KR20180008787A - 영구자석 발전기를 위한 개선된 회전자 - Google Patents

Abstract

회전식 발전기로서: 사이에 갭(gap)을 가진 제1 자성 환형체와 제2 자성 환형체를 포함하는 적어도 하나의 자성 환형체 쌍(magnetic annulus pair); 상기 갭 내의 코일 환형체;를 포함하며, 상기 제1 및 제2 자성 환형체들과 상기 코일 환형체는 공통 축을 가지고; 상기 적어도 하나의 자성 환형체 쌍의 제1 및 제2 자성 환형체들은 각각: 상기 공통 축의 둘레에 이격되어 있으며 상기 갭과 마주보며 교번하는 N극과 S극을 가지는 주된 영구자석들의 시퀀스, 및 중간 영구자석들의 시퀀스를 가지며, 자성 환형체 쌍의 제1 및 제2 자성 환형체들의 대응되는 주된 영구자석들은 상기 갭과 마주보는 서로 다른 자극들을 가지고, 자속선들(lines of magnetic flux)이 대응되는 주된 영구자석들 사이의 갭을 가로지르도록 상기 갭을 가로질러 서로 마주보며, 상기 중간 영구자석들 각각은 두 개의 주된 영구자석들 사이에 배치되고, 각각의 중간 영구자석은 상기 갭에 인접하여 상기 두 개의 주된 영구자석들 중 상기 갭과 마주보는 N극을 가진 주된 영구자석의 측면과 마주보는 N극을 가지고, 각각의 중간 영구자석은 상기 갭에 인접하여 상기 두 개의 주된 영구자석들 중 상기 갭과 마주보는 S극을 가진 주된 영구자석의 측면과 마주보는 S극을 가지며, 상기 자성 환형체들이 상기 코일 환형체에 대해 회전함에 따라 자속선들이 상기 코일들의 권선들(turns of coils)을 커팅함으로써 상기 코일들 내에 전류를 유도하도록, 상기 코일 환형체는 상기 공통 축의 둘레에 배치된 코일들의 시퀀스를 가지며, 상기 적어도 하나의 자성 환형체 쌍의 제1 및 제2 자성 환형체들은 각각 강자성 재료의 백킹 플레이트(backing plate)를 더 포함하고, 인접한 주된 영구자석들이 상기 백킹 플레이트를 통해 서로 자기적으로 결합되도록 상기 주된 영구자석들은 상기 백킹 플레이트와 상기 갭 사이에 배치되며 상기 백킹 플레이트에 장착되는, 회전식 발전기.

Description

영구자석 발전기를 위한 개선된 회전자

이하의 발명은 영구자석 발전기로서 알려진 유형의 회전식 전기 발전기에 관한 것이다. 이들에 있어서, 영구자석은 회전자 내부에 사용되며 고정자의 내부에 내장된 코일들의 권선(turns)을 커팅(cutting)하기 위한 자기장을 제공함으로써 전력을 생산한다. 특히, 본 발명은 공동-계류중인 출원 번호 GB 1 320 623.0.에 개시된 것과 같은 축방향 자속 영구자석 발전기의 형태에 관한 것이다.

이 공동-계류중인 출원의 발전기에서, 그 회전자는 적어도 하나의 자성 환형체 쌍(magnetic annulus pair)을 포함한다. 자성 환형체 쌍은 이들 사이에 갭(gap)과 각각의 환형체 둘레에 이격된 영구자석들의 시퀀스를 가지며, 영구자석들은 그들 사이의 갭과 마주보며 교번하는 N극과 S극을 가진다. 자성 환형체 쌍의 제1 및 제2 환형체의 대응하는 영구자석들은 갭과 마주보며 갭을 가로질러 서로 마주보는 서로 다른 자극들을 가짐으로써, 자속선들은 대응되는 영구자석들 사이의 갭을 가로질러 연장된다. 그것의 고정자는, 자성 회전자 환형체들 사이의 에어 갭 내에 삽입되며, 코일들의 원주방향 시퀀스로 형성된 코일 환형체를 포함한다. 고정자와 회전자 환형체들은 공통 축을 공유하는 바, 고정자에 대한 회전자의 회전은 고정자의 코일들 내부에 기전력(emfs)을 유도한다.

이러한 영구자석 발전기의 형태에 있어서, 플레밍의 오른손 법칙의 적용으로부터, 고정자 코일 내에 유도된 기전력은 마주보는 자석들 사이의 에어 갭을 가로질러 연장되는 자속의 밀도에 직접 의존한다는 것은 분명하다. 그러나, 전술한 공동-계류중인 출원에 개시된 디자인의 발전기에서, 자속의 밀도는 마주보는 자석들의 중심 영역들 사이에 가장 집중되고, 그들의 주변부로 가면서 현저하게 감소하는 경향이 있다. 이는, 유도되는 기전력을 최대화하기 위해, 고정자 코일들을 커팅하는 자속은 이상적으로 가능한 한 마주보는 자석들 사이의 공간 부피의 전체에 걸쳐 집중되어야 한다는 점에서, 불리하다.

측방향으로 이격된 반대 극성의 자석들로부터 나오는 자속의 밀도를 증가시키기 위해, 공간적으로 서로 분리되고 전통적으로 앞면과 뒷면들을 가로질러 자화되며 외부로 향하는 반대 극성들을 가지는 평행하고 일반적으로 막대 형상의 제1 및 제2 자석들 사이에 제1 및 제2 자석들에 대해 자기적으로 옆에 배치된 추가적인 막대 자석이 끼워진 배치가 알려져 있다. 그 효과는 세 개의 막대의 조합의 일면으로부터 나오는 자기장이 증가하는 반면에, 반대면으로부터 나오는 자기장은 실질적으로 감소하거나 또는 없다는 것이다. 때때로 할바흐(Halbach) 또는 맬린슨(Mallinson) 배열로 지칭되는 이러한 조합의 일반적인 용도는, 강한 자기장이 일 측면에서만 널리 퍼지는 것이 바람직한 냉장고용 자석에 있다. 그러나, 이하에서 개시될 이유로, 이러한 유형의 배치의 자기적 기하학적 구조는, 이 출원의 앞서 언급된 공동-계류중인 출원에 개시된 발전기의 유형에서는 최적이 아니다.

본 발명의 목적은 개선된 회전자를 가진 회전식 발전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 측면에 따르면 회전식 발전기가 제공되며, 상기 회전식 발전기(rotary generator)는: 사이에 갭(gap)을 가진 제1 자성 환형체와 제2 자성 환형체를 포함하는 적어도 하나의 자성 환형체 쌍(magnetic annulus pair); 상기 갭 내의 코일 환형체;를 포함하며, 상기 제1 및 제2 자성 환형체들과 상기 코일 환형체는 공통 축을 가지고; 상기 적어도 하나의 자성 환형체 쌍의 제1 및 제2 자성 환형체들은 각각: 상기 공통 축의 둘레에 이격되어 있으며 상기 갭과 마주보며 교번하는 N극과 S극을 가지는 주된 영구자석들의 시퀀스, 및 중간 영구자석들의 시퀀스를 가지며, 자성 환형체 쌍의 제1 및 제2 자성 환형체들의 대응되는 주된 영구자석들은 상기 갭과 마주보는 서로 다른 자극들을 가지고, 자속선들(lines of magnetic flux)이 대응되는 주된 영구자석들 사이의 갭을 가로지르도록 상기 갭을 가로질러 서로 마주보며, 상기 중간 영구자석들 각각은 두 개의 주된 영구자석들 사이에 배치되고, 각각의 중간 영구자석은 상기 갭에 인접하여 상기 두 개의 주된 영구자석들 중 상기 갭과 마주보는 N극을 가진 주된 영구자석의 측면과 마주보는 N극을 가지고, 각각의 중간 영구자석은 상기 갭에 인접하여 상기 두 개의 주된 영구자석들 중 상기 갭과 마주보는 S극을 가진 주된 영구자석의 측면과 마주보는 S극을 가지며, 상기 자성 환형체들이 상기 코일 환형체에 대해 회전함에 따라 자속선들이 상기 코일들의 권선들(turns of coils)을 커팅함으로써 상기 코일들 내에 전류를 유도하도록, 상기 코일 환형체는 상기 공통 축의 둘레에 배치된 코일들의 시퀀스를 가진다.

본 발명의 제2 측면에 따르면 회전식 발전기가 제공되며, 상기 회전식 발전기(rotary generator)는: 사이에 갭(gap)을 가진 제1 자성 환형체와 제2 자성 환형체를 포함하는 적어도 하나의 자성 환형체 쌍(magnetic annulus pair); 상기 갭 내의 코일 환형체;를 포함하며, 상기 제1 및 제2 자성 환형체들과 상기 코일 환형체는 공통 축을 가지고; 상기 적어도 하나의 자성 환형체 쌍의 제1 및 제2 자성 환형체들은 각각: 상기 공통 축의 둘레에 이격되어 있으며 상기 갭과 마주보며 교번하는 N극과 S극을 가지는 주된 영구자석들의 시퀀스, 및 중간 영구자석들의 시퀀스를 가지며, 자성 환형체 쌍의 제1 및 제2 자성 환형체들의 대응되는 주된 영구자석들은 상기 갭과 마주보는 서로 다른 자극들을 가지고, 자속선들(lines of magnetic flux)이 대응되는 주된 영구자석들 사이의 갭을 가로지르도록 상기 갭을 가로질러 서로 마주보며, 상기 중간 영구자석들 각각은 두 개의 주된 영구자석들 사이에 배치되고, 각각의 중간 영구자석은 상기 갭에 인접하여 상기 두 개의 주된 영구자석들 중 상기 갭과 마주보는 N극을 가진 주된 영구자석의 측면과 마주보는 N극을 가지고, 각각의 중간 영구자석은 상기 갭에 인접하여 상기 두 개의 주된 영구자석들 중 상기 갭과 마주보는 S극을 가진 주된 영구자석의 측면과 마주보는 S극을 가지며, 상기 자성 환형체들이 상기 코일 환형체에 대해 회전함에 따라 자속선들이 상기 코일들의 권선들(turns of coils)을 커팅함으로써 상기 코일들 내에 전류를 유도하도록, 상기 코일 환형체는 상기 공통 축의 둘레에 배치된 코일들의 시퀀스를 가지며, 상기 적어도 하나의 자성 환형체 쌍의 제1 및 제2 자성 환형체들은 각각 강자성 재료의 백킹 플레이트(backing plate)를 더 포함하고, 인접한 주된 영구자석들이 상기 백킹 플레이트를 통해 서로 자기적으로 결합되도록 상기 주된 영구자석들은 상기 백킹 플레이트와 상기 갭 사이에 배치되며 상기 백킹 플레이트에 장착된다.

이하에서 편의를 위해 보극들(interpoles)로서 지칭되는 중간 영구자석들의 존재는, 이전에 주된 영구자석들의 측면들 사이에 존재하는 갭을 가로질러 측방향으로 흐르는 자석의 누설을 불가능하게 만들며, 마주보는 주된 자석들 사이의 갭을 가로지르는 자속을 유리하게 형상화하고 집중시킨다.

앞에서 언급한 공동-계류중인 특허 출원에, (본 발명의 발전기의 주된 영구자석들에 해당하는) 영구자석들이 강자성 백킹 플레이트 상에 장착되는 배치가 개시된다. 그 효과는 그들의 뒷면들 사이의 자기 결합을 향상시킴으로써 자석들의 측면들 사이의 측방향 자속 누설을 감소시키며, 이에 따라 결국 그런 형태의 발전기의 에어 갭을 가로지르는 자속의 밀도를 증가시키는 것이다.

본 발명의 백킹 플레이트(backing plate)의 존재는, 주된 자석들의 뒷면들 사이의 결합을 용이하게 할 뿐만 아니라, 주된 영구자석들의 내부 자극들에 중간 영구자석들의 내부 자극들의 결합을 용이하게 한다. 이는 바람직하다. 앞서 말한 것으로부터, 임의의 보극들의 에지들은 이들이 끼워지는 주된 영구자석들의 외면에 대해 반발한다. 본 발명에 따르면, 에어 갭을 가로지르는 자속 밀도를 집중시키고 증가시키는 효과가 있다.

그러나, 이러한 배치의 고려에서 이해될 수 있는 바와 같이, 보극들의 측면들은 각각 이들이 끼워지는 주된 영구자석들의 앞면에 대해 반발한다. 동일한 자극들이 물리적으로 인접하는 영구자석들의 어떠한 배치도 자기 회복력, 즉, 자기소거에 대한 저항력에 도움이 되지 않는다. (이는, 예를 들어 전기자 리액턴스로부터 발생할 수 있는 것과 같은 외부의 반대 자기장을 통해 일어날 수 있다.) 그러나, 이하에서 백킹 철로 지칭되는 강자성 환형체가 존재하면, 주된 영구자석들과 보극들의 백킹 플레이트에 인접한 자극들은 백킹 플레이트를 통한 실제의 자기적 인력으로 각각 결합되기 때문에, 주된 영구자석들과 보극들 각각의 작용점(working point)이 향상되고, 이에 따라 이러한 임의의 자기소거 영역의 효과에 반하는 정도로 재료에 대한 보호를 제공한다. 상기 백킹 플레이트는 오래된 기술적 용어로 키퍼(keeper)로서 고려될 수 있다. 바람직하게는, 상기 백킹 플레이트는 적어도 4mm 두께이며, 이상적으로는 6mm 이상이고, 연철 재료 또는 이방성 규소강, 뮤메탈(mu-metal) 및 퍼멀로이(permalloy)와 같은 특수 화합물로 제조될 수 있다. 연철로 제조된 6mm 두께의 백킹 플레이트는 이에 장착된 주된 자석들과 중간 자석들 사이의 원하는 자기적 결합을 제공하기에 충분한 투과성을 가진다.

자석들의 작용점을 보조하는 것뿐만 아니라, 실제 실험은 백킹 철 플레이트의 존재가 에어 갭과 마주보는 자석들의 면들에서의 평균 자속 밀도를 강자성 백킹 플레이트가 없는 경우와 비교하여 30% 만큼 증가시킬 수 있다는 것을 보여준다.

본 발명의 배치는 표면적으로는 앞에서 언급된 할바흐 배열과 유사하지만, 자기적으로 또는 물리적으로는 그렇지 않다. 일 측면에서 상기 자성 환형체들은 할바흐 배열이 아니다. 이는 자속이 주된 영구자석들의 양측면들(자극들) 밖으로 연장되고 백킹 플레이트 내부로 연장되기 때문이다. 이는 주된 자석들과 중간 자석들의 상대적인 크기 부여에 의해 달성되며, 예를 들어, 주된 영구자석들은 중간 영구자석들보다 훨씬 넓다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 발전기의 회전자들 내부에 사용되는 영구자석들은 페라이트로 알려진 타입이다. 페라이트 자석은 발전기 또는 전기 모터에 흔히 사용되는 희토류 자석보다 현저히 약한 자기장을 제공한다. 이러한 요인 때문에, 넓은 면적의 자석들과 이에 부응하여 많은 권선들의 대형 고정자 코일이 둘 사이에 일어나는 상대적인 운동으로써 가치 있는 전자기력을 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 넓은 면적의 자석들의 사용에 의해, 그리고 고전적인 할바흐 배열과 대조적으로, 주목할 만한 자기장이 확실히 존재하며 자석들의 두 개의 시퀀스들의 뒷면으로부터 나온다. 실제로, 자기장의 측정값들은, 자석들의 뒷면 전체에 걸친 평균 자속의 세기가 자석들의 앞면(갭 측면)에 존재하는 평균 자속의 세기의 60% 정도라는 것을 보여준다. 이는 자석들의 갭 측면에서의 자속의 세기의 상당한 비율이다.

(주석: 할바흐 배열로 알려진 배열의 정의는: "할바흐 배열은 배열의 타측면에서는 자기장의 거의 0으로 무효화하면서 일측면에서의 자기장을 증가시키는 영구자석들의 특수한 배열이다".)

고전적인 할바흐 배치와 대조적으로, 백킹 철이 제공된다. 상기 백킹 철의 존재는 주된 영구자석들로부터 갭을 향해 나오는 자속 밀도를 현저히 증가시킨다. 이는, 미국의 US2013002066 (A1)에 개시된 것과 같이 전기 모터가 실제의 할바흐 배열을 사용하고 조립체의 뒷면으로부터 자기 누설이 최소화되며 백킹 철이 사용되지 않는 종래 기술의 배치와 대조된다. 동일한 것이 CN102904404 (A)와 관련되고, 이는 종래의 할바흐 배열을 사용함에 있어서, 할바흐 배치는 백킹 철 없이 그 자신의 폐쇄 회로를 형성한다고 구체적으로 언급하고 있으며, CN104167893은, 철이 없는 회전자와 함께 할바흐 배열을 사용한다.

백킹 플레이트의 강자성 환형체의 추가로부터 발생하는 추가적이고 현저한 이점은, 회전자들 사이의 갭과 마주보는 자석 표면들에서의 자속의 세기를 증가시키는 효과가 있다는 것이다. 본 발명의 배치에서, 실제 실험은, 전술한 바와 같이 충분한 두께의 백킹 철의 존재와 이에 따른 투과성은 평균 자속 밀도를 주된 영구자석 표면들에 걸쳐 31% 이상 증가시킬 수 있다는 것을 보여준다.

따라서, 본 발명의 배치는 주된 영구자석들의 측면들 사이의 측방향 자속의 누설을 방지하며 회전자에 장착된 페라이트 자석들의 작용점을 향상시키는 새로운 수단을 제공한다. 이는 특히, 희토류 자석을 사용하는 기계와 달리, 페라이트계 기계의 경우에, 페라이트 자석은 외부의 자기장으로부터의 자기소거에 취약하다는 점에서 중요하다. 또한, 마주보는 주된 자석들 사이의 집속, 자기장의 세기와 자속의 형상화가 향상된다.

측정할 수 있는 이익의 면에서, 이러한 배치에 기인한 자기적 성능의 전체적인 증가는 상당할 수 있으며, 예를 들어 20%를 초과할 수 있으며, 그래서 고정자 코일들 내부에 발생되는 기전력의 상응하는 증가가 직접적으로 유발된다. 주어진 부하로의 발전기의 출력이 코일들 내부에 유도된 기전력의 제곱에 비례하기 때문에, 기전력의 20%의 증가는 발생된 전력의 44%(1.2²)의 증가를 초래한다. 보극들을 구성하기 위해 요구되는 추가적인 재료의 일회성 비용은 발전기의 수명에 걸쳐 생산되는 전기의 상업적 가치에 의해 빠르게 감소한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 주어진 크기의 발전기에서, 상기 주된 자석과 상기 중간 영구자석의 폭들의 비율은, 기전력(emfs)을 발생시키기 위해 사용되는 고정자 코일들의 층들의 활성 부분(active portion)의 평균 폭의 선택과 함께, 각각 상기 코일들에 발생되는 기전력의 증가가 보극들이 존재하지 않는 경우보다 적어도 20% 증가되도록 결정된다.

이 유형의 발전기들에 사용되는 영구자석들이 폭과 길이가 몇몇의 인자들에 의해 두께를 초과하는 정사각형 또는 직사각형 블록의 형태인 것은 관습적이다. N극 또는 S극은 서로 반대쪽에 있으며 블록의 앞면과 뒷면(즉, 폭과 길이에 의해 정의된 면들)이다. 그러나, 현대의 제조 기술은, 자석이 사용될 특별한 애플리케이션에 맞추기 위해, 임의의 적당한 기하학적 형상의 자석이 제조 중에 소결되는 것을 손쉽게 허용한다. 예를 들어, 엄격히 직교하는 기하학적 구조 이외의 자석들의 형상의 변형은, 그들에 의해 제공되는 자속 밀도뿐만 아니라 외부의 대립되는 자기장에 의한 자화에 대한 저항과 같은 다른 특성들에 유익할 수 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 주된 영구자석들과 이들 사이에 끼워진 중간 영구자석들의 반경 방향으로 연장된 대향 측면들의 세트들 중 적어도 하나는, 그들에 의해 제공되고 상기 발전기의 에어 갭을 가로지르는 자속 밀도를 증가시키는 방식으로 만곡된다(예를 들어, 볼록하거나 또는 오목하다). 이 특징의 실시예에서, 주된 영구자석들과 중간 영구자석들 모두의 측면들이 만곡되며, 각각의 만곡부는 하나가 다른 하나의 내부로 파고들 수 있도록 상보적이다.

이 특징의 제1 실행에서, 상기 주된 영구자석들의 측면들은 오목하다. 이 특징의 제2 실행에서, 상기 측면들은 볼록하다.

몇몇의 경우에, 주된 영구자석들과 보극들의 측면들이 물리적으로 인접하게 되는 것이 실용적이 아니거나 또는 바람직하지 않을 수 있다. 이는, 제조 비용, 자석들로부터 나오는 자속의 형상화, 또는 자기소거에 대한 안정성의 보장 때문이다. 이 경우에, 보극들과 주된 영구자석들 사이에 위치하는 강자성 재료의 강자성 자극편 인서트들(pole piece inserts)을 도입하는 것이 유리할 수 있다.

보극들을 가장 유리하게 사용하기 위해, 그들의 설계는 고정자 코일의 기하학적 구조를 감안하여야 하며, 반대도 마찬가지이다. 이는 코일들이 주된 영구자석들과 보극들의 조합에 의해 제공된 자속에 의해 휩쓸림에 따라, 코일들의 권선들 내부에 발생되는 기전력을 최적화하기 위한 것이다. 특히, 어떤 길쭉한 형상의 주된 영구자석들에서, 이론적 분석은 증가된 기전력은 거의 정사각형 또는 타원형 코일들의 사용에 기인할 수 있다는 것을 나타낸다. 그러나, 그 효과는 주된 영구자석들의 치수에 대해 보극들의 치수를 적합화함으로써 더 증가할 수 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 중간 영구자석들은 상기 주된 영구자석들보다 상기 공통 축에 더 가깝게 반경 방향 내측으로 길이가 연장되며 및/또는 상기 주된 영구자석들보다 상기 공통 축으로부터 더 멀리 반경 방향 외측으로 연장된다.

이 변형의 효과는 회전자의 자석들에 의해 횡단되는 고정자 코일들의 권선들을 커팅하기 위한 자속 밀도의 더 긴 반경 방향 길이를 제공하는 것이며, 그럼으로써 고정자 코일들 내부에 발생되는 기전력의 상응하는 증가를 가져온다.

상기 보극들의 디자인을 변형하는 측면은 그들의 측면 치수들에서의 변형에만 국한될 필요가 없다.

추가적인 특징에 따르면, 제1 환형체의 중간 영구자석들과 제2 자성 환형체의 중간 영구자석들 사이의 거리보다 대응되는 주된 영구자석들이 서로 더 가깝도록, 상기 보극들은 상기 회전식 발전기의 축 방향으로 주된 영구자석들의 축방향 두께보다 더 작은 두께를 가진다.

실험에 의해, 보극들이 그 양측의 주된 영구자석들보다 사실상 더 얇은 이러한 배치에서, 주된 영구자석들의 표면 전체에 걸쳐 자속의 더욱 균등하고 따라서 양호한 분포가 성취된다는 것이 밝혀졌다. 이에 의해, 고정자 코일 내부에 발생되는 기전력이 더욱 증가된다.

앞에서 언급한 공동-계류중인 출원의 하나의 구체적인 실시예에서, 개시된 발전기의 회전자는, 다수의 자성 환형체들의 별개의 쌍들보다는, 자성 환형체들의 스택(stack)을 포함한다. 고정자 코일들을 위한 에어 갭들은 자성 환형체들 사이에 존재한다. 이 경우에, 상기 스택 내의 제1의 두 개의 환형체들은 제1 에어갭을 정의하고, 제2 자성 환형체의 뒷면은 제2 에어갭을 형성하기 위해 제3 자성 환형체의 앞면과 마주보고, 제2 자성 환형체의 뒷면에는 그 앞면과 동일한 방식으로 자석들이 실장되며, 이는 상기 스택의 전체 길이를 따라서 마찬가지이다.

동일한 배치가 본 발명의 회전자들을 사용하여 구성될 수 있다.

이 경우에, 각각의 회전자는 중앙 백킹 플레이트 환형체를 포함하며, 가장 단부의 플레이트들 이외에, 상기 플레이트의 각각의 측면에, 교번하는 극성의 주된 영구자석들과 보극 영구자석들의 시퀀스들이 실장되며, 전술한 바와 같이 회전자의 길이를 따라서 자성 환형체들의 연속하는 시퀀스를 형성한다. 즉, 에어 갭들은 각각의 백킹 철 플레이트의 양측면에 장착된 자석들의 링들 사이에 형성된다. 다시 말하면, 주된 자석들과 보극 자석들은 모두 백킹 플레이트의 각각의 측면에 서술된 방식으로 장착될 수 있으며, 이에 따라 상기 발전기의 전체 길이를 따라서 향상된 세기의 자속 에어 갭들의 시퀀스를 생성할 수 있다.

본 발명에 따라 구성되며 예를 들어 수백 또는 수천 킬로와트의 상당한 발전 성능을 가진 대형 발전기들의 경우에, 그 회전자들은 상당한 직경을 가질 수 있다. 이들은 예를 들어 3 내지 6미터일 수 있다. 이 경우에, 전자기 효율의 이유로, 주된 영구자석들은 예를 들어 1/3 미터 이상까지의 폭을 가지도록 상당히 크게 만들어진다. 이는, 다수의 표준 크기(보통 크기: 길이 0.15m x 폭 0.10m x 두께 0.025m)의 작은 자석들(이들 모두는 그 폭을 가로질러 자화된다)을 하나의 극성을 가진 단일의 넓은 면을 형성하도록 나란히 결합함으로써 지정된 크기가 간단하게 달성될 수 있기 때문에 실제로 실현 가능하다.

보극들을 위해 상기 방법은 달성하기가 어려울 수도 있다. 제조상의 제약에 기인하여, 주된 영구자석들의 크기와 동일한 크기 또는 가까운 크기가 되는 단일 조각의 보극 자석을 에지들을 가로질러 자화시키는 것은 어려울 수 있다. 실제로, 수용될 수 있는 최대 크기는 1인치(2.5cm)의 범위 내일 수 있다.

본 발명의 추가 특징에 따르면, 더욱 실질적인 보극들은, 원하는 전체 폭의 단일의 보극 자석을 제공하는 방식으로, 각각 양측 에지들을 가로질러 자화되며 이웃한 자석으로의 인력으로 측방향으로 결합된 보다 좁은 자석들의 스택으로 구성될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하면서 오직 예로서 설명될 것이다.
도 1a는 오직 주된 영구자석들만 갖춘 두 개의 마주보는 자성 환형체들을 보여주고, 도 1b는 주된 영구자석들과 본 발명의 중간 영구자석들을 갖춘 두 개의 마주보는 자성 환형체들을 보여주며, 도 1c는 도 1a와 1b의 각각의 배치와 함께 사용하기 위한 고정자(코일 환형체)를 보여준다.
도 2는 도 1a와 1b에 도시된 배치들에 의해 제공된 실제 자속의 세기의 출력물을 보여준다.
도 3a, b 및 c는 보극들(interpoles)의 크기에서의 변형들과, 자속 밀도에 대한 상응하는 영향을 보여준다.
도 4는 강자성 백킹 플레이트 상에 장착된 보극들과, 인접한 자극들 사이의 자기 결합을 보여준다.
도 5는 주된 영구자석들과 보극들을 갖춘 자성 환형체들의 스택을 보여준다.
도 6은 더 넓은 폭의 보극들을 구성하는 방법을 보여준다.
도 7은 이력 곡선을 보여준다.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 회전자의 두 개의 자성 환형체들(magnetic annuli)이 10과 11로 도시되어 있지만, 중간 영구자석들(보극들(interpoles))은 추가되어 있지 않다. 그들은 각각 강자성 백킹 플레이트(ferromagnetic backing plates)(12, 13)를 포함하고, 백킹 플레이트(12, 13) 상에 이격된 영구자석들(14, 15)의 원주형 시퀀스가 장착된다. 이 영구자석들은, 여기서 주된 영구자석들로 지칭되며, 도시된 바와 같이 극성이 교대로 배치된다. 두 개의 환형체들의 각위치들은 서로에 대하여 하나의 자극 피치(pole pitch)만큼 변위됨으로써, 에어 갭(air gap)(16)을 가로지르도록 표시되어 있는 바와 같이 반대의 자극들이 서로 마주본다. 상기 장치의 측면도는 명료성을 위해 16b로 도시된다.

교번하는 극성의 자속의 스트림은, 17, 18 등으로 도시된 바와 같이, 마주보는 주된 영구자석들(13, 14) 사이의 에어 갭을 가로지른다. 이러한 자속의 스트림은 고정자 코일 환형체(19)의 권선들을 커팅하는데 사용된다. 상기 고정자 코일 환형체(19)는 코일들(18b)의 원주형 시퀀스를 지탱하며 에어 갭(16) 내부에 배치되고 자성 환형체들(11, 12)과 공통 회전축을 공유하는데, 여기서는 명료성을 위해 환형체들로부터 분리되어 도 1c에 도시된다. 코일 환형체(19)에 대한 자성 환형체들의 사용 시 회전은, 잘 알려진 방식으로, 고정자 코일들(18b) 내부에 전자기력을 유도한다.

플레밍의 오른손 법칙에 따라, 코일들(18b)을 커팅하는 자속 밀도가 더 집중될수록 코일들 내부에 유도된 기전력(emf)이 더 커진다. 마주보는 자석들의 자극들 사이의 자속 밀도의 일반적인 분포의 일례가 마주보는 면에 20으로 도시되어 있다. 더 어두운 영역들은 더 강한 자속 밀도를 나타내며, 반대로 밝은 영역들은 더 약한 자속 밀도를 나타낸다. 자속 밀도는 직사각형 블록의 중심으로부터 코너들 또는 에지들 쪽으로 가면서 현저히 약화된다는 것을 쉽게 알 수 있다. 이는 발생되는 기전력(emf)의 면에서 불리하다. 21로 개략적으로 도시된 바와 같이, 명확하게 코일 환형체 코일(18b)의 중심 권선들만 오직 코일의 중심 영역을 거쳐 지나가는 가장 밀집된 자속의 영향을 받으며, 상부 및 하부 층들은 더 적은 영향을 받는다.

이 출원에 개시된 백킹 철 환형체상에 장착되는 상기 보극들(interpoles)을 도입하는 것은 이러한 상황을 근본적으로 변화시킨다.

이는 도 1b를 참조하여 설명된다. 회전자 환형체들은, 여기서 직사각형 블록들로 도시된 주된 영구자석들(14, 15)과, 이들 사이에 끼워진 사다리꼴의 중간 영구자석들(보극들(interpoles))(22, 23)을 모두 가진다. 상기 보극들(14, 15)은, 보통 납작한 영구자석들과 관련된 방식과는 다르게, 특별한 방식으로 자화된다. 종래의 방식으로, 즉 그들의 두께를 가로질러 자화되기보다는, 대신에 그들은 측방향으로, 다시 말하면, 그들의 폭을 가로질러 자화된다. 따라서, 상기 보극(22, 23)의 일측면(24)의 전체 길이가 예를 들어 N극으로 자화되며, 반대측면(25)의 전체 길이는 S극으로 자화된다. 명료성을 위해, 삽화(Inset) X를 참조하라.

본 발명의 본질은 다음과 같다. 보극들(22, 23)은 그것의 전체 측면 극성이 (또는 적어도 갭(16)에 인접한 극성이) 가까이에 배치된 주된 영구자석들(14, 15)의 외향면(outwardly facing face)(갭(16)을 향한 면)의 극성과 반발하도록 삽입되며, 이는 이웃한 주된 자석들(14, 15)의 측면들 사이에서의 종래의 자속의 측방향 누설을 방지한다. 또한, 이것은 에어 갭(16)을 가로질러 흐르는 자속선들의 현저한 증가와 집중을 초래한다. 이것은 주된 영구자석들(14, 15)의 중심 영역으로부터 나오는 자속 밀도를 높인다.

요약하면, 각각의 중간 영구자석은 두 개의 주된 영구자석들 중 상기 갭과 마주보는 N극을 가진 주된 영구자석과 마주보는 N극을 가지며, 각각의 중간 영구자석은 두 개의 주된 영구자석들 중 상기 갭과 마주보는 S극을 가진 주된 영구자석과 마주보는 S극을 가진다.

전술한 배치의 제1 고려 사항이, 반발하는 보극(22, 23)의 존재가 그 양측의 주된 영구자석들(14, 15)에 (자기 안정성의 면에서) 전적으로 불리한 결과로 이어질 수도 있다고 하더라도, 이 경우는 그렇지 않다. 상기 보극(22, 23)의 완전히 자화된 측면(24, 25)은, 주된 영구자석(14, 15)의 앞면에서 나온 자기력선(line of force)을 밀어내는 반면에, 뒷면의 자성은 당연히 앞면의 자성과 반대이기 때문에, 당연히 동일한 주된 영구자석(14, 15)의 뒷면으로 끌어 당겨진다. 따라서, 주된 영구자석에 미치는 순수 영향은 감소한다. 이는 도 1b의 삽화 Y에 확대된 축척으로 도시되어 있다. 주된 영구자석(14)에 인접한 보극들(22, 23)의 측면들(24)은 N극으로 자화되며, 따라서 주된 영구자석(14)의 앞면에 대해 반발한다. 이는 상기 앞면으로부터 나오는 자속선을 강화하며 에어 갭(16)을 가로지른다. 그러나, 상기 보극들의 동일한 측면들(24)은 또한 주된 영구자석(14)의 내향면(inward facing face)의 S극에 대해 끌린다.

상기 보극(22, 23)의 존재는 주된 영구자석들의 에지들 사이의 갭을 가로지르는 측방향 자속의 누설을 방지하고, 상기 발전기의 에어 갭(16)을 가로지르는 자기장을 강화하며, 회전자의 임의의 주된 영구자석들(14, 15)의 자기적 안정성을 현저히 손상시키지 않는다. 따라서, 상기 발전기는 자기장이 강화되어 가치있는 기전력을 발생시키기 때문에 희토류 자석 대신에 페라이트 자석을 사용하여 만들어질 수 있다.

이러한 배치의 효과의 실제 예로서, 회전자 환형체들의 주된 영구자석들 사이의 자기장의 세기를 3D 측정한 결과가 도 2에 도시되어 있다. 칼럼 1은 주어진 에어 갭의 절반을 균등하게 가로질러 얻어진 네 개의 자기 슬라이스들(magnetic slices)을 보여준다. (가장 위쪽의 이미지는 자석에 인접한 자속 패턴의 이미지이고, 가장 아래쪽의 이미지는 에어 갭(16)을 가로지르는 중간에서의 이미지이다.) 칼럼 2는 동일한 자기 슬라이스들을 다시 보여주지만, 보극들을 가지고 있다. 이 경우에, 가장 위쪽의 이미지는 칼럼 1의 동일한 가장 위쪽 이미지와 비교하여 뚜렷이 대조되며, 전체적으로 자속 밀도를 나타내는 '흑도(blackness)'가 증가하였음을 보여주고, 이러한 증가는 아래의 모든 슬라이스들에서 유지된다.

실제의 효과는 자속 밀도에 있어서 평균 18 내지 20%의 증가이며, 이는 (실제로 도 2의 이미지들을 생성하기 위해 사용된 것과 같은) 물리적 측정에 의해 그리고 유한요소해석에 의해 독립적으로 계산된 바에 따라 입증되었다. 이에 상응하여 고정자의 코일들 내부에 발생되는 기전력의 증가도 18-20%이다. 발생되는 전력은 유도 전압의 제곱에 비례하기 때문에 이는 상당한 증가이다. 따라서, 20%의 기전력의 증가는 44%(1.2²)의 전력의 증가를 초래한다. 실질적인 측면에서, 이는, 예를 들어 대형 해상 풍력 발전기의 10MW의 출력이 14.4MW로 증가하게 된다는 것을 의미한다. 보극들을 형성하기 위해 사용되는 추가적인 자성 재료의 비용은 추가적인 전기 생산에 관한 상업적 수익에 의해 매우 짧은 시간 내에 감소한다.

상기 보극들의 사용에서 발생하는 이익을 더욱 최적화할 수 있는 방법의 예들이 도 3을 참조하면서 설명된다.

임의의 영구자석의 경우에, 이로부터 나온 자기력선들(lines of force)의 패턴과 밀도는 자석의 기하학적 구조에 의해 지배된다. 단순한 직사각형 블록 자석을 예로 들어, 각각의 자극면들로부터 나오는 단위 면적당 자속 밀도는 고르지 않으며, 어떤 장소에서, 예를 들어 가장 중간부에서 떨어진 장소에서 눈에 띄게 감소한다. 이것이 발생되는 메커니즘은 복잡하지만, 자기장의 분포는 유한요소해석 기술에 의해 정확하게 모델링 될 수 있다. 본 발명의 회전자의 경우에, 목적은 자성 환형체들 사이의 에어 갭을 가로지르는 자기력선들의 밀도를 가능한 한 최대로 간단하게 증가시키는 것이다.

이 목적을 위해, 주된 영구자석(30, 32)과 대면하도록 배치된 보극(31)의 반경방향의 길이를 따라서 보극(31)이 더 길어지는 것이 유리할 수 있다는 것을 알게 되었다. 즉, 중간 영구자석들은 주된 영구자석들보다 공통 축에 더 가까워지게 반경방향 내측으로 그 길이가 연장되며, 및/또는 중간 영구자석들은 주된 영구자석들보다 공통 축으로부터 더 멀어지게 반경방향 외측으로 연장된다. 이는 도 3a에 도시되어 있다. 두 개의 주된 영구자석들(30, 32) 사이에 보극(31)이 끼워진다. 상기 보극(31)은 이웃한 주된 영구자석들(30, 32)보다 더 길게 도시되어 있다. 그 결과는 주된 영구자석들(30, 32)의 전체 길이를 따라서 나오는 역선들이 33으로 표시된 바와 같이 더욱 균등하게 집중되어 유지되는 경향이 있는 것이다. 보극(31)이 동일한 길이를 가지면, 주된 영구자석들(30, 32)의 윗부분과 아랫부분에 가까운 곳에서 자속선들의 세기가 약해지는 경향이 있을 수 있다. 34로 도시된 것과 같은 패턴은, 34a로 도시된 더 큰 직경의 코일의 권선들을 커팅하는 면에서 그리고 최적화된 기전력의 발생이라는 면에서 명백하게 불리하다.

추가적으로 자속 밀도를 최적화하는 측면은 이웃한 주된 영구자석들에 대한 보극(33)의 두께에 관련된다. 이는 도 3b에 도시되어 있으며, 여기서 주된 영구자석들(30, 32) 사이에 보극(35)이 끼어 있다. 상기 보극(35)의 앞면을 리베이팅(rebating) 함으로써, 자석들(30, 32)로부터 나오는 자속이 더욱 균등하게 분포되고, 이는 발전기의 성능에 유익하다. 따라서, 제1 자성 환형체의 중간 영구자석들과 제2 자성 환형체의 중간 영구자석들 사이의 거리보다 대응되는 주된 영구자석들이 더 가깝게 되도록, 중간 영구자석들을 주된 영구자석들의 축 방향의 길이보다 회전식 발전기의 축 방향으로 더 작은 길이를 가지도록 구성하는 것이 유익하다.

또한, 추가적인 최적화는 주된 영구자석들과 보극들의 측면들의 프로파일을 어드레싱(addressing) 함으로써 달성될 수 있다. 이는, 현대의 제조 기술을 사용하여, 자석들을 원하는 만곡된 프로파일로 소결함으로써 실현 가능하다. 이것의 예가 도 3c에 참조로서 주어진다. 두 개의 주된 영구자석들(30, 32)은 중간 부분을 가로질러 더 넓으며, 그들 사이에 자리 잡은 보극(31)은 반대로 오목하게 만곡된다. 주된 영구자석들(30, 32)의 중간부를 가로지르는 자성 재료의 증가는, 보극(31)의 존재로부터 발생하는 자기장의 세기의 향상에 연결되며, 고정자 코일의 가까운 수직 측면 부분을 커팅하기 위한, 주된 영구자석들(30, 32)의 중심 영역으로부터 나오는 자속 밀도의 실질적인 증가를 초래하며, 그래서 발생되는 기전력에서 더욱 유익하다. 일 실시예에서, 상기 측면들은, 예를 들어, 제조 또는 조립을 용이하게 하기 위해, 또는 자기장에 영향을 주기 위해, 다른 형상으로 만곡될 수 있다. 상기 주된 영구자석들은 오목한 측면들을 가질 수 있으며, 상기 보극들은 볼록한 측면들을 가질 수 있다.

주된 영구자석들과 중간 영구자석들의 만곡부들은 하나가 다른 하나의 내부로 파고들 수 있도록 상보적일 수 있다. 이는 원하는 자기장을 성취함에 있어 모든 공간이 효율적으로 사용되도록 한다.

실제로, 도 3a, b 및 c에 도시된 변형들의 조합들은 최적의 기하학적 구조를 달성하기 위해 임의의 특정한 크기의 발전기를 위해서 연구될 수 있다.

몇몇의 경우에, 주된 영구자석들과 보극들의 측면들이 물리적으로 인접하게 되는 것이 실용적이 아니거나 또는 바람직하지 않을 수 있다. 이는, 제조 비용, 자석들로부터 나오는 자속의 형상화, 또는 자기소거에 대한 안정성의 보장 때문이다. 이 경우에, 보극들과 주된 영구자석들 사이에 위치하는 강자성 재료의 강자성 자극편 인서트들(pole piece inserts)을 도입하는 것이 유리할 수 있다.

도 4에는, 자성 환형체 회전자를 포함하는 다양한 자석들과, 본 발명에 따라, 여기서 백킹 철 플레이트로 지칭되는 강자성 백킹 플레이트(48)의 양측에 장착되었을 때, 자석들의 자기장이 어떻게 유리하게 결합 되는지에 대한 상세한 도면이 주어진다 (플레이트의 두께는 축척에 맞게 도시되어 있지 않고, 명확성을 위해 확대하여 도시되어 있음을 주의).

주된 영구자석들은 36 내지 41로 도시되고, 이들의 사이에 보극들(42 내지 47)이 끼워진다. 자석들로부터 나오는 자기장과 결합하는 자기 벡터는 백킹 플레이트(48) 내부에 가는 선들의 화살표로 도시된다. 그들은, 53으로 확대하여 도시한 바와 같이, 유리하게는 모두 합쳐져서, 백킹 플레이트(48)의 원주 둘레에, 더 두꺼운 벡터(49 내지 52)를 형성한다. 자석 면들의 뒤에서의 이러한 포지티브 결합(positive coupling)은 주된 영구자석들의 앞면으로부터 나오는 자속 밀도를 향상시키며, 상기한 바와 같이 주된 영구자석들의 자기적 안정성을 보장하는 것을 돕는다.

충분한 자속 밀도를 달성하기 위해, 이에 따라 충분한 기전력의 발생을 위해, 도 1b와 5에 도시된 바와 같이, 주된 자석들과 보극 자석들은 모두 넓은 치수를 가진다. 이는 대응하는 다수의 넓은 권선의 고정자 코일의 권선들을 커팅하기 위한 넓은 자속 분포를 제공한다. 이 경우에, 현저한 자속이 존재하며 두 개의 자석들의 시퀀스의 뒷면으로부터 나온다.

백킹 플레이트의 존재는 자석들이 작동하는 작용점(working point)을 향상시킨다. 이는 페라이트 자석이 사용될 경우의 본 발명의 발전기를 위해 특별히 중요하다. 이들은, 예를 들어 전기자 리액턴스(armature reactance)로부터 발생할 수 있는 외부 자기장에 의한 자기소거에 취약할 수 있다. 따라서, 자기 회로의 완성에서 임의의 가능한 향상은, 이러한 발생의 가능성을 감소시킨다. 향상된 작용점의 예는 도 7의 이력 곡선에 도시되며, 여기서 점선으로 표시된 원래의 작용점 영역은 실선으로 올라가며, 따라서 Hc를 넘어선 반자기장(demagnetizing field)으로 표현되는 위험한 영역으로부터 자석을 제거한다.

임의의 원하는 출력의 발전기는 회전자들의 연장된 스택으로부터 구성될 수 있다. 이는 도 5에 54로 도시된다. 다섯 개의 환형체들(55 내지 59)이 도시되어 있으며, 여기서 설명된 바와 같이, 그들의 면들 상에 주된 영구자석들과 보극들이 장착되고, 네 개의 고정자들 또는 코일 환형체들(미도시)을 위한 네 개의 에어 갭 슬롯들이 형성된다. 회전자들 각각이 이웃한 회전자들로 끌림이 있다는 사실은, 그들 사이에서 연장되는 자속을 흐르게 하고 최적으로 형상화하는데 도움을 주며, 이에 따라 코일들 내부에 기전력의 발생의 증가에 기여한다.

예컨대 상당한 직경의 (예컨대, 몇 미터의 직경들을 가진) 회전자를 위해 더 큰 보극들이 요구되는 경우에, 넓은 자석들의 에지들을 가로지르는 자화를 허용하는 방법은, 도 6에 참고로 도시된다. 여기서, 두 개, (도시된 바와 같이) 세 개 또는 더 많은 얇은 자석들(75, 76, 77)이 이전에 개시된 바와 같이 그들의 측면들을 가로질러 자화되도록 제조되고, 그 다음에 단일의 더 넓은 보극을 형성하기 위해, 78로 도시된 바와 같이 N극과 S극으로 자화된 측면들을 가지도록 합쳐진다.

본 발명의 배치에서 가능한 자속의 향상의 측정은 표 1을 참조하여 제시된다.

자기장의 세기의 표들 (단위: kG )

표 A: 강자성 환형체가 없는 상태에서 자석들의 뒷면과 앞면에서의 자기장의 세기 (9회의 측정의 평균)

표 B: 6mm 백킹 시트 상에 장착된 자석들의 앞면에서, 자기장의 세기,

표 A: 백킹 철이 없음

뒷면:

주된 자석 A 보극 주된 자석 B 보극 주된 자석 C

0.697 0.577 0.6 0.124 0.49 0.51 0.547 0.08 0.473 0.52 0.6633

예 1: 평균들의 평균: 0.48

갭 측면:

주된 자석 A 보극 주된 자석 B 보극 주된 자석 C

0.826 0.84 1.026 0.087 1.05 0.907 1.09 0.158 1.03 0.83 0.91

예 2: 평균들의 평균: 0.796

비율: 예1/예2: 60%

표 B: 백킹 철이 있음

갭 측면:

주된 자석 A 보극 주된 자석 B 보극 주된 자석 C

1.196 1.186 1.29 0.063 1.276 1.19 1.33 0.184 1.316 1.2 1.28

예 3: 평균들의 평균: 1.047

비율: 예3/예2: 1.31

표 1의 표 A를 참조하면, 백킹 플레이트의 존재 없이, 세 개의 주된 영구자석들 사이에 두 개의 중간 영구자석들이 끼워진 배치의 뒷면과 전면을 가로지르는 자속의 세기의 측정값들이 뒷면과 갭 측면 아래에 보여진다. 각각의 주된 자석에 관해 9회의 측정값들이 얻어졌고, 도시된 바와 같이 세 개로 평균을 내었으며, 각각의 중간 자석들에 관해 3회의 측정값들이 얻어졌고, 하나로 평균을 내었다. 두 세트들 사이의 비율이 예1/예2, 즉 60%로 보여진다. 이는 자석들의 두 개의 시퀀스들의 앞면뿐만 아니라 그들의 뒷면에 실질적인 자기장이 존재한다는 것을 명확하게 보여준다.

표 B를 참조하면, 자석들의 동일한 배치와 함께 6mm 두께의 백킹 철이 배치되며, 앞면(즉, 갭 측면)에서 자기장의 세기의 새로운 값들이 얻어진다. 이 경우에, 앞면을 가로지르는 자기장의 세기는 매우 상당한 크기, 즉 예3/예2로 보여지는 바와 같이, 31% 증가한다. 이는 자석들의 뒷면들과 결합되는 백킹 플레이트의 사용에 의해 사용 가능한 자기장의 세기가 향상되는 효과를 보여준다. 일 실시예에서, 백킹 플레이트는 적어도 4mm의 두께이며, 바람직하게는 적어도 6mm의 두께이다. 상기 두께는 (단일 측면의 배치에서) 백킹 플레이트의 뒷면에 실질적으로 자속이 없게 한다는 점에서 바람직하다.

페라이트 자석들은 제조 중에 그들의 자화가 정밀과학(exact science)이 아니라는 것은 사실이다. 재료의 조성 및 자기장의 세기에서의 변화는 자석들을 가로지르는 각각의 동일한 위치들에서의 평균에서의 변화를 말한다.

많은 변형들이 본 기술분야의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims (12)

1. 회전식 발전기(rotary generator)로서:
   사이에 갭(gap)을 가진 제1 자성 환형체와 제2 자성 환형체를 포함하는 적어도 하나의 자성 환형체 쌍(magnetic annulus pair);
   상기 갭 내의 코일 환형체;를 포함하며,
   상기 제1 및 제2 자성 환형체들과 상기 코일 환형체는 공통 축을 가지고;
   상기 적어도 하나의 자성 환형체 쌍의 제1 및 제2 자성 환형체들은 각각:
   상기 공통 축의 둘레에 이격되어 있으며 상기 갭과 마주보며 교번하는 N극과 S극을 가지는 주된 영구자석들의 시퀀스, 및
   중간 영구자석들의 시퀀스를 가지며,
   자성 환형체 쌍의 제1 및 제2 자성 환형체들의 대응되는 주된 영구자석들은 상기 갭과 마주보는 서로 다른 자극들을 가지고, 자속선들(lines of magnetic flux)이 대응되는 주된 영구자석들 사이의 갭을 가로지르도록 상기 갭을 가로질러 서로 마주보며,
   상기 중간 영구자석들 각각은 두 개의 주된 영구자석들 사이에 배치되고, 각각의 중간 영구자석은 상기 갭에 인접하여 상기 두 개의 주된 영구자석들 중 상기 갭과 마주보는 N극을 가진 주된 영구자석의 측면과 마주보는 N극을 가지고, 각각의 중간 영구자석은 상기 갭에 인접하여 상기 두 개의 주된 영구자석들 중 상기 갭과 마주보는 S극을 가진 주된 영구자석의 측면과 마주보는 S극을 가지며,
   상기 자성 환형체들이 상기 코일 환형체에 대해 회전함에 따라 자속선들이 상기 코일들의 권선들(turns of coils)을 커팅(cutting)함으로써 상기 코일들 내에 전류를 유도하도록, 상기 코일 환형체는 상기 공통 축의 둘레에 배치된 코일들의 시퀀스를 가지며,
   상기 적어도 하나의 자성 환형체 쌍의 제1 및 제2 자성 환형체들은 각각 강자성 재료의 백킹 플레이트(backing plate)를 더 포함하고, 인접한 주된 영구자석들이 상기 백킹 플레이트를 통해 서로 자기적으로 결합되도록 상기 주된 영구자석들은 상기 백킹 플레이트와 상기 갭 사이에 배치되며 상기 백킹 플레이트에 장착되는, 회전식 발전기.
2. 제 1항에 있어서,
   주어진 크기의 발전기에서, 상기 주된 자석과 상기 중간 영구자석의 폭들의 비율은, 기전력(emfs)을 발생시키기 위해 사용되는 고정자 코일들의 층들의 활성 부분(active portion)의 평균 폭의 선택과 함께, 각각 상기 코일들에 발생되는 기전력의 증가가 보극들이 존재하지 않는 경우보다 적어도 20% 증가되도록 결정되는, 회전식 발전기.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   반경 방향으로 연장되는 상기 주된 영구자석들의 적어도 하나의 측면은 만곡되며, 바람직하게는 볼록하거나 또는 오목한, 회전식 발전기.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   반경 방향으로 연장되는 상기 중간 영구자석들의 적어도 하나의 측면은 만곡되며, 바람직하게는 볼록하거나 또는 오목한, 회전식 발전기.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
   상기 주된 영구자석들과 상기 중간 영구자석들의 측면들의 만곡부들은 하나가 다른 하나의 내부로 파고들 수 있도록 상보적인, 회전식 발전기.
6. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중간 영구자석들과 상기 주된 영구자석들 사이에 배치된 강자성 재료의 강자성 인서트들(inserts)을 더 포함하는, 회전식 발전기.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중간 영구자석들은 상기 주된 영구자석들보다 상기 공통 축에 더 가깝게 반경 방향 내측으로 길이가 연장되며 및/또는 상기 중간 영구자석들은 상기 주된 영구자석들보다 상기 공통 축으로부터 더 멀리 반경 방향 외측으로 연장되는, 회전식 발전기.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 자성 환형체의 중간 영구자석들과 마주보는 제2 자성 환형체의 중간 영구자석들 사이의 거리보다 대응되는 주된 영구자석들이 서로 더 가깝도록, 상기 중간 영구자석들은 상기 회전식 발전기의 축 방향으로 상기 주된 영구자석들의 상기 축 방향으로의 길이보다 더 작은 길이를 가지는, 회전식 발전기.
9. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중간 영구자석은, 원하는 전체 폭의 단일의 보극 자석을 제공하는 방식으로, 각각 양측면들을 가로질러 자화되며 이웃한 자석으로의 인력으로 측방향으로 결합된 자석들의 스택으로 구성되는, 회전식 발전기.
10. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 백킹 플레이트는 4mm 이상의 두께를 가지는, 회전식 발전기.
11. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기의 회전자는 다수의 상기 자성 환형체 쌍을 포함하며, 인접한 자성 환형체 쌍들은 공통된 하나의 상기 백킹 플레이트를 공유함으로써, 축방향 단부의 백킹 플레이트들 이외에, 각각의 백킹 플레이트는 양측면에 상기 주된 영구자석들과 중간 영구자석들의 시퀀스들이 실장되는, 회전식 발전기.
12. 실질적으로 앞에서 서술된 것 및/또는 첨부된 도면들에 도시된 것과 같은 회전식 발전기.

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