KR20170132713A

KR20170132713A - 축방향 자속 기계 제조

Info

Publication number: KR20170132713A
Application number: KR1020177019449A
Authority: KR
Inventors: 팀 울머; 마크 스테판 이어트 이스트; 조나단 제임스 비덜프; 앤드류 리 코트; 크리스토퍼 토마스 매코우; 소피 앤 파커
Original assignee: 야사 리미티드
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2017-12-04
Also published as: US20180026500A1; EP3245718B1; RU2017128934A3; GB2534195A; BR112017014006A2; US20200177062A1; CN107438939B; JP2018502548A; RU2017128934A; CN107438939A; US10608512B2; GB201500738D0; GB2534195B; JP6807846B2; RU2711493C2; WO2016113566A1; EP3245718A1

Abstract

본 발명은 축방향 자속 영구자석 기계(axial flux permanent magnet machine)의 스테이터 제조 방법을 설명하고, 상기 기계는, 상기 기계의 축에 대하여 원주 방향으로(circumferentially) 간격을 두고 배치되고, 각각의 스테이터 바들에 감긴 코일들의 세트를 포함하는 챔버(chamber)를 규정하는 스테이터 하우징을 포함한 스테이터, 및 영구자석의 세트를 지지(bearing)하고 상기 축에 대하여 회전하도록 설치된 로터를 갖고, 상기 로터와 스테이터는 그 사이의 갭(gap)을 정의하도록 상기 축을 따라 이격되며, 상기 기계 안의 자속은 일반적으로 축방향이고, 상기 방법은: 상기 스테이터 하우징에 대한 제1 및 제2 방사상 벽들(radial walls)을 제공하는 단계; 상기 스테이터 하우징에 대한 내부 및 외부 측벽들(side walls), 바람직하게는 일반적으로 원통형 벽들을 제공하는 단계; 스테이터 조립체를 형성하기 위하여 코일들의 상기 세트 주변으로 상기 제1 및 제2 방사상 벽들과 상기 내부 및 외부 측벽들을 조립하는 단계를 포함하고, 상기 조립하는 단계는: 상기 제1 및 제2 방사상 벽들 중의 하나 또는 둘 다와 상기 측벽들 사이에 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들(collapsible elements)을 제공하는 단계; 및 상기 측벽들을 상기 제1 및 제2 방사상 벽들에 부착하는 단계를 더 포함하고, 상기 부착하는 단계는 상기 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들의 붕괴(collapse)를 조절함으로서 상기 제1 및 제2 방사상 벽들의 공간(spacing) 및 평행도(degree of parallelism) 중의 하나 또는 양쪽을 조절하는 단계를 포함한다.

Description

축방향 자속 기계 제조 {Axial Flux Machine Manufacture}

본 발명은 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터용 하우징을 제조하기 위한 방법, 및 그 방법에 의해 제조된 하우징들, 그리고 그 하우징들을 통합하는 기계에 관한 것이다.

본 명세서에서, 우리는 특히 축방향 자속 영구자석 기계들을 제조하는 방법들에 대해 관심을 두고 있다. 플라스틱을 접합하기(joining) 위한 하나의 알려진 제조 기술은 레이저 플라스틱 용접이다. 이는 전부터 저차원 기술(low-tech)의 대량 생산된 부품들의 제조에서 이용되었는데 ― 예컨대, US2008/0261065는 압력 센서를 위한 에어타이트 하우징(airtight housing)을 제조함에 있어서 이 기술의 이용을 설명한다. 이 기술의 몇몇 구현들에서, 예컨대 JP2002/337236의 요약서에서 설명된 바와 같이, 용접될 하나의 아이템이 (IR) 레이저 광을 전송하고 다른 아이템이 그 레이저 광을 흡수해서, 그 레이저가 조인트에 도달한다. 용접 전에, 그 조인트는 하나 또는 다른 아이템 위에 형성된 리브(rib)를 포함할 수 있다. LPKF Laser&Electronics 2011 "Quality Control"에서 설명된 바와 같이 이와 같은 리브의 붕괴를 측정함으로써 용접의 품질을 측정하는 것이 알려져 있다. (http://www.laserplasticwelding.com/quality_control_impossibly_consistent.pdf : 로부터 다운로드됨)

축방향 자속 영구자석 기계는 모터 또는 발전기, 또는 모터와 발전기로 (서로 다른 시기에) 작동할 수 있다. 광범위하게 언급하면, 이들은 축을 기준으로 배열된 디스크(disc-)나 링(ring-) 모양의 로터와 스테이터 구조들이다. 전형적으로 이 스테이터는 축에 각각 평행한 코일들의 세트를 포함하고, 로터는 영구자석의 세트를 지지(bear)하고 베어링(bearing)에 장착되어서 스테이터 코일들로부터 형성된 필드에 의해 구동되는 축을 기준으로 회전할 수 있다. 도 1a는 스테이터 (S)의 측면에 한 쌍의 로터(R1, R2)가 있는 축방향 자속 기계의 일반적인 구성을 나타낸다. 간단한 구조는 두 개의 로터 중 하나를 생략할 수도 있다. 알 수 있는 바와 같이 로터와 스테이터 사이에 에어 갭(air gap)(G)이 있고, 축방향 자속 기계에서 에어 갭을 통과하는 자속의 방향은 실질적으로 축방향이다.

로터의 N극과 S극의 배열에 따라 축방향 자속 영구자석 기계의 다양한 구성들이 존재한다. 도 1b는 토러스 NS 기계(Torus NS machine), 토러스 NN 기계(Torus NN machine)(이 기계는 더 두꺼운 요크(yoke)를 갖고 있는데, NN극 배열은 자속이 그 요크의 두께를 통과해서 흐르는 것을 필요로 하기 때문이다.), 및 YASA(Yokeless and Segmented Armature) 토폴러지(topology)의 기본 구성들을 도시한다. YASA 토폴러지의 도면은 두 코일을 통과하는 단면도를 나타내고, 크로스-해치된(cross-hatched) 영역은 각 코일을 둘러싼 권선들을 나타낸다. 이해될 수 있는 바와 같이, 스테이터 요크를 생략하는 것은 무게와 철 손실에서 실질적 절약을 제공하지만, 스테이터 요크를 제거함의 문제점은 a) 매우 큰 스트레스를 야기할 수 있는 소형 디자인(compact design)된 YASA 토폴로지 때문에, 강도(strength)에 대해 잠재적으로 증가된 필요성이 있을 수 있음에도 불구하고, (철이 제공된) 스테이터에 대한 구조 강도의 손실과, b) 스테이터 코일에서부터 빠져나오는 열에 대한 경로의 손실이다. 이 두 가지 문제들, 즉, YASA 디자인의 높은 토크 밀도와 상당한 양의 열의 생성을 다루기 위하여, 스테이터용 하우징이 토크 요구들에 대해서는 큰 강도와 강성(rigidity)을 제공해야 하고, 또한 기계용 냉각체가 공급될 수 있는 챔버도 규정(define)해야 한다. 효율적인 작동(높은 자기저항 에어 갭(high reluctance air gap)에서의 최소한의 손실)을 위해 로터와 스테이터 사이의 갭은 가능한 한 좁아야 함이 도 1b로부터 더욱 이해될 수 있다.

만약 로터와 스테이터 사이의 갭이 매우 작다면, 매우 엄격한 허용오차가 스테이터 하우징의 차원에서 도입되는데, 특히 스테이터 하우징의 방사상 말단 벽들(radial end walls) 사이의 공간(spacing) 및 평행도(degree of parallelism)에 적용된다. 허용오차 필요조건들은 스테이터의 양쪽에 하나씩 두 개의 로터가 있는 경우에 더 높고, 정렬 문제들은 나중에 설명할 두 개의 로터 디자인(two-rotor design)의 몇몇에서 특히 심하다.

축방향 자속 영구자석 기계의 작동을 향상시키는 것은 일반적으로 바람직하다. 매우 작은 로터-대-스테이터 갭을 가진 축방향 자속 영구자석 기계를 확실하게 제조할 수 있는 것은 특히 바람직하다.

본 발명의 첫 번째 측면에 따르면, 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법이 제공되고, 상기 기계는, 상기 기계의 축에 대하여 원주 방향으로 간격을 두고 배치되고, 각각의 스테이터 바들에 감긴 코일들의 세트를 포함하는 챔버를 규정하는 스테이터 하우징을 포함한 스테이터, 및 영구자석의 세트를 지지하고 상기 축에 대하여 회전하도록 장착된 로터를 갖고, 상기 로터와 스테이터는 그 사이의 갭을 규정하도록 상기 축을 따라 이격되고, 이 갭 사이에서 상기 기계 안의 자속은 일반적으로 축방향이며, 상기 방법은: 상기 스테이터 하우징에 대한 제1 및 제2 방사상 벽들(radial walls)을 제공하는 단계; 상기 스테이터 하우징에 대한 내부 및 외부 측벽들(side walls), 바람직하게는 일반적으로는 원통형 벽들을 제공하는 단계; 스테이터 조립체를 형성하기 위하여 코일들의 상기 세트 주변으로 상기 제1 및 제2 방사상 벽들과 상기 내부 및 외부 측벽들을 조립하는 단계를 포함하고, 상기 조립하는 단계는: 상기 제1 및 제2 방사상 벽들 중의 하나 또는 양쪽 및 상기 측벽들 사이에 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들(collapsible elements)을 제공하는 단계; 및 상기 측벽들을 상기 제1 및 제2 방사상 벽들에 부착하는(attaching) 단계를 더 포함하고, 상기 부착하는 단계는 상기 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들의 붕괴(collapse)를 조절함으로써 상기 제1 및 제2 방사상 벽들의 공간과 평행도 중의 하나 또는 양쪽을 조절하는 단계를 포함한다.

대체적으로, 이 방법의 실시 예들은 방사상, 말단 벽들의 공간과 평행성(parallelism)을 조절하는 것을 매우 정확하게 하기 위해, 하나의 또는 각각의 방사상 (말단) 벽과 (일반적으로 원통형) 측벽들 사이의 붕괴 가능한 요소의 붕괴를 조절한다.

몇몇 실시 예들에 있어서, 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들의 조절 가능한 축방향 붕괴는 하나 이상의 스톱들(stops)을 이용함으로써 달성된다. 따라서, 하우징의 말단 벽들은 실시 예에 있어서, (레이저) 용접을 채용한 조립 동안 축방향 압력을 받을 수 있다. 특히 이 스톱들은 인터널 스톱들(internal stops)일 수 있는데, 예컨대, 스테이터의 각각의 말단 벽들에 장착된 폴 피스들(pole pieces)에 의해 형성된 자연적 스톱들(natural stops)일 수 있다. (폴 피스들은, 나중에 설명되는 바와 같이, 폴 피스 슈들(pole piece shoes)을 포함할 수 있지만, 반드시 필요로 하는 것은 아니다.)

실시 예들에 있어서, 목표 말단 벽 공간을 달성하기 위하여 조절된 붕괴는 지그(jig)내에 스테이터 조립체를 보유(holding)함으로써 달성될 수 있다. 이 지그는, 혹은 이것의 부품들은, 방사상 벽들의 공간 및/또는 평행성을 규정할 수 있고; 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들의 이용은 이 공간/평행성이 매우 정확하고 반복적으로 규정될 수 있도록 조립체 내에서 작은 정도의 조정을 제공한다. 이는 계속해서 기계에서의 로터-스테이터 갭(rotro-stator gap)을 줄이는 것을 용이하게 하고, 따라서 기계의 효율을 증가시킨다. 지그가 채용된 경우에, 다시 하나 이상의 스톱들이 채용될 수 있다. 예컨대 지그의 한 부분이 지그의 다른 부분에서의 스톱에 대항하여(against) 이동되거나 닫힐 때, 목표 공간/평행성이 자동으로 달성되도록 하는 방식으로 지그가 구성될 수 있다. 대안적으로, 방사상 벽들의 공간 및/또는 평행성은 예컨대, 레이저나 트랜스듀서(transducer)와 같은 임의의 편리한 수단에 의해 측정될 수 있고, 원하는 허용오차(tolerance)내로 조정될 수 있다. 일반적으로, 예컨대 볼 스크류 엑츄에이터(ball screw actuator)와 함께 서보 모터(servo motor)를 이용해서 스테이터 하우징의 말단 벽들 사이의 조절된 거리를 도입하기 위해 지그가 이용될 수 있다.

이 기술의 몇몇 바람직한 실시 예에 있어서, 스테이터 하우징의 방사상 (말단) 벽들의 공간 및/또는 평행성을 조절하는 것은 우선 말단 벽들을 가로질러 안쪽으로 적용되는, 적용된 힘을 조절하는 것, 및 그 후에 말단 벽들 사이의 거리를 조절하는 것을 포함한다. 따라서 하나의 접근에 있어서, 임계력(threshold force)보다 큰 힘이 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들, 예컨대 리브들을 붕괴하기 위해 적용되고, 그 후에 어느 정도의 허용오차, 예컨대 ∼50㎛를 제공하기 위해, 바람직하게는 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들이 완전히 붕괴되지 않도록 거리를 조절함으로써 말단 벽들 사이의 공간을 조절한다. 바람직하게는 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들은 각각의 말단 벽과 내부 및 외부 원통형 하우징 벽들 사이에 제공된다.

초기 힘은 이 부품들이 용접되기 위해 (충분한) 접촉에 도달될 때까지 적용될 수 있고, 바람직하게는 힘 모니터링(force monitoring)과 함께 거리 조절이 채용될 수 있다. 이러한 접근은 계속해서 각 스테이터 하우징 말단 벽을 용접하기 위해 적용될 수 있다.

관련된 또 다른 접근에 있어서, 힘은 말단 벽들 중 제1 말단 벽을 용접할 때에, 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들의 제1 세트를 실질적으로 완전하게 붕괴하기 위해 적용될 수 있다(실시 예들에 있어서, 이후에 설명되는 바와 같이, 말단 벽의 편평성(flatness)의 부족으로 인해 완전한 붕괴는 달성될 수 없음). 제2 말단 벽은 이 조립체 위에 용접될 수 있고, 공간/평형성은 제2 말단 벽과 원통형 벽들 사이의 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들의 제2 세트의 붕괴의 정도를 조절함으로써 조절될 수 있다.

여기서 설명되는 기술들의 몇몇 바람직한 실시 예들에 있어서, 말단 벽은 내부 및 외부 측벽들에 동시에 용접된다. 이는 말단 벽들의 양호한 평행도를 가진 하우징의 제작을 용이하게 하는데, 이는 예컨대 고속 레이저 용접(high-speed laser welding)에 의해 달성될 수 있다.

몇몇 실시 예들에 있어서, 방사상 및/또는 원통형 벽들은 금속으로 바람직하게는, 가벼움을 위해 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 이 경우에서, 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들은 금속을 보유하기 위한 접착제를 포함할 수 있다. 그러나 더욱 바람직하게는, 방사상 및 원통형 벽들이 폴리머, 더욱 구체적으로는 열가소성 폴리머(thermoplastic polymer), 특히 고온 열가소성 폴리머 또는 수지를 포함한다. 이와 관련해서, 고온 열가소성 폴리머는 150℃보다 큰 것으로 명시된 컨티뉴어스 서비스 온도(continuous service temperature);(CST)를 갖는 폴리머를 의미한다. 이러한 물질들은 매우 스티프(stiff)하고, 용접가능하며, 그리고 놀랍게도 사출성형(injection moulding)과 양립 가능하다. (이는 또한 이후에 설명되는 이유로 도움이 된다.) 적절한 폴리머 물질의 예들은 PPS(Polyphenylene sulphide), PPA(Polyphthalamide), PEEK(Polyether ether ketone) ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), 그리고 PA(Polyamide)를 포함한다. 폴리프탈아미드(Polyphthalamide)는 특히 바람직한 물질이고; 하나의 예는 DuPont™의 ZytelR™이다.

방사상 및/또는 원통형 벽들이 폴리머를 포함하는 경우에, 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들은 원통형 및 방사상 벽들 중의 한쪽 또는 양쪽 모두에서 하나 이상의 리브들 또는 다른 형성물들을 포함할 수 있다. 하나의 바람직한 실시 예에 있어서, 원통형 및 방사형 벽들은 레이저 용접으로 접합 된다. 이 경우에, 방사상 벽들은 (IR)레이저-투과성(transmissive)을, 원통형 벽들은 (IR)레이저 흡수성(absorbent)을 가질 수 있다. 바람직한 실시 예들에 있어서, 최종 스테이터 하우징은 오일과 같은 냉각체가 순환될 수 있는 폐쇄된 챔버 또는 캐비티(cavity)를 규정한다.

하나의 바람직한 접근에 있어서, 스테이터 하우징용 방사상 벽은 섬유-강화 수지(fibre-reinforced resin)의 막(membrane)을 사출성형(injection moulding)기계의 몰드(mould)에 배치하고, 열가소성 폴리머(thermoplastic polymer)를 이용해서 막 위에 강화 형상들(reinforcing features)의 세트를 사출성형함으로써 제작된다. 열가소성 폴리머는 녹았을 때 섬유-강화 수지와 접착 가능(bondable)하다. 이 방법들의 실시 예들에 있어서, 강화 형상들을 형성하기 전에 (강화 형상들은 필수적이진 않지만 바람직함), 특히 스테이터 바들을 가열하고, 이 바들을 막에 압착시킴으로써 스테이터 바들은 막에 접착될 수 있다. 이는 스테이터 바들의 말단들(슈들)과 에어 갭사이의 막의 두께의 정확한 조절을 용이하게 하고, 따라서 더 나아가, 에어 갭의 전체적인 조절을 용이하게 한다. 실시 예들에 있어서, 막 두께는 1㎜보다 작거나 0.5㎜보다 작을 수 있고, 에어 갭은 3㎜, 2㎜, 또는 1㎜보다 작을 수 있다. 막 위의 강화 형상들은 예컨대, “스파이더(spider)”의 형태로 복수의 리브들을 포함할 수 있고, 바람직하게는 막 위의 이것들의 높이가 3㎜이상이다.

기계의 바람직한 실시 예들은, 스테이터의 양쪽에 하나씩 두 개의 로터를 포함한다. 지금까지 설명해온 기술들은, 하나의 로터가 다른 하나에 장착되는, 두 개의 로터를 갖는 축방향 자속 기계(two-rotor axial flux machine)의 특정 타입의 제조를 용이하게 하고, 이는 기계 내에서 특히 높은 허용오차들의 요구를 도입한다. 축방향 자속 기계의 실시 예들에 있어서, 로터는 스테이터를 구비하는 레비린드 시일(labyrinth seal)이 제공될 수 있음이 설명된다. 더욱 구체적으로, 나중에 기술될 하나의 실시 예에 있어서, 시일(seal)은 스테이터의 플랜지(flange)와 로터 사이에서 만들어진다. 이 레비린드 시일은 로터/스테이터 중의 하나에서, 하나 이상의 홈(groove)을 포함할 수 있고, 로터/스테이터 중의 다른 하나에서 (접촉 없이) 하나 이상의 대응하는 돌출부들에 의해 맞물려진다. 이러한 시일의 이용은 매우 엄격한 허용오차 제약들을 도입하지만, 우리가 설명하는 이 기술들의 실시 예들은 이러한 시일의 이용을 가능하게 한다. 이는 특히, 기계가 물, 특히 비가 존재할 수 있는 외부에서 놓여질 경우에 도움이 된다.

우리는 방사상 (말단) 벽들이 일반적으로 원통형 측벽들에 부착되는 제조 기술들을 설명해왔다. 예컨대 한 쌍의 방사상 벽들은, 이들 사이의 환형 공간(annular space)을 규정하도록, 각각의 말단에 하나씩 (원통형) 측벽들에 부착될 수 있다. 대안적으로 하나의 방사상 벽이 내부 및 외부 측벽들에 부착될 수 있고, 그 다음에, 제2 방사상 벽은 앞서 설명된 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들을 사용해서 조립체에 부착된다.

또 다른 접근에 있어서, 스테이터 하우징은 각각이 방사상 벽 및 원통형 벽의 적어도 일부분을 포함하는 한 쌍의 크램셀들(clamshell)에 의해 제공될 수 있다. 예컨대 각 크램셀은 원통형 벽의 길이의 약 절반 및 방사상 벽을 포함할 수 있다. 대안적으로 하나의 크램셀은 방사상 벽 및 내부 원통형 벽들 중 하나, 가령 내부 벽을 포함할 수 있고, 다른 크램셀은 제2 방사상 벽 및 다른 원통형 벽, 예컨대 외부 벽을 포함할 수 있다. 당업자는 이 접근들의 변형이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

따라서 관련된 측면에서, 본 발명은 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법을 제공하고, 상기 기계는, 상기 기계의 축에 대하여 원주 방향으로 간격을 두고 배치되고, 각각의 스테이터 바들에 감긴 코일들의 세트를 포함하는 챔버를 규정하는 스테이터 하우징을 포함한 스테이터, 및 영구자석의 세트를 지지하고 상기 축에 대하여 회전하도록 장착된 로터를 갖고, 상기 로터와 스테이터는 그 사이의 갭을 규정하도록 상기 축을 따라 이격되고, 이 갭 사이에서 상기 기계 안의 자속은 일반적으로 축방향이며, 상기 방법은: 각각이 상기 스테이터 하우징을 위한 방사상 벽 및 스테이터 하우징을 위한 측벽의 적어도 일부분을 포함하는 제1 및 제2 스테이터 하우징 크램셀들을 제공하는 단계; 스테이터 조립체를 형성하기 위하여 코일들의 상기 세트 주변으로 상기 제1 및 제2 스테이터 하우징 크램셀들을 조립하는 단계를 포함하고, 제1 및 제2 스테이터 하우징 크램셀들은 함께 코일들의 상기 세트를 둘러싸는(enclosing) 환형 챔버를 규정하고, 상기 조립하는 단계는: 상기 제1 및 제2 스테이터 하우징 크램셀들 사이에 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들을 제공하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 스테이터 하우징 크램셀들을 부착하는 단계를 더 포함하고, 상기 부착하는 단계는: 상기 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들의 붕괴를 조절함으로써 상기 제1 및 제2 방사상 벽들의 공간과 평행도 중의 하나 또는 양쪽을 조절하는 단계를 포함한다.

당업자는 본 발명의 이전에 설명된 측면의 바람직한 특징들이 스테이터 하우징 제조에 대한 이 크램셀 기반의 접근에 똑같이 적용됨을 알 수 있을 것이다.

더욱 일반적으로, 본 발명은 축방향 자속 영구 자석 기계의 스테이터를 제조하는 방법을 제공하고, 상기 기계는, 상기 기계의 축에 대하여 원주 방향으로 간격을 두고 배치되고, 각각의 스테이터 바들에 감긴 코일들의 세트를 포함하는 챔버를 규정하는 스테이터 하우징을 포함한 스테이터, 및 영구자석의 세트를 지지하고 상기 축에 대하여 회전하도록 장착된 로터를 갖고, 상기 로터와 스테이터는 그 사이의 갭을 규정하기 위해 상기 축을 따라 이격되고, 이 갭 사이에서 상기 기계 안의 자속은 일반적으로 축방향이며, 상기 방법은, 상기 하우징의 말단 벽들 사이의 공간을 조절하기 위해 하우징의 제작 동안, 특히 레이저 용접 동안, 상기 스테이터 하우징의 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들의 축방향 압축을 조절하는 단계를 포함한다.

당업자는 본 발명의 이 측면의 실시 예들이, 본 발명의 첫 번째 측면을 참조하여 설명한 바람직한 특징들 중의 임의의 것을 통합할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명은 또한 축방향 자속 영구자석 기계를 제공하고, 상기 기계는, 상기 기계의 축에 대하여 원주 방향으로 간격을 두고 배치되고, 각각의 스테이터 바들에 감긴 코일들의 세트를 포함하는 챔버를 규정하는 스테이터 하우징을 가진 스테이터, 및 영구자석의 세트를 지지하고 상기 축에 대하여 회전하도록 장착된 적어도 하나의 로터를 갖고, 상기 로터와 스테이터는 그 사이의 갭을 규정하기 위해 상기 축을 따라 이격되며, 이 갭 사이에서 상기 기계 안의 자속은 일반적으로 축방향이고; 상기 스테이터 하우징은 하나 이상의 붕괴된 엘리먼트들을 더 포함하되; 상기 하나 이상의 붕괴된 엘리먼트들이 붕괴된 폴리머 형성물(collapsed polymer formation)을 포함한다.

방법들과 장치들의 실시 예에 있어서, 상기 기계는 모터 또는 발전기가 될 수 있는 것으로 설명된다. 우리가 설명하는 기술들의 바람직한 실시 예들은, 그것이 스테이터의 정확한 제작을 용이하게 하기 때문에 요크가 없고 세그먼트형인 전기자 기계(yokeless and segmented armature machine)에 이용된다. 이는 특히, 요크의 부재 시에, 특히 기계가 하중을 받고 있을 때 중요하다.

본 발명의 이들과 다른 측면들은, 오직 예로서 다음의 수반되는 도면들을 참조하여 지금부터 더 설명될 것이다,
도 1 내지 도 1c는 두 개의 로터를 갖는 축방향 자속 기계(two-rotor axial flux machine)의 일반적인 구성, 축방향 자속 영구자석 기계들의 토폴로지들(topologies), 및 개략적인 요크가 없고 세그먼트형인 전기자(yokeless and segmented armature)(YASA)기계의 개략적 측면도를 도시한다;
도 2는 도 1c의 YASA계의 투시도를 도시한다;
도 3은 YASA기계용 스테이터 및 스테이터 하우징의 분해도를 도시한다;
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 방법을 이용해서 제조 가능한 포개진(cupped) 로터를 갖는 축방향 자속 영구자석 기계의 분해도를 도시한다;
도 5a 내지 5d는, 본 발명의 실시 예들에 따른 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 하우징을 제조하는 방법들의 개략도를 도시한다;
도 6a 내지 6b는, 각각, 본 발명의 실시 예에 따른 스테이터 하우징의 환형 방사상 벽의 상면도, 및 수직 단면도를 도시한다;
도 7은 본 발명 의 실시 예들에 있어서 사용하기 위한 지그의 개략도를 도시한다.

PCT 출원 WO2012/022974에서 가져온 도 1c와 도 2, 도 3을 참고하자면, 도 1c는 요크가 없고 세그먼트형인 전기자 기계(10)의 개략도를 나타낸다.

기계(10)는 스테이터(12)와 두 개의 로터(14a,14b)를 포함한다. 스테이터(12)는 로터(14a,14b)의 회전 축(20)에 대하여 원주 방향으로 간격을 두고 분리된 스테이터 바(stator bar)(16)의 집합체이다. 각각의 바(16)는 필수적이진 않지만 바람직하게는, 회전 축(20)에 대해 평행하게 배치된 그 자체의 축(도시되지 않았음)을 가진다. 각 스테이터 바의 각각의 말단에 코일 스택(coil stack)(22)을 구속하려는 물리적인 목적을 돕는 슈(shoe)(18a,18b)가 제공되고, 이 스택(22)이 바람직하게는 정사각형/직사각형 단면의 절연된 전선이므로, 높은 충전율(fill factor)이 달성될 수 있다. 이 코일(22)은 모터의 경우, 코일에 전기를 공급하는 전기 회로(도시되지 않았음)에 연결되어서, 코일에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장의 폴들(poles)이 인접한 스테이터 코일들(22)에서는 반대가 된다.

두 로터(14a,14b)는 스테이터 코일(22)을 사이에 두고 서로 마주하는 영구자석(24a,24b)을 지닌다(carry). (스테이터 바가 기울어지는 경우에는 ―도시되진 않지만―자석들도 똑같이 된다.) 두 에어 갭(26a,26b)은 각각의 슈와 자석 쌍들(18a/24a, 18b/24b) 사이에 배치된다. 모터 안에서 코일들(22)에 전기가 공급되면, 코일들이 상이한 시간에 상이한 자석 쌍들과 정렬이 되도록 극성이 번갈아 바꾸게 되고, 이는 로터와 스테이터 사이에 적용되는 토크로 나타나게 된다. 로터(14a,14b)는 일반적으로 (도시되지는 않았지만, 예컨대 샤프트(shaft)에 의해) 서로 연결되어 있고, 스테이터(12)와 관련된 축(20)에 대하여 회전한다. 자기 회로(30)는 두 개의 인접한 스테이터 바(16)와 두 개의 자석쌍(24a,24b)에 의해 제공되고, 각 로터용 백 아이언(back iron)(32a,b)은 각각의 코일(22)로부터 떨어져 면하고 있는 각각의 자석(24a,24b)의 뒷면 사이의 자속을 연결한다. 스테이터 코일들(16)은 에어 갭(26a,26b)을 통해 연장되어 있고, 냉각매체가 공급되는 챔버를 규정하는 하우징 안에 둘러싸여 있다.

도 3에 의하면, 스테이터 코일들이 플라스틱 소재의 크램셀(42a,42b)사이에 위치해 있는 스테이터(12a)가 도시된다. 이 크램셀들은 외부 원통형 벽들(44), 내부 원통형 벽들(46), 그리고 환형 방사상으로 배치된 벽들(48)을 갖는다. 도 3의 종례 기술 예에 있어서, 방사형 벽(48)은 스테이터 바(16)의 슈들(18a,18b)을 수용하기 위한 내부 포켓(pocket)(50)을 포함하고, 스테이터(12a)의 두 개의 크램셀 하우징들(42a,42b)이 함께 조립될 때, 스테이터 코일 조립체들(16,22,18a,18b)을 위치시킬 수 있도록 도와준다. 스테이터 하우징(42a,42b)은 코일(22)의 내부(52) 및 코일(22)의 외부를 둘러싸는 외부 참조부호 54에 공간들을 규정하고, 이 코일들 사이에도 공간들(56)이 존재한다. 공간들(52,54,56)은 상호 링크되어(interlinked) 냉각 챔버를 규정한다. 도 3에 도시되진 않았지만, 조립될 때, 스테이터 하우징(42a,42b)은 코일들 주위를 순환해서 그것들을 냉각시킬 수 있는 공간들(52,54,56)로 펌핑되는 오일과 같은 냉각체를 들어오도록 하는 포트(port)가 제공된다.

기계에서 코일 코어들은 원하는 자속 방향에 평행한 상호-적층(inter-lamination) 절연체로 라미네이트(laminated)될 수 있다는 것이 설명된다. 그러나 코일 코어들은 절연 매트릭스(insulation matrix)에 의해 함께 접착되면서, 전기 절연체로 코팅되고, 원하는 형태(연자성체 분말 ― SMC)로 몰드된(moulded) 연철 입자로 만들어질 수 있다. 하나의 예로, SMC는 유리결합된 철입자들, 유리 결합의 얇은 레이어(layer) (전형적으로 10㎛보다 작은) 그리고, 어느 정도의 잔류 기공도(residual prosity)를 남기면서 철 입자들을 상호적으로 전기 절연하는 것을 포함할 수 있다. 편리하게 슈들 및 스테이터 바는, 예를 들면 SMC와는 별도로 형성되고, 그 후에 조립될 수 있다.

이제 도 4를 참조하면, 이는 스테이터(402)와 로터(404a,404b)를 포함한 YASA기계(400)의 분해도를 도시한다. 로터는 컵 모양 디자인(cupped design)을 갖고 있고, 즉 로터(404) 안에 포개어져(cupped) 있으며, 스테이터(402)의 위와 측면들을 둘러싸고 있다. 따라서, 이 기계가 효율적인 듀얼 로터(dual rotor) 기계이지만, 두 개의 로터 중의 하나만 베어링 유닛(406)에 장착되고, 제2 로터는 볼트(408)에 의해 제1 로터에 장착된다. 스테이터(402)와 베어링 유닛(406)은 벌크헤드(bulkhead)(410)에 장착되어 있고, 차례로 기계에 장착하기 위해 이용된다.

로터 (404a)는 각 발전기/모터의 경우, 각각 구동 입력/출력 드라이브를 제공한다. (간편함을 위해 도 4에서는 도시되지 않음)

스테이터(402)는 제1,2 의 방사상 벽들(422,424) 및 일반적으로 원통형인 내부 및 외부 벽들(426,428)을 포함하는 하우징(402)를 갖고, 이것들은 내부에서 냉각체가 순환하는 챔버를 함께 규정한다. 이 하우징은 스테이터 코일(432)의 세트를 둘러싼다; 이에 대한 전기적인 연결들은 간편함을 위해 도시되지 않는다. 뒤에서 설명되는 바와 같이, 코일들은 폴 피스들(도시되지 않았음) 주위에 감긴다.

로터(404)도 영구자석들 세트(442)를 장착한 방사상 벽(440), 및 제2 원주(측면)벽 부분(446)에 부착된 제1 원주(측면)벽 부분(444)을 갖는다. 제2 원주(측면)벽 부분(446)은 제2 방사상 벽(448)과 영구자석 제2 세트(450)을 지지한다. 스테이터 벌크헤드 위의 플랜지(flange)(452a)는 방사상 벽(448)의 내부 가장자리에 있는 대응하는 홈(groove)(452b)에 맞춰지고, 이렇게 됨으로써 로터와 스테이터 사이의 래비린드 시일(labyrinth seal)을 규정한다.

이제 도 5a를 참조하면, 이는 본 발명의 실시 예에 따라서, 스테이터를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다. 이 도면은 기계의 축 X - X'를 포함하는 평면에서 스테이터 조립체(500)를 통과하는 단면도를 도시하고 있고, 도 4의 것들과 동일한 엘리먼트들은 동일한 참조 번호들로 도시된다. 따라서 스테이터 조립체의 방사상 말단 벽들(422,424)은 허브 베어링 유닛이 위치해 있는 곳에 갭을 가지고 있고, 내부 및 외부 원통형 측벽들(426,428) 각각은 이 도면의 하반부와 상반부에 각각 나타나있다. 이 도면은 또한 각각의 방사상 벽(422,424)에 장착된 스테이터 폴 피스들(432a,432b)의 개략도를 포함한다.

도면 참조 부호 426, 428a의 원통형 측벽들의 가장자리들에는 도시된 예에 있어서 날카로운 에지(sharp edge)가 되도록 점점 가늘어지는 각각의 돌출부(502,504)가 제공된다. 필수적이진 않지만 바람직하게는, 이들은 측벽 가장자리의 원주를 완전히 둘러싸게 뻗어 있어서, 스테이터가 조립될 때, 측벽들과 말단 벽들은 내부에서 냉각체가 순환될 수 있는 밀폐되고, 실질적으로 폐쇄된 챔버를 규정한다.

스테이터를 제조하기 위해, 화살표(506)에 의한 개략적인 도시되는 바와 같이, 압력은 말단 벽들(422, 424)에 인가되고, 레이저 광은 돌출부(502, 504)가 말단 벽들과 접촉하는 영역으로 향하게 된다. 이는 레이저 빔(508)에 의해 개략적으로 도시된다. 측벽들의 플라스틱은 이 레이저 빔을 흡수하고, 측벽과 말단 벽들 사이의 경계면에서 녹아서, 용접을 생성한다.

플라스틱의 레이저 용접을 위한 기술은 일반적으로 이 분야의 기술자들에게 알려져 있다. 도식적인 접근에 있어서, 레이저 빔들은 말단 벽을 통과해서 측면까지 가고, 따라서 이 경우에, 바람직하게는 말단 벽이 (IR) 레이저에 대해 어느 정도의 투과성(transmissive)이 있고, 어느 정도 레이저를 흡수한다. 이는 필수적이진 않지만, 예컨대 레이저는 축방향에서보다 방사상 안쪽에서 용접될 조인트(joint) 쪽으로 향해질 수 있다. 도시되는 바와 같이, 두 레이저 빔이 채용되고, 각각의 말단 벽 용접에 하나씩 사용되지만, 대안적으로 용접이 순차적으로 수행될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 가동 중에 레이저 빔(508)은 용접을 완료하기 위해 말단 벽의 원주 방향의 가장자리 주위를 움직인다.

완성된 조립체(510)에서 볼 수 있는 바와 같이, 용접 과정 중에 압력(506)은 돌출부(502)가 붕괴하는 것을 야기한다. 붕괴의 비율(rate of collapse)은 부분적으로는 적용된 압력(506)에 의존하고, 붕괴의 정도(degree of collapse)는 조절 가능하다. 잠재적으로 붕괴는 내부 폴 피스들(432a,432b)에 의해 조절될 수 있고, 더욱이 구체적으로는 스톱될 수 있지만, 정확한 높이를 가진 폴 피스들을 쓰는 것보다 말단 스톱으로 지그(jig)나 하우징을 쓰는 것이 더욱 바람직하다. 말단 벽들이 원하는 목표 공간 및 서로 평행일 때, 폴 피스들은 거의 인접해 있고; 이 갭(gap)은 접착제로 채워질 수 있다. 실시 예들에 있어서 이러한 접근들은, 예컨대 말단 벽의 공간을 100㎛보다 더 조절될 수 있도록 한다. 이는 계속해서 스테이터와 로터들 사이의 갭의 정확하고 반복될 수 있는 조절할 수 있게 하며, 이는 기계의 전반적인 효율에 대해 상당한 기여를 한다.

도 5a에 도시된 접근은 내부 스톱(들)으로서, 지그 또는 잠재적으로는 내부 부품(들)을 사용하지만, 다른 접근들에서 하나 이상의 특성들이 요소들(502)의 붕괴를 조절하기 위한 스톱으로서 역할을 할 수 있게 스테이터 하우징 및/또는 조립체로 계획적으로 설계될 수 있다.

이 방법의 이러한 실시 예 및 기타 실시 예에서, 스테이터 조립체는 용접 전에 지그에서 수평적 또는 수직적으로 지지될 수 있다. 수직적 지그가 채용될 때, 스테이터 조립체의 말단 벽은 폴 피스들을 이용해 제자리에서 자기적으로(magnetically) 클램핑될(clamped) 수 있다. 이와 같은 접근에 있어서, 지그에 용접 동안 말단 벽의 공간을 조절하기 위해 하나 이상의 스톱들이 제공될 수 있고, 또한 이렇게 함으로서 원하는 목표 공간에 달성된다.

좀 더 나아간 접근에 있어서, 특히 지그가 채용된 경우에, 방사상 말단 벽들 사이의 공간은, 예컨대 레이저나 선형 트랜스듀서(linear transducer)에 의해 하나 이상의 위치에서 측정될 수 있고, 용접은, 특히 압력은 이 벽들의 목표 공간/평형도가 원하는 허용오차 내에 달성될 때까지 조절될 수 있다. 따라서 당업자는 제조 과정들에 있어서 하나 이상의 스톱들을 쓰는 것이 필수적이지 않다는 점을 이해할 것이다.

실시 예에 있어서, 측벽은 단일 플라스틱(폴리머)재질로 만들어질 수 있지만, 뒤에서 설명되는 바와 같이, 말단 벽은 바람직하게는 두 개의 (또는 그 이상) 상이한 플라스틱을 포함한다. 따라서 몇몇 바람직한 말단 벽의 실시 예들은 지지 프레임워크(supporting framework) 또는 프탈아미드계 물질 같은 더 높은 용융점을 가진 물질의 "스파이더(spider)"에 (사출성형(injection moulding)에 의해) 접착된 상대적으로 낮은 용융점을 가진 물질의 얇은 벽을 포함한다. 이 경우에서, 측벽들(426,428)은 말단 벽 그 자체보다는 지지 프레임워크에 바람직하게 접착된다. 필수적이진 않지만 바람직하게는, 스테이터 폴 피스들(432a,432b)은 하우징의 제작 (용접) 전에 방사상 말단 벽들에 접착되는데, 이는 내부 구성요소들의 정렬을 용이하게 하기 때문이다. 실시 예에 있어서, 각각의 말단 벽에 접착된 폴 피스들(432a,432b)은 구조물의 증가한 전체 강도와 강성을 위해 서로 접착될 수 있다.

제조 방법의 몇몇 바람직한 실시 예에 있어서, 붕괴 가능한 요소(돌출부(502)) 및 말단 벽의 용접될 부분은 동일한 물질로 구성되는데, 프탈아미드계 물질이 매우 스티프(stiff)하기 때문에 바람직하다. 하지만, 채용된 플라스틱들이 레이저 용접과 양립될 수 있다면, 두 작업에 대한 레이저 용접 접착이 같은 타입의 플라스틱을 채용하는 것은 필수적이지 않다. 적절한 용접 파라미터들(parameters)의 설정은 통상적인 문제이다. 전형적으로 800㎚보다 긴 IR 파장이 채용되고, 바람직하게는 고체상태 레이저(solid state laser)가 사용되고; 빔(beam)은 연속발진형(continuous) 또는 펄스형(pulsed)이 될 수 있다.

일반적으로 플라스틱들은 적외선에 대해 비교적 투과성이 있다(transmissive); 플라스틱 물질 흡수제(absorbent)를 갖도록 만들기 위해, 예컨대 약 0.5%w/w로, 예컨대 카본 블랙(carbon black)을 가지고, 도핑 될(dopped) 수 있다. 레이저가 말단 벽 지지 프래임워크를 통과해서 최소 약 30%의 투과율(transmission)이 달성될 수 있음을 실험들을 통해 입증하였다: 프레임워크가 살짝 가열되는 동안에는 녹지 않지만, 측면 벽으로부터 열이 전도되는 경우는 제외되는데 이때에 두 표면이 양호한 결합(good bond)을 형성하기 위해 녹으며 혼합된다.

사용된 재료들이 플라스틱으로 설명되어 있지만, 이것들은 일반적으로 순수한 플라스틱이 아니다. 몇몇 바람직한 실시 예들에 있어서, 이것들은 최소한 25%, 전형적으로는 약 35%의 유리 단섬유들(short glass fibres)로 채워진 유리이다. 탄소 섬유들(carbon fibres)이 추가적 또는 대안적으로 채용될 수도 있다. 예컨대, 스테인리스 철과 같은 금속에 (유리/탄소 섬유가 보강된(reinforced)) 플라스틱을 접합하기 위해 레이저 용접을 사용되는 것 역시 가능하고, 따라서 이 기술의 실시 예들은 플라스틱 말단/측 벽들을 함께 사용하는 것에 제한을 두지 않는다.

도 5a에서는 바람직한 접근을 도시하는데, 여기서 레이저 용접은 스테이터 하우징의 말단 벽과 측벽들 사에서 조인트를 조절 가능하게 붕괴하기 위해 사용된다. 그러나 이 기술의 실시 예들은 또한, 예컨대 붕괴 가능한 요소로서 접착 비드(adhesive bead)를 사용해서 금속과 금속을 접합하기 위해서 사용될 수 있다. 이 방법에서는 측벽들과 말단 벽들 모두, 예컨대 알루미늄이나 강철로부터 제작될 수 있다.

도 5b에서는 대안적인 접근을 나타내는데, 여기서는 스퀘어 엔디드(square-ended) 돌출부(520)가 도 5a의 뾰족한 돌출부(502,504)를 대신해 사용되었다. 이 예시는 돌출부가 측벽의 양쪽 가장자리가 아닌 측벽들의 한쪽 가장자리에만 제공되고 있음을 도시한다. 그래도 원통형 측벽들의 두 가장자리를 따라 붕괴 가능한 형상(collapsible feature)을 제공하는 것이 바람직한데, 이는 더욱 양호한 조인트, 및 조립체의 조절된 붕괴에 의해서 나중에 보완될 수 있는 조립체 치수에서의 초기 변동들(variations)에 대한 큰 허용오차를 제공하기 때문이다.

도 5c는 추가적인 변형(variant)을 도시하는데, 붕괴 가능한 형상(530)은 측벽이 아닌 방사상 말단 벽 위에 제공된다.

도 5d는 더욱 추가적인 변동을 도시하는데, 제작 이전에 하우징은 한 쌍의 크램셀(540,542)를 포함하고, 이 각각은 하우징의 방사상 말단 벽 및 내부와 외부 측벽들의 일부분을 포함한다. 크램셀들 중의 한쪽에는 하나 이상의 붕괴 가능한 형상들(546)이 제공되며, 이는 앞에서 설명되었다.

이제 도 6a를 참조하자면, 이는 개략적으로 스테이터 하우징의 방사상 벽(100)의 상면도를 나타내고, 또한 하우징의 원통형 벽들(152)을 예시한다. 방사상 벽은, 폴 피스들의 슈들을 수용하기 위해 그 사이에 공간(115)을 남기며 방사상 및 원주 보강 리브들(radial and circumferential reinforcing ribs)(120)의 세트로 성형된, 열가소성(thermoplastic) 물질의 벽의 얇고 강화된 막을 포함한다.

도 6b는 벽을 통과하는 단면도를 도시하는데, 이는 바람직하게는 PPA 또는 PEEK, 실시 예에 있어서 PA6 및/또는 PA66과 같이, 고온에서 상대적으로 강한 "엔지니어링 폴리머(engineering polymer)"인 열가소성 수지(thermoplastic resin)(170)가 스며든 (평직(plain weave)) 강화 섬유(160)를 포함하는 섬유-강화 열가소성(fibre-reinforced thermoplastic)물질의 막을 포함한다. 방사상 벽(100)을 형성하는 과정은 바람직하게는 최소 3㎜ 두께의 방사상 및 원주 방향의 리브들을 형성하기 위해서, 막을 성형 툴(mould tool)에 삽입하고 그 툴을 셧팅 오프(shutting off)하는 것을 포함한다. 이것들은 얇은 열가소성 막의 열가소성 폴리머와 호환되는 열가소성 폴리머를 사용하여 형성될 수 있으며, 리브들은 사출성형 과정 중에 밀접하게 막에 접착될 수 있다. 이 툴은 모듈 과정에 간단히 언댐프드(undamped) 및 리-크램프드(re-clamped)될 수 있고, 더 편평한 표면을 위해, 막이 팽창할 수 있도록 허용한다.

스테이터 폴 피스(180)를 부착하기 위해, 이는 가열되고 얇은 막(110)쪽으로 압력을 받으며, 강화물(유리 섬유)은 스톱처럼 작용한다. 생산 과정에 있어서, 초기에 폴 피스들/슈들이 막에 접착되는데, 제자리에서 그것들을 유지하기 위해 템플릿(template)을 이용하며, 인덕션(induction)으로 SMC를 가열한다. 바람직한 접근에 있어서는, 스테이터 바의 중간을 분리시키지 않아도, 스테이터 바의 하나의 부분은 폴 피스와 슈를 포함하고, 다른 부분은 코일이 폴 피스 위에 위치된 후, 모터가 조립될 때, 폴 피스에 인접해 있는 다른 말단용 슈를 포함한다. 최종 전체 박스(box) 구조는 조립되면 매우 강한데, 부분적으로 막에 슈가 접착되어있는 매우 넓은 표면이 있기 때문이다.

얇은 막(110)에서 열가소성 폴리머(170)의 상대적으로 적은 양은 SMC 폴 피스들에 대한 예외적으로 강한 접착을 형성하기에 충분하다. 그러나 이 접착은 외견상 섬유들을 남기면서 수지를 막에서 제거할 수 있다. 그러므로 선택적으로 보충된 열가소성 폴리머 막(175)이 포함될 수 있다. 이 보충 막(supplementary membrane)(175)은 0.25㎜ 정도의 두께를 가질 수 있고, 기판들(substrates)(180,110)의 임의의 불균일(unevenness)을 채우기 위한 스페이스 필링(space filling), 및 폴 피스(180)가 가열되고 얇은 막(175,110)쪽으로 압력을 받을 때 플래싱(flashing)(176)을 제공한다. 이 플래싱 부분은 폴 슈들을 접착하는 것을 증가시키는데 도움을 주고, 또한 리브들(120)과 폴 슈들(185) 사이의 허용오차 갭을 채운다.

이 기술은 스테이터 바의 말단(슈)과 에어 갭 사이에서 막 두께의 정확한 조절을 용이하게 한다. 게다가 최종 구조물은 매우 얇은 방사상 벽, 오일 인테그리티(oil integrity), 조립 동안 그들의 정확한 상대적 위치에서 폴 피스들을 보유하는 유용한 기능을 갖고, 이 구조물이 완전히 조립되었을 때, 큰 강도를 제공한다. WO2012/022974에서 서술한 바와 같이, 크램셀 타입 접근이 채용된 경우에, 스테이터 바들/폴 피스들이 그들의 길이를 따라 어느 지점에서 분리될 수 있어서, 하나의 슈/스테이터 바는 크램셀들과 스테이터 바들에 접합하기 전에 각 크램셀에 부착될(attached) 수 있다. 대안적으로, 스테이터 바들은 한 크램셀에 조립될 수 있고, 제2의 것은 동시에 제1 의 것에 접합 되고, 동시에 스테이터 바들에 접착된다. 이로서 더 강한 구조물을 위해 스테이터 바들을 분리할 필요가 사라지게 된다.

선택적으로 강화 형상(reinforcing feature) 또는 리브는 다수의 라미나(lamina)로부터 제작될 수 있으며, 상호적으로 접착하기 위해 함께 압축되고 가열될 수 있다. 바람직하게는 각 라미나는 강화된 섬유라서 위브(weave)는 실질적으로 전체 방사상 벽을 통해 즉, 막과 이것의 강화물 양쪽 모두를 통해 확장한다. 선택적으로, 위브의 방향(들)은 하나의 라미나에서 그 다음 라미나까지 다를 수 있다.

그러므로 하나의 예시적인 접근에 있어서 본 발명의 실시 예에 따른 축방향 기계 스테이터 하우징의 제조 방법은 강화된 막과 함께 프레임워크 또는 스파이더를 사출성형함으로써 스테이터 하우징의 방사상 벽을 형성하는 것을 포함한다. (매우 얇은) 막은 폴 피스들에 가까운 벽의 이러한 부분들을 형성할 것이다. 그 다음에 이 방법은 바람직하게는 열과 압력의 조합을 이용하여, 막에 (슈들을 갖거나 갖지 않는) 폴 피스들을 접착하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 또한, 스테이터 하우징 용 내부 및 외부 벽들을 형성해서, 이들을 카본 블랙과 같은 IR-흡수(IR-absorbing)물질에 통합하는 것을 포함할 수 있다. 그 다음에 이 방법은 바람직하게는 폴/슈 피스들의 맞물리는 표면들(matching face) 위에 접착제로, 측벽들과 말단 벽들을 스테이터 하우징 조립체로 조립하는 것; 및 하우징의 측벽과 말단 벽들을 서로 부착하는 것, 즉 바람직하게는 용접하는 것을 포함한다. 바람직하게는 부착/용접하는 동안, 스테이터 하우징의 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들의 축방향 압축을 조절하고, 그렇게 함으로서 바람직하게는 미리 결정된 제조 허용오차 내에서 스테이터의 외부 벽들의 공간(및 평행도)을 조절하기 위해 힘이 적용된다. 그 다음에 이 기계는 스테이터에 인접하게 놓이도록 로터(들)를 조립함으로써 완성될 수 있다. 매우 정밀하고 반복될 수 있는 스테이터의 축방향 길이는 "포개진 로터" 구성에서 하나의 로터가 다른 하나에 장착 경우에 기계의 제작을 용이하게 한다. 설명하고 있는 이 제조 방법은 또한 스테이터와 로터 사이의 래비린드 시일(labyrinth seal)의 이용을 용이하게 하며, 그렇지 않으면 달성하기 힘들 것이다.

이제 도 7을 보면, 이는 지그(700)의 개략도가 이러한 제조 기술의 경우에 채용될 수 있음을 나타낸다. 지그는 스테이터 말단 벽을 지지하기 위한 지지대(702), 및 스테이터 말단 벽들을 축방향으로 정렬하기 위한 정렬 툴(alignment tool)의 역할을 하기 위한 축방향 돌출부(704)를 포함한다. 또한, 이 돌출부(704)는 내부 측벽을 지니며; 외부 말단 벽은, 예컨대 하나 또는 그 이상의 기준 형상들(datum features)을 이용해서 측벽에 맞춰 정렬될 수 있다. 실시 예에 있어서, 내부와 외부의 측벽들의 하나 또는 양쪽 면들(가장자리들)은 기준면(reference surface)을 규정하는데, 이는 말단 벽들 사이의 공간, 또는 말단 벽까지의 거리를 측정하는데 사용된다.

용접 전에, 하부 스테이터 플레이트 조립체(하부 벽)는 하나의 말단에서의 스테이터 바들, 모터 권선들(motor windings), 그리고 스테이터 바 슈들을 포함한다 (다른 말단에서의 이들은 상부 스테이터 플레이트/벽에 접착되어있다). 화살표(706)에 의해 개략적으로 도시된 것과 같이, 조립체의 말단 벽들은 조립체를 함께 보유하기 위해 클램핑된다. 실시 예에 있어서, 스테이터 바들이 상대적으로 큰 길이 허용오차를 갖기 때문에, 바람직하게는 이들이 약간 충분치 않은 길이(under-length)이고, 접착제는 바 말단들 및 슈들이 최종적으로 부착될 사이의 갭을 채우기 위해 바들의 말단들에 적용된다. 바람직하게는 비교적으로 두꺼운 접착제가 사용되며, 흘러내리지 않는다; 접착제는 유도적으로-경화되는 타입(inductively-cured type)으로 이루어질 수 있다.

바람직하게는 각각의 스테이터 말단 벽들("플레이트들")은 그들의 내부 및 외부의 원주를 따라 이어진(run around) 리브를 가지며, 이는 스티프네스(stiffness)를 제공한다. 이는 예컨대 ~0.3㎜로 비교적으로 낮을 수 있다. 스테이터 벽은 가령, 0.2㎜의 편평도 허용오차 내에서 편평할 수 있다. 따라서 지그 내에서 스테이터 벽의 위치를 세팅할 때 추가적으로 0.5㎜가 허용될 수 있다. 보다 일반적으로, 지그가 스테이터 벽의 위치 또는 이 벽들의 공간을 조절하기 위해 사용될 때, 바람직하게는 스테이터 말단 벽의 편평도 변동 또는 편평도 허용오차를 보완하도록 충분한 허용오차가 허용된다. 이렇게 해서 구조물 내부에서 몇몇 오정렬(misalignment) 또는 편평도의 결핍이 있을 수 있지만, 그래도 측벽들은 실질적으로 서로 평행하게 정렬될 수 있다.

도 7에서 보여지는 바와 같이, 지그의 실시 예는 IR 트랜스패런트 탑 플레이트(IR transparent top plate)(708) 및 이것과 상부 스테이터 벽/플레이트 사이의 기계적 연결(710)을 포함할 수 있다. 이렇게 하여, 화살표(712)가 나타내는 바와 같이, 클램핑하는 힘이 조립체에 적용될 수 있다. 이는 말단 벽(들)과 측벽들 사이에서 충분한 접촉이 달성될 때까지의 힘 조절, 및 (바람직하게는 힘 모니터링과 함께) 그 다음에 거리 조절을 용이하게 하고, 이로써 스테이터 벽들 사이의 공간이 세팅된다.

이 기술의 실시 예에 있어서, 내부와 외부 벽들(426,428)은 고속, 멀티플-패스, 준-동시 용접(high-speed, multiple-pass, quasi-simultaneous weld)으로 동시에, 화살표(718)가 나타내는 위치에서 용접(716)을 생성하는 레이저 빔(714)에 의해 표시되어 용접된다. 하나의 예시적인 접근에 있어서, 상부 스테이터 벽/플레이트가 용접되고, 그 다음에 스테이터 바들과 코일들을 받치는 하부의 스테이터 벽/플레이트를 용접하기 위해, 클램핑되는 동안에 구조물이 뒤집어진다. 동일한 용접 조절 과정은, 위에서 설명되었듯이, 양쪽 상부 및 하부 플레이트를 위해 쓰일 수 있다.

틀림없이 다른 여러 효과적인 대안들이 당업자에게 떠오를 것이다. 본 발명은 기술된 실시 예들로 한정되어 있는 것은 아니고, 이곳에 첨부된 청구항들의 범위 안에서 당업자들에게 명백한 변경들을 포함한다는 점이 이해될 것이다.

Claims

축방향 자속 영구자석 기계(axial flux permanent magnet machine)의 스테이터 제조 방법으로서,
상기 기계는,
상기 기계의 축에 대하여 원주 방향으로 간격을 두고 배치되고, 각각의 스테이터 바들에 감긴 코일들의 세트를 포함하는 챔버를 규정하는 스테이터 하우징을 포함한 스테이터, 및
영구자석의 세트를 지지하고 상기 축에 대하여 회전하도록 장착된 로터를 갖고,
상기 로터와 스테이터는 그 사이의 갭(gap)을 규정하도록 상기 축을 따라 이격되며,
이 갭 사이에서 상기 기계 안의 자속은 일반적으로 축방향이고,
상기 방법은:
상기 스테이터 하우징에 대한 제1 및 제2 방사상 벽들을 제공하는 단계;
상기 스테이터 하우징에 대한 내부 및 외부 측벽들을 제공하는 단계;
스테이터 조립체를 형성하기 위하여 코일들의 상기 세트 주변으로 상기 제1 및 제2 방사상 벽들과 상기 내부 및 외부 측벽들을 조립하는 단계를 포함하고,
상기 조립하는 단계는:
상기 제1 및 제2 방사상 벽들 중의 하나 또는 양쪽과 상기 측벽들 사이에 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들(collapsible elements)을 제공하는 단계; 및
상기 측벽들을 상기 제1 및 제2 방사상 벽들에 부착하는 단계를 더 포함하고,
상기 부착하는 단계는 상기 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들의 붕괴(collapse)를 조절함으로써 상기 제1 및 제2 방사상 벽들의 공간(spacing)과 평행도(degree of parallelism) 중의 하나 또는 양쪽을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 방사상 벽들과 상기 측벽들 중의 한쪽 또는 양쪽 모두는 폴리머(polymer)를 포함하고,
상기 붕괴 가능한 요소가 상기 방사상 벽들 및/또는 상기 측벽에서 폴리머 형성물(polymer formation)을 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 부착하는 단계는 상기 방사상 벽들을 상기 측벽들에 레이저 용접(laser welding)하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 방사상 벽들 및 상기 측벽들 중의 한쪽 또는 양쪽 모두가 열가소성 수지 폴리머(thermoplastic polymer), 고온 열가소성 수지 폴리머, 또는 PPA를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 붕괴 가능한 요소가 접착제를 포함하고,
특히, 상기 방사상 벽들 및 상기 측벽들 중의 한쪽 또는 양쪽 모두가 금속으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법으로서,
상기 기계는,
상기 기계의 축에 대하여 원주 방향으로 공간을 두고 배치되고, 각각의 스테이터 바들에 감긴 코일들의 세트를 포함하는 챔버를 규정하는 스테이터 하우징을 포함한 스테이터, 및
영구자석의 세트를 지지하고 상기 축에 대하여 회전하도록 장착된 로터를 갖고,
상기 로터와 스테이터는 그 사이의 갭을 규정하도록 상기 축을 따라 이격되고,
이 갭 사이에서 상기 기계 안의 자속은 일반적으로 축방향이며,
상기 방법은:
각각이 상기 스테이터 하우징을 위한 방사상 벽 및 스테이터 하우징을 위한 측벽의 적어도 일부분을 포함하는 제1 및 제2 스테이터 하우징 크램셀들(stator housing clamshell)을 제공하는 단계;
스테이터 조립체를 형성하기 위하여 코일들의 상기 세트 주변으로 상기 제1 및 제2 스테이터 하우징 크램셀들을 조립하는 단계를 포함하고,
제1 및 제2 스테이터 하우징 크램셀들은 함께 코일들의 상기 세트를 둘러싸는 환형 챔버(annular chamber)를 규정하고,
상기 조립하는 단계는:
상기 제1 및 제2 스테이터 하우징 크램셀들 사이에 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들을 제공하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 스테이터 하우징 크램셀들을 부착하는 단계를 더 포함하고,
상기 부착하는 단계는:
상기 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들의 붕괴를 조절함으로써 상기 제1 및 제2 방사상 벽들의 공간과 평행도 중의 하나 또는 양쪽을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 스테이터 하우징 크램셀들 중의 하나 또는 양쪽은 폴리머를 포함하고,
상기 붕괴 가능한 요소가 상기 스테이터 하우징 크램셀들 중의 하나 또는 양쪽에서의 형성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 부착하는 단계는 상기 스테이터 하우징 크램셀들을 서로 레이저 용접하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
제6항, 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 스테이터 하우징 크램셀들 중의 하나 또는 양쪽은 열가소성수지 폴리머(thermoplastic polymer), 특히 고온 열가소성 수지 폴리머, 바람직하게는 PPA를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 붕괴 가능한 요소는 접착제를 포함하고,
특히, 상기 스테이터 하우징 크램셀들 중의 하나 또는 양쪽이 금속으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 붕괴의 상기 조절은 하나 이상의 스톱들(stops)에 의해 스톱될(stopped) 때까지 상기 하나 이상의 조절 가능한 엘리먼트들을 붕괴하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 하나 이상의 스톱들로서 상기 스테이터 조립체의 하나 이상의 내부 구성요소들을 이용하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 붕괴의 상기 조절은 지그(jig)에 상기 스테이터 조립체를 장착하는 것, 및 상기 지그를 이용해 상기 붕괴를 조절하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조절하는 단계는 상기 제1 및 제2 방사상 벽들의 상기 공간 및/또는 평행도를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
수지 막(resin membrane)을 사출성형(injection moulding) 기계의 몰드(mould) 안에 놓음으로써 상기 제1 및 제2 방사상 벽들을 제작하는 것, 및 상기 막의 수지와 함께 녹을 때 접착 가능한 열가소성 수지 폴리머를 사용해서 상기 막 위에 강화 형상들(reinforcing features)의 세트를 사출성형하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
폴리머 물질의 막을 제공하는 단계;
상기 폴리머가 성형가능한(mouldable)동안 상기 스테이터 바들의 상기 세트의 적어도 말단들 또는 슈들을 폴리머의 상기 막으로 압축하는 단계로서, 상기 스테이터 바의 적어도 상기 말단 또는 슈가 다공성이 있는(porous) 자성물질로 형성되는 단계;
스테이터 바들의 상기 세트의 상기 말단들 또는 슈들을 각각의 위치들에 보유(hold)하기 위해 상기 폴리머를 굳히는 단계;
에 의해서 제1 및 제2 방사상 벽들을 제작하는 단계를 더 포함하고,
상기 막의 상기 폴리머는 상기 폴리머에 스테이터 바들의 상기 세트를 접착하기 위해 상기 압축 동안 상기 다공성이 있는 자성물질과 접착하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 스테이터 제조 방법.
축방향 자속 영구자석 기계의 제조 방법으로,
상기 항 중 어느 한 항에서 나열된 스테이터를 제작하는 단계, 및
이 다음에 상기 스테이터를 이용해서 상기 축방향 자속 영구자석 기계를 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 제조 방법.
제17항에 있어서,
스테이터의 양쪽에 하나씩, 두 개의 상기 로터들을 가진 상기 축방향 자속 영구자석 기계를 제작하는 단계를 포함하고,
상기 방법은 하나의 상기 로터를 다른 하나의 상기 로터에 장착하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 제조 방법.
제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 축방향 자속 영구자석 기계는 요크가 없고 세그먼트형인 전기자 기계(yokeless and segmented armature machine)인 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계의 제조 방법.
축방향 자속 영구자석 기계로서,
상기 기계는,
상기 기계의 축에 대하여 원주의 주변으로 간격을 두고 배치되고, 각각의 스테이터 바들에 감긴 코일들의 세트를 포함하는 챔버를 규정하는 스테이터 하우징을 포함한 스테이터, 및
영구자석의 세트를 지지하고 상기 축에 대하여 회전하도록 장착된 적어도 하나의 로터를 갖고,
상기 로터와 스테이터는 그 사이의 갭을 규정하기 위해 상기 축을 따라 이격되고,
이 갭 사이에서 상기 기계 안의 자속은 일반적으로 축방향이며;
상기 스테이터 하우징은 하나 이상의 붕괴된 엘리먼트들을 더 포함하되;
상기 하나 이상의 붕괴된 엘리먼트들이 붕괴된 폴리머 형성물(collapsed polymer formation)을 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계.
제20항에 있어서,
상기 붕괴된 엘리먼트들이 상기 스테이터 하우징의 측벽들 또는 말단 벽들의 축방향으로 붕괴된 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계.
제20항 또는 제21항에 있어서,
상기 기계는 각각이 영구 자석들의 세트를 지지(bearing)하는 두 개의 상기 로터들을 포함하고,
상기 로터들과 스테이터는 그 사이의 갭을 규정하도록 상기 축을 따라 이격되며,
이 갭 사이에서 상기 기계 안의 자속은 일반적으로 축방향이고;
상기 로터들은 상기 스테이터의 양쪽에 하나씩 배치되고;
하나의 상기 로터는 다른 하나의 상기 로터에 장착되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계.
제20항, 제21항 또는 제22항에 있어서,
로터와 스테이터 사이의 래비린드 시일(labyrinth seal)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계.
축방향 자속 영구 자석 기계의 스테이터를 제조하는 방법으로서,
상기 기계는,
상기 기계의 축에 대하여 원주 방향으로 간격을 두고 배치되고, 각각의 스테이터 바들에 감긴 코일들의 세트를 포함하는 챔버를 규정하는 스테이터 하우징을 포함한 스테이터, 및
영구 자석의 세트를 지지하고 상기 축에 대하여 회전하도록 장착된 로터를 갖고,
상기 로터와 스테이터는 그 사이의 갭을 규정하기 위해 상기 축을 따라 이격되고,
이 갭 사이에서 상기 기계 안의 자속은 일반적으로 축방향이며;
상기 방법은:
상기 하우징의 말단 벽들 사이의 공간을 조절하기 위해 하우징의을 제작 동안, 특히 레이저 용접 동안, 상기 스테이터 하우징의 하나 이상의 붕괴 가능한 엘리먼트들의 축방향 압축을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구 자석 기계의 스테이터를 제작하는 방법.
축방향 자속 영구자석 기계를 제조하는 방법으로,
제24항에서 나열된 스테이터를 제조하는 단계, 및
이 다음에 상기 스테이터를 이용해서 상기 축방향 자속 영구자석 기계를 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 영구자석 기계를 제조하는 방법.