KR20200024125A - 높은 자속 불연속적 고정자 전기 기기 - Google Patents

높은 자속 불연속적 고정자 전기 기기 Download PDF

Info

Publication number
KR20200024125A
KR20200024125A KR1020197030415A KR20197030415A KR20200024125A KR 20200024125 A KR20200024125 A KR 20200024125A KR 1020197030415 A KR1020197030415 A KR 1020197030415A KR 20197030415 A KR20197030415 A KR 20197030415A KR 20200024125 A KR20200024125 A KR 20200024125A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
device described
electrical device
electrical
stator
rotor
Prior art date
Application number
KR1020197030415A
Other languages
English (en)
Inventor
마이클 제이. 반 스틴버그
마크 티. 홀트자플
Original Assignee
스타로터 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 스타로터 코포레이션 filed Critical 스타로터 코포레이션
Publication of KR20200024125A publication Critical patent/KR20200024125A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/145—Stator cores with salient poles having an annular coil, e.g. of the claw-pole type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/141—Stator cores with salient poles consisting of C-shaped cores
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/141—Stator cores with salient poles consisting of C-shaped cores
    • H02K1/143—Stator cores with salient poles consisting of C-shaped cores of the horse-shoe type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/10—Synchronous motors for multi-phase current
    • H02K19/103—Motors having windings on the stator and a variable reluctance soft-iron rotor without windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/145—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having an annular armature coil
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/42—Means for preventing or reducing eddy-current losses in the winding heads, e.g. by shielding
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/20—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil wherein the cooling medium vaporises within the machine casing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/225—Heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/03—Machines characterised by aspects of the air-gap between rotor and stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/12—Transversal flux machines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

전자기 장치와 같은 전기 기기는 장치의 작업 출력을 전달하는 구성 요소를 이동시키는데 필요한 작용력을 생성하기 위해 자속에 의존한다. 본 발명은 에어 갭(들)에 걸친 자속 흐름을 최대화하는 독특한 고정자 극 대 회전자/작동기 극 구성을 통해 이를 달성한다. 이것은 회전자의 회전 평면에 대한 하나 이상의 평면에서 에어 갭을 경사지게 함으로써 달성된다.

Description

높은 자속 불연속적 고정자 전기 기기
본 발명은 전기 기기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 회전식 모터와 발전기, 및 선형 작동기(actuator) 및 솔레노이드와 같은 전자기 장치에 관한 것이다.
발전기에서, 입력 에너지는 기계적 작업이고, 출력 에너지는 전기적 작업이다. 모터에서, 입력 에너지는 전기적 작업이고, 출력 에너지는 기계적 작업이다. 대부분의 전기 기기는 가역적이며, 모터 또는 발전기로서 기능할 수 있다.
모터에서, 전기 에너지 입력은 회전자(rotor), 솔레노이드, 또는 작동기와 같은 기기의 하나 이상의 구성 요소에 운동을 부여한다. 솔레노이드 및 작동기는 전형적으로 선형으로 이동하는 반면에, 회전자는 회전한다.
다수의 최신 적용예의 전기 모터는 고출력 밀도를 필요로 한다. 예를 들어, 최신 자동차는 하이브리드 차량 또는 배터리 차량에서 점점 더 전기 에너지를 사용한다. 차체 또는 이의 휠 상에 직접 장착된 경량 전기 모터를 통해 자동차 성능이 크게 향상된다. 주어진 모터 속도에서, 고출력 밀도는 높은 토크 밀도를 필요로 한다.
본 개시물은 전기 기기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 이동 물체에 작용하는 전기 기기에 관한 것이다. 본 발명은 전자기 모터, 발전기, 솔레노이드, 및 작동기를 위한 자기 회로에서 자속 밀도를 최대화하는 다수의 독특한 특징을 갖는다.
회전자는 고정자(stator) 자기 회로를 통하여 비스듬히 이동함으로써, 회전자와 고정자 사이의 표면적이 증가되어, 자기 저항(reluctance)을 감소시키고 회로의 자속을 증가시킨다. 결과적으로 고정자와 회전자 극 사이의 자기력이 더 커지므로, 토크가 더 커진다.
회전자가 통과하는 에어 갭(air gap)이 고정자 및 회전자 극 루프를 통하는 주 자속 경로에 대해 각을 이루는 경우, 회전자 극의 회전 방향과 주 자속 경로 사이의 각도의 사인(sine)의 함수로서, 에어 갭의 표면적이 최대화되며, 고정자와 회전자 극 사이의 자기력이 더 커진다.
아래의 상세한 설명을 시작하기 전에, 본 특허 명세서 전반에 걸쳐서 사용된 특정 단어 및 문구의 정의를 설명하는 것이 유리할 수 있다: "포함한다(include)" 및 "포함한다(comprise)"라는 용어 및 이의 파생어는 제한 없이 포함을 의미한다; "또는"이라는 용어는 "및/또는"을 의미하는 포괄적인 것이다; "~와 연관된" 및 "이와 연관된"이라는 문구 및 이의 파생어는, 포함하는, ~내에 포함되는, ~와 상호 연결되는, 포함하는(contain), ~내에 포함되는(contained), ~에 또는 ~와 연결되는, ~에 또는 ~와 결합되는, ~와 통신 가능한, ~와 연동되는, 인터리브되는, 병치되는, ~에 근접한, ~에 또는 ~와 제한되는, 갖는, ~의 특성을 갖는 등을 의미할 수 있다.
본 개시물 및 이의 특징에 대한 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부된 도면 및 표와 함께 고려되는 이하의 설명을 참조하며, 첨부된 도면으로서:
도 1은 에너지-강탈 와전류를 방지하는 얇은 절연층에 의해 분리된 적층 강자성 재료를 포함하는 자기 회로를 도시한다;
도 2는 선형 작동기가 또한 적층 강자성 재료를 포함하는 것을 제외하고는, 도 1과 동일한 자기 회로를 도시한다;
도 3은 선형 작동기가 증가된 각도(φ > 90°)로 자기 회로 내로 끌어당겨지는 것을 제외하고는, 도 2와 동일하다;
도 4는 작동기의 측면이 증가된 각도(ω > 90°)인 것을 제외하고는, 도 2와 동일하다;
도 5는 작동기의 측면이 "물결형(rippled)"인 것을 제외하고는 도 2와 동일하다;
도 6은 페이지의 평면에 수평으로 위치되는 축의 둘레에서 회전자 극이 통과하는 에어 갭을 도시하는 단일 횡방향 자속(transverse-flux) 고정자 및 회전자 극 자속 루프의 단면도이다;
도 7은 고정자 및 회전자 극을 통하는 자속 경로에 대해 일 방향으로 각을 이루는 에어 갭을 도시하는 단일 횡방향 자속 고정자 및 회전자 극 자속 루프의 단면도이다;
도 8은 도 7의 대안적인 실시형태의 단면도로서, 고정자 및 회전자 극은 도 6 및 도 7과 비교하여 비스듬하고, 에어 갭도 자속 경로에 대해 각을 이루고 있다;
도 9는 도 8의 대안적인 실시형태의 예시로서, 에어 갭은 고정자 및 회전자 극의 자속 루프에 대해 2개의 상이한 방향으로 각을 이룬다;
도 10은 도 9에 도시된 실시형태의 다른 도면의 예시이다;
도 11은 반경 방향 자속 전기 기기의 단면도이다;
도 12는 축방향 자속 전기 기기의 예시이다;
도 13은 횡방향 자속 전기 기기의 예시이다; 그리고
도 14는 미국 특허 제7,663,283호에 기술된 설계를 개선한 전기 기기의 예시이다.
이하에서 설명되는 도면, 및 본 특허 명세서에서 본 개시물의 원리를 설명하기 위해 사용된 다양한 실시형태는 단지 예시일 뿐이며, 본 개시물의 범위를 어떤 식으로도 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 당업자는 본 개시물 발명의 원리가 임의의 유형의 적합하게 배열된 장치 또는 시스템에서 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 추가적으로, 도면이 반드시 일정한 비율로 도시된 것은 아니다.
정의
다음은 본원에 개시된 항목에 관한 일반적인 지침에 대한 정의를 제공한다. 그러한 정의는 결코 본 발명의 범위를 한정하기 위해 사용되어서는 안된다는 것을 명백히 이해해야 한다.
자기 회로 - 자기 회로는 강자성 재료의 폐쇄 루프이다. 자기 회로는 파이프의 폐쇄 루프와 유사하다.
구리 코일 - 구리 코일은 자기 회로를 둘러싼다. (주의: 원칙적으로, 임의의 전기 도체가 사용될 수 있지만, 구리가 가장 통상적인 재료이다. 구리 코일의 총칭은 "전기 위상 코일"이다.) 구리 코일을 통해 전기가 흐를 때, 자기 회로 내부에 자력을 생성한다. 구리 코일은 폐쇄 루프 파이프의 펌프와 유사하다. 구리 코일이 특정 실시형태를 나타내기 위해 사용될 수 있지만, 본 개시물의 교시로부터 여전히 유익하면서 다른 재료가 사용될 수도 있다.
자기장 세기( H ) - 자기장 세기는 권선의 수 및 구리 코일의 전류에 따라 증가한다. 자기장 세기는 펌프에 의해 생성된 압력과 유사하다.
자속 - 자속은 자력의 총 강도를 기술하는 광범위한 양이며, 웨버(Wb)로 측정된다. 자속은 kg/s로 측정되는 폐쇄 파이프의 총 질량 유량과 유사하다.
자속 밀도( B ) - 자속 밀도는 자기 회로의 단면적당 자력의 강도를 기술하는 세기 양이며, 제곱미터당 웨버(Wb/m2) 또는 테슬라(T)로 측정된다. 자속 밀도는 kg/(m2·s)로 측정되는 질량 유속(즉, 파이프의 단면적당 유량)과 유사하다.
자기 포화 - 자기장 세기(H)가 증가함에 따라, 자속 밀도(B)는 강자성 재료의 특성에 따라 좌우되는 제한 값으로 증가한다. 자기 포화 현상은 모래 또는 자갈과 같은 다공성 재료로 채워진 파이프의 폐쇄 루프와 유사하다. 높은 펌프 압력 차이에서도, 마찰은 다공성 재료를 통하는 유체 유량을 제한한다. 유량 특성은 다공성 재료의 특성에 따라 좌우된다. 작은 직경의 다공성 재료(예를 들어, 모래)는 높은 마찰로 인해 작은 질량 유속을 갖는 반면에, 큰 직경의 다공성 재료(예를 들어, 자갈)는 감소된 마찰로 인해 큰 질량 유속을 갖는다.
상황별 개요
발전기에서, 입력 에너지는 기계적 작업이고, 출력 에너지는 전기적 작업이다. 모터에서, 입력 에너지는 전기적 작업이고, 출력 에너지는 기계적 작업이다. 대부분의 전기 기기는 가역적이며, 모터 또는 발전기로서 기능할 수 있다. 이하의 설명은 전기 모터에 초점을 맞추지만, 기기가 역설계되어 발전기로서 기능할 수 있다는 것을 이해한다.
모터에서, 전기 에너지 입력은 회전자, 솔레노이드, 또는 작동기와 같은 기기의 하나 이상의 구성 요소에 운동을 부여한다. 솔레노이드 및 작동기는 전형적으로 선형으로 이동하는 반면에, 회전자는 회전한다. 이하의 설명은 회전식 모터에 초점을 맞춘다.
회전식 모터에서, 고정자(들)에 의해 생성된 자속 밀도는 전기적 작업을 기계적 작업으로 변환하는 합력을 생성한다. 가장 통상적인 분류의 회전식 모터는 다음과 같다: (1) 유도, (2) 영구 자석, 및 (3) 자기 저항. 통상적인 하위 분류의 모터는, (1a) AC 유도, (2a) 브러시형 DC 영구 자석, (2b) 무브러시 DC 영구 자석, (3a) 전환형 자기 저항, 및 (3b) 동기식 자기 저항을 포함한다. 회전식 모터의 추가적인 서술은 (1) 반경 방향, (2) 축방향, 및 (3) 횡방향인 자속 경로의 방향을 참조함으로써 달성된다. 반경 방향 자속이 가장 통상적이다.
AC 유도 모터는 고정자 및 회전자 모두에 코일을 포함한다. 고정자의 코일은 AC 전류와 동일한 주파수로 발진하는 자기장을 생성한다. 회전자의 회전 주파수는 AC 전류의 주파수보다 약간 더 작으며, 소위 "슬립(slip)"이라 불린다. 회전자 코일이 고정자 자기장을 지나서 슬립됨에 따라, 회전자 코일의 동적 자기장은 전류를 유도한다. 결과적인 유도 전류는 고정자로부터의 가해진 자기장에 대향하는 그 자체의 자기장을 생성함으로써, 토크를 생성한다. 슬립율이 더 클수록, 토크가 더 커지므로, 이러한 모터가 자체 조절되어 매우 간단하다. 유도 모터는 본 특허의 주제가 아니므로, 추가로 설명되지 않는다. 나머지 설명 부분은 영구 자석 및 자기 저항 모터에 초점을 맞춘다.
통상적으로, 자기 저항 전기 모터 또는 영구 자석의 강자성 고정자 코어는 모든 활성 자극을 포함하는 함께 적층된 개별 절연 적층물들을 포함하는 단일 구성 요소이다. 고정자 코어는 전류 및 전압에 의해 여자(energized)되어 고정자 코어 내에 자속 밀도를 생성하는 구리 코일(들)로 감긴다. 고정자 코어 플러스 구리 코일(들)은 총칭하여 "고정자"로서 기술된다.
전형적으로, 회전자는 별도의 강자성 또는 영구 자석 구성 요소를 포함한다. 회전자의 부재 시에, 고정자 자기 회로가 개방되어 자속 밀도를 지속시킬 수 없다. 특정 각위치에서, 회전자는 고정자 자기 회로와 상호 작용하여 이를 완성한다. 회전자가 고정자와 완전히 정렬되지 않은 경우, 자기 회로를 통하는 자속 밀도는 제로(즉, 자기 회로에서의 제로 에너지)이다. 회전자가 고정자와 완전히 정렬된 경우, 자기 회로를 통하는 자속 밀도는 최대값(즉, 자기 회로에서의 최대 에너지)이다. 회전자가 완전히 정렬되지 않은 상태로부터 완전히 정렬된 상태로 회전함에 따라, 자기 회로를 통하는 자속 밀도가 증가함으로써, 자기 회로의 에너지가 제로로부터 최대값으로 증가할 수 있게 한다. 정의에 따라, 에너지는 거리에 걸쳐서 가해지는 작용력이다. 전기 회로의 에너지가 증가함에 따라, 회전자에 작용력이 생성된다. 작용력은 회전의 중심으로부터 반경으로 생성됨으로써, 회전자에 작용하는 토크를 생성한다. 요약하면, 회전자가 회전하여 고정자의 자기 회로를 완성함에 따라, 토크가 회전자에 작용함으로써 샤프트 동력을 생성한다.
다수의 최신 적용예의 전기 모터는 고출력 밀도를 필요로 한다. 예를 들어, 최신 자동차는 하이브리드 차량 또는 배터리 차량에서 점점 더 전기 에너지를 사용한다. 차체 또는 이의 휠 상에 직접 장착된 경량 전기 모터를 통해 자동차 성능이 크게 향상된다. 주어진 모터 속도에서, 고출력 밀도는 높은 토크 밀도를 필요로 한다.
전기 모터에서, 높은 토크는 이하의 방법을 통해 달성된다:
ㆍ 극의 수를 증가시킨다 - 단일 자기 회로에서 생성된 토크에 모터의 주변부를 따르는 회로의 수를 곱한다. 극의 수를 증가시킴으로써 토크를 직접적으로 증가시킨다.
ㆍ 자속을 증가시킨다 - 자기 회로에서, 자속이 더 강할수록, 최대 에너지가 더 커지므로, 토크가 더 커진다.
자기 회로에서, 최대 자속은 이하의 요소에 의해 결정된다:
ㆍ 자기장 세기를 증가시킨다 - 자기장 세기는 전류와 권선 수의 곱이다. 전기 모터의 설계자는 과열 없이 전류를 처리할 수 있는 최소 와이어 게이지를 선택함으로써, 가능한 한 많은 코일을 주어진 체적 내로 패킹한다. 체적에서 구리선의 양을 증가시키기 위해, 일부 설계자는 원형 단면을 갖는 와이어보다 더 조밀하게 패킹되는 정사각형 단면을 갖는 와이어를 선택한다.
ㆍ 높은 투자율 재료를 선택한다 - 자기장 세기가 증가함에 따라, 강자성 코어가 포화되어 더 큰 자속 밀도를 더 이상 수용할 수 없다. 높은 자속 밀도로 포화되는 재료를 선택하여 자기 회로의 최대 에너지를 증가시킴으로써, 토크를 증가시킨다.
ㆍ 에어 갭을 최소화한다 - 주어진 자기장 세기에 대해, 강자성 재료에서 자속 밀도가 크다. 대조적으로, 동일한 자기장 세기에 대해, 공기에서는 자속 밀도가 작다. 따라서, 자기 회로에서, 회전자와 고정자 사이의 에어 갭의 존재는 "자기 저항"을 생성하고, 즉 전기 회로의 저항과의 자기 유비(magnetic analogy)를 생성한다. 전기 모터의 설계자는 제조 가능성 한계 및 열 팽창 고려 사항에 기초하여 에어 갭을 최소화한다.
ㆍ 회전자/고정자 접촉 면적을 증가시킨다 - 회전자와 고정자 사이의 단면 접촉 면적을 확대시킴으로써 에어 갭의 자기 저항이 감소될 수 있다. 이것은 전기 회로의 전체 저항을 감소시키도록 병렬 저항기를 추가하는 것과 유사하여, 전자가 흐를 수 있는 단면적을 효과적으로 증가시킨다.
이러한 후자의 포인트는 본원에서 설명된 특정 실시형태를 위한 주요한 특징이다.
회전자/고정자 에어 갭 파라미터와 관련된 모터 설계 고려 사항:
1. 철손(iron loss)은 에어 갭 자속 밀도에 따라 크게 좌우된다. 낮은 철손은 전기 모터를 위한 더 낮은 작동 온도 및 더 높은 효율을 가능하게 한다.
2. 에어 갭에서의 더 높은 자속 밀도는 기기 크기를 감소시킨다.
3. 에어 갭에서의 더 높은 자속 밀도는 모터 비용을 감소시킨다.
4. 고정자와 회전자 극 사이의 표면적을 최대화하면, 자속 전달이 최대화되어, 필요한 재료의 체적을 최소화시킨다.
5. 에어 갭에서의 더 높은 자속 밀도는 모터의 과부하 용량을 증가시킨다.
6. 에어 갭 표면적이 더 클수록, 전기 모터로부터 가능한 토크가 더 높아진다.
7. 단위 회전자 체적당 토크(TRV)는 전기 모터의 효율성에 대한 척도이며, 전기 모터가 얼마나 "양호한지" 판단하는데 도움을 줄 수 있다. TRV는 수식 TRV = 2σmean으로 접선방향 응력과 관련되며, 여기서 σmean은 회전자와 고정자 사이의 에어 갭에서의 전단 응력(N/m2)이다.
8. 에어 갭 극 표면적이 더 클수록, 모터 권선에서 허용 가능한 전기 부하가 더 높아진다.
9. 회전자 크기는 에어 갭 표면적에 의해 결정되며, 더 큰 에어 갭 표면적은 더 작은 회전자 크기 및 이에 따른 더 작은 모터 크기를 가능하게 한다.
10. 회전자/고정자 계면에서의 증가된 표면적은 자속 밀도를 집중시킨다. 이는 저비용의 페라이트 자석의 사용을 통해, 희토류 자석을 사용하는 훨씬 더 고비용의 모터를 넘어서거나 동일한 모터 효율 및 성능을 달성할 수 있게 한다.
도 1은 에너지-강탈 와전류를 방지하는 얇은 절연층에 의해 분리된 적층 강자성 재료를 포함하는 자기 회로를 도시한다. 자기 회로의 상부는 자속을 생성하는 자기장 세기를 제공하는 구리 코일을 갖는다. 하부에서, 선형 작동기는 화살표로 도시된 방향으로 이동함으로써 자기 회로를 완성한다. 이 경우, 선형 작동기는 선형 작동기를 자기 회로 내로 끌어당기는 자기 회로의 자기장의 극성과 정렬되는 극들을 갖는 영구 자석이다. 전류가 구리 코일을 통해 반대 방향으로 흐르면, 자기장은 극성을 전환시켜서 자기 회로로부터 선형 작동기를 방출시킨다. 본 도면은 단일 선형 작동기를 도시하지만, 영구 자석이 회전자에 부착되어 고정식 자기 회로를 통하여 회전하는 회전식 장비에 동일한 개념이 적용될 수 있다.
자속 밀도는 자기 회로의 모든 곳에서 균일하지 않을 수 있으며, 특정 영역에 집중될 수 있다. 낮은 자속 밀도를 갖는 영역은 저비용의 저포화 재료(예를 들어, 실리콘 철, 1.8 테슬라)를 사용할 수 있다. 높은 자속 밀도를 갖는 영역은 보다 고비용의 고포화 재료(예를 들어, Supermendur, 2.2 테슬라)를 사용할 수 있다. 신속한 전환이 필요한 경우, 비정질 합금(예를 들어, METGLAS, 1.6 테슬라)이 사용될 수 있다. Persimmon Technologies Corp.(매사추세츠주, 웨이크필드)에 의해 개발된 등방성 복합 코어를 사용함으로써 적층물이 필요하지 않을 수 있다.
도 2는 선형 작동기가 또한 적층 강자성 재료를 포함한다는 점을 제외하고는, 도 1과 동일하다. 이러한 실시형태에서, 자기 회로는 여자된 경우에만 선형 작동기를 회로 내로 끌어당길 수 있다.
도 3은 선형 작동기가 증가된 각도(φ > 90°)로 자기 회로 내로 끌어당겨지는 것을 제외하고는, 도 2와 동일하다. 이러한 구성은 자기 회로와 작동기 사이의 표면적을 증가시킴으로써, 자기 저항을 감소시키고, 자속을 증가시키며, 작동기에 대한 작용력을 증가시킨다.
도 4는 작동기의 측면이 증가된 각도(ω > 90°)인 것을 제외하고는, 도 2와 동일하다. 이러한 구성은 자기 회로와 작동기 사이의 표면적을 증가시킴으로써, 자기 저항을 감소시키고, 자속을 증가시키며, 작동기에 대한 작용력을 증가시킨다.
도 5는 작동기의 측면이 "물결형"인 것을 제외하고는, 도 2와 동일하다. 이러한 구성은 자기 회로와 작동기 사이의 표면적을 증가시킴으로써, 자기 저항을 감소시키고, 자속을 증가시키며, 작동기에 대한 작용력을 증가시킨다.
도 3 내지 도 5에 도시된 3개의 모든 방법/구성이 동시에 사용될 수 있다.
도 6은 페이지의 평면에 수평으로 위치되는 축의 둘레에서 회전자(2) 극이 통과하는 에어 갭(4)을 도시하는 단일 횡방향 자속 고정자(1) 및 회전자(2) 극 자속 루프의 단면도이다. 횡방향 자속 코일(3)은 상전류가 페이지의 내부로 그리고 외부로 흐르는 자속 루프의 중심에 위치된다.
도 7은 고정자(1) 및 회전자(2) 극을 통하는 자속 경로에 대해 일 방향으로 각을 이루는 에어 갭(4)을 도시하는 단일 횡방향 자속 고정자(1) 및 회전자(2) 극 자속 루프의 단면도이다. 횡방향 자속 코일(3)은 상전류가 페이지의 내부로 그리고 외부로 흐르는 자속 루프의 중심에 위치된다.
도 8은 도 7의 대안적인 실시형태의 단면도로서, 고정자 및 회전자 극은 도 6 및 도 7과 비교하여 비스듬하고, 에어 갭도 자속 경로에 대해 각을 이루고 있다.
도 9는 도 8의 대안적인 실시형태의 예시로서, 에어 갭(4)은 고정자(1) 및 회전자(2) 극의 자속 루프에 대해 2개의 상이한 방향으로 각을 이룬다. 자속 루프에 대한 에어 갭(4) 배향을 보다 명확하게 볼 수 있도록 하기 위해 횡방향 자속 코일(3)은 본 도면에 도시되지 않는다.
도 10은 도 9에 도시된 실시형태의 다른 도면의 예시이다.
도 11은 반경 방향 자속 전기 기기의 단면도이다. [더 이상의 세부 사항?]
도 12는 축방향 자속 전기 기기의 예시이다. [더 이상의 세부 사항?]
도 13은 횡방향 자속 전기 기기의 예시이다. [더 이상의 세부 사항?]
도 14는 본원에 참조로 포함되는 미국 특허 제7,663,283호에 기술된 설계를 개선하는 전기 기기의 예시이다.

Claims (33)

  1. 전기 기기로서,
    하나의(또는 그 이상의) 전기 위상 코일(들)이 일 측면 상에서 그리고 그 대향 측면 밖으로 상기 원하는 강자성 재료 루프(회로)의 중심을 통과하도록 하는 배향으로 상기 불연속적 전기적으로 여자된 전자기 극이 배열됨으로써, 상기 전기 위상 코일(들)의 단면에 외접하는 상기 강자성 재료 루프(회로)에서 자기장을 유도하는,
    전기 기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불연속적 강자성 재료 루프는 상기 루프에서 하나 이상의 에어 갭을 갖는, 전기 기기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    에어 갭에 의해 분리된 상기 불연속적 강자성 재료 루프의 하나 이상의 섹션은 상기 강자성 재료 루프의 전자기력에 의해 작용될 때 이동 가능한 구성 요소로서 사용될 수 있는, 전기 기기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    영구 자석 또는 다른 강자성 재료와 같은 이질적인 구성 요소는 상기 불연속적 강자성 재료 루프의 전자기력에 의해 작용될 때 이동 가능한 구성 요소로서 사용될 수 있는, 전기 기기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불연속적 강자성 재료 루프는 원을 형성하는 하나 이상의 전기 위상 코일의 중심의 둘레에 원형 어레이로 배열될 수 있으며, 상기 위상 코일(들)이 전기적으로 여자된 경우 통상적으로 횡방향 자속 전기 모터로 지칭되는 회전식 운동 기기를 생성하는, 전기 기기.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불연속적 강자성 재료 루프는 하나 이상의 전기 위상 코일을 따라 선형 어레이로 배열될 수 있으며, 상기 위상 코일(들)이 전기적으로 여자된 경우 통상적으로 횡방향 자속 선형 전기 모터 또는 작동기로 지칭되는 선형 운동 기기를 생성하는, 전기 기기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 불연속적 강자성 재료 루프의 에어 갭(들)은 상기 불연속적 강자성 재료 루프(들)의 개방 측면을 통과하는 상기 전기 위상 코일(들)의 경로에 대해 비스듬한, 전기 기기.
  8. 제7항에 있어서,
    전기 위상 코일은 각각의 위상 코일이 순차적으로 전기적으로 여자된 경우, 상기 불연속적 이동 가능한 구성 요소의 운동이 다상 전기 기기를 생성할 수 있게 하는 다른 전기 위상 코일과 함께 일련의 불연속적 강자성 재료 루프에 들어가고 나오는 것을 교호하는, 전기 기기.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    복수의 불연속적 강자성 재료 루프 및 이동 가능한 구성 요소를 갖는 단상 코일 전기 기기는 다상 어레이 전기 기기를 형성하도록 하나 이상의 추가적인 단상 코일 전기 기기(들)와 조합될 수 있는, 전기 기기.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 불연속적 강자성 재료 루프는 단독으로 활성화된 전기 위상을 형성하도록 다른 불연속적 전기 코일과 전기적으로 연결될 수 있거나 연결되지 않을 수 있는 그 자체의 불연속적 전기 코일을 가질 수 있는, 전기 기기.
  11. 전기 기기로서,
    상기 회전자와 고정자 사이의 상기 에어 갭은 상기 강자성 구성 요소를 통해 흐르는 상기 자속 경로에 대해 하나 이상의 방향으로 각을 이루는,
    전기 기기.
  12. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 회전자를 다른 방향으로 배향시켜서 상기 완전한 회전자 어레이가 상기 완전한 고정자 어레이와 정렬될 수 있게 하여 모든 회전자 및 고정자를 통하는 하나의 연속적인 자속 루프를 형성함으로써, 또는 각각 그 자체의 불연속적 자속 루프를 통해, 불연속적 고정자/회전자 극 세트를 작동시키도록 상기 회전자 극이 배열될 수 있는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  13. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 강자성 재료 루프의 회전자 부분은 영구 자석 재료로 제조될 수 있는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  14. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 코일은 위상 코일 와전류 손실을 최소화하도록 리츠선을 포함할 수 있는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  15. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 횡방향 자속 위상 코일(들)은 상기 고정자 구조물의 내력 부재가 되도록 상기 고정자 구조물 내에 결합되는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  16. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 횡방향 자속 코일(들)은 원주 방향 코일 리테이너 웨지(retainer wedge)를 사용하여 유지되는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  17. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 원주 방향 코일 리테이너 웨지는 상기 회전자 조립체의 회전을 지지하는 베어링 표면으로서 더 기능할 수 있는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  18. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 원주 방향 코일 리테이너 웨지는 상기 고정자 및 회전자 극으로부터의 상기 자속 누설을 최소화하기 위해 강자성 재료로 제조되는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  19. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 원주 방향 코일 리테이너 웨지는 상기 고정자 및 회전자 극 내에 유지되도록 상기 자속을 지향시키는 것을 보조하기 위해 열분해 흑연으로 제조되는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  20. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 회전자 캐리어는 원형 구조물을 형성하도록 함께 결합되는 세그먼트를 포함하는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  21. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 고정자 캐리어는 원형 구조물을 형성하도록 함께 결합되는 세그먼트를 포함하는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  22. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 고정자 캐리어는, 축방향으로 함께 결합된 다음 2개의 절반부를 일체형으로 함께 고정시키는 별도의 키를 삽입함으로써 함께 결합되는 상기 2개의 절반부를 포함하는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  23. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    본원에서 설명된 단일 전기 기기는 다상 기기를 형성하도록 하나 이상의 전기 기기에 결합될 수 있는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  24. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    동일한 전기 위상을 각각 사용함으로써 생성된 상기 토크를 합산하도록 단일 전기 기기가 하나 이상의 동일한 전기 기기에 결합될 수 있는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  25. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 회전자 조립체는 상기 고정자에 대해 내부적으로 위치될 수 있거나, 상기 고정자에 대해 외부적으로 위치될 수 있거나, 상기 고정자의 앞에 또는 상기 고정자의 뒤에 또는 이들의 조합으로 위치될 수 있는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  26. 단상 구성의 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 단상 조립체로부터의 토크 맥동을 최소화하기 위해, 추가적인 단상 기기가 상기 인접한 기기에 대해 약간의 각회전으로 서로 축방향으로 적층되는,
    단상 구성의 본원에서 설명된 전기 기기.
  27. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 고정자 극의 위상 코일은 완전한 회전자 회전의 완전한 정류 시퀀스 동안 상기 회전자 극을 끌어당기거나/끌어당기고 밀어내도록 모두 제어되는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  28. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 고정자 극과 회전자 극 사이에 흐르는 상기 표유 자속 누설을 반영하기 위해, 상기 횡방향 코일을 향하는 상기 고정자 극들 사이에 열분해 흑연이 배치되는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  29. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 위상 코일에 의해 생성된 상기 열을 열 파이프 장치와 같은 상기 고정자 조립체의 특정 위치로 지향시키기 위해, 열분해 흑연이 상기 위상 코일과 접촉되게 배치되는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  30. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 회전자 극은 상기 회전자의 각각의 측면 상에 이들의 자속을 집중시킴으로써 상기 전기 기기의 토크 및 효율을 증가시키는 이중(배면 결합) 할바흐(Halbach) 어레이의 영구 자석을 포함하는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  31. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 강자성 고정자 극은 체적이 감소될 수 있거나 완전히 제거될 수 있어서, 상기 철 와전류 손실을 최소화하거나 제거하도록 상기 고정자 코일이 상기 이중 할바흐 어레이의 상기 회전자와 함께 "에어 코일"로서 기능할 수 있게 하는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  32. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    상기 회전자는 상기 고정자 구조물에 대한 하중을 최소화하고 구조적 왜곡/진동을 감소시키기 위해, 상기 고정자 및 회전자의 에어 갭들 사이에서 축방향으로 부유할 수 있는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
  33. 본원에서 설명된 전기 기기로서,
    다상 "마스터" 기기는 차량의 전방 또는 후방 차축(들) 상에 배치될 수 있으며, 단일 "슬레이브" 위상(또는 "마스터"보다 더 작은 위상) 기기는 상기 이전의 다상 "마스터" 기기의 제어기에 의해 본질적으로 또는 직접적으로 제어되는 “슬레이브” 기기(들)로서 기능하도록 상기 나머지 차축(들) 상에 배치될 수 있는,
    본원에서 설명된 전기 기기.
KR1020197030415A 2017-03-20 2018-03-20 높은 자속 불연속적 고정자 전기 기기 KR20200024125A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762474025P 2017-03-20 2017-03-20
US62/474,025 2017-03-20
PCT/US2018/023292 WO2018175393A1 (en) 2017-03-20 2018-03-20 High-magnetic-flux discrete stator electrical machine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200024125A true KR20200024125A (ko) 2020-03-06

Family

ID=63585719

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197030415A KR20200024125A (ko) 2017-03-20 2018-03-20 높은 자속 불연속적 고정자 전기 기기

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20200044494A1 (ko)
EP (1) EP3602756A4 (ko)
KR (1) KR20200024125A (ko)
WO (1) WO2018175393A1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI20195489A1 (en) * 2019-06-10 2020-12-11 Lappeenrannan Lahden Teknillinen Yliopisto Lut Linear electric machine
CN112510946B (zh) * 2020-11-20 2021-09-24 哈尔滨工业大学 航空航天领域用高功率密度轴横向磁通外转子永磁电机
CN113704900B (zh) * 2021-07-22 2023-12-26 无锡欧瑞京电机有限公司 基于磁路计算与电磁场校核的异步电机转子通风孔设计方法
WO2024095087A1 (en) * 2022-11-01 2024-05-10 Dattatraya Rajaram Shelke Electric machine with d ifferent configurations in the plane of stator coils

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3344325A (en) * 1965-05-04 1967-09-26 Honeywell Inc Step motor including permanent magnet rotor and sectioned stator
US4786834A (en) * 1987-07-06 1988-11-22 Rem Technologies, Inc. Stator assembly for dynamoelectric machine
US6727630B1 (en) * 2002-07-31 2004-04-27 Wavecrest Laboratories, Llc. Rotary permanent magnet electric motor with varying air gap between interfacing stator and rotor elements
US7663283B2 (en) * 2003-02-05 2010-02-16 The Texas A & M University System Electric machine having a high-torque switched reluctance motor
ES2825148T3 (es) * 2009-02-05 2021-05-14 Evr Motors Ltd Máquina eléctrica
JP5592848B2 (ja) * 2011-03-30 2014-09-17 株式会社東芝 横方向磁束型回転電機及び車輌
KR101331666B1 (ko) * 2011-12-29 2013-11-20 삼성전기주식회사 팬 모터 조립체

Also Published As

Publication number Publication date
EP3602756A4 (en) 2020-12-23
US20200044494A1 (en) 2020-02-06
EP3602756A1 (en) 2020-02-05
WO2018175393A1 (en) 2018-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11784529B2 (en) Torque tunnel Halbach Array electric machine
US6175178B1 (en) Low inductance electrical machine for flywheel energy storage
CN105245073B (zh) 定子永磁型双凸极盘式电机
EP1226645A1 (en) Low inductance electrical machine for flywheel energy storage
KR20200024125A (ko) 높은 자속 불연속적 고정자 전기 기기
JP6322842B2 (ja) 空芯巻線を備えた電気モータ
KR20060039895A (ko) 전력 발생 또는 모티브 드라이브용 선형 전기 기계
Xu et al. Analysis of a double stator linear rotary permanent magnet motor with orthogonally arrayed permanent magnets
US20220045559A1 (en) Segmented stator for a permanent magnet electric machine having a fractional-slot concentrated winding
US20220123634A1 (en) Switched reluctance machines without permanent magnets
WO2018077788A1 (en) An axial flux switched reluctance machine and an electric vehicle comprising the machine
Liu et al. Performance evaluation of an axial flux claw pole machine with soft magnetic composite cores
WO2019125347A1 (en) Contra-rotating synchronous electro-mechanical converter
CN111740515B (zh) 一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机
CN101882901A (zh) 双磁环感应式磁能发电机
Rathod et al. Design of poly-phase outer rotor homo-polar transverse flux machine using ferrite magnets and laminations
Allirani et al. Simulation and Fabrication of an Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Motor
Ismagilov et al. Analysis of performance of disc-type high-speed generators design with PMs
Guo et al. Performance Analysis of a PM Claw Pole SMC Motor with Brushless DC Control Scheme
Aghili et al. A novel structure for axial flux permanent magnet machines with internal stator
Koushki et al. ON PERFORMANCE ANALYSIS OF CORELESS PERMANENT MAGNET MACHINE
Guo et al. Performance analysis of an SMC transverse flux motor with modified double-sided stator and PM flux concentrating rotor
Wang et al. Design aspects of a high thrust density dual stator yokeless Linear Switched Reluctance Machine for harsh conditions
KR20210129163A (ko) 방위각 또는 폴로이드 자속 기계
CN112956113A (zh) 电机

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application