KR20180081499A - 필드 감쇠 메커니즘을 구비한 원주방향 자속 전기 기계 및 그 사용 방법 - Google Patents

필드 감쇠 메커니즘을 구비한 원주방향 자속 전기 기계 및 그 사용 방법 Download PDF

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Abstract

제1 토오크 출력을 위해 설계된 제1 구성으로부터 제2 토오크 출력을 위해 설계된 제2 구성으로 절환하기 위해 영구자석을 배치하는 방법 및 시스템을 포함하여, 본 출원에 개시된 다양한 실시예가 제공된다.

Description

필드 감쇠 메커니즘을 구비한 원주방향 자속 전기 기계 및 그 사용 방법
본 출원은 2015년 10월 20일자로 출원되고 발명의 명칭이 "절환 가능한 토로이드 전기 모터/발전기"인 미국 가특허출원 제62/244,155호의 이익을 청구한다. 그 내용은 모든 목적을 위해 참조 인용된다.
본 출원은 이하의 미국 특허출원, 즉 2015년 6월 28일자로 출원되고 발명의 명칭이 "개선된 다중-터널 전기 모터/발전기"인 미국 가특허출원 제62/185,637호; 2015년 4월 4일자로 출원되고 발명의 명칭이 "다중-터널 전기 모터/발전기"인 미국 가특허출원 제62/144,654호; 2014년 9월 25일자로 출원되고 발명의 명칭이 "강화된 영구 자속 밀도를 갖는 개선된 DC 전기 모터/발전기"인 미국 가특허출원 제62/055,615호; 2014년 9월 26일자로 출원되고 발명의 명칭이 "강화된 영구 자속 밀도를 갖는 개선된 DC 전기 모터/발전기"인 미국 가특허출원 제62/056,389호; 2013년 3월 20일자로 출원되고 발명의 명칭이 "강화된 영구 자속 밀도를 갖는 개선된 DC 전기 모터/발전기"인 미국 가특허출원 제13/848,048호에도 공동으로 소유되며, 2012년 3월 20일자로 출원된 미국 가특허출원 제 61/613,022의 이익을 청구하고, 그 모든 내용은 모든 목적을 위해 여기에 참조 인용된다.
본 발명은 일반적으로 신규하고 개선된 전기 모터/발전기에 관한 것이며, 특히 전기-자기 모터로부터 회전 운동을 생성하거나 또는 회전 운동 입력으로부터 전력을 발생시키기 위한 개선된 시스템 및 방법에 관한 것이다.
많은 엔진에서는 비교적 낮은 속도 또는 와트 수에서 높은 토오크 출력이 요망되지만, 속도가 증가함에 따라 토오크가 감소될 수 있다. 전기 자동차 용도에 있어서, 저속 작동은 자주 중량물을 이동시키거나 또는 거친 지형이나 언덕과 같은 경사를 횡단하기 위해 기본 속도(base speed)보다 적게 일정한 토오크 작동을 요구한다. 예를 들어, 트럭이 집집마다 천천히 이동할 때 지역 쓰레기 수거를 위해 높은 토오크가 필요할 수 있지만, 그러나 상기 트럭이 고속도로에서 더 높은 속도에 있을 때는 높은 토오크가 덜 필요하다. 마찬가지로, 건설기계(construction) 및 트랙터는 지면을 이동하고 경운 작업(plowing) 중에는 높은 토오크를 필요로 할 수 있지만, 그러나 기계가 운송 모드에 있거나 또는 거리를 따라 이동할 때는 낮은 토오크를 필요로 할 수 있다. 컨베이어 모터는 처음 시동되었을 때는 높은 토오크를 필요로 할 수 있으며, 그리고 그 작동 속도에 도달한 후에는 더 낮은 토오크를 필요로 할 수 있다.
많은 경우에 있어서, 순탄한 도로나 또는 개발된 산업 현장에서 순항하기 위해, 고속 작동은 2배 또는 3배의 기본 속도를 요구한다. 이런 고속 모드에서는, 토오크 요구사항이 낮고, 일정한 전력 작동이 바람직하다. 일정한 전력 작동에 있어서, 허용 가능한 토오크는 속도에 반비례한다. 역기전력(back emf)을 제어하는 메커니즘이 구비된 모터에서의 일정한 전력 모드는, 변속기에서 기어비를 시프팅시키는 바와 유사한 작동을 제공하며, 즉 더 낮은 허용 가능한 토오크를 위해 더 높은 속도가 거래된다.
따라서 하나의 모드에서는 모터가 높은 토오크를 발생시키고, 그리고 일단 더 높은 속도에 도달되었다면 다른 모드에서는 비교적 낮은 토오크를 발생시킬 것이 요망된다. 기본 속도를 초과하는 속도로, 일정한 토오크 모드로부터 일정한 전력 모드로 시프트할 수 있는 모터가, 자기 가변 변속기로서 사용될 수 있다. 통상적으로, 이는 변속 장치를 통해 달성될 수 있다. 그러나 변속 장치는 비효율성 및 추가 비용으로 나타난다. 고 토오크 저속 구성과 저 토오크 고속 구성 사이에서 절환할 수 있는 모터가 요망되고 있다.
이들 및 다른 문제에 응답하여, 제1 토오크 출력을 위해 설계된 제1 구성으로부터 제2 토오크 출력을 위해 설계된 제2 구성으로 절환하기 위해, 영구자석을 배치하는 방법 및 시스템을 포함하는, 본 출원에 개시된 다양한 실시예가 제공된다.
이들 및 다른 특징과 이점은 첨부한 도면과 관련하여 취한 이하의 상세한 설명으로부터 보다 명백하게 이해될 것이다. 도면은 본 발명의 유일한 양태를 나타내는 것이 아님을 인식하는 것이 중요하다.
도 1은 본 발명의 어떤 양태에 따른 모터/발전기 부품의 일 실시예의 분해도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 모터/발전기 부품의 자기 디스크 조립체의 상세한 등각도이다.
도 2b는 명확함을 위해 어떤 부품이 제거된, 도 2a에 도시된 자기 디스크 조립체의 상세한 등각도이다.
도 3a 내지 3e는 코일 조립체 및 상기 코일 조립체의 부품의 다양한 상세한 도시들이다.
도 4a는 자기 토로이드 실린더(magnetic toroidal cylinder) 또는 회전자 조립체의 등각도이다.
도 4b는 도 4a의 자기 토로이드 실린더 및 백 아이언(back iron) 시스템의 다양한 부품의 분해도이다.
도 5a는 자기 실린더 세그먼트의 일 실시예를 도시하는 상세한 사시도이다.
도 5b는 자기 실린더 세그먼트의 대안적인 실시예를 도시한 상세한 사시도이다.
도 5c는 하나의 자극 배치를 도시하는 자기 실린더 세그먼트의 단면도이다.
도 5d는 도 5c의 자극 배치를 도시하는 토로이드 자기 실린더의 분해도이다.
도 5e는 도 5f의 자극 배치를 도시하는 토로이드 자기 실린더의 분해도이다.
도 5f는 대안적인 자극 배치를 도시하는 자기 실린더 세그먼트의 단면도이다.
도 5g는 도 5h의 자극 배치를 도시하는 자기 실린더의 분해도이다.
도 5h는 대안적인 자극 배치를 도시하는 자기 실린더 세그먼트의 단면도이다.
도 6은 세그먼트 상에 가해진 전자기력을 갖는 자기 실린더 세그먼트의 상세한 등각도이다.
도 7a, 7b, 및 7d는 도 5c 내지 5h의 다양한 자극 배치들의 상대 토오크(relative torque) 또는 역기전력 전압을 도시하는 그래프이다.
도 7c는 2개의 자기 구성 사이의 상대 토오크를 도시하는 그래프이다.
도 8a 내지 8e는 본 발명의 다양한 실시예에 사용될 수 있는 회전 액추에이터의 상세 등각도이다.
도 9는 제어기에 결합된 코일 조립체의 개략도이다.
본 발명을 간략히 하기 위해, 부품, 신호, 메시지, 프로토콜, 및 배치의 특별한 예가 이하에 기재된다. 이들은 물론 단지 예에 불과하며, 또한 청구범위에 기재된 바로부터 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명을 불필요하게 상세히 모호하게 하지 않도록, 상세한 설명 없이 잘 알려진 요소가 제공된다. 대부분의 경우에, 본 발명의 완전한 이해를 얻는 데 불필요한 세부 사항은, 그러한 세부 사항이 관련 분야의 통상의 숙련자의 범위 내에 있는 한 생략되었다. 여기에 기재된 어떤 부품 또는 요소를 동작시키도록 사용된 통상적인 제어 회로, 전원 공급부, 또는 회로는, 그러한 세부 사항이 관련 분야의 통상의 숙련자의 범위 내에 있는 한 생략되었다.
상부(upper), 하부, 탑(top), 바닥, 시계 방향, 또는 시계 반대 방향과 같은 방향이 본 발명에 기재되었을 때, 이러한 방향들은 도시된 도면을 위한 그리고 도면에서 부품의 방향을 위한 기준 방향만을 제공한다는 것을 의미한다. 상기 방향들은 임의의 결과적인 발명이나 또는 실제 사용에 사용된 실제 방향을 부여하는 것으로 판독되어서는 안 된다. 어떠한 경우에도, 이러한 방향은 청구범위에 임의의 의미를 제한하거나 또는 부여하도록 판독되어서는 안된다.
도 1은 자기 디스크 조립체(400), 회전자 허브(300), 및 어떤 실시예에 있어서 상기 자기 디스크 조립체(400)의 한쪽에 결합하도록 작용될 수 있는 제1 동작 메커니즘(600)을 도시하는 모터/발전기 부품(100)의 분해 사시도이다. 어떤 실시예에서는, 상기 자기 디스크 조립체(400)의 대향하는 외측에 결합하도록 작용하는 제2 동작 메커니즘(650)이 존재할 수도 있다.
상기 자기 디스크 조립체(400)는 토로이드 자기 실린더(430)(도시되지 않음)를 둘러싸고 그리고 이를 위치시키는 백 아이언 회로(back iron circuit)(200)를 포함한다. 상기 토로이드 자기 실린더(430)는 코일 조립체(500)(도시되지 않음)를 둘러싸고 있다. 이하에 기재되는 바와 같이, 어떤 실시예에 있어서, 상기 회전자 허브(300)는 백 아이언 회로(200)의 다양한 부품을 지지하며, 회전자 축(302)에 결합된다.
도 2a는 자기 디스크 조립체(400)의 상세한 등각도이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 백 아이언 회로(200)는 자기 디스크 조립체(400)의 외부를 포함한다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 백 아이언 회로는 2개의 부분을 포함할 수 있다. 페이지(page)에 대해, 상기 백 아이언 회로는 제1 또는 상부 부분(202) 및 제2 또는 바닥 부분(204)을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 백 아이언 회로(200)의 제1 부분(202)은 백 아이언 재료로 제조된 제1 원통 벽(206)을 포함한다. 본 출원에 대해, "백 아이언"이라는 용어는 철 또는 임의의 철 함유 화합물 또는 합금, 임의의 아이언, 니켈 또는 코발트 합금과 같은 연자성 재료, 또는 이러한 재료의 적층 시트(laminated sheet)를 포함하는 임의의 적층 금속을 지칭할 수 있다.
어떤 실시예에 있어서, 제1 실린더 벽(206)은 또한 백 아이언 재료로 제조된 링 또는 평탄한 측벽(208)에 결합될 수 있다. 이하에 설명되는 바와 같이, 또 다른 실시예에 있어서, 상기 제1 실린더 벽(206)은 상기 평탄한 벽(208)에 대해 소정의 각도를 통해 회전할 수 있다. 어느 경우에나, 상기 측벽(208)은 제1 원통 벽(206)에 인접한다.
상기 백 아이언 회로(204)의 제2 부분은 제2 원통 벽(210)을 포함하며, 이는 어떤 실시예에서는 제2 링 또는 평탄한 측벽(212)에 결합될 수 있다. 이하에 설명되는 바와 같이, 또 다른 실시예에 있어서, 상기 외부 실린더 벽(210)은 상기 평탄한 벽(212)에 대해 소정의 각도를 통해 회전할 수 있다.
어떤 실시예에 있어서, 제어 와이어 및/또는 전기적 전도체의 통과를 허용하거나 또는 기계적 고정 및 지지를 추가하기 위해, 상기 원통 벽(206)과 평탄한 측벽(208) 사이에, 슬롯(214)이 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 상기 원통 벽(206)과 원통 벽(210) 사이에 유사한 슬롯 또는 갭이 있을 수 있다(도 2a에는 도시되지 않음).
도 2b는 명확함을 위해 백 아이언 회로가 제거된, 자기 디스크 조립체(400)의 일 실시예의 상세한 등각도이다. 도시된 바와 같이 그리고 이하에 기재되는 바와 같이, 상기 백 아이언 회로는 코일 조립체(500)를 둘러싸는 토로이드 자기 실린더(430)를 위치시키고 지지한다.
도 3a는 명확함을 위해 토로이드 자기 실린더(430)가 제거된, 코일 조립체(500)의 일 실시예의 상세한 등각도이다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 코일 조립체(500)는 코일 조립체가 정지형일 수 있는 점에서 고정자일 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 코일 조립체(500)는 회전자로서 작용할 수 있는데, 그 이유는 상기 코일 조립체가 회전할 수 있기 때문이다. 또한, 도시된 바와 같은 실시예는 코일 조립체(500)를 구성 및 지지하는 하나의 방법일 뿐이다. 다른 실시예에 있어서, 상기 코일 조립체(500)는, 외부 원통 벽(206, 210)(도 2a) 사이의 중심 슬롯을 통해, 코일 조립체로부터 외부 케이싱 또는 하우징으로 연장하는 지지 링에 의하여 지지될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 코일 조립체(500)가 회전자로서 기능할 때, 상기 코일 조립체는 내부 원통 벽(207, 211) 사이의 중심 슬롯을 통해, 상기 코일 조립체로부터 축으로 연장하는 지지 링에 의해 지지될 수 있다. 정확한 구성은 상기 코일 조립체가 고정자인지 또는 회전자인지에 대한 설계 선택에 의존한다.
일반적으로, 본 산업에서 전형적으로 사용되는 바와 같이, "회전자"는 영구자석을 포함하는 그 부분 또는 부분들일 수 있다(회전자가 정지형인지 또는 가동형인지에 관계없이). 도시된 실시예에 있어서, 상기 코일 조립체(500)는 토로이드 자기 실린더(430)(도 2b 참조)에 의해 형성된 회전자(또는 회전자들)와 함께 사용되는 고정자의 일부이다.
도 3b는 길이방향 또는 축방향 축선(401)에 대해 링 코어 둘레로 방사방향으로 이격된 다수의 치형부(teeth)(506)에 결합된 원통 또는 링 코어(504)를 포함하는 코일 조립체 지지체(502)를 도시하고 있다. 명확함을 위해, 도 3b는 상기 링 코어(504)가 보이도록 제거된 치형부(506)의 일부를 도시하고 있다.
어떤 실시예에 있어서, 상기 링 코어(504)는 철, 연자성 재료, 또는 백 아이언 재료로 제조되므로, 이는 자속 힘 집중기(magnetic flux force concentrator)로서 작용할 것이다. 그러나 기계적 강도, 와전류의 감소, 냉각 채널 등과 같은 설계 고려사항이 감안되었을 때, 다른 코어 재료가 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 백 아이언 재료는 철, 철 합금, 적층형 강철, 또는 연자성 재료일 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 링 코어(504)는 중공일 수 있으며, 또는 액체 냉각이나 공기 냉각을 허용하기 위해 그 내부에 형성되는 통로를 가질 수 있다.
개별 치형부(506a)의 일 실시예 및 상기 링 코어(504)의 작은 일부가 도 3c에 도시되어 있다. 상기 치형부(506a)는 코어(504)를 형성하는 재료와 유사한 재료, 예를 들어 철, 적층형 강철, 또는 연자성 재료로 이루어질 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 각각의 치형부(506a)는 상기 링 코어(504)로부터 방사방향(예를 들어, 수평) 및 길이방향(예를 들어, 수직)으로 연장된다. 따라서 각각의 치형부(506a)는 길이방향 축선(401)(도 3b)으로부터 방사방향으로 멀리 연장하는 외부 부분(510), 상기 길이방향 축선(401)을 향해 방사방향으로 연장하는 내부 부분(512), 길이방향 또는 축방향으로 연장하는 탑(top) 부분(514), 및 대향하는 수직 또는 길이방향으로 연장하는 바닥 부분(516)을 포함한다. 상기 링 코어(504)의 도시된 부분은 개별 치형부(506a)에 결합되어 이를 지지한다.
어떤 실시예에 있어서, 외부 핀(fin)(520)은 외부 수직 부분(510)의 외부 가장자리에 결합하여, 길이방향 축선(401)에 대해 대향하는 원주방향(또는 접선 방향)으로 상기 수직 부분(510)로부터 외부 방향으로 연장한다. 유사하게, 내부 핀(512)은 상기 내부 부분(512)의 내부 가장자리에 결합하여, 대향하는 원주방향(또는 접선 방향)으로 상기 부분(512)으로부터 외부 방향으로 연장한다. 본 발명에 사용되는 바와 같이, "원주방향"이라는 용어는 축선(401)(도 3b 참조)과 같은 축선에 대한 접선 방향 또는 회전 방향을 의미한다.
개별 치형부(506'a)의 대안적인 실시예 및 링 코어(504)의 작은 일부가 도 3d에 도시된다. 치형부(506'a)는, 상기 치형부(506'a)가 탑 부분(514) 및 하부 부분(516)으로부터 연장하는 수평 또는 방사방향 핀을 갖는다는 점을 제외하고는, 도 3c를 참조하여 전술한 치형부(506a)와 유사하다. 특히, 제1 또는 탑 수평 핀(518)은 탑 수평 부분(514)의 가장자리로부터 대향의 수평 원주방향으로 연장한다. 유사하게, 제2 또는 바닥 수평 핀(519)은 바닥 수평 부분(516)의 가장자리로부터 대향하는 수평 원주방향으로 연장한다. 달리 말하면, 상기 탑 수평 핀(518)은 상기 외부 핀(520)의 탑 부분을 상기 내부 핀(522)의 탑 부분에 연결한다. 유사하게, 바닥 수평 핀(519)은 상기 외부 핀(520)의 하부 부분을 상기 내부 핀(522)의 하부 부분에 연결한다. 구조적 관점에서, 상기 핀(518, 519)의 두께는 각각의 수평 부재(514, 516)와의 조인트에 가까울수록 더 두꺼울 수 있으며, 그리고 상기 핀이 조인트로부터 멀리 연장함에 따라 테이퍼진다.
상기 코어 링(504)에 의해 지지되는 인접한 치형부(506 또는 506')는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 코일 조립 지지 구조물(502) 내에 방사방향 슬롯(524)을 형성한다. 도 3e[명확함을 위해, 치형부(506)의 일부를 생략한]는 링 코어(504)에 대해 그리고 상기 인접한 치형부(506 또는 506') 사이에 형성된 슬롯(524) 내에 방사방향으로 위치된 다수의 개별 코일 또는 코일 권선(526)을 도시하고 있다. 대조적으로, 도 3a는 모든 개별 치형부(506) 및 상기 개별 슬롯(524) 내에 위치된 개별 코일 권선(526)을 도시하는 완전한 코일 조립체(500)를 도시하고 있다.
상기 코일 조립체(500)에서의 각각의 개별 코일(526)은, 구리(또는 유사한 합금) 와이어와 같은 도전성 재료로 이루어질 수 있으며, 또한 본 기술분야에 알려진 통상적인 권선 기술을 사용하여 구성될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 집중 권선(concentrated windings)이 사용될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 개별 코일(526)은 상기 개별 코일(526)이 코어(504)에 고정되는 것을 허용하는 크기의 중심 개구를 갖는 링 코어(504)의 둘레에 권취되는, 기본적으로 원통형 또는 직사각형 형상일 수 있다.
치형부(506 또는 506')에 의해 정의되는 슬롯(524) 내에 개별 코일(526)을 위치시킴으로써, 상기 코일은 어떤 실시예에서 치형부를 형성하는 재료에 직접 냉각 통로를 포함할 수 있는, 치형부의 보다 실질적인 히트 싱크 능력에 의해 둘러싸인다. 이는 통상적인 모터 구조보다 훨씬 더 높은 전류 밀도를 허용한다. 또한, 다수의 코일(526)을 슬롯(524) 내에 그리고 치형부(506) 사이에 위치시키는 것은, 코일 사이의 공기 갭(air gap)을 감소시킨다. 상기 공기 갭을 감소시킴으로써, 코일 조립체(500)는 모터 또는 발전기에 의해 생성된 전체 토오크에 기여할 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 코일 조립체의 치형부(506a 또는 506a')의 횡방향 핀(518, 519)(도 3d) 및 원주방향 핀(520, 522)(도 3c 또는 도 3d)은, 상기 코일들이 동작되고 그리고 상기 코일 조립체(500)가 자기 터널(magnetic tunnel)에 대해 이동하기 시작할 때, 자속 힘(flux force)이 하나의 핀으로부터 인접한 핀으로 흐르는 것을 허용하기 위해, 상기 코일의 구조물 사이의 공기 갭을 감소시킨다.
상기 개별 코일(526)의 개수는, 본 기술분야에 알려진 바와 같이, 원하는 용적 내에 물리적으로 끼워지고 또한 원하는 전기적 또는 기계적 출력을 생성하는 도전체 길이 및 크기를 갖는 임의의 개수일 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 코일(526)은 본 기술분야에 알려진 바와 같이 그램 링(Gramme Ring)과 유사한, 기본적으로 하나의 연속한 코일일 수 있다.
도 4a는 자기 토로이드 실린더(430)의 일 실시예를 도시하고 있다. 길이방향 축선(401)에 대해 위치된 자석(402)의 탑 또는 제1 측부 또는 방사방향 벽["제1 측벽(402)"]이 있다. 유사하게, 자석(402)의 제1 측벽으로부터 길이방향으로 멀리 위치된, 자석(404)의 바닥 또는 제2 측부 또는 방사방향 벽[제2 측벽(404)]이 있다. 자석(406)의 외부 원통 벽 또는 길이방향 링은, 자석(404)의 제1 측벽(402)과 제2 방사방향 벽 사이에 길이방향으로 위치된다. 자석(408)의 내부 원통 벽 또는 길이방향 링은 또한 자석(404)의 제1 측벽(402)과 제2 방사방향 벽 사이에 길이방향으로 위치되고, 또한 자석(406)의 외부 길이방향 링 내에 횡방향으로 또는 방사방향으로 위치된다. 조립되었을 때, 방사방향 벽(402-404) 및 길이방향 벽(408-406)을 형성하는 자석은, 도 4a에 도시된 바와 같은 토로이드 자기 실린더(430)를 형성한다. 각각의 벽 또는 링은 다수의 자석들로 이루어진다. 업계 용어로는 영구자석의 각각의 자기 벽(magnetic wall)은 "회전자"로 지칭된다. 따라서 "4개의 벽으로 이루어진(four walled)" 자기 토로이드 실린더는, 4개의 회전자 영구자석 시스템으로서 알려질 수 있다.
어떤 실시예에 있어서, 여기에 논의되는 방사방향 또는 측벽(402-404) 및 길이방향 원통 벽(408-406)을 형성하는 자석은, 네오디뮴, 알니코 합금(Alnico alloy), 세라믹 영구자석, 또는 전자석과 같은, 임의의 적절한 자성 재료로 이루어질 수 있다. 자석 또는 전자석의 정확한 개수는, 요구되는 자기장 강도 또는 기계적 구성에 따를 것이다. 예시된 실시예는 상업적으로 가용한 어떤 자석에 기초하여 자석을 배치하는 하나의 방법일 뿐이다. 특히, 자석이 이런 특정 목적을 위해 제조되었다면, 다른 배치가 가능하다.
도 4a의 도시된 실시예에 있어서, 외부 길이방향 벽(406)과 탑 횡방향 또는 제1 측벽(402) 사이의 슬롯(456)과 같은, 벽들 사이에 슬롯이 있을 수 있다. 전술한 바와 같이, 어떤 실시예에서는 외부 원통 벽(406) 내에 형성된 슬롯(도시되지 않음)처럼, 벽들 내부에 슬롯이 있을 수 있다. 상기 슬롯은 지지 구조물 및/또는 와이어 및 도전체를 수용하도록 설계된다. 본 발명에 사용되는 바와 같은 용어 "폐쇄 자기 터널"은, 먼저 자기력을 큰 슬롯을 통해 빠져 나가게 하지 않고, 터널의 한쪽으로부터 다른 쪽으로(또는 원주방향으로) 자속 힘을 "강제" 또는 "굴곡"시키는 부분적인 토로이드 자기 실린더를 형성하는 자석의 배치를 사용하는 것을 지칭한다. 따라서 슬롯 폭은 자속 힘이 슬롯을 통해 빠져 나가지 못하도록 제한될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 자속 힘이 소정의 또는 원주방향으로 채널링되는 것을 유지하기 위해, 추가의 자석이 슬롯들 내에 삽입될 수 있다.
전술한 바와 같이, 토로이드 자기 실린더(430)를 형성하는 자석은, 백 아이언 회로(200)에 의해 위치되고 지지된다. 도 4b는 백 아이언 회로(200), 및 상기 토로이드 자기 실린더(430)를 형성하는 자석의 분해 등각도이다. 이 실시예에 있어서, 상기 백 아이언 회로(200)는 제1 부분(202) 및 제2 부분(204)을 포함한다. 상기 백 아이언 회로(200)의 제1 부분은 측벽 또는 탑 벽(208), 제1 원주방향 외벽 또는 링(206), 및 제1 내벽 또는 링(207)을 포함한다. 상기 백 아이언 회로(200)의 제2 부분(204)은 측벽 또는 바닥 벽(212), 제2 원주방향 외벽 또는 링(210), 및 제2 내벽 또는 링(211)을 포함한다.
이 실시예에 있어서, 각각의 외부 벽 또는 링(406a, 406b)은 다수의 굴곡진 자석들을 포함한다. 다수의 내부 길이방향 홈(240a)은, 상기 백 아이언 회로(200)의 제1 외부 실린더 벽(206)의 내면(242a)의 둘레에 형성되고 그리고 방사방향으로 이격된다. 외부 자기 벽(406)의 제1 부분(406a)을 형성하는 다수의 외부 자석은, 다수의 내부 길이방향 홈(240a) 내에 끼워지는 크기를 갖는다. 유사하게, 다수의 내부 길이방향 홈(240b)은, 제2 외부 실린더 벽(210)의 내면(242b)의 둘레에 형성되고 그리고 방사방향으로 이격된다. 상기 외부 자기 벽(406)의 제2 부분(406b)을 형성하는 다수의 외부 자석은, 다수의 내부 길이방향 홈(240b) 내에 끼워지는 크기를 갖는다.
또한, 각각의 내부 자기 링 또는 벽 부분(408a, 408b)은 다수의 굴곡진 자석을 포함한다. 다수의 외부 길이방향 홈(244a)은, 백 아이언 회로(200)의 제1 내부 실린더 벽(207)의 외면(246a)의 둘레에 형성되고 그리고 방사방향으로 이격된다. 상기 내부 자기 벽(408)의 제1 부분(408a)을 형성하는 다수의 내부 자석은, 다수의 외부 길이방향 홈(244a)에 끼워지는 크기를 갖는다. 유사하게, 다수의 외부 길이방향 홈(244b)은, 제2 내부 실린더 벽(211)의 외면(246b)의 둘레에 형성되고 그리고 방사방향으로 이격된다. 상기 내부 자기 벽(408)의 제2 부분(408b)을 형성하는 다수의 내부 자석은, 다수의 외부 길이방향 홈(244b) 내에 끼워지는 크기를 갖는다.
따라서 다수의 홈(240a, 240b, 244a, 244b)은, 외부 원통 자기 벽(406) 및 내부 원통 자기 벽(408)을 형성하는 다수의 자석을 위치시키고 그리고 이를 구조적으로 지지하도록 설계된다. 유사하게, 방사방향 홈(248)은 상기 백 아이언 회로(200)의 평탄한 측벽(208, 212)의 내부 대향 면에 형성될 수 있다. 또한, 상기 방사방향 홈(248)은 방사방향 자석들(404)[및 방사방향 자석(402)]의 링을 수용하고 지지하는 크기를 갖는다. 어떤 실시예에 있어서, 본 기술분야에 알려진 접착 재료는 토로이드 자기 실린더(430)를 형성하는 자석을, 백 아이언 회로(200)의 다양한 요소에 고정 가능하게 결합하는 데 사용될 수 있다.
도 4b에 도시된 실시예는 2개의 외부 원통 벽(206, 210)을 사용한다. 다른 실시예에 있어서, 상기 2개의 외부 원통 벽(206, 210)은 단일의 원통 벽(도시되지 않음)에 의해 대체될 수 있다. 유사하게, 2개의 내부 원통 벽(207, 211)이 도 4b에 도시되어 있다. 그러나 어떤 실시예에 있어서, 내부 원통 벽(207, 211)은 단일의 원통 내벽(도시되지 않음)에 의해 대체될 수 있다.
어떤 실시예에 있어서, 상기 토로이드 자기 실린더(430)는 다수의 방사방향 세그먼트로, 또는 본 기술분야에 알려진 "폴(pole)"로서 분할될 수 있다. 설명을 위해, 상기 토로이드 자기 실린더(430)는 8개의 방사방향 세그먼트로 분할되며, 여기서 인접한 세그먼트는 교호하는 자기 극성 배향을 갖는다. 그러나 모터 또는 발전기에 대한 특정한 설계 요구사항에 따라, 임의의 개수의 방사방향 세그먼트가 사용될 수 있다.
그러한 방사방향 세그먼트(440) 중 하나가 도 5a에 도시되어 있다. 각각의 방사방향 세그먼트는 내벽(408), 외벽(406), 탑 또는 제1 측벽(402), 및 하부 또는 제2 측벽(404)을 갖는다. 도 5a에 도시되고 그리고 도 4b를 참조하여 전술한 바와 같이, 벽(406, 408)들은 2개 또는 그 이상의 축방향 또는 길이방향 부분으로 더 분할될 수 있다. 예를 들어, 도 5a의 외벽(406)은 제1 부분 또는 벽(406a), 및 제2 부분 또는 벽(406b)을 포함한다. 유사하게, 상기 내벽(408)은 제1 부분 또는 벽(408a), 및 제2 부분 또는 벽(408b)을 포함한다.
대조적으로, 도 5b의 방사방향 세그먼트(440')는 단일의 자기 외벽(406) 및 단일의 자기 외벽(408)을 갖는 실시예를 도시하고 있다. 전기-자기 관점에서 볼 때, 방사방향 세그먼트(440)의 축방향 벽(406, 408)이 도 5b에 도시된 바와 같은 단일의 굴곡진 자석으로부터 또는 도 5a에 도시된 바와 같은 2개 또는 그 이상의 굴곡진 자석으로부터 형성되는지에 따라 약간의 차이점이 있다. 그러나 어떤 실시예에 있어서, 도 5a에 도시된 바와 같은 방사방향 세그먼트(440)를, 또는 도 5b에 도시된 바와 같은 방사방향 세그먼트(440')를 사용하는 것이 기계적 관점에서 더욱 편리할 수 있다.
NNNN 자극 구성:
방사방향 세그먼트(440)의 자기 벽을 형성하는 개별 자석들은, 자기 실린더(400)의 전반적인 성능에 영향을 끼치는 소정의 방향과 대면하는 그 극을 갖는다. 도시하기 위해, 도 5c는 방사방향 세그먼트(440')의 자기 벽의 개념적인 단면도로서, 방사방향 세그먼트의 다양한 벽을 형성하는 자석들의 자극 배향을 도시하고 있다. 예를 들어, 도 5c에 있어서, 외부 원통 벽(406) 및 내부 원통 벽(408)을 형성하는 자석들의 자극들은, 길이방향 축선(401)에 대해 방사방향을 따라 배향된 그 자극을 갖는다(도 4a). 도 5c의 예시에 있어서, 원통 벽(406, 408)의 N 자극은 방사방향 세그먼트(440)의 내부(442)를 향한다. 결과적으로, 원통 벽(406, 408)의 S 극은 방사방향 세그먼트(440)의 내부(442)로부터 멀어지도록 향한다. 유사하게, 측벽(402, 404)을 형성하는 자석은, 그 N 극들이 또한 방사방향 세그먼트(440)의 내부(442)를 향해서도 대면하도록, 길이방향 또는 축방향을 따라 배향되는 자극들을 가진다. 본 발명을 위해, 도 5c에 도시된 자기 구성은 NNNN 구성으로서 생각될 수 있는데, 그 이유는 상기 방사방향 세그먼트의 내부(442)를 향하는 모든 극들이 N 자극을 갖기 때문이다.
어떤 실시예에 있어서, 인접한 방사방향 세그먼트는 방사방향 세그먼트(440)방향과는 반대인 방향 또는 배향으로 배향된 그 자극들을 갖는다. 달리 말하면, 인접한 세그먼트에서, 외부 원통 벽(406) 및 내부 원통 벽(408)을 형성하는 자석들의 자극들은, 그 S 자극이 방사방향 세그먼트(440)의 내부(442)를 향하도록, 길이방향 축선(401)(도 4a)을 향해 방사방향을 따라 배향되는 그 자극들을 갖는다. 유사하게, 측벽을 형성하는 자석(402, 404)은 그 S 극 또한 방사방향 세그먼트(440)의 내부를 향하도록, 축방향 또는 길이방향을 따라 배향되는 그 자극들을 갖는다. 따라서 인접한 방사방향 세그먼트는 SSSS 자극 구성을 가질 수 있는데, 그 이유는 모든 내부 대면 극들이 S 극 자성을 갖기 때문이다.
상기 NNNN 또는 SSSS의 명명법(nomenclature)은 모든 내부 대면 자석들이 동일한 극성을 갖고 있음을 나타내는 것을 의미한다. 이 명명법은 청구된 발명을, 자기 세그먼트를 형성하는 4개의 벽들로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예시적인 실시예가 횡단면이 4개의 벽들을 갖는 4면형(four-sided) 토로이드 실린더(430)를 도시하고 있더라도, 3개, 5개, 6개, 또는 심지어 그 이상의 벽 세그먼트들을 사용하여 토로이드 자기 실린더 또는 유사한 형상을 형성하는 것도 본 발명의 범주 내에 속한다.
상기 토로이드 자기 실린더(430)를 형성하는 방사방향 세그먼트는 그 자극 배향을, 도 5d에 도시된 바와 같이 실린더 둘레의 각각의 인접한 세그먼트와 교호시킨다. 도 5d는 독자(reader)로 하여금 토로이드 자기 실린더(430)의 이런 실시예를 형성하는 8개의 방사방향 세그먼트의 자극 배향을 떠올릴 수 있도록, 하부 측벽(404) 및 내부 원통 벽(408)으로부터 당겨진 탑 링 또는 측벽(402) 및 외부 원통 벽(406)을 보여주는, 토로이드 자기 실린더(430)의 분해 등각도이다.
예를 들어, 도 5c에 도시된 바와 같은 단일 방사방향 세그먼트(440')는, 하나의 세그먼트(도 6에 도시된 바와 같이)를 형성하도록 방사방향으로 그리고 축방향으로 정렬된, 도 5d에서 팁 벽 세그먼트(462), 하부 벽 세그먼트(464), 외벽(466), 및 하부 벽(468)에 의해 형성될 수 있다. 본 발명을 위해, 방사방향 세그먼트의 임의의 특수한 벽의 자극들의 배향을 나타내기 위해, 자석의 표면 상에 "N" 또는 "S"가 표시된다. 도 5d에 의해 나타낸 바와 같이, 내부 원통 벽(468)의 "내부" 측부는, 그 벽을 형성하는 자석 또는 자석들의 N 극이 터널의 내부와(그리고 관측자를 향해) 대면하는 것을 나타내기 위해, 그 위에 형성된 "N"을 갖는다. 상기 하벽 부분(464)은 또한, N 극이 상기 토로이드 자기 실린더(430)의 내부를 향해 상향으로 대면하고 있음을 나타내기 위해, 그 위에 형성되는 "N"을 갖는다. 대조적으로, 상부 측벽 부분(462)은 자기 링의 S 극이 관측자와 대면하고 있음을 나타내기 위해 그 위에 형성된 "S"를 가지며, 이는 도 5c에 도시된 바와 같이 그 N 극이 관측자로부터 멀어지고 또한 하방으로 토로이드 실린더의 내부를 향하고 있음도 나타낸다. 유사하게, 상기 외벽 부분(466)은 자기 벽의 S 극이 관측자와 대면하고 있음을 나타내기 위해, 그 위에 형성된 "S"를 가지며, 이는 또한 그 N 극이 터널의 내부를 향해 관측자로부터 멀어지고 있음도 나타낸다.
따라서 섹션이 방사방향 세그먼트(440')를 통해 절단되었다면, 그 특수한 방사방향 세그먼트의 자극 배향은, 도 5c에 도시된 바와 같이 상기 세그먼트의 내부를 향해 대면하는 모든 N 극(즉, NNNN 자극 구성)들을 가질 것이다. 대조적으로, 방사방향 세그먼트(440')에 바로 인접한 방사방향 세그먼트는, 상기 세그먼트의 내부를 향해 대면하는 그 모든 S 극(즉, SSSS 자극 구성)들을 가질 것이다.
이하에 설명되는 바와 같이, 도 5c 및 도 5d에 의해 표시된 토로이드 자기 실린더(430)의 구성은, 상기 토로이드 자기 실린더(430)가 모터 또는 발전기의 부분으로서 사용될 때, 비교적 높은 토오크를 생성하는 제1 구성(또는 NNNN 자극 구성)이다.
NSNS 자극 구성:
전술한 바와 같이, 토로이드 자기 실린더(430)를 형성하는 자석들은 백 아이언 회로(200)의 다양한 부품에 의해 위치되고 지지된다. 다시 도 4b를 참조하면, 상기 백 아이언 회로(200)의 상부 측벽(208)은 자기 벽(402)을 형성하는 자석들을 위치시킨다. 하부 측벽(212)은 상기 자기 벽(404)을 형성하는 자석들을 위치시킨다. 외부 원통 벽(206, 210)들은 외부 자기 벽(406)을 형성하는 자석들을 위치시킨다. 내부 원통 벽(207, 211)들은 내부 자기 벽(408)을 형성하는 자석들을 위치시킨다. 따라서 외부 원통 벽(206, 210) 및 내부 원통 벽(207, 211)에 대해 축선(401) 주위로 함께, 제1 회전 액추에이터(600)(도 1)가 상부 측벽(208)을 회전시키고 제2 회전 액추에이터(650)(도 1)가 하부 측벽(212)을 회전시킬 때, 상부 자기 측벽(402) 및 하부 자기 측벽(404)을 형성하는 다수의 자석들 또한 회전될 것이다[대부분의 경우, 이러한 실시예에 있어서, 외부 원통 벽은 도 4b의 두 외부 원통 벽(206, 210)들을 대체할 것이며, 또는 하나의 벽을 형성하도록 상기 외부 원통 벽(206, 210)들이 연결될 것이다. 유사하게, 내부 원통 벽은 도 4b의 두 내부 원통 벽(207, 211)들을 대체할 것이다].
전술한 바와 같이, 도면에 도시된 예시적인 실시예에서는, 토로이드 자기 실린더(430)를 형성하는 8개의 방사방향 자기 세그먼트(440)가 있으며, 이는 자기 세그먼트의 중심들 사이의 각도 거리가 45°임을 의미한다. 따라서 예시적인 실시예에 있어서, 상부 측벽(208) 및 하부 측벽(212)이 외부 원통 벽(206, 210)들 및 내부 원통 벽(207, 211)들에 대해 45°회전된다면, 자기 측벽(402, 404)들은 이에 따라 또한 내부 및 외부 자기 벽(408, 406)들을 형성하는 자석들에 대해 45 °회전될 것이다.
도 5e는 토로이드 자기 실린더(430)의 상세한 분해 등각도로서, 상부 및 하부 측벽(402,404)들을 형성하는 자석들은 제2 자기 구성 내에 상기 내부 및 외부 원통 벽(406,408)들을 형성하는 자석에 대해 길이방향 축선(401)의 주위로 45°회전된다. 도 5f는 제2 구성 또는 "NSNS" 자극 구성에서의 방사방향 세그먼트를 나타내는, 회전 후의 방사방향 세그먼트(440)의 단면도이다.
도 5f에 있어서, 외부 원통 벽(406) 및 내부 원통 벽(408)을 형성하는 자석들의 자극들은, 이제 그 S 자극들이 상기 방사방향 세그먼트(440)의 내부(442)를 향하도록 배향된 그 자극들을 갖는다. 대조적으로, 제1 측벽(402) 및 하부 측벽(404)을 형성하는 자석들의 자극들은, 그 N 자극들이 방사방향 세그먼트(440)의 내부(442)를 향하도록 배향된 그 자극들을 갖는다. 따라서 제2 구성은 NSNS 자극 구성인데, 그 이유는 인접한 자기 내면들이 내부를 향하는 그 S 극들과 상기 내부를 향하는 그 N 극들 사이에서 교호하기 때문이다. 도 5e에 도시된 바와 같이, 인접한 방사방향 세그먼트들은 도 5f에 도시된 배향과는 반대의 자극 배향을 가질 것이다.
이하에 논의되는 바와 같이, 일단 회전 액추에이터(600, 650)들이 자기 토로이드 실린더(430)를 NSNS 자기 배향(도 5e 및 도 5f에 도시된 바와 같은)으로 회전 시킨다면, 상기 자기 토로이드 실린더(430)는 도 5d 및 5c를 참조하여 전술한 제1 또는 NNNN 자기 구성보다 낮은 토오크를 생성한다.
NNSS 자기 구성:
도 4b를 다시 참조하면, 상부 측벽(208) 및 원통 벽(206, 210)들이 하부 측벽(212) 및 내부 원통 벽(207, 211)들에 대해 함께 회전되었다면, 이들은 하부 자기 측벽(404) 및 내부 자기 원통 벽(408)에 대해 상부 자기 측벽(402) 및 외부 자기 원통 벽(406)을 회전시킬 필요가 있을 것이다.
이러한 실시예에 있어서, 상기 회전 액추에이터(600)는 상부 측벽(208)에 결합될 수 있으며, 상부 측벽은 외부 원통 벽(206)에 결합될 수 있다. [대부분의 경우, 이러한 실시예에 있어서, 외부 원통 벽은 도 4b의 두 외부 원통 벽(206, 210)들을 대체할 것이며, 또는 하나의 벽을 형성하기 위해 상기 외부 원통 벽(206, 210)들이 연결될 것이다. 유사하게, 내부 원통 벽은 도 4b의 두 내부 원통 벽(207, 211)들을 대체할 것이다]. 회전 액추에이터(600)가 회전함에 따라, 상기 회전 액추에이터는 상부 측벽(208)을 이동시킬 것이고, 다음에는 외부 원통 벽(206/210)을 내부 원통 벽(207/211) 및 하부 측벽(212)에 대해 이동시킨다. 대안적으로, 상기 회전 액추에이터(600)는 하부 측벽 및 내부 원통 벽(207/211)과 상부 측벽(208) 및 외부 원통 벽(206/210) 사이에 상대회전을 생성하기 위해, 하부 측벽(212)에 결합될 수 있다. 회전 액추에이터의 배치와는 관계없이, 그 효과는 상대회전이 자극 구성에서의 변화를 생성하는 것과 동일하다. 결과적인 배향이 도 5g에 도시되어 있다.
도 5g는 도 5d에 도시된 자극 구성으로부터 추가적인 자극 구성을 도시하는 토로이드 자기 실린더(430)의 상세한 분해 등각도이다. 도 5h는 이런 제2 자극 구성을 나타내는 원통 세그먼트(440')을 통한 단면도로서, 여기서 상기 외부 원통 벽(406) 및 탑 축방향 벽 링(402)을 형성하는 자석들의 자극들은 이제 그 S 자극들이 방사방향 세그먼트(440)의 내부(442)를 향하도록 배향된 그 자극들을 갖는다. 대조적으로, 내부 실린더 벽(408) 및 하부 측벽(404)을 형성하는 자석들의 자극들은, 그 N 자극들이 방사방향 세그먼트(440)의 내부(442)를 향하도록 배향된 그 자극들을 갖는다. 따라서 이런 제3 자기 구성은 SSNN 자기 구성을 갖는데, 그 이유는 2개의 인접한 자기 면들이 내부를 향하는 그 S 극들을 갖고, 또한 2개의 인접한 자기 면들이 내부를 향하는 그 N 극들을 갖기 때문이다.
이하에 설명되는 바와 같이, 도 5g 및 5h에 의해 도시된 토로이드 자기 실린더(430)의 제3 구성 또는 SSNN 은 NNNN 자기 구성보다 낮은 토오크를 생성한다.
자기 구성 타입 간 비교:
이제 도 6으로 돌아가서, NNNN 자기 구성을 갖는 자기 실린더 세그먼트(440)가 도시되어 있다. 달리 말하면, 자기 실린더 세그먼트(440)의 벽들[탑 측벽(402), 외부 원통 벽(406), 하부 측벽(404), 및 내부 원통 벽(408)]을 형성하는 모든 자석들은 자기 실린더 세그먼트의 내부를 향해 내향하여 대면하는 그 N 극들을 갖는다. 잘 알려진 바와 같이, N 자극들은 자속을 생성할 것이다. 자석들의 내면에서의 자속의 방향은, 화살표(490a, 490b, 490c, 490d)에 의해 표시되며, 이 모두는 세그먼트(440)의 내부를 향한다.
코일 조립체(500)의 일부는 또한 자기 실린더 세그먼트[코일 조립체(500)의 나머지는 명확함을 위해 제거되었다]의 내부 내에 위치된다. 상기 코일 조립체(500)는 전술한 바와 같이 개별 코일 권선(526)을 지지한다. 모터 모드에서, 전류는 코일 권선(526) 내로 도입된다. 전류는 순환하며, 그리고 코일(526)의 둘레로 회전함에 따라 축방향 및 방사방향을 취할 것이다. 전류의 방향은 화살표(530a-530d)에 의해 표시된다. 잘 알려진 바와 같이, 전류가 자기장의 존재 하에서 흐를 때, 라플라스(Laplace) 또는 로렌츠(Lorentz) 힘이 생성될 수 있다. 왼손 법칙에 따라, 힘은 전류 및 자기장에 의해 형성된 표면과 직교한다. 영구자석에 의해 발생된 자기장은 또한 방사방향 및 축방향을 취하기 때문에, 결과적인 힘은 접선 방향으로 될 것으로 예상된다(접선방향의 축선은 방사방향 벡터 및 축방향 벡터에 의해 형성된 표면과 직교한다).
NNNN 자기 구성의 경우, 상기 로렌츠 힘은 화살표(540a, 540b, 540c, 540d)에 의해 표시될 수 있다. 달리 말하면, 전류가 자기장에서 코일(526)의 각각의 "레그(leg)"의 둘레로 흐름에 따라, 상기 레그에 라플라스 또는 로렌츠 힘을 유발시킨다.
포화 효과 및 상기 코일 조립체의 슬롯들은 정확한 힘 계산을 변경할 수 있지만, 그러나 힘의 상대적 측정(그리고 결과적인 토오크)이 결정될 수 있다.
예를 들어, NNNN 자기 구성에 있어서, 코일 상에 작용하는 전체 로렌츠 힘( "F")은 아래의 공식에 의해 계산될 수 있다.
Figure pct00001
..... (1)
여기서,
I- 는 코일(526)을 통해 흐르는 전류이고,
B- 는 전류 상에 작용하는 자기장의 강도이며,
a- 는 하이브리드화 요소(hybridization factor)를 나타내고, 상기 라플라스 힘 및 역기전력과 관련이 있으며,
az- 는 축방향 또는 길이방향에서의 하이브리드화 요소이고,
ar- 는 방사방향에서의 하이브리드화 요소이며,
aΦ - 는 방사방향에서의 하이브리드화 요소이고,
l1 은 회전 축선에 대한 코일의 폭[예를 들어,도 6의 코일(526)의 수직 길이]이며,
l2 는 회전 축선에 대한 코일의 깊이[예를 들어,도 6의 코일(526)의 수평 길이]이다.
상기 식에 있어서, 코일(526)의 모든 측부 또는 레그는 음으로 또는 양으로 기여하고, 각각의 레그의 토오크 기여는 반경의 함수 및 기하학적 함수로서 변한다. 따라서 각각의 코일 레그는 자석 형상 및 배향에 따라 추가적인 효과 또는 감쇄적인 효과를 갖는다.
NNNN 자기 구성과는 대조적으로, NSNS 자기 구성에 대한 전체 평균 힘은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pct00002
..... (2)
인식될 수 있는 바와 같이, 위의 식(1)로부터의 힘은 식(2)로부터의 힘보다 더 크며, 이는 NNNN 자기 배향에 의해 발생된 전체 힘이 NSNS 구성에 의해 발생된 전체 힘보다 더 크고, 그 외에는 모두 동일하다는 것을 나타낸다. 자기 실린더 세그먼트(440)가 길이방향 축선(401)에 대해 회전하기 때문에, NNNN 자기 구성에 의해 발생된 전자기 토오크는 또한 NSNS 자기 구성에 의해 발생된 전자기 토오크보다 더 크다.
위의 분석을 검증하기 위해, 상기 방사방향 세그먼트 상에 유한 요소 모델링(Finite Element Modeling)이 수행될 수 있다. 잘 알려진 바와 같이, 역기전력 또는 back-EMF 는 전자기 토오크에 관한 것이다. 유한 요소 모델링을 통해, NNNN 자기 구성을 가지며 또한 3000 rpm으로 동작하는 방사방향 세그먼트(440)에 대해 시간 경과에 따른 역기전력의 그래프가 발생될 수 있다. 그 결과가 도 7a로서 도시되어 있으며, 이는 연자성 복합 고정자 코어[예를 들어, 코어(504)] 및 코일에 대한 단일 턴(single turn)(예를 들어, 단일 도전체)을 갖는, DC 전류로부터의 역기전력 전압을 도시하고 있다. 유사한 분석이 NSNS 구성을 갖는 방사형 세그먼트(440)에 대해 수행될 수 있다. 이들 결과가 도 7b로서 도시되어 있으며, 이는 연자성 복합 고정자 코어 및 코일에 대한 단일 턴을 갖는, DC 전류로부터의 역기전력 전압을 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, NNNN 자기 구성에서 발생된 전자기 토오크는, NSNS 구성에서 발생된 토오크보다 상대적으로 더 크다. 자기 포화가 없는 경우, 2개의 자기 구성(동일한 고정자 여자 하에서의)들에 의해 전개된 토오크들의 비율은, 아래에 주어진 코일 치수의 함수로서, 그리고 도 7c에 도시된 그래픽으로 근사화될 수 있다.
Figure pct00003
..... (3)
여기서,
TA 는 NNNN 자극 구성을 갖는 방사방향 세그먼트로부터의 토오크이고;
Tc 는 NSNS 자극 구성을 갖는 방사방향 세그먼트로부터의 토오크이다.
특히 이러한 위상수학(topology)에서의 유도된 역기전력은 동일한 추세를 따르며, 또한 코일 치수의 신중한 선택에 의해, NNNN 구성을 위한 유도 전압의 상당한 강하를 도입할 수 있으며, 이는 동일한 스케일의 전자기 토오크의 강하에 대응한다.
NNSS 자기 구성을 갖는 자기 세그먼트(440) 상에, 유사한 분석이 수행될 수 있다. 다시, 각각의 코일 레그에서 로렌츠 힘으로부터 발생된 전체 힘은 다음과 같이 근사화될 수 있다.
Figure pct00004
..... (4)
인식될 수 있는 바와 같이, 위의 식(1)로부터 계산된 힘은 식(4)로부터 계산된 힘보다 더 크며, 이는 NNNN 자기 배향에 의해 발생된 전체 힘이 상기 NNSS 구성에 의해 생성된 전체 힘보다 더 크고, 그 외는 모두 동일하다는 것을 나타낸다. 자기 실린더 세그먼트(440)가 길이방향 축선(401)에 대해 회전하기 때문에, NNNN 자기 구성에 의해 발생된 전자기 토오크는 또한 상기 NSNS 자기 구성에 의해 발생된 전자기 토오크보다 더 크다.
다시, 위의 분석을 검증하기 위해, NNSS 자극 구성을 갖는 방사방향 세그먼트 상에, 유한 요소 모델링이 수행될 수 있다. 유한 요소 모델링을 통해, NNSS 자기 구성을 가지며 그리고 3000 rpm으로 동작하는 방사방향 세그먼트(440)에 대해 시간 경과에 따른 역기전력의 그래프가 발생될 수 있다. 그 결과가 도 7d로서 도시되어 있으며, 이는 연자성 복합 코어 및 코일에 대한 단일의 턴 횟수(예를 들어, 단일 도전체)를 사용하여 유도된 역기전력 전압을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, NNNN 자기 구성에서 발생된 전자기 토오크는 상기 NNSS 구성에서 발생된 토오크보다 상대적으로 더 크다.
필드 약화(Field Weakening):
전술한 바와 같이, NNNN 자기 구성은 NNSS 또는 NSNS 자기 구성보다 더 큰 토오크를 생성한다. 결과적으로, NNSS 또는 NSNS 자기 구성에 의해 생성된 자기장은 동일한 조건 하에서 상기 NNNN 자기 구성에 의해 생성된 자기장보다 더 작다. 따라서 NNNN 자기 구성으로부터 NNSS 또는 NSNS 자기 구성으로 점진적으로 전이시킴으로써, 필드 약화가 발생한다. 필드가 약화됨에 따라, 토오크가 낮아진다. 토오크가 낮아짐에 따라, 모터의 회전 속도가 증가한다.
어떤 실시예에 있어서, 높은 토오크에서의 모터는 기본 속도로 나타나는 일정한 토오크 모드로 있을 수 있다. 기본 속도 이상으로, 그리고 모터 최대 속도까지, 상기 모터는 일정한 전력 모드로 작동한다. 일정한 전력 모드에 있어서, 토오크가 낮아짐에 따라, 전류가 증가하여, 속도 증가로 나타난다.
예를 들어, NNNN 에서 NSNS 로의 전이를 위해, 외부 및 내부 자기 실린더(406, 408)들이 측부 자기 벽(402, 404)들에 대해 회전하면, 이 회전각은 제어 변수로서 사용될 수 있으며, 또한 필드 약화를 나타내기 위해 아래의 표현이 사용될 수 있다.
T ∝ BIl1(1+(1-2α)(l2/l1))
E = Bl1(l+(l-2α)(l2/l1))
α= 2Pδ0/360°; δ = 회전, 2P = 극 개수
따라서 NNNN 자기 구성으로부터 NSNS 자기 구성으로의 전이는, 종래 기술에서 전형적으로 사용되는 바와 같이 음의 d-축선 전류의 주입 없이, 필드를 효과적으로 약화시킬 수 있으며, 따라서 일정한 전력 영역에서 높은 효율을 유지할 수 있다. 토오크 및 속도는 일정한 전력으로 나타날 수 있는 동일한 감소 및 증가 경향을 가질 수 있다는 점 또한 주목할 만하다.
도 8a는 회전 액추에이터의 일 실시예를 도시하고 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 볼 및 너클 조립체(ball and knuckle assembly)(602)는 길이방향 힘을 회전력으로 변환시키도록 설계되었으며, 따라서 백 아이언 조립체(200)의 시프트 판(shift plate) 또는 부분들을 회전시킬 수 있다. 위에 설명된 바와 같이, 일단 백 아이언 조립체(200)가 회전한다면, 상기 자기 토로이드 실린더(430)의 자기 벽 또는 회전자도 또한 서로에 대해 회전하여, 자극 구성의 변경으로 나타난다.
축 칼라(shaft collar)(604)는, 축이 상기 축 칼라(604)에 삽입될 때 상기 축이 자유롭게 회전할 수 있도록, 회전자 허브(300)(도 1)의 축(302)에 슬라이딩 가능하게 결합되는 크기를 가질 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 축 칼라(604)는 상기 축 칼라 상으로 길이방향 힘을 인가하는 제어 레버(도시되지 않음)에 결합한다. 어떤 실시예에 있어서, 상기 축 칼라(604)는 축 메커니즘을 길이방향으로 유지하기 위해, 길이방향 바이어싱(biasing) 메커니즘(도시되지 않음)에 결합할 수 있다. 일단 인가된 길이방향 힘이 상기 바이어싱 메커니즘을 극복하기에 충분히 크다면, 상기 축 칼라는 자기 디스크 조립체(400)(도 1)를 향해 길이방향으로 이동한다. 축 칼라(604)가 길이방향으로 이동함에 따라, 상기 축 칼라는 정지형 스워시 링(swash ring)(606) 상에 길이방향 힘을 발휘한다. 상기 정지형 스워시 링(606)은 스워시 링의 본체로부터 횡방향으로 외향하여 연장하는 4개의 볼 조인트(608a-608d)들에 결합된다.
예시적인 실시예에 있어서, 4개의 연결 로드(610a-610d)들의 단부는 볼 조인트(608a-608d)들에 결합한다. 상기 4개의 연결 로드(610a-610d)들의 대향 단부들은 볼 조인트(612a-612d)들의 제2 세트에 결합한다. 상기 볼 조인트(612a-612d)들은 회전 가능한 핀 연결부(614a-614d)들을 통해 회전 스워시 판(614)에 결합된다.
길이방향 힘(예를 들어, 페이지에 대해 하향의 힘)이 상기 정지형 스워시 링(606)에 인가되었을 때, 상기 스워시 링(606)은 연결 로드(610a-610d)들 상에 힘을 인가한다. 연결 로드들상의 길이방향 힘은, 상기 연결 로드들의 대향 단부들을 회전시키고, 다음에는 볼 조인트(612a-612d)들 및 회전 가능한 핀(614a-614b)들을 회전시킬 것이다. 볼 조인트(612a-612d)들 및 회전 가능한 핀 연결부(614a-614d)들의 회전은, 도 8b에 도시된 바와 같이 상기 스워시 판(616)을 회전시킨다.
도 8b는 제2 위치 또는 회전 위치에 있는 볼 및 너클 조립체를 도시하고 있다. 상기 스워시 판(614)에 결합된 핀(618)들은, 추가적인 절환 판들 또는 백 아이언 회로의 부품들에 결합한다.
도 8c는 백 아이언 부품, 특히 평탄한 측벽(212)(도 4b 참조)에 결합되고 상기 회전자 축(302)에 슬라이딩 가능하게 결합되는, 볼 및 너클 조립체(602)를 도시하고 있다. 도 8c에 도시된 실시예에 있어서, 상기 측벽(212)은 내부 원통 벽(211)에 견고하게 결합될 수 있다. 이 실시예에 있어서, 상기 내부 원통 벽(211)은 하나의 벽으로서 동작하도록 내부 원통 벽(207)에 견고하게 결합될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 내부 원통 벽(207, 211)들은 단일의 벽에 의해 대체될 수 있다. 어느 경우라도, 측벽(212)이 회전할 때, 상기 내부 실린더 벽(211, 207)(또는 벽)들은 측벽(212)의 회전과 함께 회전한다.
도 8c에 도시된 실시예는 NNSS 구성 회전에 대한 NNNN 구성을 도시하고 있다. NNNN 구성의 논의에 대해서는 다시 도 5c 및 5d를, NNSS 구성의 논의에 대해서는 도 5g 및 5h를 참조하기 바란다. 전술한 바와 같이, 백 아이언 부품이 회전할 때, 자기 벽[예를 들어, 측벽(404) 및 내부 자기 원통 벽(408)]들 또한 회전하는데, 그 이유는 전술한 바와 같이 상기 자석들이 백 아이언 부품들에 고정 가능하게 장착되기 때문이다. 따라서 볼 너클 조립체(602)가 하나의 방사방향 자극 또는 자기 원통 세그먼트 길이를 회전시킬 때(예를 들어, 8극 또는 8개의 원통 세그먼트 모터에 대해 45°), 측판(212) 또한 회전할 것이며, 다음에는 다른 백 아이언 부품[예를 들어, 측벽(208) 및 외부 실린더 벽(206 및 210)들]들에 대해 내부 원통 벽(211, 207)들을 회전시킬 것이다.
자석들의 회전은 도 5d에 도시된 제1 또는 NNNN 구성으로부터 도 5g에 도시된 바와 같은 제2 또는 NNSS 구성으로의 회전 유발이 뒤따를 것이다. 어떤 실시예에 있어서, 볼 및 너클 조립체(602)의 조인트들 사이의 마찰은, 제1 구성으로부터 제2 구성으로의 제어된 회전을 유지할 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 기어 시스템(622)은 도 8d 및 8e에 도시된 바와 같이 회전율을 제어하기 위해, 상기 회전 스워시 판(616)과 함께 사용될 수 있다. 도 8d는 볼 및 너클 조립체(602)의 일 실시예의 등각도를 도시하고 있으며, 여기서 상기 회전 스워시 판(616)은 상기 기어 시스템(622)에 결합되어, 상기 회전 스워시 판의 회전율을 기계적으로 제어한다. 도 8e는 다른 각도로부터의 기어 시스템의 등각도이다.
전체 상대 회전을 제한하기 위해, 도 1의 굴곡진 슬롯(620)에 의해 도시된 바와 같이, 굴곡진 슬롯들이 상기 스워시 판 또는 측벽(208, 212)들에 형성될 수 있다. 상기 굴곡진 슬롯(620)들은 핀(618)들의 전체 회전을 제한하고, 따라서 볼 및 너클 조립체(602)의 전체 회전을 제한한다.
도 9는 백 아이언 부품들에, 특히 평탄한 측벽(208, 212)들에 각각 결합되고(도 4b 참조) 또한 회전자 축(302)에 슬라이딩 가능하게 결합되는, 2개의 볼 및 너클 조립체(602, 603)를 사용하는 실시예를 도시하는 분해도이다. 도 9에 도시된 실시예는 상기 실시예들과 유사하다. 따라서 동일하거나 유사한 요소는 명확함을 이유로 여기에 반복되지 않을 것이다. 도 9에 도시된 실시예에 있어서, 측벽(208, 212)들은 외부 원통 벽(206, 210)들 및 내부 원통 벽(207, 211)들(도 9에서는 보이지 않음)과는 독립적으로 회전할 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 볼 너클 조립체(602, 603)는 함께 회전하도록 설계된다. 결과적으로, 상기 측벽(208, 212)들은 내부 측벽(207, 211)들 및 외부 측벽(206, 210)들에 대해 함께 회전할 것이다[이전과 마찬가지로, 내부 측벽(207, 211)들은 함께 연결되거나 단일의 벽으로 대체된다. 유사하게, 상기 외부 측벽(206, 210)들은 함께 연결되거나 단일의 외벽으로 대체된다]. 도 9에 도시된 실시예는 NSNS 구성 회전에 대한 NNNN 구성을 도시하고 있다. NNNN 구성의 논의에 대해서는 도 5c 및 5d를 다시 참조하고, NSNS 구성의 논의에 대해서는 도 5d 및 5f를 참조하기 바란다. 전술한 바와 같이, 백 아이언 부품들이 회전할 때, 자기 벽[예를 들어, 측벽(404 및 402)]들 또한 회전하는데, 그 이유는 전술한 바와 같이 자석이 상기 백 아이언 부품들에 고정 가능하게 장착되기 때문이다. 따라서 상기 볼 및 너클 조립체(602)가 하나의 방사방향 자극 또는 자기 원통 세그먼트 길이를 통해 회전할 때(예를 들어, 8극 또는 8개의 원통 세그먼트 모터에 대해 45°), 측판(212) 또한 회전할 것이다[자기 측벽(404) 또는 회전자를 동일한 각도로 회전시킨다]. 이와 일치하여, 상기 볼 및 너클 조립체(603)는 하나의 방사방향 세그먼트 길이를 회전시키고, 상기 측판(208) 또한 회전할 것이다[자기 측벽(402) 또는 회전자를 동일한 각도로 회전시킨다]. 어떤 실시예에 있어서, 회전자 허브(300)를 외부 원통 벽(206, 210)에 결합하여, 이들이 자극 구성 전이를 통해 측판(208, 212)들과 함께 그리고 독립적으로 회전할 수 있도록, 결합 장치가 사용될 수 있다. 자기 벽(402, 404)(또는 회전자)들의 회전은 백 아이언 벽(208, 212)들의 회전을 따를 것이어서, 도 5c 및 5d에 도시된 제1 또는 NNNN 구성으로부터 도 5e 및 5f에 도시된 바와 같은 제2 NSNS 구성으로의 회전을 유발시킨다.
전술한 볼 및 너클 조립체는 개시된 실시예에 사용될 수 있는 회전 액추에이터의 하나의 실시예일 뿐이다. 자기 구성을 시프트하거나 회전시키기 위해, 다양한 다른 선택사항이 사용될 수 있다. 예를 들어, 가중 포지셔너(weighted positioner)가 회전자 판을 새로운 위치로 강제시키도록 원심력을 사용하는, 메커니즘이 사용될 수도 있다. 회전 속도가 충분히 빨라짐에 따라, 상기 가중 포지셔너는 도시된 바와 같은 내부 위치로부터 외부 위치로 던져질 것이다. 상기 가중 포지셔너의 외부 방향으로의 이동은 다음에는 백 아이언 부품들을 소정의 양으로 회전시킨다. 일단 속도가 느려지면, 스프링과 같은 바이어싱 부재는 상기 가중 포지셔너가 그 본래 위치로 복귀하는 것을 허용한다.
다른 실시예에 있어서, 상기 백 아이언 부품들을 서로에 대해 이동시키기 위해 압력판에 외력 또는 에너지를 인가하는 단계가 사용될 수 있다. 다른 실시예는 백 아이언 부품들을 서로에 대해 회전시키기 위해, 기계적 제동력을 인가하는 메커니즘을 사용할 수 있다.
다른 회전 액추에이터는 솔레노이드, 유압식 또는 공압식 램(ram)을 사용하여, 전기적 또는 기계적 연결을 통해 상기 백 아이언 부품들에 힘을 인가할 수 있다. 모든 경우에, 새로운 자기 구성을 생성하기 위해, 적절한 백 아이언 부품들이 다른 백 아이언 부품들에 대해 새로운 위치로 회전될 수 있다. 회전도(degree of rotation)는 특정 모터에서 선택된 극 개수 또는 자기 터널 개수에 따라 의존할 수 있다. 예를 들어, "2극" 또는 "2개의 원통 세그먼트" 토로이드 자기 실린더는, 제1 구성으로부터 제2 구성으로 시프트하기 위해 180°의 회전을 요구할 것이다. 다른 반면에, 4극은 90°회전을 요구할 것이다. 6극은 60°회전, 등을 요구할 수 있다.
전원 판(power plate)과 같은 다양한 절환 메커니즘에 있어서, 전력이 인가됨에 따라, 동등한 힘이 회전자의 두 판으로 전달되고, 회전이 부여된다. 선택된 속도에서, 압력판이 회전자 판의 한쪽에 적용된다. 이는 판 상에 드래그를 부여하여, 그 속도를 감속시킨다. 그러나 다른 판의 속도는 일정하게 유지되고, 이는 판의 정렬의 시프트를 강제한다. 상기 시프팅 동작은, 정지에 도달할 때까지 그리고 회전자 판이 제2 구성에 정착될 때까지, 계속 발생한다. 전이 주기가 비교적 짧은 간격이기 때문에, 상기 전이가 발생할 동안 전력이 간단히 차단될 수 있음도 가능하다.
감속 시, 반작용이 발생한다. 다시, 미리 선택된 속도에서, 압력판이 적용되며, 이는 상기 백 아이언 벽들을 제1 구성으로 시프트시킨다. 이러한 시프팅은, 모터가 판 상에 드래그를 놓는 발전기로서 동작하기 때문에 발생한다. 제1 구성으로의 전이를 돕기 위해, 복귀 스프링이 사용될 수도 있다. 절환을 통해, 상기 코일은 적절한 시간에 적절한 코일이 전력을 생성하는 것을 보장하기 위해, 미리 프로그램된 시간에만 "작동"하도록 허용될 수 있다. 다양한 실시예에 있어서, 상기 코일은 절환 프로세스의 보조물로서 사용될 수도 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 클러치 및 와전류 브레이크 시스템이 사용될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 모든 측벽 및 실린더 벽들은 공통 축에 연결될 수 있다. 클러치 또는 디커플링(decoupling) 메커니즘은 선택된 쌍의 회전자 또는 벽들을 분리시킬 수 있다. 일단 두 쌍의 회전자[예를 들어, 자기 벽(208, 212)들을 통한 자기 벽(402, 404)들]들이 분리된다면, 와전류 브레이크는 결합된 회전자에 대해 상기 회전자를 오정렬시키거나 또는 회전시키기 위해, 상기 선택된 쌍의 회전자(또는 자기 벽들)들에 제동 토오크를 일시적으로 인가할 수 있다. 그 후, 상기 와전류 브레이크는 일단 원하는 회전각이 달성되었다면 비활성화된다. 어떤 실시예에 있어서, 오정렬 각도는 작동 속도에 따라 결정될 수 있다.
와전류 브레이크를 비활성화시킴으로써, 회전자(또는 자기 벽들)들은 클러치 시스템을 통해 앞뒤로 놓일 수 있으며, 또한 수정된 자기 구성 내의 동기화가 재설정될 것이다. 상기 와전류 브레이크는 비접촉식 배치에 의해 형성될 수 있으며, 여기서 표면 코일들을 갖는 세그먼트형 디스크 회전자는 제동 토오크를 생성하기 위해 상기 회전자의 영구자석들과 결합할 것이다. 와전류 브레이크에서 전류 방향의 역전에 의해, 또는 제2 자극 구성(예를 들어, NSNS 자극 구성)으로부터 제1 자극 구성(예를 들어, NNNN 자극 구성)으로의 점진적 제동에 의해, 역 전이(reverse transition)가 달성될 수 있다.
도 10은 3상 전력 입력 및 제어기(590)와 전기적으로 통신하는 다수의 홀 효과(Hall effect) 센서(592)들에 결합된 코일 조립체(500)의 개념도이다. 본 기술분야에 알려진 바와 같이, 임의의 통상적인 절환 장치가 상기 제어기(590)와 함께 사용될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 고정자 또는 코일 조립체(500)는 자기 섹터당 6개의 코일들을 포함하는 8개의 단극성(uni-polarity) 섹터들을 포함할 수 있다. 상기 코일들은 45°의 섹터 이동을 통해 연속적으로 활성화된 상태로 유지되도록 설계될 수 있다.
2개의 인접한 코일들은 설계 요구사항에 따라 직렬로 또는 병렬로 그룹화될 수 있고, 또한 각각의 단극성 섹터에서의 등가 코일에 연결될 수 있다. 명확함을 위해, 오직 "A" 위상만 도시되어 있다. 이 실시예에서는 코일이 절연되지만, 그러나 델타 및 와이(wye) 연결 장치가 사용될 수도 있다.
각각의 위상은 단극성 섹터에 들어감에 따라 적절한 극성으로 활성화된다. 그 후, 적절한 홀 효과 센서가 이런 극성 변화에서 활성화되어, 위상(A)에 입력된 전력의 적절한 극성을 활성화시키는 제어기(590)에 신호를 전송하며, 코일 이동을 통해 회로 상에 연속적인 공급 전압이 인가된다.
상기 홀 효과 센서가 코일이 다음의 연속적인 단극성 섹터에 들어가는 것을 감지하였을 때, 상태의 변화가 시작되고, 이때 코일은 적절한 극성의 연속 전압으로 다시 펄스된다.
이 실시예는 속도 및 토오크를 적절히 제어하기 위해 전력 입력에서 가변 전압을 사용하고 있으며, 또한 필드 약화를 제어하기 위해 다른 방법으로서 이용될 수 있다. 이 배치에서는 다른 위상 시퀀스가 가능하다. 예를 들어, 6상 전원이 6개의 회로 그룹들에 연결될 수 있으며, 따라서 모터 공급 도전체의 물리적 재배치 없이 다극성(multipole)의 고 토오크 기계를 가능하게 할 수 있다. 소프트웨어는 코일 펄스 순서를 재조합하여, 특정 그룹의 인접한 코일들을 중첩시켜, 3상 공급을 가능하게 한다.
본 발명의 요약서는 요약서를 요구하는 규칙에 따라야 하는 유일한 이유로만 제공되었으며, 이는 검색자가 본 발명으로부터 발행된 임의의 특허의 기술적 발명의 내용을 신속하게 확인하는 것을 허용할 것이다. 이는 청구범위의 범주나 의미를 해석하거나 제한하는 데 사용되지 않을 것이라는 이해 하에 제출되었다.
기재된 임의의 이점 및 이득은 본 발명의 모든 실시예에 적용하지 않을 수 있다. "수단(means)"이라는 단어가 청구 요소에 언급되었을 때, 출원인은 청구 요소가 35 USC 112, 6항에 속한다는 것을 의도한다. 종종 하나 또는 그 이상의 단어의 표시가 상기 "수단"이라는 용어 앞에 선행한다. 상기 "수단"이라는 단어 앞에 선행하는 단어 또는 단어들은, 청구 요소의 참조를 용이하도록 의도된 표시이며, 구조적 제한을 전달하도록 의도된 것이 아니다. 이러한 수단 및 기능 청구범위는 상기 기능을 수행하기 위해 여기에 기재된 구조 및 그 구조적 등가물뿐만 아니라, 등가의 구조물도 포함하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 못과 나사가 상이한 구조를 갖더라도, 이들 둘은 고정이라는 기능을 모두 수행하기 때문에, 등가 구조물이다. 상기 수단이라는 단어를 사용하지 않는 청구항은 35 USC 112, 6항에 속하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명의 실시예의 전술한 설명은 예시 및 기재의 목적으로 제시되었다. 이는 본 발명을 기재된 정확한 형태로만 제한하거나 포괄적이도록 의도되지 않는다. 상기 교시에 비추어, 많은 조합, 수정, 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 어떤 실시예에 있어서, 전술한 부품 및 특징부의 각각은 개별적으로 또는 순차적으로 다른 부품이나 특징부와 조합될 수 있으며, 그리고 여전히 본 발명의 범주 내에 속한다. 호환성 부품들을 갖는 기재되지 않은 실시예도 여전히 본 발명의 범주 내에 속한다. 본 발명의 범주는 이런 상세한 설명에 의해서가 아니라, 오히려 청구범위에 의해 한정되는 것으로 의도된다.

Claims (19)

  1. 전기 기계로서:
    축방향 축선;
    상기 축방향 축선에 대해 위치된 토로이드 터널을 포함하며,
    상기 토로이드 터널은,
    상기 축방향 축선에 대해 원주방향으로 이격된 다수의 제1 영구 자극들을 포함하고, 상기 다수의 제1 영구 자극들에서의 각각의 자극은 상기 토로이드 터널의 내부를 향해 대면하고 그 인접한 자극들과는 반대 극성을 갖는, 제1 회전자;
    상기 제1 회전자를 포함하고 그리고 이와는 대향하여 위치되는 제2 회전자로서, 상기 제2 회전자는 상기 축방향 축선에 대해 원주방향으로 이격된 다수의 제2 영구 자극들을 포함하고, 상기 다수의 제2 영구 자극들에서의 각각의 자극은 상기 토로이드 터널의 내부를 향해 대면하고 그 인접한 자극과는 반대 극성을 갖는, 제2 회전자;
    상기 토로이드 터널은 제1 레벨의 전자기 토오크를 생성하기 위해 상기 자극들이 각도를 두고 정렬되는 제1 자극 구성으로부터 제2 레벨의 전자기 토오크를 생성하기 위해 상기 자극들이 각도 회전하는 제2 자극 구성으로 회전하도록 작용하며,
    상기 토로이드 터널의 일부를, 상기 제1 자극 구성으로부터 상기 제2 자극 구성으로 기계적으로 회전시키기 위해, 상기 회전자들 중 적어도 하나에 결합되어 제1 회전 액추에이터, 및
    상기 토로이드 터널 내에 위치된 코일 조립체에 의해 형성되는,
    전기 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 회전자는 상기 축방향 축선에 대해 위치된 외부 원통 벽을 포함하고, 상기 제2 회전자는 상기 축방향 축선 주위에 대해 위치되고 또한 상기 제1 원통 벽에 대향하여 위치되는 내부 원통 벽을 포함하는,
    전기 기계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 토로이드 터널은,
    상기 축방향 축선에 대해 위치되고 상기 제1 회전자 및 제2 회전자에 축방향으로 인접하여 위치되는 제3 회전자로서, 상기 제3 회전자는 상기 축방향 축선에 대해 원주방향으로 이격된 다수의 제3 영구 자극들을 포함하고, 상기 다수의 제3 영구 자극들에서의 각각의 자극은 상기 토로이드 터널의 내부를 향해 대면하고 그 인접한 자극들과는 반대 극성을 갖는, 제3 회전자; 및
    상기 축방향 축선에 대해 위치되고 상기 제1 회전자 및 제2 회전자에 축방향으로 인접하고 그리고 상기 제3 회전자로부터 축방향으로 위치되는 제4 회전자로서, 상기 제4 회전자는 상기 축방향 축선에 대해 원주방향으로 이격된 다수의 제4 영구 자극들을 포함하고, 상기 다수의 제4 영구 자극들에서의 각각의 자극은 상기 토로이드 터널의 내부를 향해 대면하고 그 인접한 자극들과는 반대 극성을 갖는, 제4 회전자를 더 포함하는,
    전기 기계.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제3 회전자는 상기 외부 원통 벽 및 내부 원통 벽에 인접하여 위치된 제1 측벽을 포함하고, 상기 제4 회전자는 상기 외부 원통 벽 및 내부 원통 벽에 인접하게 위치되고 상기 제1 측벽으로부터 축방향으로 이격된 대향 측벽을 포함하는,
    전기 기계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 자극 구성에서, 상기 다수의 제1 영구 자극들, 상기 다수의 제2 영구 자극들, 상기 다수의 제3 영구 자극들, 및 상기 다수의 제4 영구 자극들의 N 자극 극성은, NNNN 자극 구성을 형성하기 위해 모두 축방향으로 그리고 방사방향으로 정렬되는,
    전기 기계.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 자극 구성에서, 상기 다수의 제1 영구 자극들의 N 자극 극성 및 상기 다수의 제2 영구 자극들의 N 자극 극성은 서로 대향하고, NSNS 자극 구성을 형성하기 위해 상기 다수의 제3 영구 자극들 및 상기 다수의 제4 영구 자극들의 S 자극 극성과 방사방향으로 정렬되는,
    전기 기계.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 회전 액추에이터는, 상기 제3 회전자가 상기 제1 회전자 및 제2 회전자와는 독립적으로 상기 제1 자극 구성으로부터 미리 결정된 회전 각도를 통해 상기 제2 자극 구성으로 회전할 수 있도록, 상기 제3 회전자에 기계적으로 결합되는,
    전기 기계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제4 회전자가 상기 제1 회전자 및 제2 회전자와는 독립적으로 상기 제1 자극 구성으로부터 미리 결정된 회전 각도를 통해 상기 제2 자극 구성으로 회전할 수 있도록, 상기 제4 회전자에 결합되는 제2 회전 액추에이터를 더 포함하는,
    전기 기계.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 회전 액추에이터는, 상기 제3 및 제4 회전자가 상기 제1 회전자 및 제2 회전자와는 독립적으로 상기 제1 자극 구성으로부터 미리 결정된 회전 각도를 통해 상기 제2 자극 구성으로 회전할 수 있도록, 상기 제3 회전자와 상기 제4 회전자 모두에 기계적으로 결합되는,
    전기 기계.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 자극 구성에서, 상기 다수의 제1 영구 자극들의 N 자극 극성 및 상기 다수의 제3 영구 자극들의 N 자극 극성은, 축방향으로 서로 인접하고, NNSS 자극 구성을 형성하기 위해 상기 다수의 제2 영구 자극들 및 상기 다수의 제4 영구 자극들의 S 자극 극성에 대향하는,
    전기 기계.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 회전 액추에이터는, 상기 제1 및 제3 회전자가 상기 제2 회전자 및 제4 회전자와는 독립적으로 상기 제1 자극 구성으로부터 상기 미리 결정된 회전 각도를 통해 상기 제2 자극 구성으로 회전할 수 있도록, 상기 제1 회전자와 제3 회전자 모두에 기계적으로 결합되는,
    전기 기계.
  12. 전기 전동 회전을 생성하는 방법으로서,
    축방향 축선에 대해 토로이드 터널을 위치시키는 단계로서, 상기 토로이드 터널은,
    상기 축방향 축선에 대해 원주방향으로 이격된 다수의 제1 영구 자극들을 포함하고, 상기 다수의 제1 영구 자극들에서의 각각의 자극은 상기 토로이드 터널의 내부를 향해 대면하고 그 인접한 자극들과는 반대 극성을 갖는, 제1 회전자;
    상기 제1 회전자를 포함하고 그리고 이와는 대향하여 위치되는 제2 회전자로서, 상기 제2 회전자는 상기 축방향 축선에 대해 원주방향으로 이격된 다수의 제2 영구 자극들을 포함하고, 상기 다수의 제2 영구 자극들에서의 각각의 자극은 상기 토로이드 터널의 내부를 향해 대면하고, 그 인접한 자극들과는 반대 극성을 갖는, 제2 회전자;
    상기 축방향 축선에 대해 위치되고 또한 상기 제1 회전자 및 제2 회전자에 축방향으로 인접하여 위치되는 제3 회전자로서, 상기 제3 회전자는 상기 축방향 축선에 대해 원주방향으로 이격된 다수의 제3 영구 자극들을 포함하고, 상기 다수의 제3 영구 자극들에서의 각각의 자극은 상기 토로이드 터널의 내부를 향해 대면하고 그 인접한 자극들과는 반대 극성을 갖는, 제3 회전자; 및
    상기 축방향 축선에 대해 위치되고 상기 제1 회전자 및 제2 회전자에 축방향으로 인접하고 그리고 상기 제3 회전자로부터 축방향으로 위치되는 제4 회전자로서, 상기 제4 회전자는 상기 축방향 축선에 대해 원주방향으로 이격된 다수의 제4 영구 자극들을 포함하고, 상기 다수의 제4 영구 자극들에서의 각각의 자극은 상기 토로이드 터널의 내부를 향해 대면하고 그 인접한 자극들과는 반대 극성을 갖는, 제4 회전자에 의해 형성되고,
    회전자에 전자기력을 인가하기 위해, 상기 토로이드 터널 내에 위치된 코일 조립체에 전류를 인가하는 단계; 및
    상기 토로이드 터널을 형성하는 적어도 하나의 회전자를, 제1 레벨의 전자기 토오크를 생성하기 위해 상기 자극들이 각도를 두고 정렬되는 제1 자극 구성으로부터, 제2 레벨의 전자기 토오크를 생성하기 위해 상기 자극들이 각도를 두고 회전되는 제2 자극 구성으로 회전시키는 단계를 포함하는,
    전기 전동 회전 생성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 자극 구성에서, 상기 다수의 제1 영구 자극들, 상기 다수의 제2 영구 자극들, 상기 다수의 제3 영구 자극들, 및 상기 다수의 제4 영구 자극들의 N 자극 극성은, NNNN 자극 구성을 형성하기 위해 모두 축방향으로 그리고 방사방향으로 정렬되는,
    전기 전동 회전 생성 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 자극 구성에서, 상기 다수의 제1 영구 자극들의 N 자극 극성 및 상기 다수의 제2 영구 자극들의 N 자극 극성은 서로 대향하고, NSNS 자극 구성을 형성하기 위해 상기 다수의 제3 영구 자극들 및 상기 다수의 제4 영구 자극들의 S 자극 극성과 방사방향으로 정렬되는,
    전기 전동 회전 생성 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 자극 구성에서, 상기 다수의 제1 영구 자극들의 N 자극 극성 및 상기 다수의 제3 영구 자극들의 N 자극 극성은 서로 축방향으로 인접하고, NNSS 자극 구성을 형성하기 위해 상기 다수의 제2 영구 자극들 및 상기 다수의 제4 영구 자극들의 S 자극 극성과 대향하는,
    전기 전동 회전 생성 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 토로이드 터널을 형성하는 적어도 하나의 회전자를 회전시키는 단계는, 상기 제1 회전자 및 제2 회전자와는 독립적으로 상기 제3 회전자를, 상기 제1 자극 구성으로부터 미리 결정된 회전 각도를 통해 상기 제2 자극 구성으로 회전시키는 단계를 더 포함하는,
    전기 전동 회전 생성 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 토로이드 터널을 형성하는 적어도 하나의 회전자를 회전시키는 단계는, 상기 제1 회전자 및 제2 회전자와는 독립적으로 상기 제4 회전자를, 상기 제1 자극 구성으로부터 미리 결정된 회전 각도를 통해 상기 제2 자극 구성으로 회전시키는 단계를 더 포함하는,
    전기 전동 회전 생성 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 토로이드 터널을 형성하는 적어도 하나의 회전자를 회전시키는 단계는, 상기 제1 회전자 및 제2 회전자와는 독립적으로 상기 제3 회전자와 제4 회전자 모두를, 상기 제1 자극 구성으로부터 미리 결정된 회전 각도를 통해 상기 제2 자극 구성으로 회전시키는 단계를 더 포함하는,
    전기 전동 회전 생성 방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 토로이드 터널을 형성하는 적어도 하나의 회전자를 회전시키는 단계는, 상기 제2 회전자 및 제4 회전자와는 독립적으로 상기 제1 회전자 및 제3 회전자를, 상기 제1 자극 구성으로부터 미리 결정된 회전 각도를 통해 상기 제2 자극 구성으로 회전시키는 단계를 더 포함하는,
    전기 전동 회전 생성 방법.
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