KR20190039377A

KR20190039377A - 모터

Info

Publication number: KR20190039377A
Application number: KR1020180114805A
Authority: KR
Inventors: 치멜리? 페트르; 고엘 애시쉬; 자쿠바스첵 머렉
Original assignee: 로맥스 테크놀로지 리미티드
Priority date: 2017-10-03
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2019-04-11
Also published as: US20190103791A1; CN111164858B; US11632024B2; GB201815662D0; JP2019068729A; CN111164858A; GB2567316A; GB2567316B; EP3468006A1; WO2019069178A1

Abstract

복수의 자극들을 가지며 원형 배열로 배치된 다수의 자극 피스들을 포함하는 영구 자석 로터 어셈블리의 구성. 영구 자석들의 2 개의 셋트들 - 로터의 원주방향으로 자화된 하나의 셋트 및 로터의 축방향으로 플럭스를 제공하며, 자극 피스를 통해 포커싱된 자속을 발생시키며, 스테이터의 자속과 상호작용하는 제2 셋트. 자기 재료로 제조되는 단부-플레이트들이 이들과 자극 피스들의 배열 사이에 축방향 갭이 있도록 존재한다. 원주방향으로 자화된 자석들이 자극 피스들 사이의 원주방향 갭들 내에 배치되며, 반면에 축방향으로 플럭스를 제공하는 자석들이 자극 피스들의 어레이와 단부-플레이트들 사이의 갭들 내에 배치된다.

Description

모터{MOTOR}

본 발명은 영구 자석 모터들(permanent magnet motors)에 관한 것이다.

전기 기기(electrical machine)를 위한 2차원적으로 자속 집중된 방사형 자기장 회전자(two dimensionally flux focused radial field rotor)의 개념은 K. Atallah and J. Wang (A rotor with axially and circumferentially magnetized permanent magnets, IEEE Transactions on Magnetics, Nov 2012)에 의해 개시되었다. 상기 개념은 2개의 세트의 자석들을 이용하며, 하나의 세트는 원주방향으로의 자속을 제공하며 다른 하나의 세트는 축방향으로의 자속을 제공한다. 두 세트들의 자석들에 의해 형성된 자속(magnetic flux)은 자극편들(magnetic pole pieces)에 의해 전기 기기 에어 갭(air gap)을 향해 안내된다. 추가적으로 자기 단부 플레이트들(magnetic end-plates)은 축방향으로의 자속 이동을 위한 귀환 경로(return path)를 제공하기 위해 사용된다. 상술한 2차원적 자속 집중(two-dimensional flux focusing)으로 인해, 에어 갭 자속 밀도는 회전자에서 사용되는 영구자석들의 잔류자속 밀도(remanent flux density)보다 상당히 더 높을 수 있다. 유사한 개념이 Matsuhashi et al. (Comparison study of various motors for EVs and the potentiality of a ferrite magnet motor, The 2014 International Power Electronics Conference, Hiroshima, 2014)에 의해 개시되었다. 추가적으로, Yaskawa Denki Seisakusho KK (CN102761220 (A): Magnet-embedded rotary motor, 2012-10-31)은 유사해 보이는 회전자 토폴로지(topology)를 기술하며, 중요한 차이점은 비자성물질(non-magnetic material)로 제조된 단부 플레이트들에 있다. 이러한 배치구조에서는 축방향으로 자화된 자석들이 자속 집중을 돕기보다는 축방향 누설(axial leakage)을 제한하기 위해 사용된다. Mitsubishi Electric Corporation (US2017098971 (A1): Rotor for permanent magnet motor, 2017-04-06)는 축방향으로 자속을 공급하는 영구자석들 및 자극들의 원형 어레이(circular array)를 갖는 방사형 자기장 회전자 개념을 개시하며 원주방향으로 자화된 자석들의 추가의 가능성이 기술된다. Mabuchi Motor Co. (US2014210294 (A1): Rotor and Motor, 2014-07-31)는 단일 피스 회전자 코어 및 반경방향으로 형성된 홀딩 섹션들에 유지된 다수의 자석들을 포함하는 회전자를 보여준다. N-극들과 S-극들이 원주방향으로 번갈아 형성된다. 이들은 또한 축방향으로 자화된 회전자 코어의 단부면에 보조 자석들을 포함한다. EP1416618은 작동을 위해 필요한 회전자 여자(rotor excitation)를 달성하기 위하여 고정자에 장착된 여자 코일(excitation coil)이 필요한 하이브리드 여자(hybrid excitation)를 갖는 특별한 유형의 동기 기기(synchronous machine)를 개시한다. 상기 언급된 참고 문헌들은 자극편들을 통한 자속 집중의 개념을 사용하며 이하의 단락들에서 논의되는 바와 같이, 이러한 유형의 회전자의 경우 많은 문제점들이 있다.

2개의 세트의 자석들로부터의 자속은 원주방향 및 축방향으로 배향된다. 자속이 자극편들 내로 집중되는 경우, 회전자와 고정자 사이의 에어 갭을 향하여 반경방향으로 지향된다. 따라서, 각각의 자극편 및 다른 자성체들 내의 자속의 경로는 3차원이다. 따라서, 회전자 자기 회로의 모든 부품들의 자기 특성들은 등방성(isotropic) 성질들을 갖는 경우 유리하다. 추가적으로, 특히 고체 바디들 내의 와전류들(eddy currents)의 흐름으로 인한 전자기 특성의 동력 손실(power loss)이 회전자의 전기 전도성 부품들 내에 존재할 수도 있다. 와전류들은 회전자에 대해 비동기적으로(asynchronously) 이동하는 에어 갭 자지장들의 공간 하모닉스(space harmonics)에 의해 유도되며 아마도 예를 들면 고정자 슬로팅(slotting)에 의해 형성될 수 있다. 등방성 성질들을 보장하는 것과 동시에 동력 손실을 제한하는 것은 도전적인 일이다.

영구 자석들은 외부장들(external fields)에 의해 또는 높은 자기저항 자기 회로(high reluctance magnetic circuit)에 의해 오버로딩되는 경우 부분적으로 또는 완전히 소자(消磁)될 수 있다(demagnetised). 이것은 정상 작동 동안 또는 고장상태 하에서 발생할 수 있으며 낮은 보자력(coercive force)을 갖는 값싼 자석들이 사용되는 경우 특별한 관심을 갖는다. 소자(demagnetisation)에 저항할 수 있는 낮은 보자력 자석들을 사용하는 회전자 설계는 달성하기가 어렵다.

자속 집중의 효과성(effectiveness of flux focusing)은 자속 누설의 최소화(minimisation of magnetic flux leakage)에 의존한다. 전기 기기의 누설 자속(leakage flux)은 전기 기계의 에너지 변환에 기여하지 못하는 자속의 일부이며, 보통 기생적인 것으로 고려된다. 공기보다 더 높은 비투자율(relative permeability)을 갖는 회전자의 구조 부품들은 이러한 문제를 악화시킬 수 있으며, 비자성체(non-magnetic materials)로 제조되는 부품들은 상당히 더 비쌀 수 있다. 일부 비자성체는 기계적 또는 열적 응력 하에서 안정적이지 못하다.

구조적 완전성(구조적 안정)(structural integrity)은 문제인데, 왜냐하면 다수의 부품들이 함께 수용되며 반경방향, 축방향 및 원주방향 부하를 받기 때문이다. 이러한 도전의 스케일은 회전자의 작동 속도와 함께 증가한다. 또한, 회전자와 고정자 사이의 작은 에어 갭으로 인해, 회전자의 반경방향 확장(팽창)은 또한 최소화되어야 한다. 회전자의 반경방향 확장은 부품들의 신장(stretching) 및 항복(yielding)의 결과일 수 있다. 영구 자석들과 같은 부품들의 일부는 본래 빈약한 기계적 특성들을 갖는다.

본 발명은 회전자의 부품들과 특정 배치구조들에서의 특징들의 세트를 포함하며 이를 통해 상기 언급된 문제점들이 해결된다. 제시된 실시형태들은 기계적으로 강인한 설계를 제공하며 동시에 전자기 성능을 손상시키지 않는다.

본 명세서에 제시된 영구 자석 회전자는 2차원 자속 집중(two-dimensional flux focusing)을 사용하는 신규한 개념이며, 낮은 잔류 자속 밀도를 갖는 자석들을 사용함에도 불구하고 상기 회전자가 설치된 전기 기기들에서 높은 에어 갭 자속 밀도를 달성하는 것을 가능하게 만든다. 그 결과, 현재 일반적이지만 공급 체인 이슈로부터 어려움이 있으며 상당히 더 비싼 고성능 회토류 기반 영구 자석들 대신에 페라이트와 같은 저비용 재료들이 사용될 수 있다. 상기 회전자가 설치된 전기 기기들은 희토류 기반 전기 기기들(rare earth based electrical machines)과 유사한 효율 및 출력 밀도 및 현재 최신 기술인 비희토류 기술에 대해 개선된 성능을 달성하는 가능성을 보여준다. 이로 인해, 제시된 회전자 기술은 고성능(high perfomance), 저비용(low cost) 및 강인성(robustness)이 요구되는 적용들에 특히 적합하다. 추가적으로, 페이라트 자석들의 안정적인 공급은 비교적 저 리스크 대량생산(low risk high volume production)을 가능하게 한다. 이들 모든 이점들로 인해, 본 발명은 환경 친화적인 기술들(environmentally friendly technologies)의 광범위한 채택을 가속화하는 가능성을 갖는다. 제시된 발명으로부터 가장 유익할 것 같은 적용들 가운데 감소된 또는 제로 에미션 오토모티브 트랙션과 재생 가능한 동력 발생(reduced or zero emission automotive traction and renewable power generation)이 있다.

상기 문제점들을 해결하고 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 태양은 그것이 통합되는 시스템으로 또는 시스템으로부터 토크의 전달을 가능하게 하는 샤프트와 전자기적 능동 부품들 사이의 기계적 연결을 갖는 2차원적으로 자속 집중된 회전자 어셈블리이다. 추가적으로, 자속 누설은 누설 경로를 제공하는 부품들을 생략함에 의해 또는 비자성체들(non-magnetic materials)을 사용함에 의해 최소화된다. 제시된 해결책들은 또한 영구자석들의 소자(demagnetisation) 저항을 개선하며 전자기 특성의 동력 손실을 최소화한다. 또한 회전자의 기계적 강인성을 향상시키는 부품들과 특징들이 도입된다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 다수의 자극들(magnetic poles)을 갖는 영구 자석 회전자 어셈블리가 제공되며, 다음의 부품들: 원형 어레이(circular array)로 배열된 복수의 자극편들(magnetic pole pieces)로서 그들 사이에 원주방향 갭들을 갖는 복수의 자극편들; 원주방향 갭들에 배치된 원주방향으로 자화된 자석들의 어레이로서 원주방향으로 인접한 자석들은 서로에 대해 반대 방향으로 자화되는 자석들의 어레이; 각각의 자기 단부 플레이트와 자극편들 사이에 축방향 갭이 존재하도록 자극편들의 원형 어레이에 대해 축방향 위치를 갖는 자기 단부-플레이트들(magnetic end-plates); 축방향 갭들에 배치되는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 원형 어레이들로서 각 어레이의 원주방향으로 인접한 자석들은 서로에 대해 반대 방향으로 자화되는 자석들의 원형 어레이들; 제너레이션 모드에서 회전자와 프라임무버 사이의 그리고 모터 모드에서 회전자와 로드(load) 사이의 토크 전달을 위해 사용되는 샤프트; 및 (ⅰ) 샤프트와 (ⅱ) 자극편들 및 자석들의 어레이들 사이에 높은 자기 저항(magnetic reluctance)을 갖는 플럭스 배리어 영역(flux barrier region)을 포함하며; 단부 플레이트들의 하나 및 대응하는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 어레이가 회전자 어셈블리의 각각의 단부에 배치되며; 자기 단부 플레이트들은 샤프트를 회전자 어셈블리의 나머지에 연결한다. 개시된 발명의 이점들 중에 자속 집중된 회전자 구조를 형성하는 자극편들과 함께 2개의 독립적인 영구 자석들의 어레이들의 이용이 있다. 자기 단부 플레이트들은 샤프트와 회전자 어셈블리의 나머지 사이의 토크를 전달함에 있어서의 구조적 목적(structural purpose), 및 축방향으로의 자속을 제공하는 자석들로부터의 자속을 위한 귀환 경로(return path)를 제공함에 있어서의 자기 목적(magnetic purpose) 양자의 기능을 한다. 회전자의 내경에서의 자속 누설(flux leakage)의 공통의 이슈는 샤프트가 높은 비투자율(relative permeability)을 갖는 저렴한 연강(mild steel)을 제조되는 것을 가능하게 하며 누설을 크게 감소시키는 플럭스 배리어 영역에 의해 처리된다. 개시된 구조에서는 자극 대 자극 및 자극 대 단부 플레이트 누설은 최소화되는데, 왜냐하면 이들 사이에 자기 전도성 연결이 있다는 사실 때문이다. 유리하게는, 본 발명은, 어떤 종래기술 발명들과는 달리, 자기 여자(magnetic excitation)의 외부 공급원(source)들에 의존하지 않으며 임의의 종래의 동기 기기 고정자(synchronous machine stator)와 함께 사용될 수 있다.

바람직하게는, 플럭스 배리어 영역은 (ⅰ) 샤프트와 (ⅱ) 자극편들 사이의 에어 갭(air gap), 원주방향으로 자화된 자석들 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 포함한다. 공기는 플럭스 배리어 영역을 위한 이상적인 물질인데 왜냐하며 그것은 1의 비투자율(relative magnetic permeability)을 가지며 장치의 비용을 증가시키지 않기 때문이다.

바람직하게는, 플럭스 배리어 영역은 에어 갭 및 비자성체로 제조된 고체 및/또는 (ⅰ) 샤프트와 (ⅱ) 자극편들 사이의 반경방향으로 자화된 자석, 원주방향으로 자화된 자석들 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 포함한다. 유리하게는, 플럭스 베리어 영역은 회전자의 구조적 강인성을 향상시키기 위하여 비자성 구조물들에 의해 점유될 수 있다.

바람직하게는, 샤프트는 2개의 부품들을 포함하며, 상기 2개의 부품들의 각각은 회전자의 각 측에서 자기 단부 플레이트들에 직접 연결되며, 플럭스 배리어 영역은 (ⅰ) 샤프트 부품들과 (ⅱ) 자극편들 사이의 에어 갭, 원주방향으로 자화된 자석들 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 포함한다. 개시된 해결책은 자극편들의 내경보다 더 큰 외경을 갖는 샤프트의 사용을 가능하게 한다. 추가적으로, 플럭스 배리어 영역의 크기가 증가될 수 있다.

바람직하게는, 플럭스 배리어 영역은 (ⅰ) 샤프트와 (ⅱ) 자극편들 사이에 배치된 회전자 허브(rotor hub), 원주방향으로 자화된 자석들 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 포함하며; 자기 단부 플레이트들의 내경은 샤프트의 외경과 같다. 또, 플럭스 배리어 영역은 회전자의 구조적 강인성을 향상시키는 부품을 내장하기 위해 사용된다.

바람직하게는, 부품들은 다음 특징들 중 하나 이상으로 구성된다: 자기 단부 플레이트들의 내경은 샤프트의 외경과 같다; 자극편들 및/또는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 반경방향으로 구속하기 위하여 립(lip)들을 형성하기 위해 축방향으로 돌출된 자기 단부 플레이트들의 부분들; 축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 형상을 수용하기 위하여 단부 플레이트들의 축방향 두께는 반경방향 위치에 따라 변한다; 자기 단부 플레이트들은 원주방향으로 자화된 자석들의 각위치(angular location)에서 반경방향 리브(rib)들을 가지며, 리브들의 원주방향 폭은 리브들이 축방향으로 자속을 제공하는 자석들 사이의 갭(gap)들에 맞도록 구성된다; 자기 단부 플레이트들은 원주방향으로 자화된 자석들에 인접한 면에 원주방향으로 자화된 자석들의 각위치에서 슬롯(slot)들을 가지며, 자기 단부 플레이트들의 축방향 두께보다 더 작은 축방향 깊이와 원주방향으로 자화된 자석들을 수용하기 위한 축방향 횡단면을 갖는다; 자기 단부 플레이트들은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들에 인접한 면에 축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 각 위치에서 슬롯들을 가지며, 자기 단부 플레이트들의 축방향 두께보다 더 작은 축방향 깊이와 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 수용하기 위한 축방향 횡단면을 갖는다. 이들 특징들은 부품들의 기계적 구속을 도우며, 토크 전달을 위한 경로를 제공하며 조립 동안 상이한 부품들을 배치하는 것을 돕는다.

바람직하게는, 원주방향으로 자속을 제공하는 자석들 및 자극편들은 같은 축방향 길이들을 갖는 2개의 축방향 부분들로 나누어지며 이들 사이에 갭을 갖는다; 비자성체를 포함하는 링은 갭을 점유하는 2개의 축방향 부분들 사이에 끼워진다; 링의 축방향 두께는 자극편 부분들의 축방향 두께보다 상당히 더 작다; 링의 외경은 자극편들의 외경보다 작거나 같다. 비자성 링은 단지 기계적 목적을 가지며 샤프트에 장착된 단부 플레이트들 상의 축방향 하중을 사용하여 마찰 그립 조인트로 부품들을 구속하는 것(constraining)을 돕는다. 바/파스너(bar/fastener)는 이 경우 필요하지 않으며 이것은 회전자의 기계적 구성을 단순화한다.

바람직하게는, 축방향 바들 또는 파스너들은 다음 구성들 중 하나에서 회전자의 하나 이상의 능동 부품(active component)들을 구조적으로 지지한다: (a) 하나 이상의 축방향 바들 또는 파스너들은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들 및 자극편들을 자기 단부 플레이트들에 부착하며; 축방향으로 자석들을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 자극편들은 파스너들을 수용하기 위한 특징부들을 포함한다; (b) 하나 이상의 축방향 바들 또는 파스너들은 자극편들을 자기 단부 플레이트들에 부착하며; 자기 단부 플레이트들 및 자극편들은 파스너들을 수용하기 위한 특징부들을 포함한다; (c) 하나 이상의 축방향 바들 또는 파스너들은 자극편들을 높은 자기 저항(magnetic reluctance)을 갖는 하나 이상의 비자성 링들에 부착하며, 자극편들에 구조적 지지를 제공하며; 자극편들 및 비자성 링들은 파스너들을 수용하기 위한 특징부들을 포함한다; (d) 하나 이상의 축방향 바들 또는 파스너들은 자극편들을 비자성체를 포함하는 링, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들 및 자기 단부 플레이트들에 부착하며, 원주방향으로 자속을 제공하는 자석들과 자극편들은 같은 축방향 길이들을 갖는 2개의 축방향 부분들로 나누어지며 이들 사이에 갭을 가지며, 비자성체를 포함하는 링은 갭을 점유하는 2개의 축방향 부분들 사이에 끼워진다. 축방향 바들 또는 파스너들은 회전자 조립체의 상이한 부품들을 기계적으로 구속하기 위해 사용되며 그리고 이들은 고속 적용들을 위해 구조적 완전성(구조적 안정)(structural integrity)을 보장하기 위해 설계될 수 있다.

바람직하게는, 원심력들에 대해 자극편들과 자석들을 구속하기 위해 회전자의 외경에 배치되는 하나 이상의 리텐션 슬리브(retention sleeve)들을 더욱 포함한다. 슬리브는 부품들의 반경방향 구속을 제공하며, 이것은 부품 형상들이 단순해질 수 있으며 바들/파스너들이 기계적 하중들에 대한 구속들을 위해 필수적이지 않다는 것을 의미한다.

바람직하게는, 자극편들은 다음 중 하나를 포함한다: 내경 및/또는 외경 근처의 축방향 및/또는 원주방향 돌출부; 내경 및 외경 근처의 부분들보다 더 좁은 반경방향 중앙 부분; 내경 근처의 부분의 원주방향 및/또는 축방향 폭보다 상당히 더 큰 외경 근처의 부분의 원주방향 및/또는 축방향 폭. 자극편들의 형상의 이들 간단한 변화들은 원주방향으로 자화된 자석들의 기계적 구속(mechanical constraint)을 가능하게 하며 향상시킨다.

바람직하게는, 자극편들은 다음 중 하나를 포함한다: 강자성 적층 시트들(ferromagnetic laminated sheets); 고체 자성체(solid magnetic material); 변화하는 자기장들에 노출된 자극편 표면으로 커팅된 원주방향 및/또는 축방향 채널들을 포함하는 고체 자성체; 결합제에 의해 함께 접합되며 서로 전기 절연되는 자분들(magnetic particles); 자극체(pole body) 및 폴슈(pole shoe)로서, 자극체는 고체 재료, 적층 시트들 또는 접합된 자분들을 포함하며, 폴슈는 적층 시트들 또는 접합된 자분들을 포함하며, 2개의 부품들 사이의 갭을 감소시키기 위해 폴슈는 자극체에 부착된다. 이들 특징들은 많은 이점들을 갖는다: 적층 스택들은 AC 전기 기기들에서 흔히 사용된다; 고체 재료들은 저렴하며 가장 구조적으로 강인한 해법이다; 원주방향 및 축방향 채널들은 에어 갭 자기장들에 의해 유도되는 와전류 루프(eddy current loop)들을 중단시킬 수 있다.

바람직하게는, 원주방향으로 자화된 자석들 및/또는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들은 자극편들 및 자기 단부 플레이트들의 대응 형상을 이용하여 그들의 기계적 구속을 돕기 위한 형상을 갖는다. 형상의 간단한 변화들은 원주방향으로 자화된 자석들과 축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 기계적 구속을 향상시킨다.

바람직하게는, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 어레이는 할바흐 패터(Halbach pattern)으로 배치된다: 원주방향으로 자화된 자석들은 그들의 축방향 길이가 자극편들보다 더 길며 양극단에서 자기 단부 플레이트들과 접촉하도록 축방향으로 연장된다; 축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 어레이는 교번 방식으로 배치된 축방향 및 원주방향으로 자화된 자석들을 포함한다. 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 대신하여 할바흐 배열(Halbach array)은 자기 단부 플레이트들의 요구되는 두께를 감소시킬 수 있는데 왜냐하면 이것이 자극편들에 인접한 측에서 자기장을 집중시키며 자기 단부 플레이트들에 인접한 측에서 그것을 감소시키기 때문이다.

바람직하게는, 비자성체를 포함하는 스페이서(spacer)들이 다음의 장소들 중 하나 이상에 배치된다: 자기 단부 플레이트들과 자석들 사이; 자기 단부 플레이트들과 자극편들 사이; 자극편들과 자석들 사이. 비자성 스페이서들은 자기장 프린징(field fringing)에 의해 그들의 에지들 근처에서 영구 자석들의 소자(자기소거)(demagnetisation)를 방지한다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 다수의 코일들을 포함하는 권선(winding)을 갖는 원통형 고정자; 상기 개시된 바와 같은 회전자 어셈블리; 고정자 권선들에 전기 에너지를 제공하는 전원 공급 장치를 포함하는 전기 기기가 제공된다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 회전자가 설치된 전기 기기는 감소된 비용으로 종래기술 모터들의 성능과 매칭될 수 있을 것이다.

본 발명은 회전자의 부품들과 특정 배치구조들에서의 특징들의 세트를 포함하며 이를 통해 상기 언급된 종래기술의 문제점들을 해결한다. 제시된 실시형태들은 기계적으로 강인한 설계를 제공하며 동시에 전자기 성능을 손상시키지 않는다.

본 발명은 첨부한 도면들을 참조로 단지 예시적으로 이하에서 기술될 것이며, 도면에서:
도 1a는 2차원적으로 자속 집중된 영구 자석 회전자의 기본 (능동) 부품들의 조립도를 도시한다. 화살표들은 영구 자석들(40, 50)의 자화의 방향을 도시한다.
도 1b는 2차원적으로 자속 집중된 영구 자석 회전자의 기본 (능동) 부품들의 분해도를 도시한다.
도 2는 회전자에 대한 직교 좌표계를 도시한다. 이 좌표계는 다음 도면들과 실시형태들의 상세한 설명에서 기준으로서 사용된다.
도 3은 실시형태들의 상세한 설명에서 언급되는 기계적 조인트들의 실시예들을 도시한다.
도 4a는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 축방향 파스너를 도시한다.
도 4b는 z축을 따라 그리고 자극편들을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 자극편들, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 축방향 파스너를 도시한다. 2개의 측들 상의 샤프트 부품들은 단부 플레이트들을 직접 연결한다.
도 5a는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들, 스페이서 및 축방향 파스너를 도시한다.
도 5b는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 자극편들, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들, 스페이서 및 축방향 파스너를 도시한다. 2개의 측들 상의 샤프트 부품들은 단부 플레이트들을 직접 연결한다.
도 6a는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 회전자 허브, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 파스너를 도시한다.
도 6b는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 그것은 샤프트, 회전자 허브, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 스터드(stud)를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이들은 샤프트, 회전자 허브, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들, 축방향 및 반경방향 파스너들을 도시한다.
도 8은 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 회전자 허브, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들을 도시한다.
도 9a는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 파스너를 도시한다.
도 9b는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 스터드를 도시한다.
도 10a는 x-z 평면을 향해 y축을 따라 볼 때 영구 자석 회전자의 외부 평면도이다. 이것은 자극편들, 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 축방향 밴드를 도시한다.
도 10b는 x-z 평면을 향해 y축을 따라 볼 때 영구 자석 회전자의 외부 평면도이다. 이것은 자극편들, 자석들 및 자기 단부 플레이트들을 도시한다.
도 10c는 도 10a의 단면 AA를 보여 주는 영구 자석 회전자의 부분 단면도이다. 이 도면은 자극편들, 회전자 허브, 원주방향으로 자화된 자석들 및 축방향 밴드를 도시한다.
도 11a는 x-z 평면을 향해 y축을 따라 볼 때 영구 자석 회전자의 외부 평면도이다. 이것은 자극편들, 자석들 및 자기 단부 플레이트들 및 축방향 파스너들을 도시한다.
도 11b는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 회전자 허브, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들, 및 축방향 파스너를 도시한다.
도 12는 x-z 평면을 향해 y축을 따라 볼 때 영구 자석 회전자의 외부 평면도이다. 이것은 자극편들, 자석들 및 자기 단부 플레이트들 및 축방향 파스너들을 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 x-z 평면을 향해 y축을 따라 볼 때 영구 자석 회전자의 외부 평면도이다. 이들은 자극편들, 자석들 및 자기 단부 플레이트들, 슬리브 및 축방향 파스너들을 도시한다.
도 14a는 x-z 평면을 향해 y축을 따라 볼 때 영구 자석 회전자의 외부 평면도이다. 이것은 자극편들, 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 축방향 바를 도시한다.
도 14b는 x-z 평면을 향해 y축을 따라 볼 때 영구 자석 회전자의 외부 평면도이다. 이것은 자극편들, 자석들 및 자기 단부 플레이트들을 도시한다.
도 14c는 도 14a의 단면 AA를 보여 주는 영구 자석 회전자의 부분 단면도이다. 이 도면은 자극편들, 회전자 허브, 원주방향으로 자화된 자석들 및 축방향 바들을 도시한다.
도 15a는 x-z 평면을 향해 y축을 따라 볼 때 영구 자석 회전자의 외부 평면도이다. 이것은 자극편들, 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 축방향 파스너들을 도시한다.
도 15b는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 회전자 허브, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들, 슬리브 및 축방향 파스너를 도시한다.
도 16a는 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 부분 단면도(x-y 평면)이다. 이 도면은 자극편들, 회전자 허브 및 원주방향으로 자화된 자석들을 도시한다.
도 16b는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 회전자 허브, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 축방향 파스너를 도시한다.
도 17a는 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 부분 단면도(x-y 평면)이다. 이 도면은 자극편들, 회전자 허브 및 원주방향으로 자화된 자석들을 도시한다.
도 17b는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 회전자 허브, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 축방향 파스너를 도시한다.
도 18a는 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 부분 단면도(x-y 평면)이다. 이 도면은 자극편들, 회전자 허브 및 원주방향으로 자화된 자석들을 도시한다.
도 18b는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 회전자 허브, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 축방향 파스너를 도시한다.
도 19a는 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 부분 단면도(x-y 평면)이다. 이 도면은 자극편들, 회전자 허브, 원주방향으로 자화된 자석들 및 스페이서들을 도시한다.
도 19b는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 회전자 허브, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들, 축방향 파스너 및 스페이서들을 도시한다.
도 20a는 자극편들을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 부분 단면도(x-y 평면)이다. 이 도면은 (자극체(pole body) 및 폴슈(pole shoe)을 포함하는) 자극편들, 회전자 허브 및 원주방향으로 자화된 자석들 도시한다.
도 20b는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 회전자 허브, (자극체 및 폴슈를 포함하는) 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 축방향 파스너를 도시한다.
도 21a, 도 21b 및 도 21c는 x-z 평면을 향해 y축을 따라 볼 때 영구 자석 회전자의 외부 평면도이다. 이들은 자극편들, 자석들 및 자기 단부 플레이트들을 도시한다.
도 22는 자극편(pole piece)을 도시한다.
도 23은 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 축방향 파스너를 도시한다.
도 24는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들, 축방향 파스너 및 비자성 링들을 도시한다.
도 25는 z축을 따라 그리고 자극편을 통해 절개된 영구 자석 회전자의 도면이다. 이것은 샤프트, 자극편, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들, 축방향 파스너 및 비자성 링을 도시한다.

영구 자석 회전자의 기본 부품들의 조립도 및 분해도를 각각 도시하는 도 1a 및 도1b과 이하의 실시형태들의 기술에서 사용된 좌표계를 참조로, 2차원 자속 집중(two dimensional flux focusing)을 사용하는 전기 기기에 대한 영구 자석 회전자의 일반적인 배치가 개시된다. 자석들에 대한 자화의 방향은 도 1a의 화살표들에 의해 도시된다.

영구 자석 회전자의 기본 (능동) 부품들은 자극편들(magnetic pole pieces)(30), 자기 단부 플레이트들(magnetic end-plates)(60), 원주방향으로 자화된 자석들(circumferentially magnetised magnets)(50) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(magnets providing flux in axial direction)(40)이다. 원주방향으로 자화된 자석들(50) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)의 각 배열 내에서(within each array), 원주방향으로 인접한 자석들은 서로에 대해 반대 방향으로 자화된다. 각 배열 내에는, 각 자극편에 대응하는 하나의 자석이 있다. 자기 단부 플레이트들(60)과 자극편들(30)은 높은 자기 저항(high magnetic reluctance)을 갖는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 의해 서로 자기적으로 절연된다.

자극편들(30)은 원주방향으로 자화된 자석들(50)과 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 의해 제공되는 자속을 영구 자석 회전자와 고정자 사이의 에어 갭을 향해 안내한다. 각각의 자극편(30)은 북극 또는 남극을 형성한다. 그 결과, 등방성 자기 특성들(isotropic magnetic properties) 갖는 자극편들(30)은 3차원 자속 경로(three dimensional flux path)로 인해 유리하다. 추가적으로 이들은 비동기식 에어 갭 장들(asynchronous air gap fields)(영구 자석 회전자 자체와는 상이한 속도로 회전하는 장들)에 의해 자극편들(30)에서 유도된 와전류 손실들(eddy current losses)이 최소화되도록 구성되어야 한다. 또한, 자극편들(30)은 인접한 자석들에 대한 기계적 구속을 제공할 수 있다.

자기 단부 플레이트들(60)은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 의해 발생되는 자속을 위한 경로를 제공하며, 따라서 자성 물질로 제조될 필요가 있다. 단부 플레이트들에 대해 사용되는 물질의 등방성 자기 특성들이 유리하다. 자극편들(30)의 경우에서와 같이, 변화하는 자기장은 자기 단부 플레이트들(60)에서 와전류들을 유도할 수도 있으며, 따라서, 이들은 와전류 손실이 최소화되로록 구성될 필요가 있다. 자기 단부 플레이트들(60)은 또한 인접한 자석들에 대한 기계적 구속을 제공할 수 있으며 샤프트를 영구 자석 회전자 어셈블리의 나머지에 결합할 수 있다. 추가적으로, 자기 단부 플레이트들(60)의 두께는 이들을 통과하는 자속이 물질의 과도한 포화를 야기하지 않도록 구성되어야 한다.

원주방향으로 자화된 자석들(50)과 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)은 영구 자석 회전자에 대한 여자(excitation)의 주요 공급원이다. 북 N 및 남 S 극에 대한 자화의 방향은 화살표들에 의해 표시된다(도 1a). 이전에 언급된 바와 같이, 영구 자석 회전자는 2차원 자속 집중을 사용한다. 자속 집중(flux focusing)은 영구 자석 회전자에 의해 발생되는 에어 갭 자속 밀도를 증가시키는 방법이다. 제시된 배치의 경우, 적절한 크기를 갖는 원주방향으로 자화된 자석들(50)과 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)은 자극편들(30)에서, 그리고 결과적으로 에어 갭에서 높은 자속 밀도를 달성할 수 있다. 에어 갭 자속 밀도는 자석들(40, 50)의 잔류자속 밀도(remanent flux density)보다 상당히 더 높을 수 있다. 이로 인해, 낮은 잔류자속 밀도를 갖는 저렴한 자석들이 사용될 수 있다(페라이트와 같은). 추가적으로, 제안된 영구 자석 회전자에는 NdFeB 및 SmCo와 같은 높은 잔류자속 밀도 자석들이 제공될 수도 있으며, 이것은 종래의 희토류 회전자에 비해 자석 체적의 상당한 감소를 가져온다.

영구 자석들(40, 50)을 위해 사용되는 재료가 전도성인 경우, 자석들은 와전류 손실 및 후속하는 영구 자석 회전자의 가열이 최소화되도록 구성될 필요가 있다.

누설 자속(leakage flux)(즉 전기기계의 에너지 변환에 직접 기여하지 못하며 회전자와 고정자 사이의 에어 갭을 가로지르지 않는 자속의 일부)은 전형적으로 최소가 되도록 요구된다. 이러한 이유로, 플럭스 배리어 영역은 바람직하게는 자극편들, 원주방향으로 자화된 자석들 및 축방향으로 자속을 제공하며 회전자의 반경방향 중심을 향해 연장되는 자석들의 내경에 인접하거나 또는 상당히 인접한다. 플럭스 배리어 영역은 1과 같은 또는 1에 가까운 비투자율(relative magnetic permeability)을 갖는 고체 물질들로 제조된 부품들 또는 공기를 포함한다. 플럭스 배리어 영역의 자기 저항은 자속 누설로 인한 유용한 자속의 손실을 방지하는데 효과적이기 위하여 회전자와 고정자 사이의 에어 갭의 저항보다 더 커야 한다.

도 4a는 허브를 갖지 않는 본 발명의 실시형태를 도시하며 샤프트(10), 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 포함한다.

자기 단부 플레이트들(60)에 축방향 타이트니스(axial tightness)를 제공하기 위한 견부들(shoulders)(11)을 가지며 따라서 다른 부품들을 구속하는, 샤프트(10)로 연장되는 내측 반경을 갖는 자기 단부 플레이트들(60). 이들 자기 단부 플레이트들(60)은 등방성 자기 특성들을 갖는 강자성 물질로 제조되어 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 의해 발생되는 자속을 위한 귀환 경로를 제공한다.

여기서 주목할 중요한 특징은 회전자 허브의 부재(absence)이며 자기 단부 플레이트들(60)은 샤프트(10)와 자극편들(30) 사이의 구조적 지지뿐만 아니라 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)을 제공하기 위해 사용된다. 자극편들(30)과 자석들의 내경 근처의 자성 물질로 구성되는 부품들의 부재는 유리한데 왜냐하면 이것은 자기 부품들을 통한 누설로 인한 자속의 손실을 감소시키기 때문이다. 그 결과, 더 많은 유용한 자속이 고정자에 인접한 에어 갭을 향해 지향되며 이것은 이러한 영구 자석 회전가가 설치된 기기의 전자기 성능을 향상시킨다. 이러한 실시형태에서, 자극편들(30) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)은 그들과 샤프트(10) 사이에 큰 갭을 남겨두는 자기 단부 플레이트들(60)에 의해 기계적으로 구속된다. 갭은 높은 자기 저항을 갖는 플럭스 배리어 영역으로서 기능하며 그것이 더 클수록 자속 누설을 감소시킴에 더 효과적일 것이다. 그 결과, 샤프트(10)를 위해 사용되는 재료의 자기 특성들은 덜 중요해진다.

이러한 구성은 또한 도 4b에 도시된 바와 같은 2개의 분리된 샤프트 부품들(10a 및 10b)을 사용하여 구성될 수 있으며 샤프트 부품들(10a 및 10b)은 각각의 측들 상의 자기 단부 플레이트들(60)에 직접 연결된다. 이러한 변형을 사용하여 자기 부품들 사이의 갭이 더욱 증가된다. 그 결과, 이러한 변형은 자기 부품들을 통한 누설로 인한 자속의 손실을 더욱 감소시킨다.

축방향 파스너(70)(볼트로서 도시된, 또한 타이 바들(tie bars) 또는 리벳들(rivets)일 수 있다)는 자기 단부 플레이트들(60), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자극편들(30)에 대한 축방향 구속을 제공한다. 이것은 또한 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)에 대한 반경방향 및 원주방향 구속을 제공한다. 축방향 파스너(70)는, 전기 전도성 물질로 제조되는 경우, 와전류 손실의 원인(source)이 될 수도 있으며, 따라서, 엔지니어링 플라스틱과 같은 낮은 전도성을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 추가적으로, 축방향 파스너(70)는 단부 플레이트들(60)과 함께, 양 부품들이 전기 전도성 물질로 제조되며 서로 전기 절연되지 않는 경우, 유도 기기들의 회전자들에서 사용되는 것과 유사한 케이지를 형성할 수도 있다. 전형적으로, 케이지는 영구 자석 동기 기기들에서는 이점이 거의 없으며 회전자 와전류 손실들의 원인이 될 수도 있지만, 회전자 또는 회전자 진동 댐핑이 설치된 모터의 비동기식 스타팅을 위해 그것을 사용하는 것이 가능하다.

파스너(70)를 사용하는 것에 대한 대안은 그것이 자기 단부 플레이트들(60)을 통해 내내 이어지지 않도록 스터드(stud)를 사용하는 것이다. 이점은 설계의 단순화(simplification of design)이다. 이러한 경우, 샤프트(10) 상의 견부들(11)은 영구 자석 회전자의 능동 부품들의 축방향 타이트니스를 제공하기 위해 충분히 강할 필요가 있을 수도 있다.

그들의 내경에서 자극편들(30) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 대한 지지를 제공하기 위해 자기 단부 플레이트들(60)의 자극을 향하는 측의 중간의 직경에 축방향 연장부(립(lip))(61)가 구성된다. 상기 립은 자극편들(30) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 대한 반경방향 지지를 제공하며 이들을 축방향 파스너(70) 주위의 회전에 대해 구속한다. 상기 립은 또한 자극편들(30), 원주방향으로 자화된 자석들(50) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)을 위한 배치 보조물로서도 기능할 수 있다. 이들 구속들의 모두는 약한 힘들에 대한 것이며 따라서 상기 립(61)은 매우 강할 필요가 없다. 원심력은 외향으로 작용하며 이것은 이미 축방향 파스너(70)에 의해 지지된다. 상기 립(61)은 하나 이상의 축방향 파스너(70)가 사용되는 경우 제거될 수 있으며, 이것은 또한 응력을 분포시키는 것을 도울 수 있다. 자석들에 아주 근접하여 자성체로 제조된 자기 단부 플레이트들(60) 상의 립들(61)은 자속 누설을 증가시킬 수도 있다. 그러나, 립들의 반경방향 두께는 자성 물질이 소량의 누설 자속에 의해 포화되며 그 비투자율이 공기의 비투자율에 도달하도록 설계될 수 있다. 그것이 가질 수 있는 기계적 강성과 누설 자속의 양과의 사이의 트레이드-오프(trade-off)가 존재한다.

샤프트(10)로의 토크의 전달을 가져오는 원주방향 구속을 위한 자기 단부 플레이트들(60) 상의 대응 특징부를 갖는 샤프트(10)의 스플라인(12) 타입 특징부. 도 4b에 도시된 2-샤프트 구성(two-shaft construction)을 위해, 샤프트 부품(10a)과 상기 샤프트 부품(10a)의 측부 상의 단부 플레이트(60)는 함께 연결될 수 있으며 또는 이들은 일체형 부재를 형성할 수 있다. 유사하게, 샤프트 부품(10b)과 상기 샤프트 부품(10b)의 측부 상의 단부 플레이트(60)는 함께 연결될 수 있으며 또는 이들은 일체형 부재를 형성할 수 있다.

능동 부품들의 축방향 배치를 위한 샤프트(10) 상의 견부(11) 타입 특징부. 상기 특징부는 도 4b에 도시된 2-샤프트 구성에 대해 요구되지 않는다.

어셈블리가 원심력과 축방향 힘에 대해 계속 보존되도록 접착제가 부품들 사이의 경계면에서 사용될 수 있다.

도 5a는 샤프트(10), 자극편(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 자기 단부 플레이트들(60) 및 비자성체 또는 영구 자석으로 구성되는 스페이서(80)를 갖는 허브가 없는 또 다른 실시형태를 도시한다.

자기 단부 플레이트들(60)에 축방향 타이트니스(axial tightness)를 제공하기 위한 견부들(11)을 가지며 따라서 다른 부품들을 구속하는, 샤프트(10)로 연장되는 내측 반경을 갖는 자기 단부 플레이트들(60). 이들 자기 단부 플레이트들(60)은 등방성 자기 특성들을 갖는 강자성 재료로 제조되어 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 의해 발생되는 자속을 위한 귀환 경로를 제공한다.

여기서 주목할 중요한 특징은 회전자 허브의 부재(absence)이며 자기 단부 플레이트들(60)은 샤프트(10)와 자극편들(30) 사이의 구조적 지지뿐만 아니라 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)을 제공하기 위해 사용된다. 자극편들(30)과 자석들의 내경 근처의 자성 물질로 구성되는 부품들의 부재는 유리한데 왜냐하면 이것은 자기 부품들을 통한 누설로 인한 자속의 손실을 감소시키기 때문이다. 그 결과, 더 많은 유용한 자속이 고정자에 인접한 에어 갭을 향해 지향되며 이것은 이러한 영구 자석 회전가가 설치된 기기의 전자기 성능을 향상시킨다. 이러한 실시형태에서, 자극편들(30) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)은 그들과 샤프트(10) 사이에 큰 갭을 남겨두는 자기 단부 플레이트들(60)에 의해 기계적으로 구속된다. 갭은 높은 자기 저항을 갖는 플럭스 배리어로서 기능하며 그것이 더 클수록 자속 누설을 감소시킴에 더 효과적일 것이다. 그 결과, 샤프트(10)를 위해 사용되는 재료의 자기 특성들은 덜 중요해진다.

이러한 구성은 또한 도 5b에 도시된 바와 같은 2개의 분리된 샤프트 부품들(10a 및 10b)을 사용하여 구성될 수 있으며 샤프트 부품들(10a 및 10b)은 각각의 측들 상의 자기 단부 플레이트들(60)에 직접 연결된다. 이러한 변형을 사용하여 자기 부품들 사이의 갭이 더욱 증가된다. 그 결과, 이러한 변형은 자기 부품들을 통한 누설로 인한 자속의 손실을 더욱 감소시킨다.

축방향 파스너(70)(볼트로서 도시된, 또한 타이 바들 또는 리벳들일 수 있다)는 자기 단부 플레이트들(60), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자극편들(30)에 대한 축방향 구속을 제공한다. 이것은 또한 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)에 대한 반경방향 및 원주방향 구속을 제공한다. 축방향 파스너(70)는, 전기 전도성 물질로 제조되는 경우, 와전류 손실의 원인이 될 수도 있으며, 따라서, 낮은 전도성을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 추가적으로, 축방향 파스너(70)는 단부 플레이트들(60)과 함께, 양 부품들이 전기 전도성 물질로 제조되며 서로 전기 절연되지 않는 경우, 유도 기기들의 회전자들에서 사용되는 것과 유사한 케이지를 형성할 수도 있다. 전형적으로, 케이지는 영구 자석 동기 기기들에서는 이점이 거의 없으며 회전자 와전류 손실들의 원인이 될 수도 있지만, 회전자 또는 회전자 진동 댐핑이 설치된 모터의 비동기식 스타팅을 위해 그것을 사용하는 것이 가능하다.

파스너(70)를 사용하는 것에 대한 대안은 그것이 자기 단부 플레이트들(60)을 통해 내내 이어지지 않도록 스터드(stud)를 사용하는 것이다. 이점은 설계의 단순화이다. 이러한 경우, 샤프트(10) 상의 견부들(11)은 영구 자석 회전자의 능동 부품들의 축방향 타이트니스를 제공하기 위해 충분히 강할 필요가 있을 수도 있다.

자극편들(30) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 대한 지지를 제공하기 위해 자기 단부 플레이트들(60)의 자극을 향하는 측에 축방향 연장부(립(lip))(61)가 구성된다. 상기 립은 자극편들(30) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 대한 반경방향 지지를 제공하며 이들을 축방향 파스너(70) 주위에서 회전에 대해 구속한다. 이들 구속들의 모두는 약한 힘들에 대한 것이며 따라서 상기 립(61)은 매우 강할 필요가 없다. 원심력은 외향으로 작용하며 이것은 이미 축방향 파스너(70)에 의해 지지된다. 상기 립(61)은 하나 이상의 축방향 파스너(70)가 사용되는 경우 제거될 수 있으며, 이것은 또한 응력을 분포시키는 것을 도울 수 있다.

자석들 및 자극편들에 아주 근접하여 자성 물질로 구성되는 립들(61)을 갖는 것은 자속 누설의 증가로 이어질 수도 있다. 이러한 문제를 해결하는 방법은 립과 어셈블리의 나머지 사이에 비자성 스페이서(80)를 삽입하는 것이다. 누설을 방지함에 있어서 스페이서의 효과성은 그것의 반경방향 두께에 의존한다(두꺼운 스페이서는 얇은 스페이서보다 더 효율적이다). 대안으로, 반경방향으로 자화된 자석은 스페이서(80) 대신에 사용될 수 있으며 그것이 누설 자속에 능동적으로 대항하기 때문에 더 효과적일 것 같으며 또한 영구 자석 회전자에 의해 발생되는 유용한 자속에 기여한다. 추가적인 자석 및 스페이서는 플럭스 배리어로서 볼 수 있다.

샤프트(10)로의 토크의 전달을 가져오는 원주방향 구속을 위한 자기 단부 플레이트들(60) 상의 대응 특징부를 갖는 샤프트(10) 상의 스플라인(12) 타입 특징부. 도 5b에 도시된 2-샤프트 구성을 위해, 샤프트 부품(10a)과 상기 샤프트 부품(10a)의 측부 상의 단부 플레이트(60)는 함께 연결될 수 있으며 또는 이들은 일체형 부재를 형성할 수 있다. 유사하게, 샤프트 부품(10b)과 상기 샤프트 부품(10b)의 측부 상의 단부 플레이트(60)는 함께 연결될 수 있으며 또는 이들은 일체형 부재를 형성할 수 있다.

능동 부품들의 축방향 배치를 위한 샤프트(10) 상의 견부(11) 타입 특징부. 상기 특징부는 도 5b에 도시된 2-샤프트 구성에 대해 요구되지 않는다.

도 6a 및 도 6b는 허브를 갖는 영구 자석 회전자를 도시하며 샤프트(10), 회전자 허브(20), 자극편(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 포함한다.

비자성 회전자 허브(20)는 일부 능동 부품들(자극편(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60))과 샤프트(10) 사이의 연결부로서 역할을 한다. 회전자 허브(20)는 부착된 능동 부품들(30, 40, 60)과 샤프트(10) 사이의 토크 전달을 담당한다. 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)과 자극편들(30)은 회전자 허브(20)와 직접 접속되기 때문에, 회전자 허브(20)를 통한 자속 누설의 양은 최소화되어야 한다. 따라서, 플럭스 배리어 영역으로서 기능하는 회전자 허브(20)는 구조적으로 강하고 비자성인 물질로 구성될 필요가 있다.

자기 단부 플레이트들(60)은 회전자 허브(20)로 연장되는 내측 반경을 가지며 축방향 파스너(70)를 사용하여 축방향으로 그리고 원주방향으로 구속되는 샤프트에 간접적으로 연결된다. 이들 자기 단부 플레이트들(60)은 등방성 자기 특성들을 갖는 강자성 물질로 구성되어 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 의해 발생되는 자속을 위한 귀환 경로를 제공한다.

축방향 파스너(70)(볼트로서 도시된, 또한 타이 바들(tie bars) 또는 리벳들(rivets)일 수 있다)는 자기 단부 플레이트들(60), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자극편들(30)에 대한 축방향 구속을 제공한다. 이것은 또한 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)에 대한 반경방향 및 원주방향 구속을 제공한다. 축방향 파스너(70)는, 전기 전도성 물질로 제조되는 경우, 와전류 손실의 원인이 될 수도 있으며, 따라서, 낮은 전도성을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 추가적으로, 축방향 파스너(70)는 단부 플레이트들(60)과 함께, 양 부품들이 전기 전도성 물질로 제조되며 서로 전기 절연되지 않는 경우, 유도 기기들의 회전자들에서 사용되는 것과 유사한 케이지를 형성할 수도 있다. 전형적으로, 케이지는 영구 자석 동기 기기들에서는 이점이 거의 없으며 회전자 와전류 손실들의 원인이 될 수도 있지만, 회전자 또는 회전자 진동 댐핑이 설치된 모터의 비동기식 스타팅을 위해 그것을 사용하는 것이 가능하다.

파스너(70)를 사용하는 것에 대한 대안은 그것이 자기 단부 플레이트들(60)을 통해 내내 이어지지 않도록 스터드(71)를 사용하는 것이다. 이점은 설계의 단순화이다. 이러한 경우, 샤프트(10) 상의 견부들(11)은 영구 자석 회전자의 능동 부품들의 축방향 타이트니스를 제공하기 위해 더 큰 반경으로 구성되어야 한다.

기계적 조인트(21)(도 3에 도시된 실시예들) 특징이 회전자 허브(20)/자극편(30)과 회전자 허브(20)/축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 경계면 사이에서 사용되어 반경방향 및 원주방향 구속들을 돕는다.

샤프트(10)로의 토크의 전달을 가져오는 원주방향 구속을 위한 회전자 허브(20) 상의 대응 특징부를 갖는 샤프트(10) 상의 스플라인(12) 타입 특징부.

회전자 허브(20)의 축방향 배치를 위한 샤프트(10) 상의 견부(11) 타입 특징부.

도 7은 허브를 갖는 영구 자석 회전자를 도시하며 샤프트(10), 회전자 허브(20), 자극편(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 포함한다.

비자성 회전자 허브(20)는 일부 능동 부품들(자극편(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60))과 샤프트(10) 사이의 연결부로서 역할을 한다. 회전자 허브(20)는 부착된 능동 부품들(30, 40, 60)과 샤프트(10) 사이의 토크 전달을 담당한다. 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)과 자극편들(30)은 회전자 허브(20)와 직접 접속되기 때문에, 회전자 허브(20)를 통한 자속 누설의 양은 최소화되어야 한다. 따라서, 회전자 허브(20)는 구조적으로 강하고 비자성인 물질로 구성될 필요가 있다.

자기 단부 플레이트들(60)은 회전자 허브(20)로 연장되는 내측 반경을 가지며 축방향 파스너(70)를 사용하여 축방향으로 그리고 원주방향으로 구속되는 샤프트에 간접적으로 연결된다. 이들 자기 단부 플레이트들(60)은 등방성 자기 특성들을 갖는 강자성 물질로 제조되어 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 의해 발생되는 자속을 위한 귀환 경로를 제공한다.

자기 단부 플레이트들(60)의 외측면으로부터 삽입되는 축방향 파스너(72)(볼트로서 도시된, 또한 리벳일 수 있다)는 자극편(30) 내로 부분적으로 침투하며, 자기 단부 플레이트들(60), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자극편들(30) 사이에 축방향 타이트니스를 제공한다. 이것은 또한 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)과 자기 단부 플레이트들(60)에 반경방향 및 원주방향 구속들을 제공한다.

자극편(30)의 반경방향 및 원주방향 구속들을 제공하기 위하여 회전자 허브(20)와 자극편(30) 사이에 반경방향 파스너(73/74)가 사용된다. 반경방향 파스너(73)는 회전자 허브(20)의 내경으로부터 자극편(30)으로 삽입될 수 있다. 반경방향 파스너(73)는 대안으로 자극편(30)의 외경으로부터 회전자 허브(20) 내로 삽입될 수 있다. 반경방향 파스너(73/74)는 자성 물질로 제조될 수 있으며 따라서 자석들에 의해 발생되는 자속은 그것을 통과할 수 있다. 추가적으로, 비전도성 물질이 와전류 손실을 완화시키기 위해 사용될 수 있다.

도 8은 허브를 갖는 영구 자석 회전자를 도시하며 샤프트(10), 회전자 허브(20), 자극편(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 포함한다.

비자성 회전자 허브(20)는 일부 능동 부품들(자극편(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60))과 샤프트(10) 사이의 연결부로서 역할을 한다. 회전자 허브(20)의 축방향 길이는 자기 단부 플레이트들(60)을 수용하기 위해 감소될 필요가 있다. 회전자 허브(20)는 부착된 능동 부품들(30, 40, 60)과 샤프트(10) 사이의 토크 전달을 담당한다. 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)과 자극편들(30)은 회전자 허브(20)와 직접 접속되기 때문에, 회전자 허브(20)를 통한 자속 누설의 양은 최소화되어야 한다. 따라서, 회전자 허브(20)는 구조적으로 강하고 비자성인 물질로 구성될 필요가 있다.

샤프트(10)로의 토크의 전달을 가져오는 원주방향 구속을 위한 자기 단부 플레이트들(60) 및 회전자 허브(20) 상의 대응 특징부를 갖는 샤프트(10) 상의 스플라인(12) 타입 특징부.

도 9는 샤프트(10), 자극편(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 보여 주는 실시형태이다.

능동 부품들(자극편(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60))의 위치에서 그들이 샤프트(10)에 직접 장착되기 위한 변형된 단면을 갖는 샤프트(10). 자극편들(30)과 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)이 샤프트(10)에 직접 장착되는 경우, 샤프트(10)는 과도한 자속 누설을 방지하기 위하여 비자성 물질로 제조될 필요가 있다. 대안으로, 샤프트(10)는 자성 물질로 제조될 수 있으며 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 아주 근접한 샤프트(10)의 부분과 자극편들(30)은 특별한 제조 기술들에 의해 비자성으로 제조될 수 있다. 예를 들면, 연자석강으로 제조되는 샤프트(10)는 열처리될 수 있으며 따라서 그것은 오스테나이트가 되며 따라서 비자성이 된다.

샤프트(10)로 연장되는 내측 반경을 가지며 축방향 파스너(70)를 사용하여 축방향으로 그리고 원주방향으로 구속되는 자기 단부 플레이트들(60). 이들 자기 단부 플레이트들(60)은 등방성 자기 특성들을 갖는 강자성 물질로 제조되어 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 의해 발생되는 자속을 위한 귀환 경로를 제공한다.

파스너(70)를 사용하는 것에 대한 대안은 그것이 자기 단부 플레이트들(60)을 통해 내내 이어지지 않도록 스터드(stud)(71)를 사용하는 것이다. 이점은 설계의 단순화이다. 이러한 경우, 샤프트(10) 상의 견부들(11)은 영구 자석 회전자의 능동 부품들의 축방향 타이트니스를 제공하기 위해 더 큰 반경으로 구성되어야 한다.

능동 부품들의 축방향 배치를 위한 샤프트(10) 상의 견부(11) 타입 특징부.

도 10는 회전자 허브(20), 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 원주방향으로 자화된 자석들(50), 자기 단부 플레이트들(60) 및 자극편(30)을 가로질러 축방향으로의 밴드(90)(경우에 따라 탄소 섬유로 제조되는) 및 회전자 허브(20)를 보여 주는 실시형태이다.

축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 원주방향으로 자화된 자석들(50)은 자속이 자극편들(30)을 통해 집중되고 고정자로부터의 자속과 상호작용하도록 자화의 방향을 갖는 직사각형 블록들로서 형성된다.

자기 단부 플레이트들(60)은 등방성 자기 특성들을 갖는 강자성 재료로 제조되어 축방향으로 자속을 제공하는 자석들에 의해 발생되는 자속을 위한 귀환 경로를 제공한다.

자극편(30)을 회전자 허브(20), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)과 묶는 축방향으로의 밴드(90). 이들 부품들은 밴드(20)를 수용하기 위한 대응 그루브들(62)을 가지며 밴드(20)는 경우에 따라 탄소 섬유로 제조될 수 있다. 이것은 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)에 대한 축방향, 반경방향 및 원주방향 구속을 제공한다. (각 자극편에 대한) 다수의 밴드들은 하중 분포를 개선하기 위해 구현될 수 있다.

밴드(90)는 구조적으로 강한 재료로 제조될 필요가 있지만, 탄소 또는 유리 섬유와 같은 지나치게 단단한 재료로 제조될 필요는 없다. 대안으로, 금속성 클립이 밴드(90) 대신에 사용될 수도 있다. 금속성 클립의 이점은 그것이 자성 물질로 제조되는 경우 자석들(40, 50)에 의해 발생된 자속이 그것을 통과할 수 있다는 것이다(영구 자석 회전자와 고정자 사이의 효과적인 에어 갭이 축방향 밴드를 위해 필요한 그루브에 의해 달성된다).

도 11은 샤프트(10), 회전자 허브(20), 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 원주방향으로 자화된 자석들(50) 및 자기 단부 플레이트들(60)를 보여 주는 실시형태이다.

외경에서 축방향 연장부(63)(립(lip))을 갖는 자기 단부 플레이트들(60)은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 완전히 덮으며, 원주방향으로 자화된 자석들(50) 및 자극편들(30)을 부분적으로 덮는다. 자기 단부 플레이트들(60)에서 이러한 특징은 자극편들(30) 및 원심력들에 대한 모든 자석들에 대한 반경방향 구속들을 제공한다. 자기 단부 플레이트들(60)이 자성 물질로 제조되기 때문에, 축방향 연장부(돌출부)는 자석들에 의해 발생되는 자속에 대한 누설 경로를 제공한다. 자기 단부 플레이트들(60)이 연강으로 제조되는 경우, 축방향 연장부들(돌출부)은 그들의 비투자율을 1로 감소시키기 위하여 열처리될 수도 있을 것이다. 추가적으로, 와전류 손실을 제한하기 위하여 (자기 스테인리스강과 같은) 낮은 전도성을 갖는 재료가 사용될 수 있다.

비자성 회전자 허브(20)는 일부 능동 부품들(자극편(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60))과 샤프트(10) 사이의 연결부로서 역할을 한다. 회전자 허브(20)는 부착된 능동 부품들(30, 40, 60)과 샤프트(10) 사이의 토크 전달을 담당한다. 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)과 자극편들(30)은 회전자 허브(20)와 직접 접속되기 때문에, 회전자 허브(20)를 통한 자속 누설의 양은 최소화되어야 한다. 따라서, 회전자 허브(20)는 구조적으로 강하고 비자성인 물질로 제조될 필요가 있다.

자기 단부 플레이트들(60)에서 립 특징부(lip feature)(63)에 맞도록 상단부(31)에서 변형된 형상을 갖는 자극편(30). 자극편(30)의 상단부에서의 이러한 변형은 영구 자석 회전자와 고정자 사이의 전자기 갭을 감소시킨다.

축방향 파스너들(70)(볼트들로서 도시된, 또한 타이 바들 또는 리벳들일 수 있다)는 자기 단부 플레이트들(60), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자극편들(30)에 대한 축방향 구속을 제공한다. 이것은 또한 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)에 대한 반경방향 및 원주방향 구속을 제공한다. 축방향 파스너(70)는, 전기 전도성 물질로 제조되는 경우, 와전류 손실의 원인이 될 수도 있으며, 따라서, 낮은 전도성을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 추가적으로, 축방향 파스너들(70)은 단부 플레이트들(60)과 함께, 양 부품들이 전기 전도성 물질로 제조되며 서로 전기 절연되지 않는 경우, 유도 기기들의 회전자들에서 사용되는 것과 유사한 케이지를 형성할 수도 있다. 전형적으로, 케이지는 영구 자석 동기 기기들에서는 이점이 거의 없으며 회전자 와전류 손실들의 원인이 될 수도 있지만, 회전자 또는 회전자 진동 댐핑이 설치된 모터의 비동기식 스타팅을 위해 그것을 사용하는 것이 가능하다.

파스너(70)를 사용하는 것에 대한 대안은 그것이 자기 단부 플레이트들(60)을 통해 내내 이어지지 않도록 스터드를 사용하는 것이다. 이점은 설계의 단순화이다. 이러한 경우, 샤프트(10) 상의 견부들(11)은 영구 자석 회전자의 능동 부품들의 축방향 타이트니스를 제공하기 위해 더 큰 반경으로 구성되어야 한다.

도 12은 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 원주방향으로 자화된 자석들(50) 및 자기 단부 플레이트들(60)를 보여 주는 실시형태이다.

축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 원주방향으로 자화된 자석들(50)은 자속이 자극편들을 통해 집중되고 고정자로부터의 자속과 상호작용하도록 자화의 방향을 갖는 직사각형 블록들로서 형성된다.

반경방향으로 진행하며 원주방향으로 자화된 자석들(50)의 각위치(angular position)에 배치되는 리브들(ribs)(64)을 갖는 자기 단부 플레이트들(60). 이들 리브들(64)은 자극편들(30)을 향하는 자기 단부 플레이트들(60)의 측부에만 존재한다. 리브들(64)의 축방향 크기는 가변적이며 원주방향으로 자화된 자석들(50)의 축방향 길이는 리브들(64)의 축방향 크기에 따라 조정된다. 자기 단부 플레이트들(60) 상의 이러한 특징은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)의 원주방향 구속을 지원한다. 자기 단부 플레이트들(60)은 등방성 자기 특성들을 갖는 강자성 재료로 제조되어 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 의해 발생되는 자속을 위한 귀환 경로를 제공한다.

축방향 파스너들(70)(볼트들로서 도시된, 또한 타이 바들 또는 리벳들일 수 있다)는 자기 단부 플레이트들(60), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자극편들(30)에 대한 축방향 구속을 제공한다. 이것은 또한 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)에 대한 반경방향 및 원주방향 구속을 제공한다. 축방향 파스너들(70)은, 전기 전도성 물질로 제조되는 경우, 와전류 손실의 원인이 될 수도 있으며, 따라서, 낮은 전도성을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 추가적으로, 축방향 파스너들(70)은 단부 플레이트들(60)과 함께, 양 부품들이 전기 전도성 물질로 제조되며 서로 전기 절연되지 않는 경우, 유도 기기들의 회전자들에서 사용되는 것과 유사한 케이지를 형성할 수도 있다. 전형적으로, 케이지는 영구 자석 동기 기기들에서는 이점이 거의 없으며 회전자 와전류 손실들의 원인이 될 수도 있지만, 회전자 또는 회전자 진동 댐핑이 설치된 모터의 비동기식 스타팅을 위해 그것을 사용하는 것이 가능하다.

파스너(70)를 사용하는 것에 대한 대안은 그것이 자기 단부 플레이트들(60)을 통해 내내 이어지지 않도록 스터드를 사용하는 것이다. 이점은 설계의 단순화이다. 이러한 경우, 샤프트 상의 견부들은 영구 자석 회전자의 능동 부품들의 축방향 타이트니스를 제공하기 위해 더 큰 반경으로 구성되어야 한다.

도 13은 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 원주방향으로 자화된 자석들(50) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 보여 주는 실시형태이다.

도 13a는 반경방향으로 진행하며 원주방향으로 자화된 자석들(50)의 각위치에 배치된 슬롯들(slots)(65)을 구비한 자기 단부 플레이트들(60)을 갖는 실시형태를 도시한다. 이들 슬롯들(65)은 자극편들(30)을 향하는 자기 단부 플레이트들(60)의 측에만 존재한다. 슬롯들은 자기 단부 플레이트들의 축방향 깊이보다 더 작은 축방향 깊이를 가지며 그것이 원주방향으로 자화된 자석들(50)의 단면과 매칭되도록 축방향 단면을 갖는다. 원주방향으로 자화된 자석들(50)의 축방향 길이는 슬롯들(65)의 축방향 치수에 따라 조정된다. 자기 단부 플레이트들(60) 상의 이러한 특징은 모든 원주방향으로 자화된 자석들(50)의 원주방향 구속을 지원한다. 이러한 특징을 사용하여, 원주방향으로 자화된 자석들(50)은 축방향으로 더 길게 제조될 수 있으며, 할바흐 배열(Halbach array)의 개념을 사용하는 전자기 이점을 갖는다. 자기 단부 플레이트들(60)은 등방성 자기 특성들을 갖는 강자성 재료로 제조되어 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 의해 발생되는 자속을 위한 귀환 경로를 제공한다.

도 13b는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)의 각위치에 배치된 슬롯들(66)을 구비한 자기 단부 플레이트들(60)을 갖는 실시형태를 도시한다. 이들 슬롯들(66)은 자극편들(30)을 향하는 자기 단부 플레이트들(60)의 측에만 존재한다. 슬롯들은 자기 단부 플레이트들의 축방향 깊이보다 더 작은 축방향 깊이를 가지며 그것이 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)의 축방향 단면과 매칭되도록 축방향 단면을 갖는다. 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)의 두께는 슬롯들(66)의 축방향 치수에 따라 조정된다. 자기 단부 플레이트들(60) 상의 이러한 특징은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)의 원주방향 구속을 지원한다. 자기 단부 플레이트들(60)은 등방성 자기 특성들을 갖는 강자성 재료로 제조되어 축방향으로 자속을 제공하는 자석들에 의해 발생되는 자속을 위한 귀환 경로를 제공한다.

축방향 파스너들(70)(볼트로서 도시된, 또한 타이 바들 또는 리벳들일 수 있다)는 자기 단부 플레이트들(60), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자극편들(30)에 대한 축방향 구속을 제공한다. 이것은 또한 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)에 대한 반경방향 및 원주방향 구속을 제공한다. 축방향 파스너들(70)은, 전기 전도성 물질로 제조되는 경우, 와전류 손실의 원인이 될 수도 있으며, 따라서, 낮은 전도성을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 추가적으로, 축방향 파스너(70)는 단부 플레이트들(60)과 함께, 양 부품들이 전기 전도성 물질로 제조되며 서로 전기 절연되지 않는 경우, 유도 기기들의 회전자들에서 사용되는 것과 유사한 케이지를 형성할 수도 있다. 전형적으로, 케이지는 영구 자석 동기 기기들에서는 이점이 거의 없으며 영구 자석 회전자 와전류 손실들을 증가시킬 수도 있지만, 비동기식 스타팅 또는 영구 자석 회전자 진동 댐핑을 위해 그것을 사용하는 것이 가능하다.

도 14는 회전자 허브(20), 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 원주방향으로 자화된 자석들(50), 자기 단부 플레이트들(60) 및 자기 단부 플레이트들을 자극편들(30)과 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 연결시키는 축방향의 바들(91) 보여 주는 실시형태이다.

바들은(91)은 2개의 자기 단부 플레이트들(60) 사이에서 축방향으로 진행하는 사다리꼴 (또는 유사한) 단면을 갖는다. 바들이 대응 피팅 그루브들(67)이 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)에 구성되는 영구 자석 회전자의 외경에서 도시된다. 이들 축방향 바들은 자극편들(30) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)의 반경방향 구속을 돕는다. 이들 축방향 바들(91)은 자성 또는 비자성 물질로 제조될 수 있다. 자성 물질은 영구 자석 회전자와 고정자 사이의 전자기 에어 갭을 감소시키는 것을 도울 수 있다. 바들(91)과 자기 단부 플레이트들(60)이 전기 전도성 물질로 제조되는 경우, 이들은 서로 절연될 수 있으며 따라서 와전류 손실이 제한된다. 대안으로, 바들(91)과 자기 단부 플레이트들(60)은 스쿼럴 케이지 유도 기기들의 회전자들에서 사용되는 것과 유사한 전도성 케이지를 형성할 수 있다. 이것은 또한 바들(91)을 구성하기 위해 비전도성 물질을 사용하는 것이 가능하다.

도 15는 샤프트(10), 회전자 허브(20), 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 원주방향으로 자화된 자석들(50), 자기 단부 플레이트들(60) 및 리텐션 슬리브(retention sleeve)(92)를 보여 주는 실시형태이다.

리텐션 슬리브(92)는 자극편들(30)을 부분적으로 또는 완전히 덮으며 영구 자석 회전자의 외경에서 모든 자석들을 덮는다. 이러한 리텐션 슬리브는 원심력들에 대한 모든 자석들 및 자극편들(30)에 대한 반경방향 구속들을 제공한다. 슬리브는 윈도우 타입 특징부(92a)를 가질 수 있으며, 자극편들은 상단부(31)에 대응 형상을 가지며 따라서 이들은 슬리브(92) 상의 윈도우 타입 특징부(92a)와 맞는다. 이러한 배치구조는 영구 자석 회전자와 고정자 사이의 전자기 갭을 감소시키는 것을 돕는다. 슬리브(92)는 비자성 물질로 제조될 수 있으며 따라서 자극편들(30) 사이의 자속 누설이 최소화된다. 고체 물질로 제조되는 경우, 슬리브(92)는 2개의 부분들로 나누어질 수 있으며 모든 부품들의 조립을 가능하게 한다.

자기 단부 플레이트들(60)은 등방성 자기 특성들을 갖는 강자성 재료로 제조되어 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 의해 발생되는 자속을 위한 귀환 경로를 제공한다.

축방향 파스너(70)(볼트로서 도시된, 또한 타이 바들 또는 리벳들일 수 있다)는 자기 단부 플레이트들(60), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자극편들(30)에 대한 축방향 구속을 제공한다. 이것은 또한 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)에 대한 반경방향 및 원주방향 구속을 제공한다. 축방향 파스너(70)는, 전기 전도성 물질로 제조되는 경우, 와전류 손실의 원인이 될 수도 있으며, 따라서, 낮은 전도성을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 추가적으로, 축방향 파스너(70)는 단부 플레이트들(60)과 함께, 양 부품들이 전기 전도성 물질로 제조되며 서로 전기 절연되지 않는 경우, 유도 기기들의 회전자들에서 사용되는 것과 유사한 케이지를 형성할 수도 있다. 전형적으로, 케이지는 영구 자석 동기 기기들에서는 이점이 거의 없으며 영구 자석 회전자 와전류 손실들을 증가시킬 수도 있지만, 비동기 스타팅 또는 영구 자석 회전자 진동 댐핑을 위해 그것을 사용하는 것이 가능하다.

도 16는 샤프트(10), 회전자 허브(20), 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 원주방향으로 자화된 자석들(50) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 보여 주는 실시형태이다.

외경에서 축방향 및 원주방향으로 연장된 형상(33)을 갖는 자극편(30). 자극편(30)의 이러한 형상은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)과 원주방향으로 자화된 자석들(50)에 반경방향 구속을 제공한다.

도 17은 샤프트(10), 회전자 허브(20), 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 원주방향으로 자화된 자석들(50) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 보여 주는 실시형태이다.

반경이 증가함에 따라 감소하는 두께를 갖는 사다리꼴 단면을 갖는 원주방향으로 자화된 자석들(50)(x-y 뷰로 도시된, 도 17a). 원주방향으로 자화된 자석들(50)의 외경은 자극편들(30)의 외경과 같거나 또는 외경보다 더 작을 수 있다.

반경이 증가함에 따라 감소하는 두께를 갖는 삼각형 단면을 갖는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(y-z 뷰로 도시된, 도 17b). 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)의 외경은 자극편들(30)의 외경과 같거나 또는 외경보다 더 작을 수 있다.

원주방향으로 자화된 자석들(50) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)의 형상을 각각 수용하기 위한 x-y 평면 및 y-z 평면에서 변형된 단면을 갖는 자극편(30)으로, 이들 자석들에 반경방향 구속을 제공.

도 18은 샤프트(10), 회전자 허브(20), 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 원주방향으로 자화된 자석들(50) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 보여 주는 실시형태이다.

타원형 단면을 갖는 원주방향으로 자화된 자석들(50)(x-y 뷰로 도시된, 도 18a).

타원형 단면을 갖는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)(y-z 뷰로 도시된, 도 18b).

자기 단부 플레이트들(60)은 등방성 자기 특성들을 갖는 강자성 재료로 제조되어 축방향으로 자속을 제공하는 자석들에 의해 발생되는 자속을 위한 귀환 경로를 제공한다. 자기 단부 플레이트들(60)의 형상은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)의 타원형 형상을 수용하기 위해 변형되며, 이들 자석들에 대한 반경방향 구속을 지원한다. 자기 단부 플레이트들(60)의 최소 축방향 두께는 과도한 포화가 방지되도록 구성되어야 한다.

도 19는 샤프트(10), 회전자 허브(20), 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 원주방향으로 자화된 자석들(50), 자기 단부 플레이트들(60) 및 비자성 스페이서들(non-magnetic spacers)(81)을 보여 주는 실시형태이다.

외경에서 축방향 및 원주방향으로 연장된 형상(33)을 갖는 자극편(30). 자극편(30)의 이러한 형상은, 비자성 스페이서들(81)을 구속하는 것에 추가로, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)과 원주방향으로 자화된 자석들(50)에 반경방향 구속을 제공한다.

축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)뿐만 아니라 원주방향으로 자화된 자석들(50)의 외경 및/또는 내경에 배치되는 비자성 물질로 제조되는 스페이서들(81). 외경에서, 스페이서(81)는 자극편(30)의 연장된 상단부를 이용하여 구속된다. 스페이서(81)는 내경에서 자석들(40, 50)과 회전자 허브(20) 사이에 끼워진다. 상기 스페이서(81)는 비자성 물질로 제조될 수 있으며, 이것은 자화의 축에 평행한 에지들 근처에서 자기장 프린징(magnetic field fringing)으로 인한 자석들(40, 50)의 소자(자기소거)의 위험성을 감소시킨다.

도 20는 샤프트(10), 회전자 허브(20), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 원주방향으로 자화된 자석들(50), 자기 단부 플레이트들(60) 및 2개의 부품들: 자극체(pole body)(30) 및 폴슈(pole shoe)(34)로 나누어지는 자극편들(magnetic pole pieces)을 보여 주는 실시형태이다.

2개의 부품들: 자극체(pole body)(30) 및 폴슈(pole shoe)(34)로 나누어지는 자극편(magnetic pole piece). 이들 2개의 부품들은 기계적 조인트(도 3에 도시된 실시예들) 특징(34a)을 사용하여 서로에 대해 기계적으로 부착된다. 폴슈(34)는 축방향뿐만 아니라 원주방향으로도 외경에서 연장된 형상(34b)을 갖는다. 이러한 형상은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)과 원주방향으로 자화된 자석들(50)에 반경방향 구속을 제공한다. 여기서, 자극체(30)는 등방성 자기 특성들을 갖는 고체 물질로 제조될 수 있다. 폴슈(34)는 적층물들 또는 연질 자성 복합물로 제조될 수 있다. 이러한 배치구조는 와전류들로 인한 손실들을 감소시키는 것을 돕는다.

도 21은 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 원주방향으로 자화된 자석들(50/41) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 보여 주는 실시형태이다.

이전의 실시형태들에서 기술된 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)은 유리하게는 축방향으로 자속을 제공하는 소위 할바흐 배열(Halbach array)에 의해 교체될 수 있다. 할바흐 배열은 패턴으로 배치되는 자석들(40, 41)의 배열이며 이것은 배열의 일측에서는 자기장을 강화시키며 타측에서는 자기장을 약화시킨다.

제시된 실시형태들의 경우, 할바흐 배열은 도 21a 및 도 21b에 도시된 바와 같이 교대 방식으로 배치된 원주방향으로 자화된 자석들(41) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)을 포함한다. 할바흐 배열은 도 21a 및 도 21b에 도시된 것보다 더 많은 수의 자석들(40/41)을 사용하여 또한 구성될 수 있다. 할바흐 배열의 강한 측은 자극편들(30)에 인접한 측이다. 배열의 약한 측의 자속 밀도가 최소화되기 때문에, 자기 단부 플레이트들(60)의 두께는 크게 감소될 수 있으며 또는 이들은 심지어 완전히 제거될 수 있으며 또는 비자성체로 제조될 수 있다.

원주방향으로 자화된 자석들(41)과 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)의 원주방향 폭의 비율은 요구되는 성능에 기초하여 선택될 수 있다. 그러나, 이것은 전형적으로 1과 같다(이들 자석들(40,41)은 동일한 원주방향 폭을 갖는다).

할바흐 배열의 특별한 경우(도 21c에 도시된)는 원주방향으로 자화된 자석들(50)이 축방향으로 연장되며 따라서 이들이 자극편(30)보다 축방향으로 더 길어지는 것이다. 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)의 원주방향 폭이 원주방향으로 자화된 자석들(50)의 폭보다 훨씬 더 크기 때문에 할바흐 효과(Halbach effect)(자석 배열의 일측에서의 장의 강화)가 약하지만, 원주방향으로 자화된 자석들(50)의 오버행들(자극편들(30)과 직접 접촉하지 않는 원주방향으로 자화된 자석들(50)의 부분)은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)과 함께 할바흐 배열을 형성한다.

도 22는 (영구 자석 회전자와 고정자 시이의) 에어 갭에 인접한 면에 (도 22에 도시된) 반경방향 및/또는 축방향 슬릿들을 가질 수 있는 고체 전기 전도성 재료로 제조되는 자극편(30)의 특정한 구성을 도시한다. 이러한 슬릿들은 영구 자석 회전자에 대해 비동기식으로 회전하는 에어 갭 자기장들에 의해 유도되는 와전류 루프들을 브레이킹할 수 있으며 따라서 동력 손실과 영구 자석 회전자의 후속하는 가열을 감소시킬 수 있다.

에어 갭을 향하는 자속의 흐름을 제한하지 않고 슬릿들(35) 사이의 물질의 과도한 포화를 야기하지 않도록 슬릿들(35)의 폭은 최소가 되어야 한다. 슬릿들의 반경방향 깊이는 전술한 비동기식 에어 갭 장들의 진폭 및 주파수에 의존한다. 더 깊은 슬릿들은 와전류 손실을 감소시키는데 더욱 효과적일 수 있지만 이들은 원주방향으로 자화된 자석들로부터의 자속에 대한 플럭스 배리어들로서 기능을 할 수 있다.

슬릿들(35)은 자극편(30) 표면 내로 커팅될 수 있으며 또는 최소 폭을 가능하게 하는 임의의 다른 방법에 의해 제조될 수 있다.

도 23은 허브를 갖지 않는 본 발명의 실시형태를 도시하며 샤프트(10), 자극편들(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 포함한다.

자기 단부 플레이트들(60)에 축방향 타이트니스를 제공하기 위한 견부들(11)을 가지며 따라서 다른 부품들을 구속하는, 샤프트(10)로 연장되는 내경을 갖는 자기 단부 플레이트들(60). 이들 자기 단부 플레이트들(60)은 등방성 자기 특성들을 갖는 강자성 물질로 제조되어 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)에 의해 발생되는 자속을 위한 귀환 경로를 제공한다.

여기서 주목할 중요한 특징은 회전자 허브의 부재(absence)이며 자기 단부 플레이트들(60)은 샤프트(10)와 자극편들(30) 사이의 구조적 지지뿐만 아니라 샤프트(10)와 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 사이의 구조적 지지를 제공하기 위해 사용된다. 자극편들(30)과 자석들의 내경 근처의 자성 물질로 구성되는 부품들의 부재는 유리한데 왜냐하면 이것은 자기 부품들을 통한 누설로 인한 자속의 손실을 감소시키기 때문이다. 그 결과, 더 많은 유용한 자속이 고정자에 인접한 에어 갭을 향해 지향되며 이것은 이러한 영구 자석 회전가가 설치된 기기의 전자기 성능을 향상시킨다. 이러한 실시형태에서, 자극편들(30) 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40)은 그들과 샤프트(10) 사이에 큰 갭을 남겨두는 자기 단부 플레이트들(60)에 의해 기계적으로 구속된다. 갭은 플럭스 배리어 영역으로서 기능하며 그것이 더 클수록 자속 누설을 감소시킴에 있어 더 효과적일 것이다. 그 결과, 샤프트(10)를 위해 사용되는 재료의 자기 특성들은 덜 중요해진다.

축방향 파스너(70)(볼트로서 도시된, 또한 타이 바들 또는 리벳들일 수 있다)는 자기 단부 플레이트들(60) 및 자극편들(30)에 대한 축방향 구속을 제공한다. 축방향 파스너(70)는, 전기 전도성 물질로 제조되는 경우, 와전류 손실의 원인이 될 수도 있으며, 따라서, 낮은 전도성을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 추가적으로, 축방향 파스너(70)는 단부 플레이트들(60)과 함께, 양 부품들이 전기 전도성 물질로 제조되며 서로 전기 절연되지 않는 경우, 유도 기기들의 회전자들에서 사용되는 것과 유사한 케이지를 형성할 수도 있다. 전형적으로, 케이지는 영구 자석 동기 기기들에서는 이점이 거의 없으며 회전자 와전류 손실들의 원인이 될 수도 있지만, 회전자 또는 회전자 진동 댐핑이 설치된 모터의 비동기식 스타팅을 위해 그것을 사용하는 것이 가능하다.

외경에서 축방향 연장부(63)(립(lip))을 갖는 자기 단부 플레이트들(60)은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 덮는다. 자기 단부 플레이트들(60)에서 이러한 특징은 원심력들에 대해 축방향으로 자속을 제공하는 자석들에 대한 반경방향 구속들을 제공한다. 자기 단부 플레이트들(60)이 자성 물질로 제조되기 때문에, 축방향 연장부(돌출부)는 자석들에 의해 발생되는 자속에 대한 누설 경로를 제공한다. 자기 단부 플레이트들(60)이 연강으로 제조되는 경우, 축방향 연장부들(돌출부)은 그들의 비투자율을 1로 감소시키기 위하여 열처리될 수도 있을 것이다. 추가적으로, 와전류 손실을 제한하기 위하여 (자기 스테인리스강과 같은) 낮은 전도성을 갖는 재료가 사용될 수 있다.

샤프트(10)로의 토크의 전달을 가져오는 원주방향 구속을 위한 자기 단부 플레이트들(60) 상의 대응 특징부를 갖는 샤프트(10) 상의 스플라인(12) 타입 특징부.

도 23의 실시형태에 도시된 특징들은 도 4b 및 도 5b에 도시된 바와 같은 2-샤프트 구성에 대해서 또한 사용될 수 있다.

도 24는 허브를 갖지 않는 본 발명의 실시형태를 도시하며 샤프트(10), 자극편(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 비자성 링들(93) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 포함한다.

하나 이상의 축방향 바들 또는 파스너들은 자극편들을 플럭스 배리어 영역의 일부를 형성하는 비자성체에 부착시키며 비자성체는 하나 이상의 링(93)을 포함한다. 자극편들(30) 및 비자성 링들(93)은 파스너들을 수용하기 위한 특징부들을 포함한다. 비자성 링들(93)은 축방향 파스너(70)(볼트로서 도시된, 또한 타이 바들 또는 리벳들일 수 있다)와 결합하여 자극편들(30)을 위한 반경방향 구속들을 제공한다.

파스너(70)를 사용하는 것에 대한 대안은 그것이 비자성 링들(93)을 통해 내내 이어지지 않도록 스터드를 사용하는 것이다.

여기서 주목할 중요한 특징은 회전자 허브의 부재이며 자기 단부 플레이트들(60)은 샤프트(10)와 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 사이의 구조적 지지를 제공하는 것이다. 자극편들(30)과 자석들의 내경 근처의 자성 물질로 구성되는 부품들의 부재는 유리한데 왜냐하면 이것은 자기 부품들을 통한 누설로 인한 자속의 손실을 감소시키기 때문이다. 그 결과, 더 많은 유용한 자속이 고정자에 인접한 에어 갭을 향해 지향되며 이것은 이러한 영구 자석 회전가가 설치된 기기의 전자기 성능을 향상시킨다. 갭은 플럭스 배리어 영역으로서 기능하며 그것이 더 클수록 자속 누설을 감소시킴에 있어 더 효과적일 것이다. 그 결과, 샤프트(10)를 위해 사용되는 재료의 자기 특성들은 덜 중요해진다.

외경에서 축방향 연장부(63)(립(lip))을 갖는 자기 단부 플레이트들(60)은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 덮는다. 자기 단부 플레이트들(60)에서 이러한 특징은 원심력들에 대해 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 대한 반경방향 구속들을 제공한다. 자기 단부 플레이트들(60)이 자성 물질로 제조되기 때문에, 축방향 연장부(돌출부)는 자석들에 의해 발생되는 자속에 대한 누설 경로를 제공한다. 자기 단부 플레이트들(60)이 연강으로 제조되는 경우, 축방향 연장부들(돌출부)은 그들의 비투자율을 1로 감소시키기 위하여 열처리될 수도 있을 것이다. 추가적으로, 와전류 손실을 제한하기 위하여 (자기 스테인리스강과 같은) 낮은 전도성을 갖는 재료가 사용될 수 있다.

샤프트(10)로의 토크의 전달을 가져오는 원주방향 구속을 위한 자기 단부 플레이트들(60) 상의 대응 특징부를 갖는 샤프트(10) 상의 스플라인(12) 타입 특징부. 이러한 스플라인 특징부(12)는 샤프트(10)와 비자성 링들(93) 사이의 연결을 위해 또한 사용될 수 있다.

도 24의 실시형태에 도시된 특징들은 도 4b 및 도 5b에 도시된 바와 같은 2-샤프트 구성에 대해서 또한 사용될 수 있다.

도 25는 허브를 갖지 않는 본 발명의 실시형태를 도시하며 샤프트(10), 자극편(30), 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40), 비자성 링들(93) 및 자기 단부 플레이트들(60)을 포함한다. 본 실시형태에서, 자극편(30)은 회전축에 수직인 평면을 가로질러 2개의 부품들(30a 및 30b)로 나누어진다.

비자성 링(93)이 자극편(30)의 2개의 반부들(30a 및 30b) 사이에 배치된다. 축방향 파스너(70)(볼트로서 도시된, 또한 타이 바들 또는 리벳들일 수 있다)와 결합하여, 비자성 링(93)은 자극편들(30)에 대한 반경방향 구속을 제공한다. 축방향 파스너(70)는, 전기 전도성 물질로 제조되는 경우, 와전류 손실의 원인이 될 수도 있으며, 따라서, 낮은 전도성을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 추가적으로, 축방향 파스너(70)는 단부 플레이트들(60)과 함께, 양 부품들이 전기 전도성 물질로 제조되며 서로 전기 절연되지 않는 경우, 유도 기기들의 회전자들에서 사용되는 것과 유사한 케이지를 형성할 수도 있다. 전형적으로, 케이지는 영구 자석 동기 기기들에서는 이점이 거의 없으며 회전자 와전류 손실들의 원인이 될 수도 있지만, 회전자 또는 회전자 진동 댐핑이 설치된 모터의 비동기식 스타팅을 위해 그것을 사용하는 것이 가능하다.

파스너(70)를 사용하는 것에 대한 대안은 그것이 자기 단부 플레이트들(60)을 통해 내내 이어지지 않도록 스터드를 사용하는 것이다. 이점은 설계의 단순화이다. 이러한 경우, 샤프트(10) 상의 견부들(11)은 영구 자석 회전자의 능동 부품들의 축방향 타이트니스를 제공하기 위해 충분히 강할 필요가 있을 수도 있다.

여기서 주목할 중요한 특징은 회전자 허브의 부재이며 자기 단부 플레이트들(60)은 샤프트(10)와 자극편들(30) 사이의 구조적 지지뿐만 아니라 샤프트(10)와 축방향으로 자속을 제공하는 자석들(40) 사이의 구조적 지지를 제공하기 위해 사용된다. 자극편들(30)과 자석들의 내경 근처의 자성 물질로 구성되는 부품들의 부재는 유리한데 왜냐하면 이것은 자기 부품들을 통한 누설로 인한 자속의 손실을 감소시키기 때문이다. 그 결과, 더 많은 유용한 자속이 고정자에 인접한 에어 갭을 향해 지향되며 이것은 이러한 영구 자석 회전가가 설치된 기기의 전자기 성능을 향상시킨다. 갭은 높은 자기 저항을 갖는 플럭스 배리어 영역으로서 기능하며 그것이 더 클수록 자속 누설을 감소시킴에 있어 더 효과적일 것이다. 그 결과, 샤프트(10)를 위해 사용되는 재료의 자기 특성들은 덜 중요해진다.

샤프트(10)로의 토크의 전달을 가져오는 원주방향 구속을 위한 자기 단부 플레이트들(60) 상의 대응 특징부를 갖는 샤프트(10) 상의 스플라인(12) 타입 특징부. 이러한 스플라인 특징부(12)는 샤프트(10)와 비자성 링들(93) 사이의 연결을 위해 또한 사용될 수 있으며 토크의 전달을 돕는다.

도 25의 실시형태에 도시된 특징들은 도 4b 및 도 5b에 도시된 바와 같은 2-샤프트 구성에 대해서 또한 사용될 수 있다.

도 26은 다수의 코일들을 포함하는 권선을 갖는 원통형 고정자(262); 상기 개시된 바와 같은 회전자 어셈블리(264); 고정자 권선들에 전기 에너지를 제공하는 전원 공급 장치(266)를 포함하는 전기 기기(260)가 보여준다.

자극편(Magnetic pole piece) - 재료 및 구성(Matetial and construction)

자극편 재료 및 구성에 대한 요구사항들은 1) 높은 비투자율(high relative permeability), 2) 낮은 전기 전도성(low electrical conductivity) 및 3) 구조적 강도(structural strength)이다.

에어 갭에 대해 원주방향으로 자화된 자석들 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들로부터의 자속의 경로는 3차원이다. 따라서 등방성 비투자율을 갖는 물질을 사용하는 것이 더 좋다. 연강 또는 자기 스테인리스강과 같은 고체 재료들은 당연히 등방성이다.

등방성 투자율이 유리하지만, 비등방성 물질(anisotropic material)들 역시 사용될 수도 있으며, 그러나 비등방성 물질들의 사용은 감소된 전자기 성능(낮은 에어 갭 자속 밀도) 또는 증가된 비용(요구되는 에어 갭 자속 밀도를 달성하기 위해 필요한 더 많은 자석 재료)을 가져올 수도 있다.

저항손(ohmic loss)을 제한하기 위하여, 자극편들에 대해 사용되는 재료는 높은 비저항을 가져야 한다. 대안으로, 높은 전기 전도성 재료들은 분할될 수 있으며 세그먼트들은 와전류 루프들을 브레이킹하며 동력 손실을 최소화하기 위하여 서로로부터 절연된다.

실제로, 각 측에 절연 물질의 층을 갖는 전기강 적층물들(electrical steel laminations)은 이들이 높은 비투자율과 와전류들로 인한 낮은 동력 손실(high relative permeability and low power loss due to eddy currents)을 갖기 때문에 전형적으로 전기 기기들의 회전자들을 위해 사용된다. 그러나, 적층 구조물들은 적층물의 축을 따라 감소된 비투자율을 나타내는데 왜냐하면 절연 물질의 층들이 1과 같은 비투자율을 가지며 연쇄적인 얇은 에업 갭들처럼 거동하기 때문이다. 전형적인 전기 기기에서 적층의 평면은 회전축과 일치한다.

연질의 자성 복합재들은(결합제에 의해 접합되는 분말형 강자성 물질)은 등방성 자기 특성들을 낮은 와전류 손실과 결합시키며, 따라서 자극편 재료를 위해 적합하다. 그러나, 이들은 부서지기 쉬운 경향이 있다.

자극편은 2 부품 어셈블리로서 구성될 수 있으며, 자극체(pole body)라 불리우는 바닥부는 고체 재료로 제조될 수 있으며 반면에 폴슈(pole shoe)라 불리우는 상단부는 적층될 수 있으며 또는 연질의 자성 복합재로 제조될 수 있다. 폴슈를 침투하는 자속의 경로는 대개 1차원이며(반경방향) 그리고 따라서 이것은 등방성 성질들을 가질 필요가 없다. 다른 한편으로, 폴슈는 변화하는 에어 갭 장들에 노출되며 따라서 에어 갭 장들에 의해 유도되는 와전류들을 제한하는 것이 유리하다. 자극체는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들 및 원주방향으로 자화된 자석들로부터의 자속을 폴슈를 향해 안내한다. 자극체를 통한 자속의 경로는 3차원이기 때문에, 등방성 자기 성질들이 유리하다.

영구자석들(Permanent magnets) - 재료 및 구성(Matetial and construction)

NdFeB 또는 SmCo와 같은 영구 자석 재료는 전기 전도성이며, 따라서 와전류들은 변화하는 자기장들에 의해 유도될 수 있다. 와전류 손실 감소의 효과적인 방법은 세그먼테이션(segmentation)이다. 영구 자석 회전자에서 사용되는 자석들 각각은 서로로부터 전기 절연되는 다수의 세그먼트들(segments)로 구성될 수 있다. 세그먼테이션의 극단적인 경우는 자석들이 수지와 같은 결합제에 의해 함께 접합되는 작은 입자들로 구성되는 경우이다.

자석의 소자(demagnetisation)에 대한 저항은 보자력(coercive force)으로 표시된다. 보자력이 더 클수록 자석을 소자하기가 더 어려우며, 따라서 높은 보자력을 갖는 자석 등급들이 사용되어야 한다. 추가적으로, 자화의 축에 평행한 자석 에지들은, 특히 이들이 자성 물질들로 제조된 부품들에 의해 둘러싸이는 경우, 부분 소자의 특별한 위험이 있다. 비자성 스페이서들은 자석들의 에지들(자화의 축에 평행한 에지들) 근처에서 자기장 프린징을 감소시키는 데 효과적인데, 왜냐하며 이들이 자석들과 다른 자성 부품들 사이에서 플럭스 배리어를 형성하기 때문이다.

Claims

다수의 자극들을 갖는 영구 자석 회전자 어셈블리로서, 다음의 부품들:
원형 어레이로 배열된 복수의 자극편들로서 그들 사이에 원주방향 갭들을 갖는 복수의 자극편들;
원주방향 갭들에 배치된 원주방향으로 자화된 자석들의 어레이로서 원주방향으로 인접한 자석들은 서로에 대해 반대 방향으로 자화되는, 원주방향으로 자화된 자석들의 어레이;
각각의 자기 단부 플레이트와 자극편들 사이에 축방향 갭이 존재하도록 자극편들의 원형 어레이에 대해 축방향 위치를 갖는 자기 단부-플레이트들;
축방향 갭들에 배치되는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 원형 어레이들로서 각 어레이의 원주방향으로 인접한 자석들은 서로에 대해 반대 방향으로 자화되는, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 원형 어레이들;
제너레이션 모드에서 회전자와 프라임무버 사이의 그리고 모터 모드에서 회전자와 로드(load) 사이의 토크 전달을 위해 사용되는 샤프트; 및
(ⅰ) 샤프트와 (ⅱ) 자극편들 및 자석들의 어레이들 사이에 높은 자기 저항을 갖는 플럭스 배리어 영역을
포함하며
단부 플레이트들의 하나 및 대응하는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 어레이가 회전자 어셈블리의 각각의 단부에 배치되며;
자기 단부 플레이트들은 샤프트를 회전자 어셈블리의 나머지에 연결하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리.
제1항에 있어서,
플럭스 배리어 영역은 (ⅰ) 샤프트와 (ⅱ) 자극편들 사이에 에어 갭, 원주방향으로 자화된 자석들 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리.
제1항에 있어서,
플럭스 배리어 영역은 에어 갭 및 비자성체로 제조된 고체 및/또는 (ⅰ) 샤프트와 (ⅱ) 자극편들 사이의 반경방향으로 자화된 자석, 원주방향으로 자화된 자석들 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리.
제2항 또는 제3항에 있어서,
샤프트는 2개의 부품들을 포함하며, 상기 2개의 부품들의 각각은 회전자의 각 측에서 자기 단부 플레이트들에 직접 연결되며, 플럭스 배리어 영역은 (ⅰ) 샤프트 부품들과 (ⅱ) 자극편들 사이의 에어 갭, 원주방향으로 자화된 자석들 및 축방향으로 플럭스를 제공하는 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리.
제1항에 있어서,
플럭스 배리어 영역은 (ⅰ) 샤프트와 (ⅱ) 자극편들 사이에 배치된 회전자 허브, 원주방향으로 자화된 자석들 및 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 포함하며;
자기 단부 플레이트들의 내경은 샤프트의 외경과 같은 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리.
제1항에 있어서,
부품들은 다음 특징들 중 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리:
자기 단부 플레이트들의 내경은 샤프트의 외경과 같다;
자극편들 및/또는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 반경방향으로 구속하기 위하여 립들을 형성하기 위해 축방향으로 돌출된 자기 단부 플레이트들의 부분들;
축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 형상을 수용하기 위하여 단부 플레이트들의 축방향 두께는 반경방향 위치에 따라 변한다;
자기 단부 플레이트들은 원주방향으로 자화된 자석들의 각위치에서 반경방향 리브들을 가지며, 리브들의 원주방향 폭은 리브들이 축방향으로 자속을 제공하는 자석들 사이의 갭들에 맞도록 구성된다;
자기 단부 플레이트들은 원주방향으로 자화된 자석들에 인접한 면에 원주방향으로 자화된 자석들의 각위치에서 슬롯들을 가지며, 자기 단부 플레이트들의 축방향 두께보다 더 작은 축방향 깊이와 원주방향으로 자화된 자석들을 수용하기 위한 축방향 횡단면을 갖는다;
자기 단부 플레이트들은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들에 인접한 면에 축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 각 위체에서 슬롯들을 가지며, 자기 단부 플레이트들의 축방향 두께보다 더 작은 축방향 깊이와 축방향으로 자속을 제공하는 자석들을 수용하기 위한 축방향 횡단면을 갖는다.
제6항에 있어서,
구조적으로 강한 재료로 제조되는 하나 이상의 축방향으로 배향된 클립들 또는 밴드들은 회전자 허브, 자기 단부 플레이트들, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들 및 자극편들 주위에 설치되며;
클립들 또는 밴드들을 수용하기 위해 자극편들, 자석들, 회전자 허브 및 자기 단부 플레이트들에 하나 이상의 그루브들 또는 홀들이 구성되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리.
제1항에 있어서,
원주방향으로 자속을 제공하는 자석들 및 자극편들은 같은 축방향 길이들을 갖는 2개의 축방향 부분들로 나누어지며 이들 사이에 갭을 가지며;
비자성체를 포함하는 링은 갭을 점유하는 2개의 축방향 부분들 사이에 끼워지며;
링의 축방향 두께는 자극편 부분들의 축방향 두께보다 상당히 더 작으며;
링의 외경은 자극편들의 외경보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리.
제1항에 있어서,
축방향 바들 또는 파스너들은 다음 구성들 중 하나에서 회전자의 하나 이상의 능동 부품들을 구조적으로 지지하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리: (a) 하나 이상의 축방향 바들 또는 파스너들은 축방향으로 자속을 제공하는 자석들 및 자극편들을 자기 단부 플레이트들에 부착하며; 축방향으로 자속을 제공하는 자석들, 자기 단부 플레이트들 및 자극편들은 파스너들을 수용하기 위한 특징부들을 포함한다; (b) 하나 이상의 축방향 바들 또는 파스너들은 자극편들을 자기 단부 플레이트들에 부착하며; 자기 단부 플레이트들 및 자극편들은 파스너들을 수용하기 위한 특징부들을 포함한다; (c) 하나 이상의 축방향 바들 또는 파스너들은 자극편들을 높은 자기 저항을 갖는 하나 이상의 비자성 링들에 부착하며, 자극편들에 구조적 지지를 제공하며; 자극편들 및 비자성 링들은 파스너들을 수용하기 위한 특징부들을 포함한다; (d) 하나 이상의 축방향 바들 또는 파스너들은 자극편들을 비자성체를 포함하는 링, 축방향으로 자속을 제공하는 자석들 및 자기 단부 플레이트들에 부착하며, 원주방향으로 자속을 제공하는 자석들과 자극편들은 같은 축방향 길이들을 갖는 2개의 축방향 부분들로 나누어지며 이들 사이에 갭을 가지며, 비자성체를 포함하는 링은 갭을 점유하는 2개의 축방향 부분들 사이에 끼워진다.
제1항에 있어서,
원심력들에 대해 자극편들과 자석들을 구속하기 위해 회전자의 외경에 배치되는 하나 이상의 리텐션 슬리브들을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리.
제1항에 있어서,
자극편들은 다음 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리:
내경 및/또는 외경 근처의 축방향 및/또는 원주방향 돌출부;
내경 및 외경 근처의 부분들보다 더 좁은 반경방향 중앙 부분;
내경 근처의 부분의 원주방향 및/또는 축방향 폭보다 상당히 더 큰 외경 근처의 부분의 원주방향 및/또는 축방향 폭.
제1항에 있어서,
자극편들은 다음 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리:
강자성 적층 시트들;
고체 자성체;
변화하는 자기장들에 노출된 자극편 표면으로 커팅된 원주방향 및/또는 축방향 채널들을 포함하는 고체 자성체;
결합제에 의해 함께 접합되며 서로 전기 절연되는 자분들(magnetic particles);
자극체(pole body) 및 폴슈(pole shoe)로서, 자극체는 고체 재료, 적층 시트들 또는 접합된 자분들을 포함하며, 폴슈는 적층 시트들 또는 접합된 자분들 포함하며, 2개의 부품들 사이의 갭을 감소시키기 위해 폴슈는 자극체에 부착된다.
제1항에 있어서,
원주방향으로 자화된 자석들 및/또는 축방향으로 자속을 제공하는 자석들은 자극편들 및 자기 단부 플레이트들의 대응 형상을 이용하여 그들의 기계적 구속을 돕기 위한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리.
제1항에 있어서,
축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 어레이는 할바흐 패터(Halbach pattern)으로 배치되며:
원주방향으로 자화된 자석들은 그들의 축방향 길이가 자극편들보다 더 길며 양극단에서 자기 단부 플레이트들과 접촉하도록 축방향으로 연장되며;
축방향으로 자속을 제공하는 자석들의 어레이는 교번 방식으로 배치된 축방향 및 원주방향으로 자화된 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리.
제1항에 있어서,
비자성체를 포함하는 스페이서(spacer)들이 다음의 장소들 중 하나 이상에 배치되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 회전자 어셈블리:
자기 단부 플레이트들과 자석들 사이;
자기 단부 플레이트들과 자극편들 사이;
자극편들과 자석들 사이.
전기 기기로서,
다수의 코일들을 포함하는 권선을 갖는 원통형 고정자;
전항들 중 어느 것에 따르는 회전자 어셈블리;
고정자 권선들에 전기 에너지를 제공하는 전원 공급 장치를 포함하는 전기 기기.