KR20150132001A

KR20150132001A - 대칭형 전자기 액추에이터

Info

Publication number: KR20150132001A
Application number: KR1020150067344A
Authority: KR
Inventors: 찌양 왕
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2015-11-25
Also published as: US20150330444A1; JP2015220982A; EP2945173A3; EP2945173A2

Abstract

시스템은 회전축선을 갖는 본체를 포함한다. 또한, 시스템은 본체로부터 반경방향으로 옵셋되고 또한 회전축선을 중심으로 회전하게 본체를 지지하도록 구성되는 전자기 액추에이터를 포함한다. 전자기 액추에이터는, 반경방향 자기 제어 회로를 형성하도록 반경방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하는 반경방향 폴 조립체, 제1 축방향 자기 제어 회로를 형성하도록 제1 축방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하는 제1 축방향 폴 조립체, 및 제2 축방향 자기 제어 회로를 형성하도록 제2 축방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하는 제2 축방향 폴 조립체를 포함한다. 반경방향 폴 조립체와 제1 및 제2 축방향 폴 조립체의 구조적 배치는 반경방향 폴 조립체를 통한 반경방향 중간평면에 대해 대칭이며, 상기 반경방향 중간평면은 본체의 회전축선에 대해 직교한다.

Description

대칭형 전자기 액추에이터{SYMMETRICAL ELECTROMAGNETIC ACTUATOR}

여기에 설명되는 발명의 대상은 전자기력의 발생에 관한 것이며, 특히 전자기 액추에이터로 전자기력을 발생시키는 것에 관한 것이다.

기계류 및 설비는 작동 중 지지를 필요로 하는 부품(예를 들어, 회전하는 또는 이동하는 부품)을 자주 포함한다. 이 지지는 베어링 또는 유사한 장치에 의해 제공될 수 있다. 어떤 적용에 있어서, 베어링은 이동하는 부품을 지지하기 위해 직접 접촉을 사용한다. 다른 적용에 있어서, 최소한의 접촉으로 또는 접촉하지 않고 이동하는 부품을 위한 지지를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.

본래 청구된 발명의 범주와 동등한 어떤 실시예가 아래에 요약되어 있다. 이들 실시예는 청구된 발명의 범주를 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 그러나 오히려 이들 실시예는 발명의 가능한 형태의 간단한 요약을 제공하는 것으로만 의도된다. 실제로, 본 발명은 아래에 설명되는 실시예와 유사하거나 또는 상이할 수 있는 다양한 형태를 포함할 수 있다.

제1 실시예에 따라, 시스템은 회전축선을 갖는 본체를 포함한다. 또한, 시스템은 본체를 따라 제1 축방향 위치에서 본체에 결합되는 제1 축방향 액추에이터 타겟(axial actuator target), 및 본체를 따라 제2 축방향 위치에서 본체에 결합되는 제2 축방향 액추에이터 타겟을 포함한다. 시스템은 본체를 따라 제1 축방향 위치와 제2 축방향 위치 사이의 제3 축방향 위치에서 본체에 결합되는 반경방향 액추에이터 타겟(radial actuator targent)을 추가로 포함하며, 상기 제1 축방향 액추에이터 타겟, 제2 축방향 액추에이터 타겟, 및 반경방향 액추에이터 타겟은 서로 자기적으로 결합된다. 또한, 시스템은 본체로부터 반경방향으로 옵셋되고 또한 회전축선을 중심으로 회전하게 본체를 지지하도록 구성되는, 전자기 액추에이터를 추가로 포함한다. 전자기 액추에이터는, 제1 축방향 액추에이터 타겟에 인접하여 배치되고 또한 제1 축방향 액추에이터 타겟과의 사이에 적어도 하나의 축방향 갭(gap)을 가로질러 자기 플럭스를 유통시키도록 구성되는, 제1 축방향 폴 조립체(axial pole assembly)를 포함한다. 또한, 전자기 액추에이터는 제2 축방향 액추에이터 타겟에 인접하여 배치되고 또한 제2 축방향 액추에이터 타겟과의 사이에 적어도 하나의 축방향 갭을 가로질러 자기 플럭스를 유통시키도록 구성되는, 제2 축방향 폴 조립체를 포함한다. 전자기 액추에이터는 제1 및 제2 축방향 폴 조립체 사이에 배치되고 또한 반경방향 액추에이터 타겟에 인접한, 반경방향 폴 조립체(radial pole assembly)를 추가로 포함한다. 반경방향 폴 조립체는 자기 플럭스를, 반경방향 액추에이터 타겟 및 제1 및 제2 축방향 폴 조립체와 유통시키도록 구성된다. 제1 및 제2 액추에이터 타겟, 제1 및 제2 축방향 폴 조립체, 반경방향 액추에이터 타겟, 및 반경방향 폴 조립체는 자기 바이어스(bias) 회로를 형성한다.

제2 실시예에 따라, 시스템은 회전축선을 갖는 본체로부터 반경방향으로 옵셋되고 또한 회전축선을 중심으로 회전하게 본체를 지지하도록 구성되는 전자기 액추에이터를 포함한다. 전자기 액추에이터는 상기 본체에 결합되는 제1 축방향 액추에이터 타겟의 사이에 적어도 하나의 축방향 갭을 가로질러 자기 플럭스를 유통시키도록 구성되는 제1 축방향 폴 조립체를 포함한다. 또한, 전자기 액추에이터는 상기 본체에 결합된 제2 액추에이터 타겟과의 사이에 적어도 하나의 축방향 갭을 가로질러 자기 플럭스를 유통시키도록 구성되는 제2 축방향 폴 조립체를 포함한다. 전자기 액추에이터는 제1 및 제2 축방향 폴 조립체 사이에 배치되는 반경방향 폴 조립체를 추가로 포함하며, 상기 반경방향 폴 조립체는 자기 플럭스를, 본체에 결합된 반경방향 액추에이터 및 제1 및 제2 폴 조립체와 유통시키도록 구성된다. 제1 및 제2 축방향 폴 조립체 및 반경방향 폴 조립체는 자기 바이어스 회로의 일부를 형성한다. 또한, 전자기 액추에이터는 제1 축방향 폴 조립체와 반경방향 폴 조립체 사이에 배치되는 제1 영구자석을 추가로 포함하며, 상기 제1 영구자석은 자기 바이어스 회로에 자기 바이어스 플럭스를 생성하도록 또한 자기 바이어스 회로에 자기 플럭스를 제공하도록 구성된다. 또한, 전자기 액추에이터는 제2 축방향 폴 조립체와 반경방향 폴 조립체 사이에 배치되는 제2 영구자석을 추가로 포함하며, 상기 제2 영구자석은 자기 바이어스 회로에 자기 바이어스 플럭스를 생성하도록 또한 자기 바이어스 회로에 자기 플럭스를 제공하도록 구성된다.

제3 실시예에 따라, 시스템은 회전축선을 갖는 본체를 포함한다. 또한, 시스템은 본체로부터 반경방향으로 옵셋되고 또한 회전축선을 중심으로 회전하게 본체를 지지하도록 구성되는 전자기 액추에이터를 포함한다. 전자기 액추에이터는 반경방향 자기 제어 회로를 형성하도록 반경방향 액추에이터 타겟에 결합되어 이와 협력하는 반경방향 폴 조립체, 제1 축방향 자기 제어 회로를 형성하도록 제1 축방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하는 제1 축방향 폴 조립체, 및 제2 축방향 자기 제어 회로를 형성하도록 제2 축방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하는 제2 축방향 폴 조립체를 포함한다. 반경방향 폴 조립체와 제1 및 제2 축방향 폴 조립체의 구조적 배치는 반경방향 폴 조립체를 통한 반경방향 중간평면(midplane)에 대해 대칭이며, 상기 반경방향 중간평면은 본체의 회전축선에 대해 직교한다.

본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태, 및 이점은, 이하의 상세한 설명이 도면 전체를 통해 유사한 문자가 비슷한 부분을 나타내는 첨부한 도면을 참조하여 판독될 때, 더욱 잘 이해될 것이다.

도 1은 대칭형 구조를 구비한 전자기 액추에이터를 갖는 전기 기계 시스템의 실시예의 부분 횡단 측면도이며;
도 2는 도 1의 전자기 액추에이터 및 본체의 일부의 실시예의 횡단 측면도이며;
도 3은 도 1의 선 3-3 을 따라 취한, 도 1의 전자기 액추에이터 및 본체의 일부의 실시예의 축방향 횡단면도이다.

본 발명의 하나 또는 그 이상의 특정한 실시예가 아래에 설명될 것이다. 이들 실시예의 간결한 설명을 제공하기 위한 노력으로, 실제 실행의 모든 특징이 명세서에 설명되지 않을 수 있다. 이런 임의의 실제 실행의 개발에 있어서, 임의의 엔지니어링 또는 설계 프로젝트에서처럼, 시스템-관련된 및 업무-관련된 제약에의 순응과 같은 개발자의 특정한 목적을 달성하기 위해 많은 실행-특정(implementation-specific) 결정이 이루어져야만 하며, 이것은 하나의 실행으로부터 다른 실행으로 변할 수 있음을 인식해야 한다. 더욱이, 이런 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적이지만, 그러나 그럼에도 불구하고 본 발명의 이점을 갖는 통상적인 숙련자들에게는 설계, 제작, 및 제조라는 일상적인 과업임을 인식해야 한다.

본 발명의 다양한 실시예의 요소를 도입할 때, "하나의(a)", "하나(an)", "그(the)", 및 "상기"라는 단어는 하나 또는 그 이상의 요소가 있음을 의미하는 것으로 의도된다. "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", 및 "갖는"이라는 용어는 포괄적인 것을 의도되며, 또한 열거된 요소 이외에 추가적인 요소가 있을 수 있음을 의미한다.

본 발명은 [예를 들어, 평형의 자기 플럭스 프로필을 갖는 활성 자기 베어링(Active Magnetic Bearing)(AMB)의 부분으로서] 전자기 액추에이터를 사용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 전자기 액추에이터는 (예를 들어, 거울형 구조를 갖는) 대칭형 병렬 영구자석(permanent magnet)(PM)-바이어스된 동극(homopolar) 전자기 액추에이터일 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 전자기 액추에이터는 대칭형 병렬 전자기적으로(electromagnetically)(EM)-바이어스된 전자기 액추에이터일 수 있다. 전자기 액추에이터는, 축방향과 반경방향 모두에 본체의 무접촉 또는 거의 무접촉 이동을 제공하기 위해, 최소한의 접촉으로 또는 접촉하지 않고, 이동하는 본체(예를 들어, 회전자)를 지지하기 위해 제어된 전자기력을 인가하는데 사용될 수 있다. 따라서 전자기 액추에이터는 반경방향/축방향 전자기 액추에이터와 별도의 반경방향 및 축방향 액추에이터 타겟과의 조합을 통해, 반경방향 및 축방향 전자기력을 발생시킬 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예는 회전축선을 갖는 본체, 상기 본체를 따라 제1 및 제2 축방향 위치에서 본체에 각각 결합되는 제1 및 제2 축방향 액추에이터 타겟, 및 본체를 따라 제1 및 제2 축방향 위치 사이의 제3 축방향 위치에서 본체에 결합되는 반경방향 액추에이터 타겟을 포함한다. 축방향 액추에이터 타겟 및 반경방향 액추에이터 타겟은 서로 자기적으로 결합된다. 본체로부터 반경방향으로 옵셋되는(예를 들어, 분리되어 존재하는) 전자기 액추에이터는, 회전축선을 중심으로 회전하게 본체를 지지하도록 구성된다. 전자기 액추에이터는 각각의 축방향 갭(예를 들어, 축방향 에어갭)을 가로질러 자기 플럭스를 유통시키기 위해, 제1 및 제2 축방향 액추에이터 타겟에 인접하여 각각 배치되는 제1 및 제2 축방향 폴 조립체를 포함한다. 또한, 전자기 액추에이터는 제1 및 제2 축방향 폴 조립체 사이에서 그리고 반경방향 액추에이터 타겟에 인접하여 배치되는, 반경방향 폴 조립체를 포함한다. 반경방향 폴 조립체는 자기 플럭스를, 반경방향 액추에이터 타겟 및 두 축방향 폴 조립체와 유통시킨다. 축방향 액추에이터 타겟, 축방향 폴 조립체, 반경방향 액추에이터 타겟, 및 반경방향 폴 조립체는, 자기 바이어스 회로를 형성한다. 어떤 실시예에 있어서, 제1 영구자석은 제1 축방향 폴 조립체와 반경방향 폴 조립체 사이에 배치되며, 제2 영구자석은 제2 축방향 폴 조립체와 반경방향 폴 조립체 사이에 배치된다. 어떤 실시예에 있어서, 축방향 폴 조립체는 그 각각의 축방향 액추에이터 타겟과 함께 각각의 축방향 자기 제어 회로를 형성하는 반면에, 반경방향 폴 조립체 및 반경방향 액추에이터 타겟은 반경방향 자기 제어 회로를 형성한다. 각각의 축방향 자기 제어 회로는, 각각의 결합된 자기 회로(coupled magnetic circuit)를 형성하기 위해, 반경방향 폴 조립체와 결합되어 이와 협력한다. 결합된 자기 회로는 각각의 결합된 자기 플럭스(coupled magnetic flux)(예를 들어, 축방향 결합 플럭스(axial couple flux))를 각각 발생시킬 수 있으며, [예를 들어, 반대인 상(phase)을 갖지만 진폭이 동일한] 상기 각각의 결합된 자기 플럭스는 반경방향 폴 조립체와 반경방향 액추에이터 타겟 사이에서 반대의 반경방향이다. 이들 결합된 자기 플럭스는 평형의 자기 플럭스 프로필을 생성하기 위해 서로를 상쇄할 수 있다. 그 결과로서, 결합된 자기 플럭스는 반경방향 제어력에 영향을 끼치지 않는다. 따라서 축방향 및 반경방향 제어력이 교차-결합되지 않는다. 또한, 이 평형의 자기 플럭스 프로필은 보상 코일을 요구하지 않으며, 따라서 교정(calibration) 공정을 간단하게 하고 그리고 전자기 액추에이터에 요구되는 부품을 감소시킨다. 또한, 설명되는 전자기 액추에이터는 더욱 강건하며(예를 들어, 시간 경과에 대한 성능 열화를 최소화하며), 또한 축방향 능력 및 부하 용량을 증가시킬 수 있다.

이제 도 1로 돌아가서 그리고 이를 참조하여, 대칭형 구조를 구비한 전자기 액추에이터(12)를 갖는 전기 기계 시스템(10)(예를 들어, 회전형 전기 기계)의 실시예의 부분 횡단 측면도가 도시되어 있다. 이하의 논의에서는 전기 기계 시스템(10) 및/또는 전자기 액추에이터(12)의 길이방향 축선 또는 방향(14), 반경방향 축선 또는 방향(16), 및/또는 원주방향 축선 또는 방향(18)이 참조될 수 있다. 전자기 액추에이터(12)는 회전하는 기계[예를 들어, 전기 기계 시스템(10)]의 본체(20)(예를 들어, 회전자)를 지지하기 위해, AMB 시스템의 부분으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 전자기 액추에이터(12)는 내연기관(예를 들어, 왕복동 연소기관, 가스 터빈, 등), 스팀 터빈, 펌프, 터보과급기(turbocharger), 압축기, 전기 모터, 전기 발전기, 또는 임의의 다른 타입의 회전하는 기계에 및/또는 이와 함께 사용될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 전기 기계 시스템(10)은 임펠러(24)(예를 들어, 액체 및/또는 가스 임펠러)를 구동시키는 전기 모터(22)를 포함한다. 대안적으로, 전기 모터(22)는 터빈[예를 들어, 터빈단(turbine stage)의 터빈 블레이드]를 구동시킬 수 있다. 도시된 바와 같이, 전기 기계 시스템(12)은 회전자(20), 고정자(26), 상기 회전자(20)에 결합되는 축(28)(예를 들어, 모터 축), 및 상기 축(28)에 장착되는 및/또는 결합되는 임펠러(24)를 포함한다. 어떤 실시예에 있어서, 유체(예를 들어, 가스 및/또는 액체)의 흐름은, 축(28)을 통해 회전자(20)를 회전축선(30)에 대해 원주방향(18)으로 스핀시키는 임펠러(24)(또는 터빈)를 구동시킨다. 일부 실시예에 있어서, 모터(22)는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키며, 따라서 발전기(22)로서 기능한다. 어떤 실시예에 있어서, 회전자(20)는 하나 또는 그 이상의 AMB 에 의한 기계적 접촉 없이 반경방향(16)으로 그리고 축방향(14)으로 지지될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전방 AMB(32)는 회전자(20)의 전방 단부(34)의 축방향과 반경방향 모두의 현가(suspension)를 제공한다. 전기 기계(10)는, AMB(32)가 사용되지 않을 때, 회전자(20)를 지지하기 위해 하나 또는 그 이상의 백업 베어링(36)을 포함한다. 특히 회전자(20)는, AMB(32)가 사용되지 않을 때, 백업 베어링(36) 상에 안착된다. 백업 베어링(36)은 회전자(20)에 축방향과 반경방향 모두의 지지를 제공한다. 어떤 실시예에 있어서, 백업 베어링(36)의 내경과 상기 베어링(36)과 인터페이스하는 회전자(20) 부분의 외경 사이의 반경방향 클리어런스(clearance)는, AMB(32)가 작동될 때, 베어링(36)과의 접촉 없이 회전자(20)가 반경방향(16)으로 위치될 수 있게 한다. 또한, 백업 베어링(36)과 상기 베어링(36)과 인터페이스하는 회전자(20) 부분 사이의 축방향 공차는, AMB(32)가 작동될 때, 베어링(36)과의 접촉 없이 회전자(20)가 축방향(14)으로 위치될 수 있게 한다.

전방 AMB(32)는 전자기 액추에이터(12)를 포함한다. 전자기 액추에이터(12)는, 이것이 회전축선(30)에 대해 회전함에 따라, 회전자(20)를 (예를 들어 최소한의 접촉으로 또는 접촉 없이) 지지하기 위해 반경방향 및 축방향 전자기력을 발생시키는 반경방향과 축방향 전자기 액추에이터의 조합물이다. 전자기 액추에이터(12)는 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 평형의 자기 플럭스 프로필을 가능하게 하는 거울형 또는 대칭형 구조를 포함한다[예를 들어, 반경방향 폴 조립체(42)의 반경방향 중간평면에 대해, 상기 반경방향 중간평면은 회전축선(30)과 직교한다]. 전자기 액추에이터(12)는 동극이다[즉, 반경방향 로딩(loading)의 부존재 시, 자기 극성이 특정한 축방향 위치에서 회전자(20)의 둘레로 원주방향(18)으로 동일하게 존재한다]. 전자기 액추에이터(12)는 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 PM-바이어스될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 전자기 액추에이터(12)는 (예를 들어, 영구자석 대신에 코일을 사용하여) EM-바이어스될 수 있다.

도시된 바와 같이, 전자기 액추에이터(12)는 제1 축방향 폴 조립체(38), 제2 축방향 폴 조립체(40), 및 반경방향 폴 조립체(42)를 포함한다. 제1 축방향 폴 조립체(38)는 제1 축방향 폴(43), 제2 축방향 폴(44), 축방향 백아이언(backiron)(46), 및 회전자(20)에 대해 원주방향(18)으로 배치되는[그러나, 이로부터 반경방향(16)으로 옵셋되는] 축방향 제어 코일(47)을 포함한다. 어떤 실시예에 있어서, 축방향 폴(43, 44) 및 축방향 백아이언(46)은 환형 구조체(예를 들어, 환형 플레이트)를 포함할 수 있다. 축방향 백아이언(46)은 축방향 폴(43, 44)을 자기적으로 결합하는 축방향 폴(43, 44) 사이에 [예를 들어, 축방향(14)으로] 배치된다. 특히, 축방향 백아이언(46)의 측부(48, 50)는 제1 축방향 폴(43)의 측부(52) 및 제2 축방향 폴(44)의 측부(54)와 직접적으로 각각 인터페이스한다. 축방향 제어 코일(47)은 축방향 백아이언(46) 내에 동심으로 배치되며, 또한 축방향 백아이언(46) 및 축방향 폴(43, 44) 내에 부분적으로 둘러싸이거나 또는 포위된다. 축방향 폴(43, 44) 및 축방향 백아이언(46)은 연자성(soft-magnetic) 재료(예를 들어, 탄소강 및/또는 다른 연자성 재료)를 포함할 수 있거나 또는 이 재료로 구성될 수 있다.

어떤 실시예에 있어서, 제2 축방향 폴 조립체(40)는 제1 축방향 폴 조립체(38)와 구조적으로 동일하다. 제2 축방향 폴 조립체(40)는 제1 축방향 폴(56), 제2 축방향 폴(58), 축방향 백아이언(60), 및 회전자(20)에 대해 원주방향(18)으로 배치되는[그러나, 이로부터 반경방향(16)으로 옵셋되는] 축방향 제어 코일(62)을 포함한다. 어떤 실시예에 있어서, 축방향 폴(56, 58) 및 축방향 백아이언(60)은 환형 구조체(예를 들어, 환형 플레이트)를 포함할 수 있다. 축방향 백아이언(60)은 축방향 폴(56, 58) 사이에 [예를 들어, 축방향(14)으로] 배치되어, 축방향 폴(56, 58)을 결합한다. 특히, 축방향 백아이언(60)의 측부(64, 66)는 제1 축방향 폴(56)의 측부(68) 및 제2 축방향 폴(58)의 측부(70)와 직접적으로 각각 인터페이스한다. 축방향 제어 코일(62)은 축방향 백아이언(60) 내에 동심으로 배치되며, 또한 축방향 백아이언(60) 및 축방향 폴(56, 58) 내에서 부분적으로 둘러싸이거나 또는 포위된다. 어떤 실시예에 있어서, 축방향 코일(47, 62)은 동일한 개수의 코일을 포함한다. 축방향 폴(56, 58) 및 축방향 백아이언(60)은 연자성 재료(예를 들어, 탄소강 및/또는 다른 연자성 재료)를 포함하거나 또는 이 재료로 구성될 수 있다.

반경방향 폴 조립체(42)는 축방향 폴 조립체(38, 40) 사이에 [예를 들어, 축방향(14)으로] 배치된다. 반경방향 폴 조립체(42)는 복수의 반경방향 제어 코일을 포함할 수 있다(도 3 참조). 반경방향 폴 조립체(42)는 연자성 재료(예를 들어, 탄소강 및/또는 다른 연자성 재료)를 포함하거나 또는 이 재료로 구성될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 반경방향 폴 조립체(42)는 축방향(14)으로 적층되고 또한 전기적으로 서로 절연되는, 자기적으로 침투 가능하며 또한 전기적으로 도전성인 라미네이션(예를 들어, 강 및/또는 다른 자기적으로 침투 가능하고 또한 전기적으로 도전성인 라미네이션)으로 조립될 수 있다. 전기 절연은 반경방향 폴 조립체(42)의 여자(energization) 중 와전류(eddy current)를 감소시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 전자기 액추에이터(12)는 PM-바이어스된다. 전자기 액추에이터(12)는 제1 축방향 폴 조립체(38)와 반경방향 폴 조립체(42) 사이에 배치되고 또한 조립체(38, 42)를 결합하는 제1 영구자석(72)을 포함한다. 특히, 영구자석(72)의 측부(74)(예를 들어, N극 측부)와 측부(76)(예를 들어, S극 측부)는 축방향 폴(44)의 측부(78) 및 반경방향 폴 조립체(42)의 측부(80)와 각각 인터페이스한다. 또한, 전자기 액추에이터(12)는 제2 축방향 폴 조립체(40)와 반경방향 폴 조립체(42) 사이에 배치되고 또한 조립체(40, 42)를 결합하는 제2 영구자석(82)을 포함한다. 특히, 영구자석(82)의 측부(84)(예를 들어, N극 측부)와 측부(86)(예를 들어, S극 측부)는 축방향 폴(56)의 측부(88) 및 반경방향 폴 조립체(42)의 측부(90)와 각각 인터페이스한다. 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 영구자석(72, 82)은 반경방향 폴 조립체(42)에서 조합하기 전에, 제1 및 제2 축방향 폴 조립체(38, 40)와 각각 유통하는 자기 바이어스 플럭스를 각각 발생시킨다. 축방향 폴 조립체(38, 40), 반경방향 폴 조립체(42), 영구자석(72, 82)의 배치는 전자기 액추에이터(12)에 대칭형 또는 거울형 구조를 제공한다. 예를 들어, 반경방향 폴 조립체(42)의 반경방향(16)의 중심선에 대해, 전자기 액추에이터(12)는 중심선의 양 측부와 구조적으로 동일하다. 아래에 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 전자기 액추에이터(12)의 대칭형 구조는 평형의 자기 플럭스 프로필을 가능하게 한다. 어떤 실시예에 있어서, 전자기 액추에이터(12)는 EM-바이어스된다. EM-바이어스된 전자기 액추에이터는, 바이어스 플럭스를 제공하기 위해, 영구자석(72, 82) 대신에 코일을 사용한다.

전자기 액추에이터(12)는, 작동하고 있을 때, 회전자(20) 상에 배치되는 및/또는 회전자와 일체인 액추에이터 타겟과 자기 플럭스를 유통시킨다. 제1 축방향 액추에이터 타겟(92)은 회전자(20)를 따라 [예를 들어, 회전자(20)의 전방 단부(34)에 인접한] 제1 축방향 위치에 배치되며, 또한 제2 액추에이터 타겟(94)은 회전자(20)를 따라 [예를 들어, 제1 축방향 액추에이터 타겟(92)의 축방향 위치에 대해 회전자(20)의 전방 단부(34)에 더욱 근접한] 제2 축방향 위치에 배치된다. 제1 및 제2 축방향 액추에이터 타겟(92, 94)은 회전자(20)와 일체일 수 있다. 예를 들어, 제1 축방향 액추에이터 타겟은 회전자(20)와 일체로 도시되어 있다. 대안적으로, 제1 및 제2 축방향 액추에이터 타겟(92, 94)이 회전자(20) 상에 배치될 수 있다[예를 들어, 도시된 바와 같이, 제2 액추에이터 타겟(94)이 회전자(20) 상에 배치된다]. 예를 들어, 제1 및 제2 축방향 액추에이터 타겟(92, 94)은 [예를 들어, 타겟(92, 94)을 회전자(20) 상으로의 수축 끼워맞춤 또는 나사결합을 통해] 회전자(20)에 조여질 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 제1 및 제2 액추에이터 타겟(92, 94)은 형상이 환형[예를 들어, 환형 컬러(collar)]일 수 있다. 제1 및 제2 액추에이터 타겟(92, 94) 모두는 회전자(20)에 대해 원주방향(18)으로 또한 [예를 들어, 길이방향 축선(30)에 대해] 회전자(20)의 표면(100)으로부터 멀리 반경방향(16)으로 연장한다. 도시된 바와 같이, 액추에이터 타겟(92, 94)은 솔리드 부재이다. 어떤 실시예에 있어서, 액추에이터 타겟(92, 94)은 축방향(14)으로 적층되고 또한 (와전류를 감소시키기 위해) 전기적으로 서로 절연되는, 자기적으로 침투 가능하고 또한 전기적으로 도전성인 라미네이션(예를 들어 강 및/또는 다른 자기적으로 침투 가능하며 또한 전기적으로 도전성인 라미네이션)으로 조립될 수 있다

제1 축방향 폴 조립체(38)는 제1 축방향 액추에이터 타겟(92)에 인접하여 배치된다. 축방향 폴 조립체(38)는 제1 축방향 액추에이터 타겟(92)을 부분적으로 둘러싸거나 또는 포위한다. 제1 축방향 액추에이터 타겟(92)은, 제1 축방향 폴(43)의 제1 축방향 폴(43)의 측부(52)와 제1 축방향 폴 조립체(38)의 제2 축방향 폴(44)의 측부(54)와 각각 인터페이스하는, 단부-대향 표면(96, 98)을 포함한다. 특히, 타겟(92)의 단부-대향 표면(96) 및 축방향 폴(43)의 측부(52)는 그들 사이에 축방향 갭(102)(예를 들어, 축방향 에어갭)을 포함한다. 타겟(92)의 단부-대향 표면(98) 및 축방향 폴(43)의 측부(54)는 그들 사이에 축방향 갭(104)(예를 들어, 축방향 에어갭)을 포함한다. 제1 축방향 폴 조립체(38)는 조립체(38)와 제1 축방향 액추에이터 타겟(92) 사이에서 갭(102, 104)을 가로질러 자기 플럭스를 유통시킨다. 제1 축방향 폴 조립체(38)는, 회전자(20)의 축방향 이동을 제어하기 위해 축방향 전자기력을 발생시키는 제1 축방향 자기 제어 회로(106)(도 2 참조)를 형성하기 위해, 제1 축방향 액추에이터 타겟(92)에 자기적으로 결합되어 이와 협력한다.

제2 축방향 폴 조립체(40)는 제2 축방향 액추에이터 타겟(94)에 인접하여 배치된다. 축방향 폴 조립체(40)는 제2 축방향 액추에이터 타겟(94)을 부분적으로 둘러싸거나 또는 포위한다. 제2 축방향 액추에이터 타겟(94)은 제1 축방향 폴(56)의 측부(68) 및 제2 축방향 폴 조립체(40)의 제2 축방향 폴(58)의 측부(70)와 각각 인터페이스하는, 단부-대향 표면(108, 110)을 포함한다. 특히, 타겟(94)의 단부-대향 표면(108) 및 축방향 폴(56)의 측부(68)는 그들 사이에 축방향 갭(112)(예를 들어, 축방향 에어갭)을 포함한다. 타겟(94)의 단부-대향 표면(110) 및 축방향 폴(58)의 측부(70)는 그들 사이에 축방향 갭(114)(예를 들어, 축방향 에어갭)을 포함한다. 제2 축방향 폴 조립체(40)는 조립체(40)와 제2 축방향 액추에이터 타겟(94) 사이에서 갭(112, 114)을 가로질러 자기 플럭스를 유통시킨다. 제1 축방향 폴 조립체(40)는, 회전자(20)의 축방향 이동을 제어하기 위해 축방향 전자기력도 발생시키는 제2 축방향 자기 제어 회로(116)(도 2 참조)를 형성하기 위해, 제1 축방향 액추에이터 타겟(94)에 자기적으로 결합되어 이와 협력한다.

반경방향 액추에이터 타겟(118)은 회전자(20)를 따라 제1 및 제2 축방향 액추에이터 타겟(92, 94)의 제1 및 제2 축방향 위치 사이의 제3 축방향 위치에 각각 배치된다. 반경방향 액추에이터 타겟(118)은 연자성 재료(예를 들어, 탄소강 및/또는 다른 연자성 재료)를 포함하거나 또는 이 재료로 구성될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 반경방향 액추에이터 타겟(118)은 축방향(14)으로 적층되고 또한 (예를 들어 와전류를 감소시키기 위해) 전기적으로 서로 절연되는, 자기적으로 침투 가능하며 또한 전기적으로 도전성인 라미네이션(예를 들어, 강 및/또는 다른 자기적으로 침투 가능하고 또한 전기적으로 도전성인 라미네이션)으로 조립될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 반경방향 액추에이터 타겟은 환형의 원통형 형상을 포함한다. 반경방향 폴 조립체(42)는 반경방향 액추에이터 타겟(118)의 횡방향 표면(120)에 인접하여 배치된다. 반경방향 폴 조립체(42) 및 반경방향 액추에이터 타겟(118)의 횡방향 표면은 그들 사이에 반경방향 갭(22)(예를 들어, 반경방향 에어갭)을 포함한다. 반경방향 폴 조립체(42)는 조립체(42)와 반경방향 액추에이터 타겟(118) 사이에서 갭(122)을 가로질러 자기 플럭스를 유통시킨다. 또한, 반경방향 폴 조립체(42)는 자기 플럭스를 제1 및 제2 축방향 폴 조립체(38, 40)와 유통시킨다. 반경방향 폴 조립체(42)는, 회전자(20)의 반경방향 이동을 제어하기 위해 반경방향 전자기력을 발생시키는 반경방향 자기 제어 회로(123)를 형성하기 위해, 반경방향 액추에이터 타겟(118)에 자기적으로 결합되어 이와 협력한다.

제1 축방향 액추에이터 타겟(92), 제2 축방향 액추에이터 타겟(94), 및 반경방향 액추에이터 타겟(118)은 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 회전자(20)와 마찬가지로 서로 자기적으로 결합된다. 또한, 제1 및 제2 액추에이터 타겟(92, 94), 제1 및 제2 축방향 폴 조립체(38, 40), 반경방향 액추에이터 타겟(118), 및 반경방향 폴 조립체(42)는 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 자기 바이어스 회로(124)(도 2 참조)를 형성한다. 또한, 제1 축방향 자기 제어 회로(106)는, 제1의 결합된 자기 회로(126)(도 2 참조)를 형성하기 위해, 반경방향 폴 조립체(42)에 자기적으로 결합되어 이와 협력한다. 전자기 액추에이터(12)의 작동 중, 제1의 결합된 자기 회로(126)는 제1의 결합된 플럭스(예를 들어, 축방향 결합 플럭스)를 발생시킨다. 제2 축방향 자기 제어 회로(116)는 제2의 결합된 자기 회로(128)(도 2 참조)를 형성하기 위해, 반경방향 폴 조립체(42)에 자기적으로 결합되어 이와 협력한다. 전자기 액추에이터(12)의 작동 중, 제2의 결합된 자기 회로(128)는 제2의 결합된 플럭스(예를 들어, 축방향 결합 플럭스)를 발생시킨다. 구조적으로, 축방향 폴 조립체(38, 40)는 유사하거나 또는 동일하다[예를 들어, 축방향 제어 코일(47, 62)은 동일한 터언수(number of turn)를 포함한다]. 따라서 회전자(20)를 동일한 방향으로[예를 들어, 축방향(14)으로] 이동시키기 위해 동일한 전류가 각각의 축방향 제어 코일(47, 62)에 인가되면, 결합된 플럭스는 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 동일한 진폭을 갖지만 그러나 반대인 방향을 가질 것이다. 예를 들어, 제1의 결합된 자기 플럭스는 반경방향 폴 조립체(42)와 반경방향 액추에이터 타겟(118) 사이에서 반경방향(16)으로 한 방향으로 발생될 수 있는 반면에, 제2의 결합된 자기 플럭스는 조립체(42)와 타겟(118) 사이에서 반대 방향으로 반경방향(16)으로 발생될 수 있다. 따라서 결합된 자기 플럭스는 서로 상쇄하여, 작동 중 전자기 액추에이터(12)를 위한 평형의 자기 플럭스 프로필로 나타난다. 결합된 자기 플럭스의 상쇄는 [제어 회로(106, 116, 123)와 마찬가지로] 축방향 제어력 및 반경방향 제어력이 교차-결합하는 것을 방지한다. 평형의 자기 플럭스 프로필은 전자기 액추에이터(12)는 보상 코일을 필요로 하지 않으며, 따라서 교정 공정을 간단하게 하고 전자기 액추에이터(12)에 필요한 부품을 감소시킨다는 것을 의미한다. 또한, 전자기 액추에이터(12)는 더욱 강건하며(예를 들어, 시간 경과에 대한 성능 열화를 최소화하며), 또한 축방향 힘 능력 및 부하 용량을 증가시킬 수 있다.

전기 기계(10)는 축방향 폴 조립체(38, 40) 및 반경방향 폴 조립체(42)의 대응하는 제어 코일에 제공되는 제어 전류를 생성하는 제어기 또는 제어 전자기기(130)를 포함한다. 제어 전류는 제어 코일을 여자시켜, 회전자(20)를 이동시킬 전자기력의 발생으로 나타난다. 제어된 전자기력은 회전자(20)의 무마찰 또는 거의 무마찰 이동을 축방향(14)과 반경방향(16) 모두에 제공하기 위해, 최소한의 접촉으로 또는 접촉 없이 이동하는 회전자(20)를 지지한다. 제어 코일은 여자되었을 때 각각의 축선을 따라 회전자(20)를 이동시키기 위해 전자기력을 발생할 상이한 축선에 대응한다. 예를 들어, 여자되었을 때의 축방향 제어 코일(47, 62)은 회전자(20)를 축방향(14)으로 이동시킬 것이며, 여자되었을 때의 반경방향 제어 코일(도 3 참조)은 회전자(20)를 반경방향(16)으로 (예를 들어, 도 2의 페이지 내로, 페이지로부터 멀리, 페이지의 상부를 향해, 페이지의 바닥을 향해) 이동시킬 것이다. 어떤 실시예에 있어서, 제어 전자기기(130)는 제어 전자기기(130)에 의해 발생된 제어 전압을 제어 코일에 제공되는 각각의 제어 전류로 변환하는, 하나 또는 그 이상의 전력 증폭기를 포함할 수 있다. 축방향 제어 코일(47, 62)이 동일하기 때문에, 어떤 실시예에서는 두 코일(47, 62)을 위해 단일의 전력 증폭기가 사용될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, [예를 들어, 축방향 폴 조립체(38, 40)에 대한 축방향 갭이 변한다면] 코일(47, 62)을 위해 상이한 전력 증폭기가 사용될 수 있다.

또한, 전기 기계(10)는 제어 전자기기(130)와 통신하는 센서를 포함한다. 예를 들어, 반경방향 위치 센서(132) 및 축방향 위치 센서(134)와 같은, 비접촉 위치 센서는 공간에서 회전자(20)[예를 들어, 회전자(20)의 전방 단부(34)]의 반경방향 및 축방향 위치를 결정하는데 각각 사용될 수 있다. 센서(132, 134)가 회전자(20)의 전방 단부(354)에 인접한 것으로 도시되었지만, 센서(132, 134)는 회전자(20)에 대해 상이한 위치(예를 들어, 축방향 위치)에 배치될 수 있다. 예를 들어, 반경방향 위치 센서(132)는 반경방향 폴 조립체(42)의 양 측부(80, 90) 상에 배치될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 센서(132, 134)는 제어 전자기기(130)에 대한 회전자(20)의 위치를 나타내는 센서 전압을 제공하며, 이것은 회전자의 위치를 제어하기 위해 전자기 액추에이터(12)에 의해 회전자(20)에 인가된 전자기력을 조정하기 위해 제어 전자기기(130)에 의해 사용될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 제어 전자기기(130)는 공정 회로[예를 들어, 프로세서(136)] 및/또는 메모리 회로[예를 들어, 메모리(138)]를 포함할 수 있다. 프로세서(136)는 전자기 액추에이터(12)의 작동 및 회전자(20)의 포지셔닝을 제어하기 위해, 명령을 실행할 수 있다. 이들 명령은 프로그램으로 엔코딩되거나, 또는 메모리(138)와 같은 유형의 지속성 컴퓨터-판독 가능한 매체(예를 들어, 광학 디스크, 솔리드 스테이트 디바이스(solid state device), 칩, 펌웨어)에 코드 저장될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 메모리(138)는 회전자(20)의 (예를 들어, 축방향의 및 반경방향의) 특별한 위치를 나타내는 기준 전압을 저장할 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 제어 코일에 인가된 제어 전류, 및 필요할 경우 그에 따른 회전자(20)의 위치를 조정하기 위해, 프로세서(136)는 센서(132, 134)로부터 수신된 센서 전압을 기준 전압에 비교할 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 센서(132, 134)와 함께 또는 그 대안으로, 액추에이터 코일(예를 들어, 축방향 및 반경방향 제어 코일)이 감지 코일로서 사용될 수 있다.

도 2는 도 1의 전자기 액추에이터(12) 및 본체(20)의 일부(예를 들어, 회전자)의 횡단 측면도이다. 전자기 액추에이터(12) 및 그 타겟(92, 94, 118)은 전술한 바와 같다. 제1 영구자석(72)은 제1 축방향 폴 조립체(38) 내에서 2개의 부분(140A, 140B)으로 분기되는 자기 바이어스 플럭스(140)를 발생시킨다. 특히, 부분(140A)은 축방향 백아이언(46)을 통해 축방향 폴(44)을 따라 축방향 폴(43)로, 그 후 축방향 폴(43)로부터 [예를 들어, 축방향(14)으로] 축방향 갭(102)을 가로질러 제1 축방향 액추에이터 타겟(92)로 지향된다. 부분(140B)은 축방향 폴(44)을 따라 그리고 [예를 들어, 축방향(14)으로] 축방향 갭(104)을 가로질러 제1 축방향 액추에이터 타겟(92)로 지향된다. 자기 바이어스 플럭스(140)의 2개의 부분(140A, 140B)은 제1 축방향 액추에이터 타겟(92) 내에서 다시 함께 합쳐지며, 그리고 연자성 본체(20) 내에서 축방향(14)으로 반경방향 액추에이터 타겟(118)을 향해 지향된다. 또한, 제2 영구자석(72)은 제2 축방향 폴 조립체(40) 내에서 2개의 부분(42A, 142B)으로 분기되는 자기 바이어스 플럭스(142)를 발생시킨다. 특히, 부분(142A)은 축방향 백아이언(60)을 통해 축방향 폴(56)을 따라 축방향 폴(58)로, 그리고 그 후 축방향 폴(58)로부터 [예를 들어, 축방향(14)으로] 축방향 갭(114)을 가로질러 제2 축방향 액추에이터 타겟(94)로 지향된다. 부분(142B)은 축방향 폴(56)을 따라 그리고 그 후 [예를 들어, 축방향(114)으로] 축방향 갭(112)을 가로질러 제2 축방향 액추에이터 타겟(94)로 지향된다. 자기 바이어스 플럭스(142)의 2개의 부분(142A, 142B)은 제2 축방향 액추에이터 타겟(94) 내에서 다시 함께 합쳐지며, 그리고 연자성 본체(20) 내에서 축방향(14)으로 반경방향 액추에이터 타겟(118)을 향해 지향된다. 자기 바이어스 플럭스(140, 142)는, 반경방향 갭(122)을 가로질러 [예를 들어, 반경방향(16)으로] 반경방향 폴 조립체(42)로 지향되는 조합된 자기 바이스 플럭스(144)를 형성하여, 영구자석(72, 82)에 의해 발생된 자기 바이어스 플럭스(140, 142)에 의해 형성되는 자기 바이어스 플럭스 루프를 폐쇄하기 위해, 반경방향 액추에이터 타겟(118) 내에서 함께 합쳐진다. 자기 바이어스 플럭스 루프는 자기 바이어스 회로(124)를 형성한다.

축방향 힘(예를 들어, 축방향 전자기력)(F_AX)은 축선(30)에 대해 코일(47, 62)을 통해 원주방향(18)으로 흐르는 각각의 축방향 제어 전류(146, 148)에 의해 축방향 제어 코일(47, 62)을 여자시킴으로써 발생된다. 특히, 축방향 제어 전류(146)는 축방향 자기 제어 회로(106)를 형성하기 위해, 축방향 폴(43, 44), 축방향 백아이언(46), 축방향 갭(102, 104), 및 축방향 액추에이터 타겟(92)을 통해 전파하는 (점선으로 도시된) 자기 축방향 제어 플럭스(150)를 생성한다. 축방향 제어 전류(148)는 축방향 자기 제어 회로(116)를 형성하기 위해, 축방향 폴(56, 58), 축방향 백아이언(60), 축방향 갭(112, 114), 및 제2 축방향 액추에이터 타겟(94)을 통해 전파하는 (점선으로 도시된) 자기 축방향 제어 플럭스(152)를 생성한다. 자기 축방향 제어 플럭스(150, 152)의 크기 및 방향은 전류(146, 148)를 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 자기 축방향 제어 플럭스(150, 152)가 제로에 가깝고, 축방향 갭(102, 104)이 동일하거나 또는 거의 동일하고, 축방향 갭(108, 114)이 동일하거나 또는 거의 동일하다면, 축방향 갭(102, 104)의 바이어스 플럭스(140)는 동일하거나 또는 거의 동일할 수 있고, 축방향 갭(112, 114)의 바이어스 플럭스(142)는 동일하거나 또는 거의 동일할 수 있으며, 또한 각각의 축방향 액추에이터 타겟(92, 94) 상에 작용하는 실제 축방향 전자기력은 제로이거나 또는 거의 제로인 실제 값일 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 자기 축방향 제어 플럭스(150, 152)가 제로가 아니라면, 자기 축방향 제어 플럭스(150, 152)는 각각의 축방향 갭(102, 112)에 바이어스 플럭스(140A, 142B)를 각각 추가하지만, 그러나 각각의 축방향 갭(104, 114)에서 바이어스 플럭스(140B, 142A)를 각각 차감(subtract)한다. 제1 축방향 액추에이터 타겟(92)의 단부-대향 표면(96, 98) 및 제2 축방향 액추에이터 타겟(94)의 단부-대향 표면(108, 110) 상에 작용하는 플럭스 밀도의 차이는, 도시된 방향으로 [예를 들어, 축방향 폴(43, 56)을 향해] 축방향 축선(14)을 따라 축방향 힘(145)(F_AX)으로 나타난다. 코일(47, 62)에서 축방향 제어 전류(146, 148)의 방향을 역전시키는 것은, [예를 들어, 축방향 폴(43, 56)을 향한] 축방향 힘(145)(F_AX)의 방향을 역전시킨다. 본체(20)와 일체로 되어 있으며 및/또는 이에 단단히 고정된 축방향 액추에이터 타겟(92, 94)로 인해, 타겟(92, 94) 상에 발휘된 힘이 본체(20)에 직접적으로 전달된다.

도시된 바와 같이, [축방향 자기 제어 회로(106)를 포함하는] 제1 축방향 폴 조립체(38) 및 반경방향 폴 조립체(42)는, 축방향 제어 플럭스(150)[즉, 축방향 자기 제어 회로(106)]에 들어가는 [해시된(hashed) 라인으로 도시된] 축방향 결합 플럭스(154)를 통해 결합된다. 축방향 결합 플럭스(154)는, 결합된 자기 회로(126)를 형성하기 위해, 제1 축방향 액추에이터 타겟(92)로부터 축방향(14)으로 반경방향 액추에이터 타겟(118)을 향해 반경방향 갭(122)을 가로질러 [예를 들어, 축선(30)으로부터 멀리] 반경방향(16)으로 반경방향 폴 조립체(42)로, 그리고 그 후 영구자석(72)을 가로질러 축방향 폴 조립체(38) 및 축방향 자기 제어 회로(106)로 축방향(14)으로 지향된다. 또한, [축방향 자기 제어 회로(116)를 포함하는] 제2 축방향 폴 조립체(40) 및 반경방향 폴 조립체(42)는, 축방향 제어 플럭스(152)[즉, 축방향 자기 제어 회로(116)]에 들어가는 (해시된 라인으로 도시된) 축방향 결합 플럭스(156)를 통해 결합된다. 축방향 결합 플럭스(156)는, 결합된 자기 회로(128)를 형성하기 위해, 제2 축방향 폴 조립체(40)로부터 영구 자석(82)을 통해 반경방향 폴 조립체(42)로, 반경방향 폴 조립체(42)를 따라 [예를 들어, 축선(30)을 향해] 반경방향(16)으로 반경방향 갭(122)을 가로질러 반경방향 액추에이터 타겟(118)로, 반경방향 액추에이터 타겟(118)로부터 축방향(14)으로 제2 액추에이터 타겟(94)을 향해, 그리고 그 후 축방향 자기 제어 회로(116) 내로 지향된다. 축방향 결합 플럭스(154, 156)가 반경방향 폴 조립체(42)를 따라 [예를 들어, 각각의 축방향 제어 코일(47, 62)에서 동일한 터언수를 가정하는] 동일한 진폭으로 반대의 반경방향(예를 들어, 상이한 상)으로 흐르기 때문에, 축방향 결합 플럭스가 상쇄되며, 또한 축방향 및 반경방향 제어력들 사이에는 교차-결합이 발생하지 않는다. 평형의 자기 플럭스 프로필은 전자기 액추에이터(12)가 보상 코일을 필요로 하지 않으며, 따라서 교정 공정을 간단하게 하고 또한 전자기 액추에이터(12)에 필요한 부품을 감소시킨다는 것을 의미한다. 또한, 전자기 액추에이터(12)는 더욱 강건하며(예를 들어, 시간 경과에 대한 성능 열화를 최소화하며), 또한 축방향 힘 능력(예를 들어, 최대의 축 직경 제한이 주어지면) 및 부하 용량을 증가시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 반경방향 폴 조립체(42)는 복수의 반경방향 제어 코일을 포함한다. 도 3은, 도 1의 선 3-3 을 따라 취한, 도 1의 전자기 액추에이터(12) 및 본체(20)의 축방향 횡단면도이다. 반경방향 폴 조립체(42)는 복수의 반경방향 제어 폴(158)을 포함한다. 중간평면으로 반경방향 힘을 복수로 또는 모든 방향으로 생성하기 위해, 반경방향 폴 조립체(42)는 적어도 3개의 반경방향 제어 폴(158)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 반경방향 폴 조립체(42)는 4개의 반경방향 제어 폴(158A-158D)을 포함한다. 반경방향 힘(159)(예를 들어, 반경방향 전자기력)(F_R)은 반경방향 제어 폴(158)을 여자시킴으로써 발생된다. 반경방향 제어 권선 또는 코일(160)은 폴(158) 사이에 배치된 슬롯(162)에서 폴(158)의 둘레로 권취된다. 도시된 바와 같이, 제어 권선(160A-D)은 폴(158A-D)의 둘레로 각각 권취된다. 영구자석(72, 82)에 의해 발생된 조합된 바이어스 플럭스(144)는, 반경방향 에어갭(122A-D)을 통해 그리고 반경방향 제어 폴(158A-D) 내로 반경방향(16)으로 흐른다. 반경방향 액추에이터 타겟(118)이 전자기 액추에이터(12)에 대해 중심 위치에 있고 또한 권선(160A-D) 내로 전류(예를 들어, 반경방향 제어 전류)가 흐르지 않을 때, 각각의 권선(160A-D)과 관련된 각각의 폴(158A-D)을 위한 바이어스 플럭스 밀도는 시스템의 대칭으로 인해 동일하거나 또는 유사하다. 그 결과로서, 실제 반경방향 힘(159)(F_R)이 제로이거나 또는 거의 제로일 수 있다. 반경방향 제어 코일(160A-D)을 여자시키는 것은 플럭스 분포를 변경시켜, 비-제로 반경방향 힘(159)의 발생으로 나타난다. 예를 들어, 반경방향 제어 전류(164A, 164C)로 제어 코일(160A, 160C)을 여자시키는 것은 반경방향 제어 플럭스(166)를 각각 생성한다. 제어 플럭스(166)는 폴(158A) 아래의 에어갭(122A)에 바이어스 플럭스(144)를 추가하며, 또한 폴(158C) 아래의 에어갭(122C)에서 바이어스 플럭스(144)를 차감한다. 바닥(170)과는 반대인, 반경방향 액추에이터 타겟(118)의 상부(168)에서의 더 높은 플럭스 밀도로 인해, 타겟 상에 작용하는 반경방향 힘(159)은 방향(172)으로 지향된다. 유사하게, 반경방향 제어 전류(164B, 164D)로 제어 코일(160B, 160D)을 여자시킴으로써, 반경방향 힘이 방향(174)으로 생성될 수 있다. 코일(160A, 160C)에서 반경방향 제어 전류(164A, 164C)의 방향을 역전시키는 것은, 방향(176)으로 반경방향 힘을 발생시킨다. 또한, 코일(160B, 16D)에서 반경방향 제어 전류(164B, 164D)의 방향을 역전시키는 것은, 방향(178)으로 반경방향 힘을 발생시킨다. 전술한 바와 같이, 전자기 액추에이터(12)의 평형의 자기 플럭스 프로필[특히, 축방향 결합 플럭스(154, 156)의 상쇄]로 인해, 반경방향 제어력 및 축방향 제어력이 교차-결합되지 않는다. 달리 말하면, 축방향 결합 플럭스(154, 156)는 본체(20)의 이동을 제어하기 위해 반경방향 힘을 발생시키는 반경방향 액추에이터 타겟(118) 상의 횡방향 표면(120) 상에 작용하는 플럭스 밀도의 그 어떤 차이에 기여하지 않을 수 있다.

설명된 실시예의 기술적 효과는 평형의 자기 플럭스 프로필을 갖는 전자기 액추에이터(12)를 사용하기 위한 시스템 및 방법의 제공을 포함한다. 특히, 실시예는 대칭 구조를 갖는 전자기 액추에이터(12)를 포함한다. 특히, 축방향 폴 조립체(38, 40)는 반경방향 폴 조립체(42)에 대해 대칭이다. 그 결과로서, 작동 중, 축방향 결합 플럭스가 서로를 상쇄한다. 따라서 축방향 제어력과 반경방향 제어력 사이에 교차-결합이 발생하지 않는다. 평형의 자기 플럭스 프로필은 전자기 액추에이터(12)가 보상 코일을 필요로 하지 않으며, 따라서 교정 공정을 간단하게 하고 또한 전자기 액추에이터(12)에 필요한 부품을 감소시킨다는 것을 의미한다. 또한, 전자기 액추에이터(12)는 더욱 강건하며(예를 들어, 시간 경과에 대한 성능 열화를 최소화하며), 또한 축방향 능력 및 부하 용량을 증가시킬 수 있다.

이 기재된 설명은 최적의 모드를 포함하여 본 발명을 설명하기 위해 또한 본 기술분야의 임의의 숙련자가 임의의 장치 또는 시스템의 제조 및 사용 그리고 임의의 통합된 방법의 수행을 포함하는 본 발명을 실시할 수 있도록 예를 사용하였다. 본 발명의 특허 허여 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 또한 본 기술분야의 숙련자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 이런 다른 예는 이들이 청구범위의 문자 그대로의 언어와는 상이하지 않은 구조적 요소를 포함한다면, 또는 이들이 청구범위의 문자 그대로의 언어와는 실체가 없는 균등한 구조적 요소를 포함한다면, 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

10: 전기 기계 시스템 12: 전자기 액추에이터
20: 회전자 22: 전기 모터
24: 임펠러 26: 고정자
30: 회전축선 36: 베어링
38: 제1 축방향 폴 조립체 40: 제2 축방향 폴 조립체
42: 반경방향 폴 조립체 43, 44: 축방향 폴
46: 백아이언 56, 58: 축방향 폴
60: 축방향 백아이언 72: 제1 영구자석
82: 제2 영구자석 92: 제1 축방향 액추에이터 타겟
94: 제 축방향 액추에이터 타겟 112, 114: 갭
130: 제어 전자기기

Claims

시스템으로서:
회전축선을 갖는 본체;
상기 본체를 따라 제1 축방향 위치에서 본체에 결합되는 제1 축방향 액추에이터 타겟(axial actuator target);
상기 본체를 따라 제2 축방향 위치에서 본체에 결합되는 제2 축방향 액추에이터 타겟;
상기 본체를 따라 제1 축방향 위치와 제2 축방향 위치 사이의 제3 축방향 위치에서 본체에 결합되는 반경방향 액추에이터 타겟(radial actuator target); 및
상기 본체로부터 반경방향으로 옵셋되고 회전축선을 중심으로 회전하게 상기 본체를 지지하도록 구성되는 전자기 액추에이터
를 포함하며, 상기 제1 축방향 액추에이터 타겟, 제2 축방향 액추에이터 타겟, 및 반경방향 액추에이터 타겟은 서로 자기적으로 결합되며, 상기 전자기 액추에이터는,
상기 제1 축방향 액추에이터 타겟에 인접하여 배치되고 상기 제1 축방향 액추에이터 타겟과의 사이에 적어도 하나의 축방향 갭을 가로질러 자기 플럭스를 유통시키도록 구성되는 제1 축방향 폴 조립체(axial pole assembly);
상기 제2 축방향 액추에이터 타겟에 인접하여 배치되고 상기 제2 축방향 액추에이터 타겟과의 사이에 적어도 하나의 축방향 갭을 가로질러 자기 플럭스를 유통시키도록 구성되는 제2 축방향 폴 조립체; 및
상기 제1 축방향 폴 조립체와 상기 제2 축방향 폴 조립체 사이에 배치되고 상기 반경방향 액추에이터 타겟에 인접한 반경방향 폴 조립체
를 포함하며, 상기 반경방향 폴 조립체는 상기 반경방향 액추에이터 타겟 및 상기 제1 및 제2 축방향 폴 조립체와 자기 플럭스를 유통시키도록 구성되며, 상기 제1 및 제2 액추에이터 타겟, 상기 제1 및 제2 축방향 폴 조립체, 상기 반경방향 액추에이터 타겟, 및 상기 반경방향 폴 조립체는 자기 바이어스 회로를 형성하는 것인 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 축방향 폴 조립체는 제1 축방향 자기 제어 회로를 형성하도록 상기 제1 축방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하며, 상기 제2 축방향 폴 조립체는 제2 축방향 자기 제어 회로를 형성하도록 상기 제2 축방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하며, 상기 반경방향 폴 조립체는 반경방향 자기 제어 회로를 형성하도록 상기 반경방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하는 것인 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 축방향 자기 제어 회로와 반경방향 폴 조립체는, 제1의 결합된 자기 회로(coupled magnetic circuit)를 형성하도록 자기적으로 결합되고 협력하는 것인 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제2 축방향 자기 제어 회로와 반경방향 폴 조립체는, 제2의 결합된 자기 회로를 형성하도록 자기적으로 결합되고 협력하는 것인 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제1의 결합된 자기 회로는 상기 반경방향 폴 조립체와 상기 반경방향 액추에이터 타겟 사이에서 제1 반경방향으로 제1의 결합된 자기 플럭스(coupled magnetic flux)를 발생시키도록 구성되며, 상기 제2의 결합된 자기 회로는 상기 반경방향 폴 조립체와 상기 반경방향 액추에이터 타겟 사이에서 제1 반경방향과는 반대인 제2 반경방향으로 제2의 결합된 자기 플럭스를 발생시키도록 구성되는 것인 시스템.
제5항에 있어서,
제1 및 제2의 결합된 자기 플럭스는 서로를 상쇄시키는 것인 시스템.
제2항에 있어서,
전자기 액추에이터는 제1 축방향 폴 조립체와 제1 축방향 액추에이터 타겟 사이에 배치되는 제1 축방향 제어 코일을 포함하며, 전자기 액추에이터는 제2 축방향 폴 조립체와 제2 축방향 액추에이터 타겟 사이에 배치되는 제2 축방향 제어 코일을 포함하며, 상기 제1 및 제2 축방향 제어 코일은 제1 및 제2 축방향 자기 제어 회로에 자기 플럭스를 각각 생성하도록 구성되는 것인 시스템.
제1항에 있어서,
전자기 액추에이터는 제1 축방향 폴 조립체와 반경방향 폴 조립체 사이에 배치되는 제1 영구자석을 포함하며, 상기 제1 영구자석은 자기 바이어스 회로에 자기 바이어스 플럭스를 생성하도록 또한 자기 바이어스 회로에 자기 플럭스를 제공하도록 구성되는 것인 시스템.
제8항에 있어서,
전자기 액추에이터는 제2 축방향 폴 조립체와 반경방향 폴 조립체 사이에 배치되는 제2 영구자석을 포함하며, 상기 제2 영구자석은 자기 바이어스 회로에 자기 플럭스를 생성하도록 또한 자기 바이어스 회로에 자기 플럭스를 제공하도록 구성되는 것인 시스템.
제1항에 있어서,
제1 축방향 액추에이터는 제1 단부-대향 표면 및 제2 단부-대향 표면을 포함하며, 제1 축방향 폴 조립체는 제1 단부-대향 표면에 인접한 제1 축방향 폴 및 제2 단부-대향 표면에 인접한 제2 축방향 폴을 포함하는 것인 시스템.
제10항에 있어서,
제2 축방향 액추에이터는 제3 단부-대향 표면 및 제4 단부-대향 표면을 포함하며, 제2 축방향 폴 조립체는 제3 단부-대향 표면에 인접한 제3 축방향 폴 및 제4 단부-대향 표면에 인접한 제4 축방향 폴을 포함하는 것인 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전자기 액추에이터, 상기 본체, 상기 제1 축방향 액추에이터 타겟, 상기 제2 축방향 액추에이터 타겟, 및 상기 반경방향 액추에이터 타겟을 갖는 전기 기계를 포함하는 것인 시스템.
시스템으로서:
회전축선을 갖는 본체로부터 반경방향으로 옵셋되도록 또한 회전축선을 중심으로 회전하게 본체를 지지하도록 구성되는 전자기 액추에이터
를 포함하며, 상기 전자기 액추에이터는,
상기 본체에 결합된 제1 축방향 액추에이터 타겟과의 사이에 적어도 하나의 축방향 갭을 가로질러 자기 플럭스를 유통시키도록 구성되는 제1 축방향 폴 조립체;
상기 본체에 결합된 제2 축방향 액추에이터 타겟과의 사이에 적어도 하나의 축방향 갭을 가로질러 자기 플럭스를 유통하도록 구성되는 제2 축방향 폴 조립체;
상기 제1 축방향 폴 조립체와 제2 축방향 폴 조립체 사이에 배치되는 반경방향 폴 조립체;
상기 제1 축방향 폴 조립체와 반경방향 폴 조립체 사이에 배치되는 제1 영구자석; 및
상기 제2 축방향 폴 조립체와 반경방향 폴 조립체 사이에 배치되는 제2 영구자석
을 포함하며, 상기 반경방향 폴 조립체는 상기 본체에 결합된 반경방향 액추에이터 및 상기 제1 및 제2 폴 조립체와 자기 플럭스를 유통시키며, 상기 제1 및 제2 축방향 폴 조립체와 반경방향 폴 조립체는 자기 바이어스 회로의 일부를 형성하며,
상기 제1 영구자석은 자기 바이어스 회로에 자기 바이어스 플럭스를 생성하도록 또한 자기 플럭스를 자기 바이어스 회로에 제공하도록 구성되며,
상기 제2 영구자석은 자기 바이어스 회로에 자기 바이어스 플럭스를 생성하도록 또한 자기 플럭스를 자기 바이어스 회로에 제공하도록 구성되는 것인 시스템.
제13에 있어서,
상기 제1 축방향 폴 조립체는 제1 축방향 자기 제어 회로를 형성하도록 상기 제1 축방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하며, 상기 제2 축방향 폴 조립체는 제2 축방향 자기 제어 회로를 형성하도록 상기 제2 축방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하는 것인 시스템.
제14항에 있어서,
상기 전자기 액추에이터는 상기 제1 축방향 폴 조립체에 의해 부분적으로 둘러싸이는 제1 축방향 제어 코일 및 상기 제2 축방향 폴 조립체에 의해 부분적으로 둘러싸이는 제2 축방향 제어 코일을 포함하며, 상기 제1 및 제2 축방향 제어 코일은 상기 제1 및 제2 축방향 자기 제어 회로에 자기 플럭스를 각각 생성하도록 구성되는 것인 시스템.
제15항에 있어서,
상기 제1 축방향 제어 코일 및 제2 축방향 제어 코일은 동일한 축방향 제어 전류를 발생시키도록 구성되는 것인 시스템.
제13항에 있어서,
상기 반경방향 폴 조립체는 복수의 라미네이트된 반경방향 폴을 포함하는 것인 시스템.
시스템으로서:
회전축선을 갖는 본체;
본체로부터 반경방향으로 옵셋되고 또한 회전축선을 중심으로 회전하게 본체를 지지하도록 구성되는 전자기 액추에이터
를 포함하며, 상기 전자기 액추에이터는
반경방향 자기 제어 회로를 형성하도록 상기 본체 상의 반경방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하는 반경방향 폴 조립체;
제1 축방향 자기 제어 회로를 형성하도록 상기 본체 상의 제1 축방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하는 제1 축방향 폴 조립체; 및
제2 축방향 자기 제어 회로를 형성하도록 상기 본체 상의 제2 축방향 액추에이터 타겟에 자기적으로 결합되어 이와 협력하는 제2 축방향 폴 조립체
를 포함하며, 상기 반경방향 폴 조립체, 상기 제1 축방향 폴 조립체, 및 상기 제2 축방향 폴 조립체의 구조적 배치는 상기 반경방향 폴 조립체를 통과하는 반경방향 중간평면에 대해 대칭이며, 상기 반경방향 중간평면은 상기 본체의 회전축선에 대해 직교하는 것인 시스템.
제18항에 있어서,
상기 제1 축방향 자기 제어 회로와 상기 반경방향 폴 조립체는 제1의 결합된 자기 회로를 형성하도록 자기적으로 결합되어 이와 협력하며, 상기 제2 축방향 자기 제어 회로와 상기 반경방향 폴 조립체는 제2의 결합된 자기 회로를 형성하도록 자기적으로 결합되어 이와 협력하며, 상기 제1의 결합된 자기 회로는 상기 반경방향 폴 조립체와 상기 반경방향 액추에이터 타겟 사이에서 제1 반경방향으로 제1의 결합된 자기 플럭스를 발생시키도록 구성되며, 상기 제2의 결합된 자기 회로는 상기 반경방향 폴 조립체와 상기 반경방향 액추에이터 타겟 사이에서 상기 제1 반경방향과는 반대인 제2 방향으로 제2의 결합된 자기 플럭스를 발생시키도록 구성되며, 상기 제1 및 제2의 결합된 자기 플럭스는 서로를 상쇄시키는 것인 시스템.
제18항에 있어서,
상기 전자기 액추에이터는 상기 제1 축방향 폴 조립체와 반경방향 폴 조립체 사이에 배치되는 제1 영구자석, 및 상기 제2 축방향 폴 조립체와 반경방향 폴 조립체 사이에 배치되는 제2 영구자석을 포함하는 것인 시스템.