16, 18) 쌍들은 마주보는 자석(14) 쌍과 자기 회로(magnetic circuit)를 형성한다. 자기 회로는 요크를 자석으로부터 분리시키는 에어 갭을 통해 폐쇄되어 있다. 코일(20, 22)을 갖는 요크(16, 18)를, 이하 "자석 플라이어"(magnetic pliers)라고 한다.

도 3에 더 잘 도시되어 있는 바와 같이, 요크(16, 18)의 암(17a, 17b, 19a, 19b)의 단부는 자석(14) 쌍의 마주보는 극성으로부터 약간 이격되어 있어서, 에어 갭(24a, 24b, 26a, 26b)을 형성하게 된다. 이 에어 갭은 자석과 요크가 접하지 않도록 함으로써 한쪽 디스크에서의 회전을 가능하게 하고 다른 쪽에서는 자기 회로를 탈포화(desaturation)시킨다. 회전자(12)와 고정자(16, 18)는 평면을 갖기 때문에, 기계적 가공에 의해 매우 작은 에어 갭을 만들 수 있으며, 이에 따라 효율이 높아진다. 요크와 암 사이의 간격은 도면에서는 과장되어 있다.

도 1을 다시 보면, 외부 케이스(28)는 샤프트(13)의 통과 및 회전이 가능하도록 되어 있으며, 장치(10)의 회전자와 고정자를 조립 상태로 유지한다. 또한, 요크는 각각의 서프트 위에 장착된다. 서포트는 도시하고 있지는 않지만 나중에 더 상세하게 설명할 것이며, 3개의 직교 축(x, y, z)에 따른 병진 운동과 동일 직교 축에 대한 피벗 운동(화살표 Ω1, Ω2, Ω3)에 의해 자석(14)에 대한 요크(16, 18)의 위치를 독립적으로 조절할 수 있다.

이에 의하면, 장치를 조립할 때에, 요크를 용이하게 장착할 수 있으며, 이들의 위치를 최적화할 수 있을 뿐만 아니라, 장치의 효율을 최대로 할 수 있다.

요크의 축 위치를 독립적으로 조절할 수 있기 때문에, 에어 갭(24, 26)의 폭을 최소로 해서 효율을 최대로 할 수 있을 뿐만 아니라, 동작 중의 에어 갭의 변경을 가능하게 하여 상이한 동작 위상의 요구에 맞도록 자석 플라이어의 동작을 적용시키게 된다. 이에 대해서는 본 발명의 일부 실시예의 설명으로부터 명백할 것이다. 발전기와 전동기 모듈을 모두 구비하는 장치의 경우, 기동 시에, 발전기 기능은 시동을 용이하게 하기 위해 일시적으로 비작동 상태로 되거나 제한된 값으로 조정되고, 전동기 모듈은 가속을 증가시키기 위해 더 폐쇄된다. 에어 갭의 이러한 증가는 과열시의 안전 장치로서 사용될 수 있다. 이러한 에어 갭의 증가에 의해 회로 릴럭턴스(reluctance)가 증가하고, 코일 내의 연쇄 전압(concatenated voltage)과 온도는 감소한다. 일반적으로, 적절하게 동작하지 않는 하나 이상의 요크를 배제하고 장치의 나머지를 계속해서 동작시킬 수 있다.

회전 축에 수직인 평면에서 조절할 수 있는 것은 과열의 경우에 에어 갭을 증가시키는 것에 대한 대안으로서 사용될 수 있는 안전 특징이다. 요크와 자석을 정렬할 수 없으면, 회로의 릴럭턴스가 증가하게 되어 연쇄 전압과 도체의 온도가 감소하게 된다.

회전 수에서 중요한 변동이 있는 거의 일정한 전압을 생성하기 위한 기계의 경우, 요크의 위치를 방사성으로 그리고 축 방향으로 조절하는 것은 연쇄 전력의 값을 조절하기 위해 사용될 수 있다.

나중에 논의하는 바와 같이, 고정자 서포트(stator support)는 롤러 또는 볼과 같은 롤링(rolling) 장치를 포함하는 것이 바람직하다. 롤링 장치는 디스크(12)의 외주 상에 롤링 가능하도록 정렬되어, 요크(16, 18)와 자석(14) 사이의 에어 갭(24, 26)을 일정하게 유지하고 회전자(12)의 축 방향 및 방사 방향에서의 발진과 열 팽창을 보상할 수 있다. 이것은 특히 큰 규모의 기계에 적합한데, 회전자의 방사 방향 또는 축 방향의 변위, 발진, 공진 및 기계적 그리고 열적 변형이 중요하기 때문이다.

코일, 서포트 및 서포트의 변위를 제어하는 수단을 구비하는 요크는, 임의의 필요한 위치 및 온도 센서를 포함하며, 전체 장치를 형성하기 위해 복제되는 기본적인 고정자 셀, 즉 모듈 구조체로서 고려될 수 있다. 따라서, 몇 개의 상이한 배치를 용이하게 얻을 수 있으며, 이러한 것은 나머지 설명 부분에서 명백할 것이다.

자석 요크(16, 18)의 재료는 장치의 용도에 따라 달라질 수 있다.

높은 주파수를 사용하는 응용 장치의 경우, 바람직한 재료는 투자율이 높고, 잔류 자속이 낮으며, 낮은 자석 릴럭턴스 페라이트[강자성 세라믹(ferroceramic) 물질]이다. 페라이트(ferrite)를 사용하면, 다음과 같은 이유에 의해 바람직하다.

- 페라이트는 자속 밀도가 높다(대략 1/2 테슬라).

- 페라이트는 소결이 가능한 물질이므로, 구조와 형태를 효율을 최대로 하는 것에 적합하도록 할 수 있다.

- 페라이트는 최대값이 최대 몇 메가헤르츠의 광역 주파수 범위에 속하는 효율 곡선을 나타내므로, 자석이 응용 장치에서 통과하는 주파수와 완벽하게 호환될 수 있다.

- 페라이트를 형성하는 재료의 전기 저항성이 높고, 높은 주파수에서 좁은 히스테리시스 사이클을 가진 잔류 자화(residual magnetisation)의 값이 낮은 경우, 강자성 세라막 재료에서의 손실이 매우 낮고, 전자기 손실이 매우 낮기 때문에, 효율이 높아진다.

- 페라이트에 의하면, 파형의 스퓨리어스 고주파로부터 유도되는 에너지를 변환할 수 있으며, 이에 의해 직경이 크고 회전의 수가 많아야 하는 응용 장치에 특히 유용하다.

- 페라이트는 낮은 비중(대략 철의 절반)을 가지며, 항공 응용 장치에 중요한 요소가 된다.

- 페라이트는 대략 250℃의 낮은 큐리(Curie) 온도를 갖기 때문에 과열이 생긴 경우에 자기 보호(self-protection)의 기능이 있다. 주지된 바와 같이, 온도 Tc를 초과하는 온도에서의 자화 투자율(magnetic permeability)은 실질적으로 0이다(도 25 참조). 따라서, 요크 온도가 Tc에 도달하면, 회로의 전체 릴럭턴스는 크게 증가하고, 공기 중에서의 회로의 값에 실질적으로 대응하는 값을 갖게 됨으로써, 연쇄 전압이 매우 낮은 값으로 감소한다. 이러한 특성은 요크 배치에 대한 대안으로 활용될 수 있다.

몇 헤르츠에서 몇 킬로헤르츠(예를 들어, 최대 3KHz)까지의 비교적 낮은 동작 주파수에서, 요크는 아이런-실리콘(iron-silicon) 시트로 이루어질 수 있으며, 5백 내지 1천 밀리미터의 두께를 가진다. 1KHz에서 몇십 킬로 헤르츠(예를 들어, 최대 20KHz)의 주파수의 경우, EPCOS에서 만든 N27과 같은 Ni-Zn 페라이트가 사용될 수 있다. Ni-Zn 재료는 높은 동작 주파수와 매우 높은 저항(대략 10kΩ/m)을 가지며, 히스테리시스 손실이 제한된다. MnZn 3C90-6과 같은 상기 언급한 페록스큐브(Ferroxcube)와 같은 Mn-Zn 페라이트 또는 Mn-Ni 재료가 적합하다.

본 발명의 장치는 무선 발전기 및 브러시리스(brushless) 전동기로서 작용할 수 있다.

발전기로서의 장치(10)의 동작 원리를 설명하기 위해, 트랜스포머(transformer)의 동작 원리를 생각하는 것이 좋다. 트랜스포머의 경우, 1차 권선의 전기 회로 양단의 전압의 동적 변화(dynamic variation)에 의해, 전류가 흐르는 코일에서 자속 변화가 생기며, 이러한 변화는 전체적으로 닫힌 자기 회로에서 유도된다. 닫힌 자기 회로에서의 자속 변화는 2차 권선에서의 연쇄 권선 수에 비례하는 2차 전자기력을 발생시킨다.

본 발명의 경우, 자속 변화는 자석(14)을 가진 디스크(12)와 자기 요크(16, 18) 사이에서 회전시킴으로써 발생한다. 이러한 경우, 한 쌍의 마주보는 자기 요크(16, 18)는 동일 요크 사이에서의 대향하는 극성을 가진 연구 자석(14)의 교번 통과에 기인한 자속 변화를 수용함으로써, 코일(20, 22) 양단에, 전자기력을 발생시키는 전압 V1~V4를 유도한다(도 3 참조). 다시 말해서, 회전 토크(rotary torque)를 디스크(12)에 인가함으로써, 영구 자석(14)의 극성의 교번에 기인한 자속 변화를 연쇄시키는 코일(20a, 20b, 22a, 22b)에 전자기력(efm)을 유도한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 링에 있는 요크, 예를 들어 요크(16)의 마주보는 표면 및 자석(14)의 상대적 위치를 보면, 회전자(12)가 회전하는 동안, 마주보는 영역이 계속해서 오버랩됨으로써, 자속 및 유도된 전압이 실질적인 사인파 형태로 증가하게 된다.

자속 변화를 ΔΦ라 하고 요크 암의 앞에 있는 2개의 자석의 통로 사이에서 결과되는 시간을 Δt라고 할 때에 생성되는 전압 -ΔΦ/Δt는 회전자(12)의 사이즈, 자석의 수(M)(즉, 이중 극자의 수 N) 및 주변 회전자 속도에 좌우된다. 대형의 회전자 디스크를 사용하는 경우, 낮은 회전 속도에도, 자석 통로(magnet passage)의 고주파수인 높은 M, 즉 높은 전압을 얻을 수 있다.

구체적으로, 동기 기계의 경우, 코일(20, 22)은 다른 코일의 파형과 동상인 파형을 생성하고, 독립 발전기를 형성한다. 주지된 바와 같이, 코일이 직결로 연결되어 있는지 병렬로 연결되어 있는지에 따라, 동일 전류 또는 정류 후의 단일 코일에서의 2N 배의 전압, 동일 전압의 전류 합과 동일한 전류를 각각 구할 수 있다. 이러한 경우, 적절한 필터가 필요할 수 있다.

비동기 기계의 경우, 각각의 코일은 디스크(12)의 회전의 1 주기 내에 인접한 코일에 대해 ±2π/2N 만큼 위상이 시프트된 전자기력(efm)을 생성하고, 파형을 정류(rectify)한 후에, 단일 위상 파형보다 작은 4N 배의 맥동률(ripple factor)을 가진 4N 반파를 구할 수 있어서, 필터링 및 평활화 동작이 필요하지 않다. 비동기 기계에서, 자석과 요크의 수는 사인 파형 등을 생성하도록 하는 것이 바람직할 것이다(즉, 조합 M=N은 피한다).

장치의 성능을 평가하기 위해, 다음과 같은 항공 애플리케이션을 예로 들어 설명한다. 자석(14)의 링은 대략 1m의 반경을 가지며, 자석 피치는 대략 10cm(D는 대략 5cm)이다. 외주는 6m보다 약간 길기 때문에, 링은 대략 60개의 자석을 포함할 수 있다. 장치가 터빈 내의 축압기 단(compressor stage)에 장착되면, 회전 속도는 대략 12,000 rpm, 즉 200 rps가 된다. 따라서, 자석 통로의 주파수는 대략 12,000 Hz이고, Δt는 대략 80 ㎲이다. 전이 시간 Δt가 더 짧고 유도된 전압이 더 높기 때문에, 높은 주파수와 낮은 전류를 갖는 높은 전압을 갖는 에너지가 생성될 수 있다. 이에 의하면, 높은 전압과 높은 주파수에 의해 코일(20, 22)에 대해 단면 사이즈가 작은 구리 와이어를 사용할 수 있으며, 에너지 처리 및 조절을 위한 강자성 재료가 매우 작게 되어, 무게를 감소시킬 수 있다. 이것은 많은 애플리케이션에서 특히 중요하다.

장치(10)는 위상 회전을 가진 전압 변화를 인가함으로써 브러시리스 전동기로서 가역 방식으로 사용될 수 있다. 극성 반전은 영구 자석(14)으로의 힘을 유도하며, 결과적으로 디스크(12)를 회전시키게 된다. 이러한 경우, 코일에 인가된 전압은 극성이 대향인 한 쌍의 자속을 형성하게 되고, 디스크를 이동시킴으로써, 자석(14)이 대향하는 요크(16, 18)와 일렬로 그리고 극성이 대향하도록 위치된다. 동기형 전동기의 경우, 점진적인 위상 증가에 의해 모든 코일에 대해 움직임을 시작하도록 할 것이다. 비동기형 전동기의 경우, 회전자와 고정자 사이의 위상 편이에 의해 제어가 간단해지며, 기계를 회전시키기 위해 코일 중의 임의의 것을 비균형화하는 것이 충분할 것이다.

종래의 브러시리스 전동기에서와 마찬가지로, 고정자(16, 18)에 대한 자석(14)의 위치를 검출한다. 따라서, 시스템이 안정적인 상태에 도달하게 되면, 제어 회로는 위상 회전(phase rotation)을 시작해서, 회전자로 하여금 새로운 안정 지점을 검색하도록 다시 변위시킨다. 이러한 제어 펄스의 주파수를 점진적으로 증가시킴으로써, 회전자가 가속화된다.

전동기로서 동작하는 경우에서의 주요 특징은 다음과 같다.

- 높은 가속 토크: 큰 반경(토크 암)을 갖는 디스크(12)의 외주에 힘이 인가된다. 반경이 크면 전동기를 동작시킬 때에 사용되는 더 많은 수의 자석 이중 극자를 장착할 수 있어서, 전체적인 힘이 커진다.

- 높은 회전 수, 장치의 여기 주파수에 따라 달라짐(예를 들어, 발전기로서의 동작과 관련해서 이루어지는 성능에 대한 고려).

또한, 발전기에 대해 설명한 바와 같이, 회전자와 고정자는 2개의 평행한 면을 갖기 때문에, 기계적 가공에 의해, 매우 작은 에어 갭을 얻을 수 있어서, 효율이 높아진다.

장치의 모듈 구조와 다양한 자기 회로의 독립성에 의해, 발전기 및 전동기 기능이 동일 장치에 동시에 존재할 수 있으며, 특히 대체 셀(alternate cell)이 발전기 또는 전동기로서 작용할 수 있다. 발전기 셀(generator cell)은 전동기 기능에 대한 피드백을 제공하기 위해 위치 검출기(position detector)로서 사용될 수 있다. 발전기 셀은 앞을 통과하는 자석의 위치에 비례하는 전압을 공급하며, 반전기와 전동기 셀의 상대적 위치를 알고 있기 때문에, 발전기 및 전동기 셀에 대한 회전자의 위치를 바로 구할 수 있다. 이에 의하면, 전동기 셀에 대해 펄스를 조정함으로써, 브러시리스 기계에서의 움직임을 얻기 위해 필요한 정확한 위상을 갖게 된다.

대안으로서, 홀 효과(Hall effect) 검출기에 의해 또는 보조 권선에 의해 위치 피드백이 제공될 수 있지만, 홀 효과 검출기는 150℃를 초과하는 온도에서는 적절하게 동작하지 않기 때문에, 보조 권선이 바람직할 수 있다.

도 5 및 도 6은 도 2 및 도 3과 유사한 도면으로서, 회전자(12)가 강자성체 재료로 이루어진 실시예를 나타낸다. 동일한 구성 요소에 대해는 동일한 참조 번호를 사용하고 있다. 이 경우, 고정자는 요크(16)의 단일 링을 포함하고, 자석(14)에 대향해서 위치한 코일(20a, 20b)은 요크(16)와 마주보는 회전자(12)의 표면에 접착된다(도 6 참조). 자석(14)을 회전자(12)에 접착하기 위한 적절한 재료는, 예를 들어 록타이틀 하이솔(loctite hisol) 9466이다.

접착을 용이하게 하기 위해, 회전자(12)는 자석(14)의 위치를 규정할 수 있으며, 오염, 강화 및 탈포화 기능을 갖는, 알루미늄 또는 수지(도시하지 않음)의 가이드(guide)를 포함할 수 있다. 접착이 고속의 회전 속도에서 원심력의 영향을 견디기에 충분하지 않다면, 자석을 제 위치에 유지하기 위한 다른 수단이 필요할 수 있다. 이에 대해서는 나중에 설명한다. 본 실시예에서, 자기 회로는 디스크(12)와 에어 갭(24a, 24b)을 통해 한 쌍의 자석(14)과 하나의 요크(16) 사이에서 폐쇄된다. 더 구체적으로 말하면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 자기 회로는 N극의 제1 자석(14), 에어 갭(24a), 코일(20a, 20b)을 구비하는 요크(16), 에어 갭(24b), S극의 제2 자석(14), N극의 제2 자석, 디스크(12), S극의 제1 자석을 포함한다. 본 실시예의 동작 원리는 도 1 내지 도 3에 나타낸 실시예와 동일하다. 코일의 수가 다른 차이점만 있다.

요크의 암과 한 쌍의 자석 사이의 자기 회로를 폐쇄하기 위한 얇은 강자성 시트에 의해 동일 요크와 마주보는 자석을 연결함으로써, 단일의 요크 링을 갖는 실시예는 비자성(non-ferromagnetic) 재료로 이루어진 회전자의 경우에도 사용될 수 있다.

이러한 변형 예는 장치의 경량화 특징을 높인다.

도 7은 요크(16, 18)가 디스크(12)의 전체 외주를 따라 분배된 것이 아니라 하나 이상(본 예에서는 2개)의 이산된 아크(arc)를 따라 분배된 다른 변형 예를 나타낸다. 요크 세트를 감소시킨 장점 중의 하나는 본 발명의 모듈 구조가 허용된다는 것이다. 각각의 세트가 요크를 하나씩 포함할 수도 있다. 이 변형 예는 전체 외주를 연장하는 일련의 요소 셀에 의해 얻어지는 파워(발전기 및 전동기의 파워)가 초과하는 애플리케이션에 적합한다. 물론, 이러한 변형 예가 도 1 내지 도 3에 나타낸 종류의 장치에 대해 나타낸 것이어도, 요크는 회전자(12)의 각각에 설치되고, 도 5 및 도 6에 나타낸 단일의 요크 세트의 경우에도 적용될 수 있다.

도 8~도 12는 자석과 요크가 방사상으로 배치된 본 발명의 실시예에 관한 것이다. 요소에 대해서는 이전 도면과 관련해서 이미 설명하였고 아포스토로피를 붙여서 동일한 도면 부호로 나타내고 있다.

방사 방향의 실시예에서, 회전자(12')는 측면에 교대로 자석(14')이 포함된 원통형 몸체이다. 축 방향의 실시예와 마찬가지로, 두 세트의 요크(16', 18': 도 8 참조) 또는 한 세트의 요크(16' 또는 18': 도 9 및 도 10 참조)가, 회전자(12')의 재료에 따라 제공될 수 있다. 요크는 코일(20', 22')이 권취된 반경 방향의 암을 갖는다. 단일의 요크 세트를 포함하는 해결 방안에서, 요크는 도 9와 도 10에 각각 나타낸 바와 같이, 회전자(12')의 외부 또는 내부에 위치할 수 있다. 도 9 및 도 10에 나타낸 배치를 각각 "내부 회전자" 배치와 "외부 회전자" 배치라고 한다. 방사 방향의 실시예에서, 회전자와 요크 암의 마주보는 표면은 어떤 지점에서나 동일한 곡률을 가짐으로써 에어 갭의 일정함을 보장한다.

외부 회전자 배치와 이중 세트의 요크를 가진 배치에서, 회전자(12')는 한 세트의 요크가 장착된 중공의 대형 원통형 챔버의 표면상에 형성된다. 내부 회전자 배치에서, 회전자(12)는 샤프트(13')에 유지되는 링 또는 디스크가 될 것이다. 또한, 방사 방향의 실시예에서, 요크(16' 및/또는 18')는 자석의 전체 링 앞쪽에 분배되거나 이러한 링의 하나 이상의 아크의 앞에 분배될 수 있다.

도 11 및 도 12에 도시된 변형 예에서, 회전자(12')의 측면은 2개의 인접하고 평행한 자석 열(14'a, 14'b)을 포함할 수 있으며(이중 자석 배치), 한 줄에서의 자석은 다른 줄에서의 인접하는 자석에 대해 대향하는 배향을 갖는다. 요크(16' 및/또는 18')의 암은 각각의 링에서 하나의 자석(14'a, 14'b)과 마주본다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 요크(16')(하나만 도시하고 있음)는 회전자 링의 제네러트리스(generatrice)에 대하여 비스듬히 배치될 수 있으며, 2개의 자석 열은 서로에 대해 편이됨으로써, 동일 요크와 마주보는 자석 쌍(14'a, 14'b)이 회전자 링의 제네러트리스에 대하여 비스듬하게 배치된다. 이에 의하면, 코깅을 감소시킬 수 있다.

이중 자석 배치에서, 자석 쌍은 동기형 구성 및 비동기형 구성에서 양쪽 요크 암을 통과하는 동일한 방사상 평면에 항상 있으며, 회전 평면은 자석과 요크 양쪽에 항상 공통이다. 이러한 경우, 자석이 요크의 앞에 있기 때문에 자기 흐름은 요크 암에 존재하거나, 자석이 요크 앞에 없어서 흐름 순환이 생기지 않게 된다. 이에 의하면, 암 사이에서 위상 편이가 없기 때문에, 스퓨리어스 푸코 손실(즉, 흐름은 계속해서 요크의 하나의 암에 존재하고 다른 암을 통해 회전자를 향해 확산을 생기게 한다)이 제거되는 중요한 장점을 제공한다. 이에 대하여, 모든 다른 구성에서, 암은 소정의 각도로 상호 위상 편이된 평면에 위치하기 때문에, 자석의 횡단 축을 지나가는 평면과 요크 암을 방사상으로 가로지르는 평면 사이의 약간의 위상 편이가 항상 존재하게 되어, 소정의 스퓨리어스 푸코 손실이 항상 존재한다.

축 방향 배치에 대하여 조정가능한 요크와 관련된 모든 고려 사항은 방사 방향의 배치에도 마찬가지로 적용되며, 에어 갭은 축 방향의 갭이 아니라 방사 방향의 갭이다. 예를 들어, 연쇄 파워를 조절하기 위하여, 요크의 방사 방향의 변위에 의해, 에어 갭을 변화시킬 수 있으며, 회전 축에 대한 요크의 길이 방향의 변위에 의해 자석과 암이 중첩되는 영역을 변화시킨다.

이중 자석 열과 자석에 대한 요크의 경사 배치가 방사 방향의 배치 중의 하나에 대해서만 도시되어 있지만, 이들은 다른 방사 방향의 배치에도 적용되며 축 방향의 배치의 다른 변형 예에도 적용된다.

지금까지 설명한 실시예에서, 요크의 코일은 서로 독립된 것이며, 다른 요크의 코일과도 독립된 것으로 가정하고, 파워 구동기 또는 응용 장치에 개별적으로 연결된다. 셀의 수가 많으면 외부에 대한 연결의 수가 많아질 것이며, 각 코일당 적어도 2개의 연결이 필요하고, 이것은 장치를 복잡하게 할 수 있다. 장치의 모듈 구조는 각각의 암에서의 독립적인 코일을 가지면서, 외부 연결의 수를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 장치의 기하학적 구성을 보면, N개의 요크(P=2N 암 또는 폴 연장부)와 M개의 자석을 가진 기계에서, 극성 사이의 소정의 기하학적 위상을 관찰할 수 있으며, X개의 폴 연장부의 주기에 따라 자석의 대립이 생긴다

X=P/ged(P,M)

"ged"는 가장 큰 공통의 제수(divisor)를 나타낸다. X개의 코일의 그룹에서의 각각의 코일은 해당 그룹 내에서 다른 코일에 대해 편이된 전자기력 위상을 생성하고, 코일의 전기적 위상은 모든 그룹에서 동일하게 반복된다. 동일한 위상을 가진 코일은 기계 내의 별 모양, 삼각형 등으로 병렬 또는 직결로 서로 연결될 수 있다. 이들의 공통의 포인트는 외부에 연결될 것이다. 따라서, 외부 연결의 수는 상이한 위상의 수까지 감소한다. 모듈 다상 기계를 얻을 수 있으며, 각각의 모듈은 X개의 폴 연장부와 Y=M/ged(P,M) 자석을 포함한다. 반전 위상을 가진 교번 모듈의 코일의 외부에도 연결될 수 있기 때문에, 소정 쌍의 값 M, P를 가진 X-위상 또는 2X-위상 기계를 얻을 수 있다. 모듈 다상 배치가 이중 자석 실시예에 적용되는 경우에, 셀의 양쪽 암에서의 동기형 흐름의 장점은 계속해서 유지된다. 동일 위상을 가진 모듈을 병렬 또는 직렬로 연결함으로써, 전압을 증가 또는 감소시킬 수 있으며, 요크 변위에 의해 허용되는 동일 결과를 달성할 수 있다.

도 13~도 15는 상이한 쌍의 값 P, M을 가진 실시예를 나타낸다. M은 P-2보다 작은 짝수이다. 도면은 방사 방향의 실시예를 나타내지만, 동일한 고려 사항이 축 방향의 실시에에도 적용된다.

도 13에서, P=64이고, M=48이기 때문에, X=4이다. 이에 의하면, 4개 코일의 모든 제2 그룹에서의 코일이 인접한 4개의 코일의 그룹에서의 대응하는 코일에 대하여 동일 위상을 가지는지 아니면 반전 위상을 가지는 지에 따라, 4개 또는 8개의 위상을 가진 기계를 얻을 수 있다.

도 14에서, P=48이고, M=40이기 때문에, X=6이다. 이에 의하면, 6개의 코일로 이루어진 제2 그룹에서의 코일이 6개의 코일로 이루어진 인접 그룹에서의 대응하는 코일에 대하여 동일 위상을 갖는지 반전 위상을 갖는지에 따라, 6개 또는 12개의 위상을 갖는 기계를 얻을 수 있다.

도 15에서, P=48이고, M=32이기 때문에, X=3이다. 이에 의하면, 3개의 코일로 이루어진 제2 그룹에서의 코일이 3개의 코일로 이루어진 인접 그룹에서의 대응하는 코일에 대하여 동일 위상을 갖는지 반전 위상을 갖는지에 따라, 3개 또는 6개의 위상을 갖는 기계를 얻을 수 있다.

다른 비동기형 구성은 P보다 훨씬 큰 M으로 달성할 수 있다.

이러한 외부 연결의 단순함은 동기형 기계의 경우에도 적용될 수 있다. M=P이기 때문에, 동일한 위상을 갖는 P개의 코일 또는 하나의 위상을 갖는 P/2 코일 및 반전 위상을 갖는 P/2 위상을 얻을 수 있으며, 외부에 대하여 하나 또는 2개의 연결이 필요하다.

도 13~도 15는 다상의 기계에 특히 유용한 폴 연장부(polar expansion)(7)의 형태를 나타내고 있다. 도 16의 (a) 및 (b)의 확대 도면을 참조한다. 폴 연장부(7)는 자석을 마주보는 확장 헤드(7a), 코일(21)이 권취된 감소된 단면 사이즈를 갖는 중간 스템(intermediate stem)(7b), 및 폴 연장부(7)를 서포트(예를 들어, 앞서 설명한 연결 부재)에 고정시키기 위한 베이스 또는 기저부(7c)를 포함한다. 이러한 형태는 기계의 활성의 강자성체 부분이 확장되고 회전 자석에 대한 코일의 노출을 감소시키는 장점을 갖는다. 스템(7b)은 사각의 평면 6면체로 형성되며, 회전자의 회전 방향에 수직인 면이 가장 크다. 폴 연장부의 기저부(7c)는 스템(7b)보다 큰 사이즈를 가질 수 있다. 폴 연장부(7)는 도 16의 (b)에 나타낸 바와 같이 체결 수단(7d)에 의해 고정자 서포트에 개별적으로 체결될 수 있으며, 요크(6)는 이들의 기저부(7c)에 대응해서 결합된 2개의 인접한 연장부(7)를 포함한다. 개별적인 장착은 코일의 권취를 더 용이하게 한다는 점에서 유리하다. 또한, 기저부(7c)의 측면은, 예를 들어 몇도 정도 약간 기울어져 있어서, 회전자 쪽으로 열린 소정의 각도가 요크 내의 스템(7b)의 축 사이에 존재한다. 요크(6) 내의 스템(7b)의 축의 경사는 상대적으로 큰 사이즈의 코일을 권취하기 위한 공간을 제공한다.

장치를 발전기로서 사용할 때에 외부 연결의 수를 감소시키기 위한 다른 해결 방안은, 기계 내의 모든 코일의 파형을 정류하고, 기계 내의 양극(positive pole)과 음극을 연결함으로써, 단지 2개의 출력 도체만을 필요로 하는 것이 될 수 있다. 그러나, 이러한 해결 방안은 모든 코일이 서로 연결되어 있기 때문에, 기계를 전동기로서 사용하는 것이 불가능 또는 매우 어렵다. 그러나, 도 13~15와 관련해서 설명한 위상 모듈 방식은 정류기 구조에 연결되지 않은 셀의 일부를 남기고 전동기 기능에 대한 이러한 셀을 사용하기 위해 활용될 수 있다. 예를 들어, 48개의 폴 연장부를 갖는 기계를 고려해 보면, 다음의 시퀀스를 예상할 수 있다. 즉, 정류기를 통해 연결된 3개의 폴 연장부, 독립적이고 가역적인 하나의 폴 연장부에 의해, 36개의 폴 연장부가 직접 정류되고 서로 연결되며, 12개의 독립적인 폴 연장부가 피치 X=4에 의해 외주를 따라 분배된다.

도 17의 (a)~(d)는 자석이 터빈의 임펠러(impeller)에 장착될 때에 생기는 것과 같은, 특히 고속 회전시에 원심력을 견디는 데에 적합한 자석 실시예를 나타낸다. 자석은 사각형 플레이트(140)이며, 베이스가 자석의 N극 및 S극을 형성하고, 측면이 이중 테이퍼링되어 있다. 더 구체적으로, 자석의 2개의 대향하는 측면이, 예를 들어 위에서 아래로 테이퍼링되어 있으며, 다른 쪽이 반대로 테이퍼링되어 있다. 다시 말해서, 자석 베이스 중의 하나에 대해 수직인 2개의 평면에 따른 부분, 예를 들어 도 17의 (b)에 라인 C-C 및 D-D를 통과하는 평면은 도 17의 (c) 및 (d)에 나타낸 것과 같이 2개의 뒤집힌 사다리꼴이다. 이러한 형태에 의하면, 높은 저항을 억제하는 데에 사용하기 위해 접선 방향 또는 방사 방향의 압축 응력을 전달할 수 있다.

필요하다면, 서로 인접한 자석의 경우, 자석의 마주보는 면에 대하여 보완적으로 테이퍼링된 유지 요소(도시 안 됨)가 자석 링에 대해 횡 방향으로, 그리고 이중 자석 구성의 경우에도 2개의 열에 있는 자석 사이에 길이 방향으로 인접한 자석 사이에 제공될 수 있다.

도 17의 (a)~(d)의 변형 실시예에서, 한 쌍의 대향하는 측면만이 경사질 수 있기 때문에, 플레이트는 실질적으로 쐐기형이 된다. 또한, 동일한 효과의 쐐기형 또는 이중 테이퍼링 플레이트의 동일한 효과를 플레이트를 원뿔형 또는 피라미드형의 절두체로 형성함으로써 얻을 수 있다.

도 16의 (b)에 나타낸 요크(6)를 사용하는 외부 회전자 방사형 장치에 대해 도 18에 나타낸 바와 같이, 원심력에 대한 저항력은 인접한 자석(140) 사이에 위치하고 접선에 따른 응력에 기인한 치수 변화를 보상하기 위해 자석 측면의 압축 응력에 인가하도록 배치된, 접선에 따라 동작하는 탄성의 유지 부재(60)를 사용함으로써 보강할 수 있다. 부재(60)는 회전자(12')에 고정된 중심부(60a)와 중심부로부터 자석(140) 쪽으로 연장하는 2개의 U자형 측면 암(60b)을 갖는 판 스프링(leaf spring)(60b)을 포함할 수 있으며, 중심부(60a)로부터 먼 쪽에 U자형의 다리부가 자석에 접촉되어 있다. 2열의 유지 부재(60)에서, 1열이 한 줄의 자석에 대응하며, 부재(60)의 하나의 열만 설치해도 된다. 도 18은 인접한 요크(6)가, 예를 들어 열 팽창에 의한 기계적 간섭과 관련된 자유도를 제공하는 갭(77)에 의해 분리된 것을 나타낸다. 동일한 효과를, 탄성 재료, 예를 들어 Teflon^® 로 만든 유지 부재를 사용함으로써 얻을 수 있다.

도 19는 크게 경사진 벽부를 가진 쐐기 모양의 자석(140)을 사용하는 내부 회전자 기계의 실시예를 나타낸다. 이 해결 방안은 매우 큰 수의 회전을 위한 것이다. 자석(140)은 회전자 에지 내에 형성된 시트(seat)(62)에 수용되며, 예를 들어 회전자(12')의 회전 축에 수직인 평면에서, 자석의 대응하는 단면 형상에 대한 보상하는 실질적으로 사다리꼴 단면을 가지며, 비도전성 시트(66) 내에 포장된다. 자석(40)의 다른 두 면은 자석을 횡 방향으로 유지하는 클램프(clamp)(64)와 맞물린다.

도 18과 도 19는 이중 자석 구성을 나타내며, 동일 요크를 마주하는 자석을 연결하는 얇은 강자성 시트(61)를 나타낸다.

도 20~도 22는 회전자의 위치 또는 자세에서의 변형 또는 변화의 자동 보상 및 셀 변위를 가능하게 하는, 요크(16)를 위한 서포트 구조를 나타낸다. 도 20 및 도 21은 2개의 직교 평면에 따른 2개의 개략적인 단면 원리를 나타내며, 도 22는 단면에 나타낸 구성 요소의 일부를, 명확함을 위해 생략한 사시도이다.

이러한 서포트 구조는 볼, 롤러, 롤러 베어링 또는 볼 베어링 등의 다수의 롤링 부재(50)(도면에서는 각각의 암에 대해 2개씩 4개가 도시되어 있음, 도 22 참조)를 포함한다. 이들 부재는, 롤링 부재의 트랙으로서 작용하는, 회전자 표면의 적절하게 처리된 주변 영역(51)을 롤링 처리하고, 에어 갭을 일정하게 유지하도록 구성된다. 이를 위해, 롤링 부재(50)는 기계적, 유압적, 또는 공압적으로 동작하는 조절 유닛(52), 예를 들어 유압 또는 공압 실린더 또는 슬라이딩 부재와 연관된다. 이들 부재는 장치의 교정 단계에서, 정상적인 동작 조건에서, 롤링 부재(50)가 회전자(12)로부터 이격되고, 적절한 동작 위치로부터 벗어나거나 변형된다. 롤링 부재(50)는 암으로부터 어느 정도 돌출되도록 구성하여, 회전자를 롤링 처리할 때에 원하는 에어 갭을 만들도록 한다. 롤링 부재(50)와 이들의 조절 유닛(52)은 요크(16)와, 원하는 에어 갭의 변화에 따르는 회전자의 임의의 변화를 일정하도록 교정되는, 압축 스프링(56) 또는 동일 기능을 갖는 다른 요소와 연관되는 베어링 구조(54)에 의해 함께 연관된다.

구조를 견고하게 하기 위해, 코일(20, 22), 지지 구조체(54), 상기 언급한 요크 변위와 위치 조절을 행하는 수단, 및 이러한 변위를 수지 층에 내장할 수 있는 검출기(70: 도 23)를 구비하는 요크(16, 18)를 포함하는 전체 셀은, 도면에는 나타내지 않은 케이스 내에 포장된다. 수지는 파우더 재료로 채워질 수 있다. 이 재료는 전기 및/또는 열 전도성을 높이며, 붕소, 실리콘 카바이드, 알루미늄 등이 될 수 있다.

도 27은 셀의 기본적인 구현과 축 방향에서의 조절을 위한 수단을 나타낸다. 요크(16)는 2개의 파워 코일(20)과 2개의 신호 코일(200)을 구비하는 암(17)에 설치되며, 냉각 코일(80)에 의해 둘러싸여 있다. 셀에는 관련된 신호 처리 및 제어 회로(90)를 갖는 온도 및 위치 검출기(86, 88)가 포함되어 있다. 예를 들어, 온도 검출기(88)는 양 또는 음의 열 제어 타입의 열 저항기(thermo-resistor) 또는 열전대(thermocouple)를 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 위치 검출기(88)(위상 검출기와 회전 주파수 검출기를 포함하는 의미로 사용된다)는 홀 효과 검출기 또는 보조 코일이 될 수 있으며, 다양한 암의 코일에서의 전류와 전압의 위상 및 진폭을 검출하기 위한 1차 파워 코일이 될 수 있다. 검출기(86, 88)가 이해를 쉽게 하기 위해 요크의 외부에 있는 것으로 되어 있지만, 처리 및 제어 회로(90)와 함께 셀의 내부에 위치할 수 있다.

회전자 변위와 대조를 보이는 스프링(56)은 실린더(92) 내에 활주가능하게 장착된, 작동 피스톤 또는 실린더(82) 내에 설치된다. 장치가 작동하지 않는 상태에서, 피스톤(82)은 스피링(84)에 의해 실린더(92) 내에서 완전히 후퇴한다. 동작 상태에서, 실린더(92)에 의해 피스톤(82)이 연장되며, 피스톤(82)은 안정적인 작업 위치를 취하게 된다. 동적 조절의 경우에, 장치의 전자 제어 유닛에 의해 제어되는 적절한 선형 구동기는 동작 요건에 따라 피스톤(82)에 인가되는 힘을 조절한다. 2개의 피스톤(82)에 상이하게 작용함으로서, 셀의 틸팅(tilting)을 얻을 수 있다. 피스톤(82)의 어셈블리와 등가인 공압식, 유압식, 또는 기계식으로 작동되는 장치가 사용될 수 있다.

검출기(86, 88), 처리 및 제어 회로(90) 및 피스톤/실린더(82, 92)는 중앙 처리기(도시 안 됨)에 연결된다. 중앙 처리기는 내부에 기억된 기계의 모델과 검출기로부터 수신한 정보에 기초해서, 기계의 규정 동작과 안전 과정 모두에 필요한 작용을 판정한다. 변위 명령(displacement command)은 피스톤/실린더(82, 92) 또는 다른 조절 유닛이 셀에 연결된 부재인 적절한 파워 구동기 및 액추에이터로부터 제공된다.

실린더(82, 92) 또는 이와 등가인 유닛은 다른 축을 따라 또는 그 주변으로 셀의 전이/회전을 제어하기 위해 제공될 수 있다.

조절 피스톤(52)을 구비하는 단일의 롤링 부재(50)는 도면을 명확하게 나타내기 위해 셀의 나머지 부분으로부터 분리된 것으로 도시하고 있다. 롤링 부재(50)는 회전자에 대하여 롤링 부재의 충격을 보상하기 위한 충격 흡수 수단(shock-absorbing means), 예를 들어 스프링(58)과 연관되어 있다.

경량화 및 높은 효율 및 전동기로서 사용하는 경우의 높은 토크, 및 높은 성능에 의해, 이하와 같은 장치에 대한 몇 가지 애플리케이션이 가능하게 된다.

- 터빈이 장착된 항공 발전기;

- 터빈용의 기동 전동기;

- 터빈 구조에 사용하는 피드백 전동기;

- 선박 및 비행기 프로펠러용의 전동기;

- 수직 이륙을 위한 항공 프로펠러;

- 가스 파이프라인 등을 위한 펌프용의 전동기;

- 풍력 발전기(aeolian generator);

- 범용의 산업 발전기;

- 토크 조절기;

- 자동차 시스템용의 플라이휠;

- 에너지 복원에 의한 전자기 브레이크;

- 액티브 브레이크

이하, 이러한 애플리케이션에 대하여 간단히 설명한다.

항공 발전기(aeronautical generator)

이 애플리케이션은 비행기에 전기 에너지를 발생시키기 위한 것이다. 장치(10)는 낮은 동작 온도에서 스테이지 상에 직접 설치될 수 있으며[이 경우, 도 2에 나타낸 블레이드(15)는 터빈 스테이지의 블레이드가 될 것이다], 터빈 축에 연결된 감속 기어를 통해 기계적 에너지를 받는 통상적인 교류 발전기를 대체할 수 있다. 따라서, 본 발명의 발전기는 완전한 전기적 분배를 통해 액추에이터, 장치 및 트랜스듀서의 원격 구동을 가능하게 하는, 스위칭 파워 공급에 의해 전기적 에너지 변환의 현대적 기술과 유사한 해결 방안이다. 터빈과 직접 접촉하지 않고도 높은 전압 및 주파수에서 전기적 에너지를 발생시킬 수 있는 장치(10)는, 종래 기술의 많은 문제점을 해소할 수 있다. 특히, 경량화 및 높은 신뢰성, 수명의 장기화, 용이하게 확장할 수 있는 모듈 구성 및 최소 유지 비용의 요구를 만족시킬 수 있다. 또한, 전동기와 기어 박스의 비용과 관련해서 비용을 저렴하게 할 수 있다.

항공 애플리케이션 및 터빈용의 범용의 기동 전동기

본 발명의 장치는 전체적으로 가역될 수 있기 때문에, 추가의 무게 및 비용 없이도, 브러시리스 전동기용의 전자 제어 유닛과는 별도의, 비행기의 엔진용의 기동 시스템을 제공할 수 있다. 이와 반대로, 기동 시스템은 외부 전동기가 사용될 수 있는 경우에 무겁고 비싸기 때문에 비행기에는 제공되지 않는 경우가 많다. 이러한 선택은 비행기 자체의 유연성 및 안전성을 제한한다. 경량화 및 제한된 비용의 동일 특징에 의해, 본 발명을 항공 분야 외의 터빈용의 시동 전동기로서 사용할 수 있다.

터빈 구조에서의 피드백 전동기

저압력 또는 고압력 압축기에 의해 터빈 샤프트의 회전 속도와 연계되지 않은 회전 속도가 이루어지지만, 압축기의 주변 및 외부에 설치된 전기 전동기에 의해 정해(과속)진다. 이에 의하면, 회전 수를 최적화하고 터빈 스테이지의 압축기에서의 압력을 독립적으로 함으로서, 성능과 소비의 최적화를 더 잘 조절할 수 있다.

선박 프로펠러용 전동기

전기적 선박 추진은 본 발명에 의한 종류의 기계를 사용할 수 있는데, 이러한 기계는 낮은 노이즈를 갖기 때문에, 선체의 외부에 설치될 수 있으며, 스크류에 단단히 연결되고, 길이 방향의 선체 축에 대하여 각도를 갖고 변위될 수 있으며, 선박의 높은 조정성(manoeuvrability)을 위해 제공될 수 있다. 이러한 애플리케이션에 본 발명을 사용한 것이 도 26에 도시되어 있는데, 본 발명의 장치(10)의 이중 자석 방사 실시예는 선박의 스크류(11)의 외주에 통합된 것으로 도시되어 있다. 하우징 프레임은 장치(10)의 구성을 나타내기 위해 제거되어 있다. 이러한 애플리케이션에서, 본 발명은 다음과 같은 장점을 갖는다.

- 스크류 외주에서의 전동기 셀의 배치에 기인한 극성의 수가 많고 반경이 큰 값을 갖는 경우의 높은 토크;

- 셀의 개별적인 유지 및 조절을 할 수 있음;

- 하나의 셀에 고장이 생긴 경우에도 다른 셀이 고장이 생긴 셀과 독립적으로 동작할 수 있는 높은 신뢰성;

- 수지 내의 밀봉에 의한 거칠고 적대적인 환경에서의 동작 특성;

- 갭을 일정하게 유지하면서 스크류에 대해 피벗될 수 있는 셀이 외주 롤링 부재에 의한 프레임에 대한 스크류 진동의 대항력을 갖추고 있음,

수직 이륙을 위한 비행기 프로펠러 및 항공 프로펠러용 전동기

높은 토크와 높은 신뢰성의 장점은 비행기 프로펠러에 적합한 본 발명을 사용하는 것에 의한다. 본 발명의 비행기 프로펠러의 구조를 도 26에 나타내고 있다. 이러한 애플리케이션에서, 본 발명의 장치는 어큐뮬레이터, 연료 전지, 광전지 등의 열역학 기계와 연관된 발전기 유닛과 함께 작동될 수 있다.

또한, 스크류와 자석/요크의 링은 수평 위치에서, 날개 표면에 평행한 방향을 가질 수 있기 때문에, 수직 이륙을 위한 수직 흐름을 생성할 수 있으며, 이륙 후에는, 스크류와 링의 어셈블리가 수평 비행을 위해 진행 방향으로 통과하도록 회전될 수 있다. 이러한 애플리케이션에 본 발명을 적용함으로써, 터빈의 수직 배치에 의해 종래의 터빈의 가스 흐름의 온도가 매우 높아서 비행기에 손상이 생길 수 있는 문제를 해소할 수 있다.

가스 파이프라인을 위한 펌프용 전동기

본 분야에서의 애플리케이션은 선박 프로펠러와 동일한 원리에 기초한다. 그러나 이 경우, 자석은 파이프라인의 내부에 위치하고 요크는 외부 링에 위치한다. 이에 의하면, 어떠한 접촉도 없고 요크와 파이프라인 내부의 프로펠러 간에 전기적으로 완전한 절연이 보장된다. 높은 신뢰성과 고유의 안전성을 달성할 수 있으며, 가스와 탄화수소를 펌핑하는 데에 특히 적합하다.

풍력 발전기

이러한 애플리케이션에서, 디스크(12)의 중심 부분의 블레이드(15)는 풍력 발전기의 베인(vane)을 형성한다. 본 애플리케이션은 대형의 디스크를 구축하는 데에 문제가 없으며, 이러한 애플리케이션에 대해 통상적인 사이즈를 갖는 베인을 수용할 수 있고, 무게는 감소시킬 수 있다. 대형의 디스크에 설치될 수 있는 이중 극자의 수가 많고 자기 회로의 손실이 낮기 때문에, 어떠한 풍향 상태에서도 양호한 효율을 얻을 수 있다. 이중 극자가 많으면, 구조체의 사이즈를 비용과 성능 간의 절충을 최적화하도록 할 수 있다.

산업 발전기

본 발명은 회전자(12)를 회전 샤프트[장치의 샤프트(13)를 형성]에 고정시키는 것이 용이하기 때문에, 회전 샤프트가 존재하는 경우에는 발전기로서 사용하기에 적합하며, 자기 플라이어(16, 18)의 링은 회전 부재와의 어떠한 기계적인 연결도 필요로 하지 않기 때문에 독립적으로 수용될 수 있다. 본 발명은 장치(10)를 형성하는 요소가 터빈과 용이하게 통합될 수 있기 때문에 에너지 생성을 위한 터빈과의 연결에 사용하기 특히 적합하다.

d.c. 토크 조절기

본 애플리케이션은 요크(16, 18) 전체가 회전가능하게 설치될 것을 필요로 한다. 일정한 극성 전압이 장치(10)에 인가되면, 자석(14)은 자기 요크(16, 18)의 앞에 균형 상태로 안정적으로 위치한다. 따라서, 요크(16, 18)를 유지하는 외부 부분을 회전시킴으로써, 자석(14)을 유지하는 회전자 모듈(12)에서도 유사한 회전이 유도된다. 이러한 고정자와 회전자의 결합 회전은 최대 토크를 달성할 때까지 계속되고, 최대 토크는 암에 의해 디스크 및 요크에 결합가능하게 인가된 접선 힘(tangential force)의 생성에 의해 주어지며(자석 링의 반경), 이어서 일정한 토크 슬라이딩이 개시한다. 이 경우, 일정한 토크에서의 다수의 회전이 요구되면, 회전 동안 전류를 흐르도록 하기 위한 회전 컬렉터(rotary collector)를 설치할 필요가 있다.

전압 레벨을 변화시킴으로써, 강자성 회로의 포화시킬 때까지 연쇄된 힘이 변화한다.

a.c. 토크 조절기

이 경우 본 발명에 따른 장치는 전동기와 연결되어 동작하지만, d.c. 토크 조절기의 경우와 마찬가지로, 스크류 스트로크(screwing stroke)의 끝에서, 장치는 중단되고 인가된 토크는 리셋된다. 그러나 이 경우 전류를 흐르게 하기 위해 회전 컬렉터를 필요로 하지 않는다.

본 발명을 사용하는 d.c. 또는 a.c. 토크 조절기는 쓰레드(thread)가 완전히 나사결합되는 경우에도, 일정한 토크로 동작하여야 하는 병마개 스크류(bottle cap screwing)을 위한 기계에 사용될 수 있다. 이러한 요건은 식품 분야와 화학-약품 산업에서 특히 엄격하다.

전자기 플라이휠(electromagnetic flywheel)

본 발명의 중요한 애플리케이션은 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 감속 동안 에너지를 수신하고, 전기 에너지를 혼합된 축압 시스템(즉, 상이한 시간에 상이한 축적 및 공급 특징으로 동작하는 장치를 포함하는 시스템)에 저장하며, 저장한 전기 에너지를 장치의 가역성에 의해 가속 단계 동안 기계적 에너지를 복원시키는 것이다. 장치는 실질적으로 전자기 플라이휠로서 작용한다.

본 발명에 따른 장치를 플라이휠로서 사용하는 시스템의 구조를 도 28에 개략적으로 나타낸다.

이 구조에서, 전자기 플라이휠, 즉 장치(10)는 기어 박스(32)의 상류에서, 엔진(30)과 부하 사이의 구동 샤프트에 설치된다. 이러한 상태에서, 플라이휠(10)은 구동 샤프트와 동일한 속도로 회전한다(일반적으로, 대략 1,000 rpm 내지 20,000 rpm). 플라이휠은 차의 중심에서 전동기 축의 횡 방향으로 배치되기 때문에, 자이로스코프 효과를 최소로 할 수 있지만, 그 값은 이동 부재(회전자)가 낮은 관성 모멘트를 갖기 때문에 낮다.

플라이휠(10)은 유닛의 한쪽에 연결되고, 전체적으로 에너지 복원 어셈블리(33)를 형성하며, 유닛의 다른 쪽에서는 전체적으로 에너지 공급 어셈블리(35)를 형성한다. 어셈블리(33, 35)는 혼합된 축압 시스템이 될 수 있는 축압기(accumulator)(40)의 입력 및 출력에 각각 연결된다. 에너지 복원 어셈블리(33)는 제동 컨트롤러(36)에 의해 플라이휠(10)과 전류 발생기(38) 사이에 연결될 수 있는 인버터(34)를 포함한다. 전류 발생기(38)는 축압기(40)를 공급한다. 에너지 공급 어셈블리(35)는 위상 조절기(42)를 포함한다. 위상 조절기는 축압기(40)에 연결되고 플라이휠 위치 인코더(44)에 의해 제어된다. 에너지 공급 어셈블리는 가속기 컨트롤러(48)에 의해 플라이휠(10)에 연결될 수 있는 브러시리스 전동기 슬레이브 유닛(brushless motor slaving unit)(46)을 포함한다.

아이들 상태에서[즉, 브레이트 컨트롤러(36)가 동작하지 않는 경우], 코일(20, 22)(도 1 내지 도 3 참조)은 개방 회로 상태로 유지되고 회전자(12)로부터 멀어지도록 이동됨으로써, 에어 갭을 증가시켜, 정상적인 동작 동안 브레이크 효과를 무효화시킨다. 이에 의해, 역기전력 피드백 힘이 실질적으로 제로가 된다. 제동 또는 복원 단계 동안, 코일의 전기 회로는 인버터(34)에 대해 폐쇄되기 때문에, 전류가 흐르게 되고 플라이휠(10)의 디스크(12)에 역기전력을 발생시킨다. 또한, 요크(16, 18)의 링은 디스크(12)에 근접하게 이동하기 때문에, 장치는 최소의 에어 갭으로 동작하고 최대의 역기전력이 생긴다. 이러한 힘에 의해 운동 에너지가 감소하고, 차량을 제동시키고, 동시에 축압기(40)에 저장될 수 있는 전류 발생기(38)에 의해 변환된 고주파수 전기 에너지를 발생시킨다.

가속 동안, 반대의 공급 과정이 작동한다. 이 단계에서, 플라이휠은 브러시리스 전동기로서 작동한다. 가속 컨트롤러(48)가 작동하면, 위상 회전에 의한 전압 변화가 인가되며, 극성 반전이 영구 자석(14)에 힘을 유도해서 디스크(12)를 회전시킨다. 나머지 동작에 대해서는, 전동기의 동작과 관련해서 이미 설명하였다. 본 기술에 의하면, 짧은 시간에 많은 에너지를 공급할 수 있으며, 공급 단계 동안 매우 높은 가속 토크를 얻을 수 있고 전동기 응답에 대한 곡선의 경사가 급하게 된다.

전자기 브레이크

본 발명의 장치(10)는 도 28에 나타낸 바와 같이 차량의 열역학적 엔진(20)과 트랜스미션 유닛(32) 사이에 장착되며, 전자기 브레이크로서 작용할 수 있다. 이러한 애플리케이션에서, 정상적인 동작 동안, 코일(20, 22)(도 1 내지 도 3)은 개방 회로 상태로 유지되고, 요크(16, 18)는 상기 경우에서와 같이 회전자로부터 상당한 거리를 유지함으로써, 역기전력 피드백 힘이 실질적으로 제로가 된다. 제동될 때에, 요크는 앞에서와 같이 회전자에 근접하게 이동되고, 코일의 전기 회로는 저항성 부하에 대하여 폐쇄되며(플라이휠의 경우에서와 같이 인버터에서 폐쇄되는 대신에), 제동 에너지는 역기전력 제동력이 디스크에 작용하는 동안 열 에너지로 변환된다.

액티브 브레이크

본 발명의 다른 용도는 액티브 브레이크이다. 기본 원리는 플라이휠에 대해 설명한 것에서 발전된 것으로서, 정상 동작 중에 또는 차량의 구동 단계 동안 에너지 축적이 이루어진다. 제동 단계 동안, 코일(2, 22)의 회로는 부하에 대하여 폐쇄되고 이중 반전(counter-rotating) 전동기로서 동작하도록 구동된 후, 에너지가 축압기(40: 도 28)로부터 제동 장치로 흐르게 되어, 제동 시간이 감축된다. 장치(10)를 휠의 축에 배치함으로써, 휠 록(wheel lock)을 피할 수 있다. 제동 시에, 액티브 브레이크 작용은 회전자와 고정자의 상대적 위치를 축 방향으로 조절할 수 있기 때문에 각각의 휠에 독립적으로 분배될 수 있으며, 이중 반전 작용은 긴급 제동의 비균형 부하를 보상하는 데에 적합한 차별화된 방식으로 제공될 수 있다. 이러한 애플리케이션의 일반적인 장점은 관련 에너지가 높지만 짧은 기간 동안이기 때문에 장치의 높은 토크, 조정의 신속성, 및 낮은 전력 소비와 관련되어 있다.

상기 설명은 제한하지 않는 실시예에 의한 것이며, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 설명한 실시예에 대해 변경 및 변화, 특히, 구성 요소의 형태, 크기, 재료, 종류 등에 대하여 변경이 가능하다. 예를 들어, 요크 및 셀이 회전자의 앞에 완전한 링을 형성하는 경우, 회전자의 외주를 따라 규칙적으로 분배될 필요가 없다. 이러한 비규칙적인 분배는 코깅을 감소시키는 데에 유용하고, 장치가 발전기와 전동기 모듈을 모두 포함하거나 다상의 구조체를 포함하는 경우에 유용하다. 필요에 따라, 고정자 셀의 비규칙적인 분배는 장치의 제어 시스템에 의해 전자적으로 보상될 수 있다. 또한, 상기 언급한 것들 외의 다른 애플리케이션도 가능하다.

Claims (37)

1. 가역의 발전기-전동기 동작이 가능한 전자기 장치(10)에 있어서,
   축을 중심으로 회전을 하며, 실질적으로 링 형태의 패턴에서 교대로 규칙적인 간격을 두고 분배된 다수의 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140)을 유지하는 회전자(12; 12'); 및
   상기 자석(14; 14;, 14;a, 14;b; 140) 쪽으로 연장하며 응용 장치 또는 파워 구동기에 전기적으로 연결하기 위한 코일(20a, 20b, 22a, 22b; 20', 22'; 21)을 유지하는 한 쌍의 돌출 암(projecting arm)(17a, 17b, 19a, 19b; 7)을 갖는 하나 이상의 자기 요크(magnetic yoke)(16, 18; 16', 18')를 구비하는 고정자(16, 20a, 20b, 18, 22a, 22b; 16', 18', 20', 22')로서, 상기 자기 요크가, 소정의 시점에서 상기 요크 암(17a, 17b, 19a, 19b; 7)을 마주하는 한 쌍의 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140) 및 상기 요크를 상기 자석으로부터 분리시키는 에어 갭(air gap)과 함께 폐쇄된 자기 회로(magnetic circuit)의 일부를 구성하는, 고정자
   를 포함하며,
   상기 하나 이상의 자기 요크(16, 18; 16', 18')는 마주보는 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140)에 대한 요크의 위치를 조절하도록 배치된 조절 유닛(56, 82, 84, 92)을 구비하는 자신의 서포트(54) 상에 독립적으로 설치되고, 코일(20a, 20b, 22a, 22b; 20', 22'; 21), 자신의 서포트(54) 및 조절 유닛(52, 56)과 함께, 단일 위상 또는 다상의 모듈을 포함하는 가역의 전자기 장치(10)를 형성하기 위해 복제될 수 있는 기본적인 고정자 셀(stator cell)을 형성하는 것을 특징으로 하는 전자기 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기본적인 고정자 셀은 자석 링의 다수의 이산적인 아크를 따라 연장하는 적어도 한 세트의 셀을 형성하도록 복제되는, 전자기 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 기본적인 고정자 셀은 전체적인 자기 셀의 앞에서 연장하는 적어도 한 세트의 셀을 형성하도록 복제되는, 전자기 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 회전자(12, 12')는 2N 또는 2N-2보다 작은 짝수 중에서 선택된 M개의 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140)을 유지하며, 상기 N은 각 세트에서의 자기 요크(16, 18; 16', 18'; 6)의 수를 의미하는 것인, 전자기 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   모든 셀에서의 코일(20a, 20b, 22a, 22b; 20', 22'; 21)은 파워 구동기 또는 응용 장치에 개별적으로 연결되는, 전자기 장치.
6. 제4항에 있어서,
   모든 셀에서 마주보는 자석(14; 14'; 14'a, 14'b)과 동일한 기하학적 위상 관계를 갖는 암(17a, 17b, 19a, 19b; 7)의 코일(20a, 20b, 22a, 22b; 20', 22'; 21)은 장치의 내부에서 함께 연결되고, 파워 구동기 또는 응용 장치에의 공통의 연결체를 포함하는, 전자기 장치.
7. 제4항에 있어서,
   모든 셀에서 마주보는 자석(14; 14'; 14'a, 14'b; 140)과 동일한 기하학적 위상 관계를 갖는 교번 암(17a, 17b, 19a, 19b; 7)의 코일(20a, 20b, 22a, 22b; 20', 22'; 21)은 장치의 내부에서 함께 연결되고, 파워 구동기 또는 응용 장치에 대향하는 위상을 갖는 공통의 연결체를 포함하는, 전자기 장치.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하나 이상의 셀의 코일(20a, 20b, 22a, 22b; 20', 22'; 21)은 응용 장치에 연결되며, 적어도 다른 셀의 코일은 파워 구동기에 연결되는, 전자기 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 셀의 암은 응용 장치 또는 파워 구동기에 전기적으로 연결하기 위한 제1 코일(20a, 20b, 22a, 22b; 20', 22'; 21)과, 피드백 센서로서 작용하는 제2 코일을 포함하는, 전자기 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀은 축 방향 및 방사 방향으로 조절가능한 서포트(54; 70) 상에 설치되며, 상기 자석(14; 14'; 14'a, 14'b; 140)에 대한 셀의 위치는 3개의 직교 축에 따른 병진(translational) 이동에 의해 독립적으로 조절가능한, 전자기 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 서포트(54; 70)는 하나 이상의 축을 중심으로 하는 피벗(pivotal) 이동에 의해 조절가능한, 전자기 장치.
12. 제11항에 있어서,
    상기 서포트(54; 70)는 3개의 축을 중심으로 하는 피벗 이동에 의해 조절가능한, 전자기 장치.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀은 자석을 유지하는 고정자 면을 바라보는 단일 세트의 셀을 형성하도록 복제되는, 전자기 장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 회전자(12; 12')는 강자성 재료로 이루어지며,
    상기 자기 회로는 한 쌍의 자석(14; 14'; 14'a, 14'b; 140) 및 상기 자석을 바라보는 셀의 요크(16; 16')를 포함하고, 상기 요크를 상기 자석으로부터 분리시키는 에어 갭 및 상기 회전자(12; 12')에 의해 폐쇄되어 있는, 전자기 장치.
15. 제13항에 있어서,
    상기 회전자(12; 12')는, 상기 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140)이 없는 영역에서, 비자성(non-ferromagnetic) 재료로 이루어지며,
    상기 요크를 마주보는 상기 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140)은 강자성 요소(61)에 의해 연결되고,
    상기 자기 회로는 한 쌍의 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140)과 상기 자석을 바라보는 요크(16; 16')를, 상기 자석으로부터 상기 요크를 분리시키는 에어 갭 및 상기 강자성 요소(61)를 통해 폐쇄되어 있는, 전자기 장치.
16. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140)은 상기 셀을 바라보는 상기 회전자(12; 12')의 표면에 교번 방향(alternate orientation)으로 접착되는, 전자기 장치
17. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자(12, 12')는, 상기 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140)이 없는 영역에서 비자성(non-ferromagnetic) 재료로 이루어지며,
    상기 기본적인 셀은 회전자(12, 12')에 대하여 대칭적으로 정렬된 제1 및 제2 세트의 셀을 형성하도록 복제되고,
    상기 자기 회로는 상기 제1 및 제2 세트의 한 쌍의 인접한 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140)과 자석을 바라보는 셀의 자기 요크(16, 18; 16', 18'; 6)를 포함하는, 전자기 장치.
18. 제17항에 있어서,
    상기 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140)은 상기 회전자(12; 12') 내의 자화 영역에 있으며, 셀의 세트를 마주보는 회전자 표면에서 교대로 대향하는 일련의 폴을 형성하는, 전자기 장치.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자(12')는 한쪽 면상에서 다수의 자석(14'a, 14'b)을 유지하는 원통형 본체이며, 다수의 자석은 상기 한쪽 면상에 2줄의 평행한 열(14'a, 14'b)에 배치되는데, 하나의 열에서의 자석은 다른 열에서의 인접하는 자석에 대향하는 방향을 가지며, 각각의 셀은 2줄의 자석 열(14'a, 14'b)이 가교(bridge)하도록 배치된, 전자기 장치.
20. 제19항에 있어서,
    상기 셀과 상기 셀에 의해 가교된 한 쌍의 자석(14'a, 14'b)은 상기 회전자(12')의 발전기에 대해 비스듬히 경사지게 배치된, 전자기 장치.
21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 암(17a, 17b, 19a, 19b; 7) 및 상기 자석(14; 14'; 14'a, 14'b; 140)은, 원형 단면, 비원형 곡선 단면, 오목 다각형 단면, 정사각형 또는 직사각형의 볼록 다각형 단면을 포함하는 그룹 중에서 선택된 단면 형상을 가지며,
    상기 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140)과 상기 암(17a, 17b, 19a, 19b; 7)의 마주보는 영역은 유사한 크기를 갖는, 전자기 장치.
22. 제21항에 있어서,
    상기 암(17a, 17b, 19a, 19b; 7) 및 상기 자석(14; 14', 14'a, 14'b; 140)은 상이한 단면 형상을 갖는, 전자기 장치.
23. 제1항 내지 제15항, 제17항, 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석은 쐐기형(wedge shape), 2쌍의 대향하는 측면의 경사가 플레이트의 대향하는 테이퍼링 면을 만들 수 있도록 경사진 측면에 의해 연결된 사각형 기저부를 갖는 다면체(polyhedral shape), 및 원뿔형(frusto-conical shape) 중에서 선택된 형태를 갖는 자성체(140)인, 전자기 장치.
24. 제23항에 있어서,
    인접한 자석(140) 사이에는, 상기 인접한 자석의 마주보는 표면에 의해 형성된 것을 보상하는 테이퍼링 면을 갖는 테이퍼링된 유지 부재를 포함하는, 전자기 장치.
25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 인접한 자석(140) 사이에 접선 방향으로 동작하는 회복력을 갖는 또는 탄성의 유지 부재(60)를 포함하는, 전자기 장치.
26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 암(7)은, 서포트에 고정시키기 위한 기저부(7c), 상기 기저부(7c)로부터 자석(14'; 140)을 향해 연장하며 권취된 코일(21)을 갖는 스템(7b), 및 상기 기저부(7c)에 대향하는 스템 단부에 결합된 헤드(7a)를 포함하며,
    상기 헤드는 상기 스템(7b) 및 상기 코일(21)의 전체적인 단면 크기보다 큰 단면 크기를 가지며, 상기 코일(21)을 마주보는 자석(14'; 140)에 대하여 가리도록 배치된, 전자기 장치.
27. 제26항에 있어서,
    상기 셀은 상기 자석(14'; 140) 쪽으로 개방된 각도를 규정하는 한 쌍의 개별적으로 설치된 암(7)을 포함하며,
    2개의 인접한 셀에 각각 속하는 2개의 인접한 암(7)의 기저부(7c) 사이에 갭(77)이 제공되는, 전자기 장치.
28. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀의 암(17a, 17b, 19a, 19b)은 상기 암의 횡 방향의 크기와 동일한 길이를 갖는 부재에 의해 연결되며, 인접한 요크(16, 18)에서의 인접한 암의 대향하는 면은 상기 암의 횡 방향의 크기와 동일한 거리만큼 이격되어 있는, 전자기 장치.
29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기 요크(16, 18)는 높은 투자율, 낮은 잔류 자속 및 낮은 릴럭턴스의 페라이트, 철-실리콘 시트, Ni-Zn 또는 Mn-Zn 페라이트, 및 Mn-Ni 재료를 포함하는 그룹 중에서 선택한 재료로 이루어지는, 전자기 장치.
30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀의 서포트(54)에는 상기 셀의 요크(16, 18)와 자석(14) 사이의 에어 갭(24, 26)을 일정하게 유지하고, 상기 회전자(12)의 축 방향 및 방사 방향에서의 발진을 보상하기 위해 회전자 표면과 협력하도록 배치된 롤링 부재(50)가 포함되는, 전자기 장치.
31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀은 변위(displacement) 수단(82, 92)을 상기 서포트(54) 상에서 작동시키도록 배치된 처리 및 제어 회로(90)와 연결된 온도 검출기(86) 및 위치 검출기(88)와 관련되어 있으며, 상기 자석(14)과 마주보는 암(17) 사이에서 중첩하는 정도 및/또는 갭을 변화시킴으로써, 검출된 온도 및/또는 위치에 따라 개별적인 코일(20)에서의 연쇄 전압(concatenated voltage)을 변화시킬 수 있는, 전자기 장치.
32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀은 열적 도전성을 증가시키는 파우더 재료에 의해 채워지는, 수지 층(70) 내에 내포될 수 있는, 전자기 장치.
33. 제32항에 있어서,
    상기 수지 층(70)에는 방열(heat dissipating) 부재가 제공되는, 전자기 장치.
34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀(16)의 서포트(54)와 연관된 상기 조절 유닛(52, 56)은, 셀의 요크와 회전자 사이의 에어 갭의 동적 조절을 수행하도록 제어되는, 전자기 장치.
35. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치(10)는 유체의 이동에 의해 구동되는 기기의 임펠러(impeller) 내에 통합되는, 전자기 장치.
36. 유체의 이동에 의해 구동되는 임펠러를 구비하는 기기로서,
    상기 임펠러는 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 개시된 장치(10) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는 기기.
37. 제35항에 있어서,
    상기 기기는, 특히 항공 또는 선박 엔진용의 터빈, 항공 또는 선박 애플리케이션용의 프로펠러의 스크류, 가스 파이프라인용의 펌프, 풍력 발전기를 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 기기.

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