KR20200081416A - 모터 - Google Patents

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KR20200081416A
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KR1020207014862A
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페트르 츠멜리첵
애쉬쉬 고엘
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로맥스 테크놀로지 리미티드
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Abstract

본 발명은 종방향으로 연장되는 회전축 X를 따라 연이어 배치되는 복수의 자극 어셈블리들을 포함하는 자극 배치에 관한 것이다. 각각은 에어 갭 G에 자속을 제공한다. 각각의 자극 어셈블리는 하나 이상의 자극편 및 자속의 2개의 성분들을 포함한다. 자속의 제1 성분은 원주 방향으로 연장되는 어레이에 배치된 복수의 축 방향으로 자화된 축 방향으로 변위된 자석들에 의해 제공된다. 자속의 제2 성분은 회전 축 X 주위에 원주 방향으로 이격되는 복수의 원주 방향으로 자화된 자석들에 의해 제공된다.

Description

모터
본 발명은 회전 전기 기기(rotating electrical machines)에 관한 것으로, 특히 방사형 자기장 전기 모터(radial field electric motor) 및 생성된 자속(magnetic flux)을 집중하며 다수의 회전자 어셈블리들의 축 방향 적층(axial stacking of multiple rotor assemblies)을 가능하게 할 수 있는 이러한 모터를 위한 회전자 배치구조(rotor arrangement)에 관한 것이지만, 전적으로는 아니다.
여자(excitation)의 공급원(source)으로서 자석을 사용하는 회전 전기 기기에서의 자속 집중(magnetic flux focusing)은 다양한 자기 회로(magnetic circuit) 배치구조(토폴로지(topology), 설계(design))를 사용하여 실현될 수 있다. 자속 집중의 목적은 고정자(stator)와 회전자(rotor) 사이의 에어 갭(air gap)에서 높은 자속 밀도, 가능하게는 자석의 잔류자속 밀도보다 훨씬 높은 자속 밀도를 달성하는 것이다. Boulder Wind Power, Inc.(US2016247616 (A1): 2016-08-25)는 다양한 전기 기기 토폴로지(topology)에 포함될 수 있는, 자속 집중의 개념을 사용하는, 수개의 상이한 자석 및 자극편(pole piece) 배치구조를 도입하였다. 전통적으로, 방사형 자기장 전기 기기들에서의 자속 집중은 적층 전기강판(electrical steel)으로 제조된 회전자에 매립된 하나 이상의 자석 어레이(array)를 사용하여 실현된다. 잘 알려진 실제적인 구현은 연속 자석들이 서로 반대가 되도록 자화되는 스포크(spoke) 또는 V 타입 회전자 토폴로지이다. 스포크 배열에서, 자석들은 원주 방향으로 자화되는 반면, V 타입 회전자에서는 자석을 떠나는 자속이 원주 방향 및 반경 방향 성분을 갖는다. 자속 누설을 제한하고 에어 갭 자속 밀도를 추가로 높이기 위해 반경 방향으로 자화된 추가 자석들이 양 토폴로지들에 추가될 수 있다. 방사형 자속 집중 회전자의 예들은 Meidensha Electric Mfg Co. Ltd (JP2016082733 (A): 2016-05-16), Wolfgang Volkrodt (US4127786 (A): 1978-11-28), Samsung Electronics Co. Ltd. (US2014375162 (A1): 2014-12-25) 및 JTEKT CORP (JP2017055493 (A): 2017-03-16)에 개시되어 있다. 스포크 타입 토폴로지는 단지 원주 방향으로의 자속을 제공하는 1차원 자속 집중(one dimensional flux focusing)의 예이며, 반면에 V 타입 회전자는 자석들이 원주 방향 및 반경 방향으로의 자속을 제공하기 때문에 2차원적으로 집중된 것으로서 볼 수 있다. 2차원 자속 집중(two-dimensional flux focusing)은 회전자의 회전 축의 방향으로 자화된 자석들(축 방향으로 자화된 자석들)의 어레이와 원주 방향으로 자화된 자석들의 어레이를 결합시킴에 의해 또한 구현될 수 있다. 이러한 개념은 K. Atallah 및 J. Wang (A rotor with axially and circumferentially magnetized permanent magnets, IEEE Transactions on Magnetics, Nov 2012)에 의해 개시된다. 양 어레이들의 자석들에 의해 형성된 자속(magnetic flux)은 자극편들(magnetic pole pieces)에 의해 전기 기기 에어 갭(air gap)을 향해 안내된다. 자속은 원주 방향 및 축 방향으로 자극편에 들어가고 반경 방향으로 그것을 떠나기 때문에, 자속 경로는 명백하게 3차원이다. 유사하게, 축방향으로 자화된 자석들에 의해 형성된 자속을 위한 귀환 경로(return path)를 제공하는 자기 단부 플레이트들(magnetic end plates)은 자속을 3차원 방식으로 안내한다.
K. Atallah 및 J. Wang (A rotor with axially and circumferentially magnetized permanent magnets, IEEE Transactions on Magnetics, Nov 2012)는 2차원 자속 집중 배열의 경우 회전자의 축 방향 길이가 짧을 때 에어 갭에서의 자속 밀도는 가장 높다는 것을 보여 주었다. 이것은 축 방향으로 자화된 자석들의 기여 때문이다. 많은 응용 분야에서 외경이 작고 축 방향 길이가 긴 회전자를 갖는 것이 필요하다 (예 : 낮은 관성이 필요한 경우).
본 발명은 전기 기기의 회전자를 위한 3차원 자속 집중(three-dimensional flux focusing)의 개념을 도입한다. 전기 기기 회전자의 자극편들의 자기장은 3차원 자속 집중이 달성되도록 모든 3개의 방향들로 자속을 제공하는 자속 공급원에 의해 여자된다. 다양한 3차원 자속 집중 배치들의 상세한 설명은 본 명세서에 개시된다. 3차원 자속 집중으로 인해, 에어 갭 자속 밀도는 회전자에서 사용되는 자석의 잔류자속 밀도보다 상당히 더 높으며, 따라서 낮은 잔류자속 밀도를 갖는 저비용 비희토류 자석(non-rare earth magnets)을 사용하는 것을 가능하게 만든다. 또한, 자속의 공급원들은 자극편들로부터 그것들의 각각의 방향으로의 자속 누설(flux leakage)을 방지는데 왜냐하면 그것들이 자속 누설을 능동적으로 대항하기 때문이다. 이것은 일반적으로 비자성이고 어쩌면 고가의 재료로 제조될 필요가 있을 수도 있는 회전자 허브/샤프트를 통한 반경 방향으로의 자속 누설의 경우 특별한 이점을 갖는다. 3차원 자속 집중은 방사형 자속 누설을 최소화함에 의해 이러한 문제점을 제거한다. 자극편들과 회전자 허브는 동일한 자성 재료로 제조될 수 있기 때문에, 이들은 단일 바디로 제조될 수 있어, 어셈블리의 부품들의 수를 줄일 수 있다. 조립 및 구속할 부품들의 수를 크게 줄이는 이점을 가지며, 단일 피스 자석을 사용하여 세 방향 모두로 자속을 제공하는 방법을 보여준다.
본 명세서에 제시된 3차원 자속 집중 및 축 방향 적층의 개념은 약한 자속 공급원을 사용함에도 불구하고 이러한 회전자가 설치된 전기 기기에서 높은 에어 갭 자속 밀도를 달성하는 것을 가능하게 만든다. 결과적으로, 현재 널리 퍼져 있지만 공급망 문제를 겪고 상당히 더 비싼 고성능 희토류 기반 영구 자석 대신에 페라이트와 같은 저비용 영구 자석을 사용할 수 있다. 이 개념을 사용하는 전기 기기는 희토류 기반 전기 기기와 유사한 효율 및 전력 밀도 및 현재의 최신 기술(state-of-the-art)(SoA) 비희토류 기술(non-rare earth technologies)에 비해 향상된 성능을 달성하는 잠재력을 보여준다. 이 때문에 제시된 회전자 기술은 고성능, 저비용 및 견고성이 요구되는 응용 분야에 특히 적합하다. 추가적으로, 페라이트 자석의 안정적인 공급은 비교적 저위험 대량 생산을 가능하게 한다. 이러한 모든 이점들로 인해, 본 발명은 환경 친화적인 기술의 광범위한 채택을 가속화할 가능성을 갖는다. 본 발명으로부터 가장 이익을 얻을 수 있는 응용들 중에는 감소된 또는 제로 배출 자동차 트랙션 및 재생 가능한 발전(reduced or zero emission automotive traction and renewable power generation)이 있다.
본 발명은 자극을 통한 자속의 밀도를 향상시키고 따라서 회전자의 성능을 향상시키기 위해 회전자의 자극 주위의 3차원 모두에서의 자속 집중의 개념을 개시한다. 이것은 새로운 자석 토폴로지 또는 자석의 배열을 사용하며 결합되는 경우 회전자의 원주 방향, 축 방향 및 반경 방향으로 자속을 제공하고 회전자의 자극을 통해 자속을 집중시키는 것에 의해 달성된다.
본 발명은 또한 성능을 손상시키지 않으면서 회전자의 반경 방향 치수를 감소시키고 잠재적으로 생성된 토크를 개선하는 방법을 개시한다. 이 방법은 자속 집중 유닛을 회전자의 축 방향으로 적층하는 것을 포함한다.
본 발명의 일 태양에 따르면 종 방향으로 연장되는 회전 축 X를 가지며 복수의 자극 어셈블리들을 포함하는 자극 배치(magnetic pole arrangement)는 상기 종 방향으로 연장되는 회전 축 X를 따라 연이어(back-to-back) 배치된다. 각각의 자극 어셈블리는 에어 갭 G에 자속을 제공한다. 각각의 자극 어셈블리는 하나 이상의 자극편 및 2개의 자속 구성요소들을 포함할 수 있다. 각각의 자극편은 제1 축 방향 면, 제2 축 방향 면, 제1 원주 방향 면, 제2 원주 방향 면, 반경 방향 내측 표면 및 반경 방향 외측 표면을 포함할 수 있다. 상기 제1 자속 구성요소는 복수의 제1 및 제2 축 방향으로 변위된 축 방향으로 자화된 자석을 포함할 수 있다. 북쪽 N 및 남쪽 S을 갖는 상기 축 방향으로 자화된 자석들은 상기 하나 이상의 자극편의 각각의 제1 및 제2 축 방향 면들에 인접한 각각의 원주 방향으로 연장되는 어레이들로 배열될 수있다. 상기 자속의 제2 구성요소는 복수의 원주 방향으로 자화된 자석들을 포함할 수 있다. 북쪽 N 및 남쪽 S를 각각 갖는 원주 방향으로 자화된 자석들은 상기 축 (X) 주위에 서로에 대해 원주 방향으로 이격될 수 있다. 원주 방향으로 자화 된 자석들은 각각의 자극편의 각각의 제1 원주 방향 면들과 각각의 제2 원주 방향 면들에 인접하여 놓일 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 각각의 자극편 어셈블리는 원주 방향으로 그리고 반경 방향으로 연장되는 제1 및 제2 자성 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 제1 플레이트는 각각의 제1 원주 방향으로 연장되는 축 방향으로 자화된 자석들과 접촉하고 이들 사이에서 연장될 수 있다. 상기 제2 플레이트는 각각의 제2 원주 방향으로 연장되는 축 방향으로 자화된 자석들과 접촉하고 이들 사이에서 연장될 수 있다.
제1 극 어셈블리의 상기 제1 플레이트는 또한 다음 인접 극 어셈블리의 제2 플레이트를 형성할 수 있다.
자극 배치는 복수의 제3 자속 구성요소들을 더 포함할 수 있다. 자속의 각각의 제3 구성요소들은 북쪽 N과 남쪽 S을 갖는 반경 방향으로 자화된 자석을 포함할 수 있고, 각각은 자극편의 상기 각각의 반경 방향 내측 표면 또는 상기 각각의 반경 방향 외측 표면에 인접하여 제공될 수 있다.
자극 배치는 상기 반경 방향으로 자화된 자석들에 부착된 강자성 튜브를 더욱 포함할 수 있다.
상기 자속의 제1 구성요소 각각은 복수의 축 방향으로 자화된 원주 방향으로 이격된 중앙 자석들 및 복수의 원주 방향으로 자화된 원주 방향으로 이격된 측면 자석들을 포함할 수 있다. 상기 중앙 자석들 및 각각의 측면 자석들은 할바흐 어레이(Halbach array)로 배열될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 자극 배치는 원주 방향으로 인접하는 자극편들을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 자극 어셈블리는 교번하는 북쪽 및 남쪽 자기 극성으로 배열된다.
각각의 자극 어셈블리에서 축 방향으로 인접하는 자극편들은 교번하는 북쪽 및 남쪽의 자기 극성으로 배열될 수 있다.
각각의 자극 어셈블리에서 축 방향으로 인접한 자극편들은 서로에 대해 원주 방향으로 스큐(skew)되거나 오프셋(offset) 될 수 있다.
축 방향 및 반경 방향으로 연장되는 원주 방향으로 자화된 제2 자속 구성요소는 상기 복수의 제1 및 제2 축 방향으로 변위된 축 방향으로 자화된 자석들의 내부 면들을 지나 축 방향으로 연장될 수 있다.
상기 배열은 상기 자속의 상기 제1 및 제2 구성요소들의 조합된 공급원을 포함할 수 있다. 자속의 제1 및 제2 구성요소들의 상기 조합된 공급원은 삼각형 단면 구조를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 삼각형 단면 구조는 인접하는 극편과 대면하는 축 방향, 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 제1 표면을 가질 수 있고 극편은 축 방향 A를 따라 변하는 원주 폭 (W)을 가질 수 있다.
대안적인 배열은 자속의 상기 제1 및 제2 구성요소들의 조합된 공급원을 포함할 수 있고, 이것은 제1 및 제2 대향하는 축 방향 표면들을 갖는 사변형 단면 자석을 포함할 수 있으며 상기 표면들은 인접한 극편들과 마주보며 자속의 상기 제1 및 제2 구성요소들의 조합된 공급원은 축 방향 (A)를 따라 변하는 원주 방향 폭 (W)을 가질 수 있다. 복수의 극편들은 각각 자속의 인접하는 구성요소의 각각의 면과 마주하는 축 방향, 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 대향 단부면들을 갖는 육각형 단면 구조를 가질 수 있다.
또 다른 대안적인 배열에서, 상기 자극편들은 제1 및 제2 대향하는 축 방향으로 변위된 단부면들 및 제1 및 제2 대향하는 원주 방향으로 변위된 측면들을 갖는 육각형 단면 구조를 포함할 수 있으며 자속의 상기 제1 및 제2 구성요소들의 상기 조합된 공급원은 대향하는 축 방향, 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 단부면들 및 대향하는 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 블랭크 단부들을 갖는 육각형 단면 구조를 포함할 수 있으며 제1 및 제2 대향하는 축 방향 단부들 및 대향하는 측면들을 각각 갖는 복수의 반경 방향 및 축 방향으로 연장되는 원주 방향으로 이격된 보충 자석들을 더욱 포함할 수 있다.
자속 공급원의 상기 블랭크 단부들은 상기 보충 자석들의 각각의 제1 및 제2 축 방향 단부들과 마주할 수 있고, 상기 극편들의 상기 측면들은 상기 보충 자석들의 대향하는 각각의 측면들과 마주할 수 있다.
각각의 극편은 반경 방향 표면으로부터 멀리 연장되는 폴슈(pole shoe)를 포함할 수 있다. 폴슈는 그에 인접한 자속의 반경 방향 공급원을 갖지 않을 수 있다. 상기 폴슈는 극편에 대해 반경 방향 및 원주 방향으로 오프셋 된 극면(pole face)을 포함할 수 있다.
본 발명은 전기 기기의 회전자를 위한 3차원 자속 집중(three-dimensional flux focusing)의 개념을 도입한다. 전기 기기 회전자의 자극편들의 자기장은 3차원 자속 집중이 달성되도록 모든 3개의 방향들로 자속을 제공하는 자속 공급원에 의해 여자된다. 다양한 3차원 자속 집중 배치들의 상세한 설명은 본 명세서에 개시된다. 3차원 자속 집중으로 인해, 에어 갭 자속 밀도는 회전자에서 사용되는 자석의 잔류자속 밀도보다 상당히 더 높으며, 따라서 낮은 잔류자속 밀도를 갖는 저비용 비희토류 자석(non-rare earth magnets)을 사용하는 것을 가능하게 만든다. 또한, 자속의 공급원들은 자극편들로부터 그것들의 각각의 방향으로의 자속 누설(flux leakage)을 방지는데 왜냐하면 그것들이 자속 누설을 능동적으로 대항하기 때문이다. 이것은 일반적으로 비자성이고 어쩌면 고가의 재료로 제조될 필요가 있을 수도 있는 회전자 허브/샤프트를 통한 반경 방향으로의 자속 누설의 경우 특별한 이점을 갖는다. 3차원 자속 집중은 방사형 자속 누설을 최소화함에 의해 이러한 문제점을 제거한다. 자극편들과 회전자 허브는 동일한 자성 재료로 제조될 수 있기 때문에, 이들은 단일 바디로 제조될 수 있어, 어셈블리의 부품들의 수를 줄일 수 있다. 조립 및 구속할 부품들의 수를 크게 줄이는 이점을 가지며, 단일 피스 자석을 사용하여 세 방향 모두로 자속을 제공하는 방법을 보여준다.
본 명세서에 제시된 3차원 자속 집중 및 축 방향 적층의 개념은 약한 자속 공급원을 사용함에도 불구하고 이러한 회전자가 설치된 전기 기기에서 높은 에어 갭 자속 밀도를 달성하는 것을 가능하게 만든다. 결과적으로, 현재 널리 퍼져 있지만 공급망 문제를 겪고 상당히 더 비싼 고성능 희토류 기반 영구 자석 대신에 페라이트와 같은 저비용 영구 자석을 사용할 수 있다. 이 개념을 사용하는 전기 기기는 희토류 기반 전기 기기와 유사한 효율 및 전력 밀도 및 현재의 최신 기술(SoA) 비희토류 기술(non-rare earth technologies)에 비해 향상된 성능을 달성하는 잠재력을 보여준다. 이 때문에 제시된 회전자 기술은 고성능, 저비용 및 견고성이 요구되는 응용 분야에 특히 적합하다. 추가적으로, 페라이트 자석의 안정적인 공급은 비교적 저위험 대량 생산을 가능하게 한다. 이러한 모든 이점들로 인해, 본 발명은 환경 친화적인 기술의 광범위한 채택을 가속화할 가능성을 갖는다. 본 발명으로부터 가장 이익을 얻을 수 있는 응용들 중에는 감소된 또는 제로 배출 자동차 트랙션 및 재생 가능한 발전이 있다.
본 발명은 첨부한 도면들을 참조로 단지 예시적으로 이하에서 기술될 것이며, 도면에서:
도 1a는 3 방향으로부터의 입력 자속을 사용하여 자극편 (가이드 요소)을 통한 자속의 집중을 도시한다.
도 1b는 자극편들의 원형 어레이의 3 방향 (축 방향, 반경 방향 및 원주 방향)을 도시한다.
도 2a는 하나의 자극편 및 5개의 블록 형상의 영구 자석들을 사용하여 3차원 자속 집중을 갖는 하나의 자극 어셈블리의 구성요소들을 도시한다. 이 배치는 도 2b, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 방사형 자기장 내부 회전자 유닛을 구성하는데 사용될 수 있다.
도 2b는 방사형 자기장 내부 회전자 유닛을 구성하기 위한 도 2a로부터의 자극 어셈블리들의 원형 어레이를 도시한다.
도 2c는 강자성 단부 플레이트 및 축 방향으로 연장되는 자성의 관형 구조를 포함하는 도 2b의 방사형 자기장 내부 회전자 유닛을 도시한다.
도 2d는 하나의 자극편 및 5개의 블록 형상의 자석들을 사용하여 3차원 자속 집중을 갖는 하나의 자극 어셈블리의 구성요소들을 도시한다. 이 배치는 도 2e, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이 방사형 자기장 외부 회전자 유닛을 구성하는데 사용될 수 있다.
도 2e는 방사형 자기장 외부 회전자 유닛을 구성하기 위한 도 2d로부터의 자극 어셈블리들의 원형 어레이를 도시한다.
도 2f는 하나의 자극편 및 5개의 자속 공급원들을 사용하여 3차원 자속 집중을 갖는 하나의 자극 어셈블리의 구성요소들을 나타내고, 여기서 자속 공급원들은 전류를 운반하는 코일들을 사용하여 구성된다.
도 2g는 도 2f의 자극 어셈블리의 축 방향 및 반경 방향 단면도를 도시한다.
도 2h는 도 2f 및 도 2g의 복수의 자극편들을 사용하는 전기 모터의 회전자(130)의 단면도 및 도 2f 및 도 2g의 자속 공급원의 코일로의 전기 공급을 도시한다.
도 3a는 반경 방향 및 원주 방향 자속을 제공하는 단일 자속 공급원 및 축 방향 자속을 제공하는 한 세트의 자속 공급원들을 사용하여 3차원 자속 집중을 갖는 하나의 자극 어셈블리의 구성요소들을 도시한다.
도 3b는 방사형 자기장 내부 회전자 유닛을 구성하기 위해 도 3a로부터의 자극 어셈블리들의 원형 어레이를 도시한다.
도 4a는 반경 방향 및 축 방향 자속을 제공하는 단일 자속 공급원 및 원주 방향 자속을 제공하는 한 세트의 원주 방향 자속 공급원들을 사용하여 3차원 자속 집중을 갖는 하나의 자극 어셈블리의 구성요소들을 도시한다.
도 4b는 방사형 자기장 내부 회전자 유닛을 구성하기 위해 도 4a로부터의 자극 어셈블리들의 원형 어레이를 도시한다.
도 5a는 축 방향 및 원주 방향 자속을 제공하는 단일 자속 공급원을 사용하여 3차원 자속 집중을 갖는 하나의 자극 조립체의 구성요소들을 도시한다.
도 5b는 방사형 자기장 내부 회전자 유닛을 구성하기 위해 도 5a로부터의 자극 어셈블리들의 원형 어레이를 도시한다.
도 6a는 자극편에 자속을 제공하는 단일 자속 공급원을 갖는 자극 어셈블리의 단면도를 도시한다. 필드 프린징(field fringing)은 두 에지들에서 발생한다.
도 6b는 자극편에 대한 3개의 자속 공급원들을 갖는 자극 어셈블리의 단면도를 도시한다. 필드 프린징(field fringing)은 각 자석의 두 에지들에서 발생한다.
도 7은 각각의 자극 어셈블리가 3개의 모든 방향으로 자속을 제공하는 자극편 및 단일 컵 형상의 단일 자속 공급원을 사용하여 구성되는 방사형 자기장 내부 회전자 유닛을 도시한다.
도 8a는 2개의 회전자 유닛들을 갖는 방사형 자기장 내부 회전자 유닛을 도시한다. 회전자 유닛 각각에 대해, 자극편, 축 방향으로 자화된 자석들 및 원주 방향으로 자화된 자석들이 도시된다. 회전자 유닛은 다수의 자극 어셈블리들을 포함하고, 각각의 자극편은 반경방향 표면으로부터 연장되는 폴슈(pole shoe)를 포함한다. 폴슈는 반경 방향 표면을 반경 방향 및 원주 방향으로 오프셋하고, 원주 방향 오프셋의 방향은 이웃하는 회전자 유닛들에 대해 상이하다.
도 8b는 각각의 폴슈(pole shoe)가 C 방향으로 각 극편(pole piece)의 외측면의 원주 방향 오프셋을 제공하는 도 8a의 방사형 자기장 내부 회전자 유닛의 단면도를 도시한다.
도 8c는 각각의 폴슈가 방향 C에 반대되는 각각의 극편의 외측면의 원주 방향 오프셋을 제공하는 도 8a의 방사형 자기장 내부 회전자 유닛의 단면도를 도시한다.
도 9a는 강자성 단부 플레이트들을 포함하는 방사형 자기장 내부 회전자 유닛을 형성하는 자극 어셈블리들의 원형 어레이 및 적층된 고정자와 복수의 전자석들을 포함하는 고정자 어셈블리를 도시하며, 함께 전기 모터를 형성한다.
도 9b는 도 9a의 전기 모터의 축 방향 단면도를 도시한다.
도 10a는 축 방향으로 연장되는 관형 구조의 단면도를 포함하는 방사형 자기장 외부 회전자 유닛을 형성하는 자극 어셈블리들의 원형 어레이 및 고정자와 복수의 전자석들을 포함하는 고정자 어셈블리를 도시하며, 함께 전기 모터를 형성한다.
도 10b는 도 10a의 전기 모터의 축 방향 단면도를 도시한다.
도 11a은 축 방향으로 회전자 유닛들의 적층(stacking)을 도시한다.
도 11b는 반경 방향을 따라 본 경우의 방사형 자기장 내부 회전자의 부분 외관도이다. 그것은 자극편들, 자속의 공급원들 및 강자성 플레이트들을 갖는 2개의 회전자 유닛들을 도시한다.
도 12a는 반경 방향을 따라 본 경우의 방사형 자기장 내부 회전자의 부분 외관도이다. 그것은 할바흐 패턴으로 배열된 자극편들, 플레이트들, 원주 방향으로 자화된 자석들 및 축 방향으로 자화된 자석들을 도시한다.
도 12b는 반경 방향을 따라 본 경우의 방사형 자기장 내부 회전자의 부분 외관도이다. 그것은 자극편들, 플레이트들, 연장된 원주 방향으로 자화된 자석들 및 축 방향으로 자화된 자석들을 도시한다.
도 13은 반경 방향을 따라 본 경우의 방사형 자기장 내부 회전자의 부분 외관도이다. 그것은 4면 다각형 단면을 갖는 자극편들 및 삼각형 단면을 갖는 자석들을 도시한다.
도 14a는 반경 방향을 따라 본 경우의 방사형 자기장 내부 회전자의 부분 외관도이다. 그것은 육각형 단면을 갖는 자극편들 및 삼각형 또는 4면 다각형 단면을 갖는 자석들을 도시한다.
도 14b는 반경 방향을 따라 본 경우의 방사형 자기장 내부 회전자의 부분 외관도이다. 그것은 육각형 단면을 갖는 자극편들, 육각형 단면을 갖는 자석들 및 블록 형상의 원주 방향으로 자화된 자석들을 도시한다.
도 15a는 반경 방향을 따라 본 경우의 방사형 자기장 내부 회전자의 부분 외관도이다. 그것은 이웃하는 회전자 유닛들의 자극들 사이에 스큐(skew)를 생성하도록 배열된 자극편들 및 자석들을 갖는 2개의 회전자 유닛들을 도시한다.
도 15b는 반경 방향을 따라 본 경우의 방사형 자기장 내부 회전자의 부분 외관도이다. 그것은 이웃하는 회전자 유닛들의 자극들 사이에 스큐가 있도록 자화된 자극편들, 블록 형상 자석들 및 평행 사변형 단면 자석들을 갖는 2개의 회전자 유닛들을 도시한다.
도 15c는 반경 방향을 따라 본 경우의 방사형 자기장 내부 회전자의 부분 외관도이다. 그것은 이웃하는 회전자 유닛들의 자극들 사이에 스큐가 있도록 자화된 자극편들, 블록 형상 자석들 및 평행 사변형 단면 자석들을 갖는 3개의 회전자 유닛들을 도시한다.
본 발명은 전기 기기의 에어 갭에서 1 테슬라를 초과하여 자속 밀도를 생성할 수 있는 3차원 자속 집중된 극(three-dimensional flux focused poles)에 관한 것이다.
도 1a는 3방향 자속을 단일 스트림으로 결합하고 전기 기기의 에어 갭 G를 향해 자속을 안내하는 극편(pole piece)(30)이라 불리는 자기 유도 요소에 3가지 다른 방향들로 자속을 제공하는 방법으로서 3차원 자속 집중(three-dimensional flux focusing)의 개념을 도시한다. 바람직한 실시형태에서 자극편(magnetic pole piece)은 강자성 재료로 형성된다. 다른 실시형태에서, 자극편은 임의의 연자성 재료로 형성될 수 있다. 자속은 x 및 -x, y, 및 z 및 -z 방향들 중 하나 이상으로 제공된다. 자극편(30)의 대향 축 방향 면들(32)(z 축)에는 대향 방향으로 자속이 인가된다. 자극편(30)의 대향 원주 방향 면들(34)(x 축)에는 대향 방향으로 자속이 인가된다. 반경 방향면들(36)(y 축) 중 제1 면에는 자속이 인가될 수 있고 제2 면은 에어 갭 G에 출력 자속을 제공한다. 자속이 제공되는 면들에서, 그것이 제공되는 면에 대한 방향은 동일할 것이다. 모든 방향으로의 자속의 공급원들(40, 50, 60)은 전체 자속이 각 공급원에 의해 제공되는 자속들의 합이되도록 등가 자기 회로 관점에서 평행하다. 따라서 수개의 비교적 약한 자속 공급원들을 사용하여 여전히 높은 에어 갭 자속 밀도를 달성하는 것이 가능하다. 자극편(30)에 대한 자속의 각각의 공급원(40, 50, 60)은 자극편(30)에 대한 총 출력 플럭스(20)에 기여하도록 배향되어야 한다. 각각의 자속 공급원은 또한 각각의 방향으로 자속의 누설을 능동적으로 억제한다. 예를 들어, 축 방향 A으로 자속을 제공하는 자속의 공급원은 축 방향 A으로 자속의 누설에 대항하여 작용한다.
도 1a에 도시된 3차원 자속은 직교 좌표계를 참조하여 x, y 및 z 축의 방향으로 제공된다. 원통형 또는 극좌표 시스템을 참조하면, 자속은 도 1b에 도시된 바와 같이, 각각 x, y 및 z와 등가인 원주 방향 C, 반경 방향 R 및 축 방향 A 방향으로 제공된다.
도 1b는 원형 패턴 또는 어레이로 배열된 복수의 자극편들(30)를 도시한다. 도시된 실시형태는 8개의 자극편들을 포함하지만, 하나 이상의 자극편들이 가능하다는 것이 이해될 것이다. 자극편들(30)은 제1 축 방향 면(32A) 및 제2 축 방향 면(32B)을 포함하는 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 축 방향 면들(32)을 가질 수 있다. 자극편들(30)은 또한 제1 원주 방향 면(34A) 및 제2 원주 방향 면(34B)을 포함하는 축 방향 및 반경 방향으로 연장되는 원주 방향 면들(34)을 가질 수 있다. 자극편들(30)은 또한 반경 방향 내부 표면(36A) 및 반경 방향 외부 표면(36B)을 포함하는 축 방향 및 원주 방향으로 연장되는 반경 방향 표면들(36)을 가질 수 있다.
도 2a는 단순한 3차원적으로 자속 집중된 극의 구성요소들을 도시한다. 그것은 안내 요소(자극편(30)) 및 자극편(30)의 5개의 측면들에 부착된 5개의 블록 형상 자석들(40, 50, 60)을 포함한다. 축 방향으로 그리고 원주 방향으로 자속을 제공하는 2개의 자석들(축 방향으로 자화된 자석들(40) 및 원주 방향으로 자화된 자석들(50)) 및 반경 방향으로 자속을 제공하는 1개의 자석(반경 방향으로 자화된 자석(60))이 있다. 자석이 부착되지 않은 자극편(30)의 제6 측은 에어 갭에 인접한 측이다. 전기 기기에서, 이러한 구성은 단일 극을 나타내고 도 2b에 도시된 바와 같이 다른 유사하게 보이는 요소들과 결합하여 다수의 자극을 제공하는 원형 어레이가 될 수도 있을 것이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 자극의 극성 (N 또는 S)은 자석들(40, 50, 60)의 자화 방향에 의존한다. 본 명세서에서 명확성을 위해, 이 원형 어레이를 '회전자 유닛(rotor unit)'(120)라고 칭한다. 나중에 도시된 일부 실시형태들에서, 이들 '회전자 유닛들'(120) 중 몇몇은 축 방향으로 적층된다. 이 스택 어셈블리는 본 명세서에서 '회전자'라 칭한다.
도 2a 및 도 2d는 에어 갭 G에 집중된 자속을 제공하기 위한 자극 어셈블리(110)를 형성하기 위해 자극편(30) 주위에 배열된 자속의 공급원들(40, 50, 60)의 가능한 실시형태들을 도시한다. 제1 자속 공급원(40)은 제1 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 세그먼트(40A) 및 제1 세그먼트(40A)로부터 축 X를 따라 축 방향으로 변위되는 제2 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 세그먼트(40B)를 포함한다. 자속의 각각의 공급원들(40A, 40B)은 극편(30)의 각각의 축 방향 면들(32A, 32B)에 인접하여 놓인다. 제2 자속 공급원(50)은 극편(30)의 각각의 원주 방향 면들(34A, 34B)에 인접하여 놓이는 제1 및 제2 축 방향 및 반경 방향으로 연장되는 원주 방향 세그먼트(50A, 50B)를 포함한다. 제3 자속 공급원(60)은 서로에 대해 반경 방향으로 변위되고 극편(30)의 각각의 제 1 및 제 2 반경 방향 면들(36A, 36B)에 인접하여 놓이는 원주 방향 및 축 방향으로 연장되는 제1 및 제2 반경 방향 세그먼트들(60A, 60B)을 포함한다. 전술한 배열은 윤곽선 화살표에 의해 복수의 도면에 도시된 방식으로 자속을 집중시키는 방식으로 자속이 하나 이상의 자속 공급원(40, 50, 60)으로부터 하나 이상의 자극편(30)으로 흐르는 것을 가능하게 한다. 상기 화살표들은 화살표 헤드가 북쪽 방향을 나타내는 남극으로부터 북극으로의 자석 내의 자속의 흐름을 나타내는 것으로 이해될 것이다. 도 2a에서 반경 방향 세그먼트(60A)는 극편(30)의 반경 방향 내부 표면에 제공되는 반면, 도 2d에서 반경 방향 세그먼트는 극편(30)의 반경 방향 외부 표면에 제공된다. 이들 2개의 배치들 중 하나 또는 다른 하나는 어셈블리의 레이아웃에 의존하면서 사용될 수 있지만 자속 집중을 가능하게 하지 않을 수 있기 때문에 둘 다 함께 사용될 수는 없다.
도 2a 및 도 2b는 조립된 상태에서 자극편(30) 및 자속 공급원들(40, 50, 60)에 의해 제공되는 자속을 도시한다. 자극편(30)은 각각 서로 반경 방향으로 변위된 북쪽 N과 남쪽 S을 갖는다. 제1 하나 이상의 축 방향 자속 공급원(40)은 축 X를 따라 서로 축 방향으로 변위된 북쪽 N 및 남쪽 S를 갖는 축 방향으로 자화된 자석들을 포함한다. 자속의 제2 하나 이상의 원주 방향 공급원(50)은 서로에 대해 축 X 주위에 원주 방향으로 변위된 북쪽 N 및 남쪽 S를 갖는 원주 방향으로 자화된 자석들을 포함한다. 자속의 제3 하나 이상의 원주 방향 공급원(60)은 서로에 대해 반경 방향으로 변위된 북쪽 N과 남쪽 S을 갖는 반경 방향으로 자화된 자석들을 포함한다. 자극편(30)에 인접하여 동일한 측에 놓이는 상기 자속 공급원들(40, 50, 60)은, 상기 자극편이 에어 갭에 대해 제공하는 바와 같이, 즉, 자극편이 그 북쪽 N을 에어 갭에 제공하는 경우 자속의 공급원들은 그들의 북쪽이 자극편에 인접하여 놓일 것이다.
자극편(30)와 함께 하나 이상의 자속 공급원(40, 50, 60)은 단일 자극 어셈블리(110)를 생성한다. 회전축 X 주위에 원형 패턴 또는 어레이로 배열된 복수의 자극 어셈블리들(110)은 방사형 자기장 회전자 유닛(120)을 생성한다. 바람직한 실시형태에서, 복수의 자극 어셈블리들(110)은 복수의 자극편들(30)을 포함하고, 연속적인 자극편들은 도 2b에 도시된 바와 같이 교번하는 자기 극성을 갖는다. 대안적인 배열에서, 복수의 자극 어셈블리들(110)은 복수의 자극편들(30)을 포함하고, 자극편들의 자기 극성은 자극편 하나 걸러 교번한다. 자극편들(30)은 전형적으로 이러한 방식으로 전기 기기에 사용되어 전자기 여기를 제공한다.
도 2a는 도 2b에 도시된 방사형 자기장 내부 회전자 유닛에 사용하기에 적합한 자극 어셈블리(110)를 도시한다. 이 실시형태에서, 하나 이상의 자속 공급원은 반경 방향 내측 표면(36A)에 인접하여 놓이지만 반경 방향 외측 표면(36B)에는 인접하여 놓이지는 않는다. 반경 방향 외측 표면(36B)은 도 9a 및 9b에 도시된 바와 같이 전기 모터에 사용되는 경우 에어 갭 G에 인접한다.
도 2d는 도 2e에 도시된 방사형 자기장 외부 회전자 유닛에 사용하기에 적합한 자극 어셈블리(110)를 도시한다. 이 실시형태에서, 하나 이상의 자속 공급원은 반경 방향 외측 표면(36B)에 인접하여 놓이지만 반경 방향 내측 표면(36A)에는 인접하여 놓이지는 않는다. 반경 방향 내측 표면(36A)은 도 10a 및 10b에 도시된 바와 같이 전기 모터에 사용되는 경우 에어 갭 G에 인접한다.
자속 공급원들은 인접하는 자속 공급원을 갖지 않는 반경 방향 표면(36)을 향하여 그리고 그 밖으로 자극편(30)의 자속을 에어 갭 G으로 집중시키도록 배열된다.
바람직한 실시형태의 3D 자속 집중된 자극 어셈블리들에서 사용된 하나 이상의 자속 공급원들(40, 50, 60)은 도 2a-도 2e에 도시된 바와 같은 영구 자석이다. 그러나, 대안적인 배치구조에서, 도 2f-도 2h에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 자속 공급원들(40, 50, 60)은 전류를 운반하는 코일들(400, 500, 600)을 포함하는 전자석들이다. 다른 실시형태에서, 자속 공급원들(40, 50, 60)은 전류를 운반하는 코일들(400, 500, 600)의 조합이며 영구 자석 또는 임의의 다른 자속 공급원이 사용될 수 있다. 코일들(400, 500, 600)은 자성 재료의 코어(410, 510, 610) 주위에 랩핑될 수 있다. 코일들(400, 500, 600)에는 전류 공급원(700)으로부터의 전류가 공급될 수 있다. 상기 전류는 카본 브러시(810) 및 슬립 링(820) 어셈블리(800)에 의해 전류의 정지 공급원(700)에서 회전 자극 어셈블리(110) 상의 코일들(400, 500, 600)로 통과한다.
도 2b 및 도 2c에는 방사형 자기장 내부 회전자 유닛(120)이 도시되어 있지만, 도 2e에 도시된 바와 같은 방사형 자기장 외부 회전자 유닛(120)을 구성하기 위해 동일한 개념의 3차원 자속 집중이 사용될 수 있다. 도 2d에는, 방사형 자기장 외부 회전자 유닛을 위한 하나의 극이 도시되며 여기서는 자극편(30)의 내측 반경에서의 면은 에어 갭에 인접하며 반경 방향으로 자화된 자석(60)은 자극편(30)의 외측 반경에 배치된 면에 배치된다. 교번하는 자기 극성을 갖는 이러한 극들의 원형 어레이는 도 2e에 도시된 회전자 유닛(120)을 생성한다.
자속 공급원들(40, 50, 60) 및 자속 안내 요소 또는 자극편들(30)에 추가하여, 3차원 자속 집중의 효과를 더욱 향상시키기 위해 추가의 자성 구성요소들이 제공될 수 있다. 예를 들어, 강자성 플레이트들(100)(도 2c 및 도 9a에 도시)은 자속 또는 자화된 자석들(40)의 축 방향 공급원들에 의해 생성된 자속에 대한 귀환 경로를 제공할 수 있으며 임의의 자속 공급원들 대한 자속 경로의 자기 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 강자성 플레이트들(100)은 반경 방향 및 원주 방향으로 연장된다. 강자성 플레이트들(100)은 제1 강자성 플레이트(100A) 및 제2 강자성 플레이트(100B)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 강자성 플레이트들(100A, 100B)은 각각 제1 면(100A1, 100B1)을 가질 수 있다. 각각의 제1 및 제2 플레이트들(100A, 100B)의 제1 면(100A1, 100B1)은 각각의 제1 및 제2 세그먼트들(40A, 40B)에 인접한다. 자속을 위한 복귀 경로를 제공하고 자속 경로의 자기 저항을 감소시키기 위해 강자성의 축 방향으로 연장되는 관형 구조물(101)과 같은 또 다른 추가적인 구성요소들이 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 2c, 도 10a 및 도 10b에 도시된 실시형태에서, 강자성의 축 방향으로 연장되는 관형 구조물(101)은 자속의 반경 방향 공급원(60)에 인접하여 놓인다. 플레이트들(100) 및 튜브(101)는 그들을 통과하는 자속이 과도한 포화를 야기하지 않도록 치수가 정해져야 한다.
또한, 단일 구성요소 또는 구조물은 하나 이상의 방향으로 다수의 자속 공급원들(40, 50, 60)을 제공할 수 있다.
도 3a에 도시된 추가 실시형태는 5개의 자속 공급원들을 갖는 것에 대한 대안적인 배치를 제공한다. 단일 피스, 단일 구조물(71)은 제2 원주 방향 자속 공급원(50) 및 제3 반경 방향 자속 공급원(60)을 제공하고 5개의 개별 자속 공급원들 중 3개를 대체하여, 자극을 생성하기 위하여 자속 공급원을 제공하는 구성요소들의 수를 3개로 감소시킨다. 여기서, 단일 피스, 단일 구조물(71)은 세 방향들 중 두 방향으로 자속을 제공한다. 별도의 축 방향 자속 공급원들(40)은 각각의 극에 대해 축 방향으로 자속을 제공하여 자극편(30)에 대한 3차원 자속 집중을 실현한다. 도 3b에 도시된 바와 같이 이러한 배열은 원형 배열로 합쳐져 방사형 자기장 내부 회전자 유닛(120)을 구성할 수 있다.
유사하게, 도 4a는 단일 피스, 단일 구조물(72)이 제1 축 방향 자속 공급원(40) 및 제3 반경 방향 자속 공급원(60)을 제공하기 위해 사용되는 경우 자극 어셈블리(110)의 다른 추가 실시형태를 도시한다. 원주 방향으로의 자속 공급원은 별도의 원주 방향 자속 공급원(50)에 의해 제공된다. 이 배열의 원형 어레이가 도 4b에 도시된다.
자극 어셈블리(110)의 다른 대안적인 실시형태가 도 5a에 도시되며, 단일 피스, 단일의 구조물(73)은 제1 축 방향 자속 공급원(40) 및 제2 원주 방향 자속 공급원을 제공한다. 별도의 반경 방향 자속 공급원(60)은 각각의 극에 대해 반경 방향으로 자속을 제공한다. 이 배열의 원형 어레이가 도 5b에 도시된다.
도 7에 도시된 추가 실시형태는 자극 어셈블리(110)에서 자석의 자화의 토폴로지 및 방향이 단일의 단일 구조(74)가 모든 3개의 방향들: 축 방향, 반경 방향 및 원주 방향으로 자속 공급원(40, 50, 60)을 제공하도록 하는 대안적인 배치을 제공한다. 도시된 토폴로지는 내부 반경 및 회전자 유닛(110)의 원주 방향 및 축 방향에서 면을 가로질러 자극편(30)을 둘러싼다.
도 3, 도 4, 도 5 및 도 7에 도시된 실시형태들을 갖는 개념의 이점은 그것이 자석 에지들 근처에서 필드 프린징(field fringing)으로 인한 유용한 자속의 손실을 감소시키는 경향이 있다는 것이다. 이 현상은 도 6에 도시된다. 2개의 방향으로 자속을 제공하는 단일 피스 자석은 필드 프린징이 발생하는 6개의 에지들을 갖는 3개의 개별 자석 블록들(도 6b)과 유사한 배열과 달리, 필드 프린징이 발생하는 2개의 에지들만을 갖는다(도 6a). 필드 프린징은 증가된 자기 저항 및 자속 밀도의 손실 및 자속 집중 효과의 감소를 초래한다.
이들 실시형태들(도 3b, 도 4b, 도 5b 및 도 7)에는 방사형 자기장 내부 회전자 유닛(120)이 도시되어 있지만, 동일한 개념의 3차원 자속 집중이 집중된 반경 방향 자속이 자극편(30)의 외측 반경에서 면에 제공되도록 자석들의 형상 또는 배치를 변경함에 의해 도 2e에 도시된 것과 유사한 방사형 자기장 외부 회전자 유닛(120)을 구성하기 위해 사용될 수 있다.
도 2, 도 3, 도 4b, 도 5b 및 도 7의 실시형태들에는 방사형 자기장 내부 회전자 유닛(120)이 도시되어 있지만, 동일한 개념의 3차원 자속 집중이 반경 방향 자속이 자극편(30)의 외측 반경에서 면에 제공되도록 자석들의 형상 또는 배치를 변경함에 의해 도 2e에 도시된 것과 유사한 방사형 자기장 외부 회전자 유닛(120)을 구성하기 위해 사용될 수 있다.
도 11a는 축 방향 X으로 적층되고 상기 종 방향으로 연장되는 회전 축 X을 따라 연이어 배치되는 복수의 자극 어셈블리들(110)를 포함하는 경우 도 2b에 도시된 개별 회전자 유닛들(120)의 적층의 간단한 예를 도시한다.
자극 배치(300)의 실시형태는 자성 또는 강자성 재료로 제조된 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 플레이트들(100A, 100B)을 포함하고, 상기 제1 플레이트(100A)는 각각의 제1 원주 방향으로 연장되는 축 방향으로 자화된 자석들(40A)과 접촉하고 이들 사이에서 연장되며, 상기 제2 플레이트(100B)는 각각의 제2 원주 방향으로 연장되는 축 방향으로 자화된 자석들(40B)과 접촉하고 이들 사이에서 연장된다. 회전자의 능동 길이(active length)는 그를 통해 자속이 에어 갭으로 들어가는 회전자의 부분으로서 정의된다. (도 11b에 도시된) 이 능동 길이는 자극편(30)의 축 방향 치수에 의해 제공된다. 축 방향 길이를 포함하는 플레이트(100) 및 축 방향으로 자화된 자석들(40)은 에어 갭에서 반경 방향 자속을 제공하지 않는다. 그 전체 길이에 대한 회전자(130)의 능동 길이를 증가시키기 위해, 도 12a에서와 같이 제1 플레이트(100A)가 다음 인접 자극 어셈블리(110)의 제2 플레이트(100B)를 형성하는 것이 또한 가능하다.
임의의 실시형태에서, 반경 방향으로 자화된 자석들(60)에 의해 생성된 자속(60)의 제3 복수의 반경 방향 성분들에 대해 자기 귀환 경로가 제공되는 경우 자극 배치(300)에 유리하다. 이러한 귀환 경로는 자성 또는 강자성 물질로 만들어진 축 방향으로 연장되는 관형 구조물(101), 허브 또는 샤프트에 의해 제공될 수 있다. 상기 축 방향으로 연장되는 관형 구조물(101)은 내부 회전자 실시형태(도 2c) 또는 외부 회전자 실시형태(도 9a 및 도 9b)에 포함될 수 있다.
이웃하는 회전자 유닛들의 극들이 축 방향으로 정렬되지 않도록 회전자 유닛들(120)의 스큐잉(skewing)을 구현하는 것이 또한 가능하다. 이것은 회전자의 축을 중심으로 전체 회전자 유닛(120)을 회전시킴으로써 구현될 수 있다. 이 스큐 각도(skew angle)는 요망되는 회전자 성능에 따라 조정될 수 있다.
본 실시형태에서 각각의 회전자 유닛(120)은 도 11a에 도시된 바와 같이 자극편들(30)의 내부 반경(도 11b에 도시된 자극편들(30) 아래)에 배치된 반경 방향으로 자화된 자석들의 어레이를 갖는다. 이는 회전자와 고정자 사이의 에어 갭에서 자속 밀도를 추가로 향상시킬 수도 있다.
본 실시형태(도 11a 및 도 11b)에는 방사형 자기장 내부 회전자가 도시되어 있지만, 동일한 개념의 3차원 자속 집중이 자속(60)의 반경 방향 성분이 자극편(30)의 외측 반경에서 면에 제공되도록 반경 방향으로 자화된 자석들(60)의 배치를 변경함에 의해 도 2e에 도시된 것과 유사한 방사형 자기장 외부 회전자를 구성하기 위해 사용될 수 있다.
할바흐 어레이(Halbach array)의 개념은 2개 이상의 회전자 유닛들(120)로 구성된 회전자의 축 방향 길이를 감소시키고 회전자의 자기적으로 능동 대 수동 길이의 비를 개선하기 위해 사용될 수 있다. 할바흐 어레이는 한쪽 면(강한 면)의 자기장이 강화되고 반대쪽 면(약한 면)이 거의 제로 자속 밀도로 약해지는 방식으로 배열된 자석들의 어레이(array)이다. 이것은 공간적으로 회전하는 자화 패턴을 가짐으로써 달성된다. 할바흐 어레이는 무기한으로 계속되며 동일한 효과를 가질 수 있는 영구 자석의 회전 패턴을 포함한다. 시퀀스는 각 영구 자석에 대해 자석(90)의 자기장을 90도 회전시킨다. 그 효과는 도 12a의 라인들(96)에 의해 도시되며, 여기서 라인들(94)은 할바흐 어레이를 통한 자속의 흐름을 나타낸다. 자속의 상기 제1 구성요소들(40A, 40B) 각각은 각각의 자극 어셈블리(110)에서 원주 방향으로 인접하는 극편들(30)이 교번하는 북쪽 및 남쪽 자기 극성으로 배열되도록 할바흐 어레이로 배열된 복수의 축 방향으로 자화된 원주 방향으로 이격된 중앙 자석들(97F 또는 97S) 및 복수의 원주 방향으로 자화된 원주 방향으로 이격된 측면 자석들(98F, 98S)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 측면 자석들(98F, 98S)은 상기 중앙 자석들(97F 또는 97S)들 각각의 것들 사이에 개재되며 대향하는 원주 방향들(E1, E2)로 각각 자화되는 반면에, 중앙 자석들(97F, 97S)은 서로 다른 축 방향들(D1, D2)로 교대로 자화된다. 상기 중앙 자석들(97F, 97S)과 상기 측면 자석들(98F, 98S)의 결합된 자기 효과는 도 12a 또는 12b의 화살표(96) 방향으로 각각의 인접한 자극편들(30)에 적용된다. 복수의 중앙 자석들(97F 또는 97S) 및 복수의 측면 자석들(98F, 98S)은 반복하는 원주 방향 시퀀스로 배열될 수 있다. 시퀀스는 교번하는 중앙 자석들(97F, 97S) 및 측면 자석들(98F, 98S)을 포함할 수 있다. 중앙 자석들(97F, 97S)은 에어 갭(G)에 북쪽을 제공하는 자극편(30)에 인접하는 북쪽이 배열될 수 있다. 중앙 자석들(97F, 97S)은 에어 갭에 남쪽을 제공하는 자극편(30)에 인접하는 남쪽이 배열될 수 있다. 상기 시퀀스의 측면 자석들(98F, 98S)은 자속을 자극편(30)에 인접한 남쪽을 갖는 중앙 자석들(97F, 97S)로부터 자극편(30)에 인접한 남쪽을 갖는 중앙 자석들(97F, 97S)로 안내하도록 배향될 수 있다. 상기 시퀀스에서, 각각의 순차적인 자석의 자기장은 바로 앞의 자석에 대해 90도 회전하고 그 전 자석에 대해 180도 회전한다. 할바흐 어레이의 약한 측의 자속 밀도는 거의 제로이기 때문에, 어레이에서 자석들(91)에 의해 생성된 자속에 대한 귀환 경로를 제공하기 위해 자성 재료로 만들어진 플레이트(100)가 필요하지 않다. 이로 인해, 플레이트(100)가 제거되어 회전자의 축 방향 길이를 감소시킬 수 있다. 플레이트들(100)은 제거될 수 있지만, 그것들은 회전자에 대한 기계적 지지를 제공하기 위해 여전히 포함될 수 있다. 그러나, 플레이트(100)의 두께는 자속을 안내할 필요성에 의해 지시되지 않는다. 추가적으로, 할바흐 어레이 자석들(91)의 두께(축 방향 치수)는 이전의 실시형태(도 11a 및 도 11b)에 도시된 축 방향으로 자화된 자석들(40)의 두께보다 작을 수 있는데 왜냐하면 할 바흐 어레이(91A)의 강한 면에서의 자기장은 단지 축방방향으로 자화된 자석된 자석들(40)에 의해 생성된 자기장과 비교하여 증가되기 때문이다.
자극 배치(300)는 또한 도 12b에 도시된 바와 같이 축 방향으로 더 긴 원주 방향으로 자화된 자석들(50)을 사용하여 할바흐 어레이 개념을 구현할 수 있다. 이러한 배열에서, 상기 축 방향 및 반경 방향으로 연장되는 원주 방향으로 자화된 제2 자속 구성요소(50)는 상기 복수의 제1 (40A) 및 제2 (40B) 축 방향으로 변위된 축 방향으로 자화된 자석들(40)의 내면들(40i)을 지나 축 방향으로 연장될 수 있다. 이들 실시형태들에는 도시되지 않았지만, 반경방향으로 자화된 자석들이 자극편에 인접한 강한 면을 갖는 반경 방향 할바흐 어레이로 또한 대체될 수 있다.
본 실시형태에서 각각의 회전자 유닛(120)은 자극편(30)의 내부 반경(도 12a 및 도 12b에 도시된 자극편들(30) 아래)에 배치된 (도 11a에 도시된 바와 같은) 반경 방향으로 자화된 자석들(60)의 어레이를 가질 수 있다. 이는 회전자와 고정자 사이의 에어 갭에서의 자속 밀도를 더욱 향상시킬 수도 있을 것이다.
이들 실시형태들(도 12a 및 도 12b)에는 방사형 자기장 내부 회전자가 도시되어 있지만, 동일한 개념의 3차원 자속 집중이 반경 방향 자속이 자극편(30)의 외측 반경에서 면에 제공되도록 반경 방향으로 자화된 자석들의 배치를 변경함에 의해 도 2e에 도시된 것과 유사한 회전자 유닛(120)을 사용하여 방사형 자기장 외부 회전자를 구성하기 위해 사용될 수 있다.
도 13은 하나 이상의 회전자 유닛(120)으로 구성된 회전자의 축 방향 길이를 감소시키는 것을 목표로 하는 실시형태를 도시한다. 이 경우, 축 방향으로 자화된 자석들 및 원주 방향으로 자화된 자석들은 상기 제1 및 제2 자속(40, 50)의 결합된 공급원(92)으로 대체된다. 이 결합된 공급원(92)은 삼각형 단면 구조를 반경 방향으로 가질 수 있다. 상기 결합된 공급원(92)은 도 13에 화살표들에 의해 도시된 바와 같이 자속의 제1 축 방향(40) 및 제2 원주 방향(50) 성분 모두를 제공하도록 자화될 수 있다. 조합된 공급원(92)은 인접한 자극편(31)과 마주보는 축 방향으로, 반경 방향으로 및 원주 방향으로 연장되는 제1 표면(92A)을 가질 수 있다. 자극편(31)은 축 방향 (A)을 따라 변하는 원주 방향 폭 (W)을 가질 수 있으며, 이 실시형태에서는 다이아몬드 형상일 수 있다. 삼각형 단면 자석들(92)은 이들이 자속을 제공하는 극면에 수직인 자화 방향을 가질 수 있다. 이것은 자극편(31)으로 들어오는 자속 밀도의 벡터가 원주 방향 및 축 방향 성분을 가지므로, 2개의 방향으로 자속을 제공한다는 것을 의미한다. 이러한 배열은 자속이 삼각형 단면 자석들(92)을 통해 하나의 극에서 다른 극으로 안내되며 따라서 추가 귀환 경로가 필요하지 않기 때문에 (도 11에 도시된 바와 같이) 플레이트(100)에 대한 필요성을 제거한다. 플레이트(100)는 자기(magnetic) 관점에서 필요하지 않지만, 회전자의 기계적 견고성을 향상시키기 위해 대안적인 실시형태에서 포함될 수 있다. 그러나, 그 두께는 자속을 안내할 필요성에 의해 지시되지 않는다. 본 실시형태에서 각각의 회전자 유닛(120)은 자극편(31)의 내부 반경(도 13에 도시된 자극편(31) 아래)에 배치된 (도 11a에 도시된 바와 같이) 반경 방향으로 자화된 자석들(60)의 어레이를 가질 수 있다. 이는 회전자와 고정자 사이의 에어 갭에서 자속 밀도를 더욱 향상시킬 수도 있을 것이다.
이 실시형태(도 13)에는 방사형 자기장 내부 회전자가 도시되어 있지만, 동일한 개념의 3차원 자속 집중이 반경 방향 자속이 자극편(30)의 외측 반경에서 면에 제공되도록 반경 방향으로 자화된 자석들의 배치를 변경함에 의해 도 2e에 도시된 것과 유사한 방사형 자기장 외부 회전자를 구성하기 위해 사용될 수 있다.
도 13에 도시된 자극 배치(300)의 이전의 실시형태와 유사하게, 도 14a 및 도 14b에 도시된 다른 대안적인 실시형태들은 육각형 단면 구조(축 방향 길이에 따라 변하는 원주 방향 폭)를 각각 갖는 복수의 자극편들(33)을 포함하는 하나 이상의 회전자 유닛(120)을 갖는 자극 배치(300)를 도시한다. 자극편(33)은 또한 대향하는 축 방향, 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 단부면들(33A, 33B) 그리고 제1 및 제2 대향하는 원주 방향으로 변위된 측면들(33C, 33D)을 가질 수 있다. 이들 실시형태들에서, 자속(40, 50)의 제1 및 제2 성분들은 결합된 공급원에 의해 제공된다.
자극 배치(300)의 대안적인 배열이 도 14a에 도시되며, 상기 결합된 공급원(93)은 축 방향 (X)을 따라 변하는 원주 방향 폭 (W)을 갖는 4변형 단면 자석(93)을 포함한다. 상기 자석(93)은 인접하는 자극편들(33)과 마주보는 제1 및 제2 대향하는 축 방향 면들(93A, 93B)을 가질 수 있다. 자극편(33) 단부면들(33A, 33B)은 각각 자속(93)의 인접하는 구성요소의 각각의 면(93A 또는 93B)과 마주본다.
자극 배치(300)의 또 다른 대안적인 배치가 도 14b에 도시되며 상기 결합된 공급원(94)은 육각형 단면 구조 자석(94)을 포함한다. 상기 육각형 단면 구조(94)는 대향하는 축 방향, 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 단부면들(94A, 94B)과 대향하는 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 블랭크 단부들(94C, 94D)을 가질 수 있다. 결합된 자속 공급원은 복수의 반경 방향 및 축 방향으로 연장하는 원주 방향으로 이격된 보충 자석들(51)을 더욱 포함할 수 있다. 상기 자석들(51)은 각각 제1 및 제2 대향하는 축 방향 단부들(51A, 51B) 및 대향하는 측면들(51C, 51D)을 갖는다. 자속 공급원(94)의 블랭크 단부들(94C, 94D)은 상기 보충 자석들(51)의 각각의 제1 및 제2 축 방향 단부들(51A, 51B)와 마주볼 수 있으며, 반면에 상기 자극편들(33)의 상기 측면들(33C, 33D)은 상기 보충 자석들(51)의 각각의 대향하는 측면들(51C, 51D)과 마주볼 수 있다. 자석들(93, 94)은 원주 방향으로만 자화되지만, 그들의 배향 및 이들이 자극편들(33)과 인터페이스하는 방식으로 인해, 자극편들(33)로 들어오는 자속 밀도의 벡터는 축 방향 및 원주 방향 성분을 갖는다.
자속의 극 대 극(pole to pole) 누설을 제한하기 위해 이웃하는 자극편들(33) 사이의 원주 방향 갭이 필요하다. 도 14a는 이 원주 방향 갭을 도시한다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 이웃하는 자극편들(33) 사이의 갭에 원주 방향으로 자화된 자석들(50)을 배치하는 것이 가능하다. 추가의 원주 방향으로 자화된 자석들(50)은 극 대 극 자속 누설을 제한하고 또한 추가적인 자속을 제공하여 회전자의 자기 성능(magnetic performance)을 향상시킨다.
(도 11에 도시된 바와 같은) 플레이트들(100)은 자기 관점에서 필요하지 않지만, 로터의 기계적 견고성을 향상시키기 위해 이들을 포함할 수 있다. 그러나, 그 두께는 자속을 안내할 필요성에 의해 지시되지는 않는다.
임의의 실시형태에서 회전자 유닛(120)은 자극편들(30)의 내부 반경에 배치 된 (도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은) 반경 방향으로 자화된 자석들(60)의 어레이를 가질 수 있다. 이는 회전자와 고정자 사이의 에어 갭에서의 자속 밀도를 더욱 향상시킬 수도 있을 것이다.
일부 실시형태들에는 방사형 자기장 내부 회전자가 도시되어 있지만, 동일한 개념의 3차원 자속 집중이 반경 방향 자속이 자극편(30)의 외측 반경에서 면에 제공되도록 반경 방향으로 자화된 자석들의 배치를 변경함에 의해 도 2e에 도시된 것과 유사한 회전자 유닛(120)을 사용하여 방사형 자기장 외부 회전자를 구성하기 위해 사용될 수 있다.
자극편들(30), 축 방향으로 자화된 자석들(40) 및 원주 방향으로 자화된 자석들(50)을 포함하는 도 15a에 도시된 다른 대안적인 실시형태에서, 2개의 상이한 회전자 유닛들(120)에 속하는 각각의 자극 어셈블리(110)에서 축 방향으로 인접한 자극편들(30)은 단지 하나의 축 방향으로 자화된 자석(40)에 의해 연결될 수 있다. 따라서, 축 방향으로 인접하는 자극편들(30)은 교번하는 남극과 북극 극성들로 배열될 수 있다. 이것은 단차형 스큐(stepped skew)를 갖는 회전자(130)를 생성한다. 회전자들(130)의 이러한 단차 스큐잉(step skewing)는 전기 기기에서 토크 리플을 감소시키는 잘 알려진 방법이다.
도 15b의 실시형태는 평행 사변형 단면 자석들(95)이 회전자 유닛들(120)을 연결하기 위해 사용될 수 있으며, 각각의 자극 어셈블리(110)에서 서로에 대해 원주 방향으로 스큐 또는 오프셋 된 축 방향으로 인접한 자극편들(30)을 제공한다. 따라서, 회전자 유닛들(120)이 서로에 대해 원주 방향으로 시프트 되는 것을 가능하게 하여, 스큐 각도(skew angle)를 감소시킨다. 극단적인 경우에, 시프트 각도는 모든 회전자 유닛들(120)의 북극 및 남극이 스큐 각도 ~ 0으로 완벽하게 정렬되도록 형성될 수 있다. 요망되는 성능에 따라,이 스큐 각도는 변할 수 있다.
스큐잉(skewing)의 개념은 3개의 회전자 유닛들(120)을 갖는 도 15c에 도시된 실시형태에서 더욱 확장된다. 회전자 유닛들(120) 사이에서, 자석들(95)은 반경 방향 뷰에서 평행 사변형 단면을 갖는다. 제1 및 제2 회전자 유닛들(120a 및 120b) 사이의 평행 사변형 단면 자석들(95)의 어레이는 제2 및 제3 회전자 유닛들(120b 및 120c) 사이의 평행 사변형 단면 자석들(95)의 어레이와 비교하여 상이한 배향 및 자화 방향을 갖는다. 이러한 배열은 회전자 유닛들 사이의 스큐 각도를 다시 변화시킨다. 회전자 유닛들(120) 사이에 자석들(95)의 단지 하나의 어레이만을 갖는 것은 회전자(130)의 축 방향 길이를 감소시키고 능동 대 수동 축 방향 길이 비율을 향상시킨다.
자성 재료로 만들어진 플레이트들(100)은 회전자(130)의 축 방향 단부들에서 축 방향으로 자화된 자석들(40)에 의해 생성된 자속에 대한 귀환 경로를 제공하기 위해서 단지 필요하다. 플레이트들은 또한 회전자의 기계적 견고성을 향상시키기 위해 회전자 유닛들(120) 사이에 포함될 수 있다.
도 8a에 도시된 실시형태는 제1 축 방향 자속 공급원(40), 제2 원주 방향 자속 공급원(50)을 포함하고 각각의 자극편(30)은 폴슈(pole shoe)(38)를 포함한다. 2개의 이웃하는 회전자 유닛들(120a 및 120b)에 속하는 자극편들(30)이 축 방향으로 자화된 자석들(40)의 단지 하나의 어레이에 의해 연결되기 때문에, 교번하는 남극과 북극이 축 방향으로 형성된다. 도 8의 폴슈들(38)은 회전자 유닛들(120a 및 120b)에 의해 생성된 북극 및 남극이 정렬되도록 원주 방향 및 반경 방향 둘 다로 자극편(30)에 대해 극면(pole face)(38F)을 오프셋 시키기 위해 사용된다. 극들의 축 방향 정렬은 완벽하거나 스큐(skew) 될 수 있다. 회전자 유닛들(120a, 120b)에 대한 부분 축 방향 단면도가 각각 도 8b 및 도 8c에 도시된다. 축 방향으로, 교번하는 극들이 생성된다.
폴슈가 원주 방향으로 오프셋되기 때문에, 이웃하는 회전자 유닛들의 극들은 도 11b에 도시된 바와 같이 회전자의 외측 반경에 정렬된다.
이 실시형태는 회전자(130)의 감소된 축 방향 길이 및 도 15의 회전자 배열에 의해 주어진 개선된 능동형 대 수동형 축 방향 길이 비의 이점들을 극대화시키는 것을 가능하게 하며, 순차적인 회전자 유닛들(120)에 의해 에어 갭 (G)에 주어지는 자속의 스큐를 독립적으로 변화시킬 수 있는 이점을 갖는다는 것을 이해할 것이다.
본 실시형태에서 각각의 회전자 유닛(120)은 자극편(30)의 내부 반경(도 8에 도시된 자극편(30) 아래)에 배치된 (도 2b에 도시된 바와 같은) 반경 방향으로 자화된 자석들(60)의 어레이를 가질 수 있다. 이것은 회전자와 고정자 사이의 에어 갭에서 자속 밀도를 더욱 향상시킬 수도 있을 것이다.
도 9a는 전기 기기의 일부로서 도 2c에 도시된 방사형 자기장 내부 회전자 유닛(120)을 도시한다. 전술한 방사형 자기장 내부 회전자 유닛(120)에 추가하여, 기기는 고정자(200)를 포함한다. 상기 고정자(200)는 복수의 전자석들(220)을 포함한다. 복수의 전자석들은 코어(210)의 복수의 핑거들(224)을 포함하며 그 주위에 전류가 공급될 수 있는 복수의 코일들(222)이 배치된다. 전자석들(220)은 회전축 (X) 주위에서 원주 방향 (C)으로 배치된다. 도 9b는 도 9a의 전기 기기의 축 방향 섹션을 도시한다. 도 9a 및 도 9b의 전기 기기는 4개의 코일 세트를 포함하는 4개의 전자석을 도시하지만, 전기 기기의 특정 실시형태의 모든 전자석들(220)이 상기 도면들에 도시된 것은 아님을 이해할 것이다. 다른 실시형태들에서, 고정자(200)가 임의의 복수의 전자석들(220)을 포함하는 것이 가능하다.
도 10a는 전기 기기의 일부로서 축 방향으로 연장되는 관형 구조물(101)의 절취도를 추가한 도 2e에 도시된 방사형 자기장 내부 회전자 유닛(120)을 도시한다. 전술한 방사형 자기장 외부 회전자 유닛(120)에 추가하여, 기기는 고정자(200)를 포함한다. 상기 고정자(200)는 복수의 전자석들(220)을 포함한다. 복수의 전자석들은 코어(210)의 복수의 핑거들(224)을 포함하며 그 주위에 전류가 공급될 수 있는 복수의 코일들(222)이 배치된다. 전자석들(220)은 회전축(X) 주위에서 원주 방향 (C)으로 배치된다. 도 10b는 도 10a의 전기 기기의 축 방향 섹션을 도시한다. 도 10a 및 도 10b의 전기 기기는 4개의 코일 세트를 포함하는 4개의 전자석을 도시하지만, 전기 기기의 특정 실시형태의 모든 전자석들(220)이 상기 도면들에 도시된 것은 아님을 이해할 것이다. 다른 실시형태들에서, 고정자(200)가 임의의 복수의 전자석들(220)을 포함하는 것이 가능하다.
도면 번역
도 1에서
Output flux: 출력 자속
x direction flux: x 방향 자속
y direction flux: y 방향 자속
z direction flux: z 방향 자속
axial: 축 방향
radial: 반경 방향
circumferential: 원주 방향
도 2에서
Axial flux: 축 방향 자속
Radial flux: 반경 방향 자속
Circumferential flux: 원주 방향 자속
Coils carrying electric current: 전류를 운반하는 코일
Current supplied to coils: 코일에 공급되는 전류
Carbon brush: 카본 브러시
Source of electric current: 전류의 공급원
Slip ring: 슬립 링
도 3에서
Axial flux: 축 방향 자속
Radial flux: 반경 방향 자속
Circumferential flux: 원주 방향 자속
Magnet providing circumferential and radial flux: 원주 방향 및 반경 방향 자속을 제공하는 자석
도 4에서
Axial flux: 축 방향 자속
Radial flux: 반경 방향 자속
Circumferential flux: 원주 방향 자속
Magnet providing axial and radial flux: 축 방향 및 반경 방향 자속을 제공하는 자석
도 5에서
Axial flux: 축 방향 자속
Radial flux: 반경 방향 자속
Circumferential flux: 원주 방향 자속
Magnet providing axial and circumferential flux: 축 방향 및 원주 방향 자속을 제공하는 자석
도 6에서
Field fringing: 필드 프린징
도 11에서
Rotor's Axial direction: 회전자의 축 방향
Active: 능동
Passive: 수동
도 12에서
Direction of magnetisation: 자화의 방향
도 13에서
Rotor's Axial direction: 회전자의 축 방향
Direction of magnetisation: 자화의 방향
도 15에서
Rotor's Axial direction: 회전자의 축 방향

Claims (14)

  1. 종 방향으로 연장되는 회전축 (X)을 갖는 자극 배치(300)로서 상기 종 방향으로 연장되는 회전축 (X)을 따라 연이어 배열되고 각각 에어 갭 (G)에 자속을 제공하는 복수의 자극 어셈블리들(110)을 포함하며, 각각의 자극 어셈블리(110)는 하나 이상의 자극편(30) 및 2개의 자속 구성요소들(40, 50)을 포함하고, 여기서:
    각각의 자극편(30)은 제1 축 방향 면(32A), 제2 축 방향 면(32B), 제1 원주 방향 면(34A), 제2 원주 방향 면(34B), 반경 방향 내부 표면(36A) 및 반경 방향 외부 표면(36B)을 포함하며:
    상기 제1 자속 구성요소(40)는 북쪽 (N)과 남쪽 (S)을 가지며 상기 하나 이상의 자극편(30)의 각각의 제1 및 제2 축 방향 면들(32A, 32B)에 인접한 각각의 원주 방향으로 연장되는 어레이들에 배열되는 복수의 제1(40A) 및 제2(40B) 축 방향으로 변위된 축 방향으로 자화된 자석들(40)을 포함하며;
    상기 제2 자속 구성요소(50)는 각각 북쪽 (N)과 남쪽 (S)을 가지며 서로에 대해 상기 축 (X) 주위에서 원주 방향으로 이격되며 각각의 자극편(30)의 각각의 제1 원주 방향 면들(34A) 및 각각의 제2 원주 방향 면들(34B)에 각각 인접하여 놓이는 복수의 원주 방향으로 자화된 자석들(50)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 자극 어셈블리(10)는 제1 및 제2 원주 방향 및 반경 방향으로 연장되는 자성 플레이트들(100A, 100B)을 포함하며, 상기 제1 플레이트(100A)는 각각의 제1 원주 방향으로 연장되는 축 방향으로 자화된 자석들(40A)과 접촉하며 이들 사이에서 연장되며, 상기 제2 플레이트(100B)는 각각의 제2 원주 방향으로 연장되는 축 방향으로 자화된 자석들(40B)과 접촉하며 이들 사이에서 연장되는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  3. 제2항에 있어서,
    제1 극 어셈블리(10)의 상기 제1 플레이트(100A)는 또한 다음 인접 극 어셈블리(110)의 제2 플레이트(100B)를 형성하는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  4. 제1항에 있어서,
    자극 배치는 복수의 제3 자속 구성요소들(60)을 더욱 포함하며 각각의 제3 구성요소는 북쪽 N과 남쪽 S을 갖는 반경 방향으로 자화된 자석을 포함하며, 각각의 제3 구성요소는 자극편들(30)의 상기 각각의 반경 방향 내측 표면들(36A) 또는 상기 각각의 반경 방향 외측 표면들(36B)에 인접하게 제공되는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반경 방향으로 자화된 자석들(60)에 부착된 강자성 튜브(101)를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  6. 제1항 내지 제5항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 자속 구성요소(40A, 40B)는 복수의 축 방향으로 자화된 원주 방향으로 이격된 중앙 자석들(97F 또는 97S) 및 복수의 원주 방향으로 자화된 원주 방향으로 이격된 측면 자석들(98F, 98S)을 포함하며, 상기 중앙 자석들(97F 또는 97S) 및 각각의 측면 자석들(98F, 98S)은 할바흐 어레이로 배열되는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  7. 제1항 내지 제6항들 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 자극 어셈블리(110)에서 원주 방향으로 인접하는 자극편들(30)은 교번하는 북쪽 및 남쪽의 자기 극성으로 배열되는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  8. 제7항에 있어서,
    각각의 자극 어셈블리(110)에서 축 방향으로 인접하는 자극편들(30)은 교번하는 북쪽 및 남쪽의 자기 극성으로 배열되는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  9. 제1항 내지 제8항들 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 자극 어셈블리(110)에서 축 방향으로 인접한 자극편들(30)은 서로에 대해 원주 방향으로 스큐(skew)되거나 오프셋(offset) 되는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  10. 제1항 내지 제9항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축 방향 및 반경 방향으로 연장되는 원주 방향으로 자화된 제2 자속 구성요소(50)는 상기 복수의 제1 (40A) 및 제2 (40B) 축 방향으로 변위된 축 방향으로 자화된 자석들(40)의 내면들(40i)을 지나 축 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  11. 제1항 및 제3항 내지 제10항들 중 어느 한 항에 있어서,
    자극 배치는 상기 제1 및 제2 자속 구성요소들(40, 50)의 조합된 공급원(92)을 포함하며, 조합된 공급원은 삼각형 단면 구조를 포함하며, 상기 삼각형 단면 구조는 인접하는 극편(31)과 대면하는 축 방향, 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 제1 표면(92A)을 가지며, 극편(31)은 축 방향 A를 따라 변하는 원주 방향 폭 (W)을 갖는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  12. 제1항 및 제3항 내지 제10항들 중 어느 한 항에 있어서,
    자극 배치는 상기 제1 및 제2 자속 구성요소들(40, 50)의 조합된 공급원(93)을 포함하며, 이것은 제1 및 제2 대향하는 축 방향 표면들(93A, 93B)을 갖는 사변형 단면 자석을 포함하며 상기 표면들은 인접한 극편들(33)과 마주보며 상기 제1 및 제2 자속 구성요소들(40, 50)의 조합된 공급원은 축 방향 (A)를 따라 변하는 원주 방향 폭 (W)을 가지며, 복수의 극편들(33)은 각각 인접하는 자속 구성요소(93)의 각각의 면(93A 또는 93B)과 마주보는 축 방향, 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 대향 단부면들(33A, 33B)을 갖는 육각형 단면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  13. 제1항 및 제3항 내지 제10항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자극편들(33)은 제1 및 제2 대향하는 축 방향으로 변위된 단부면들(33A, 33B) 및 제1 및 제2 대향하는 원주 방향으로 변위된 측면들(33C, 33D)을 갖는 육각형 단면 구조를 포함하며 상기 제1 및 제2 자속 구성요소들(40, 50)의 상기 조합된 공급원은 대향하는 축 방향, 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 단부면들(94A, 94B)과 대향하는 반경 방향 및 원주 방향으로 연장되는 블랭크 단부들(94C, 94D)을 갖는 육각형 단면 구조(94)를 포함하며 그리고 제1 및 제2 대향하는 축 방향 단부들(51A, 51B) 및 대향하는 측면들(51C, 51D)을 각각 갖는 복수의 반경 방향 및 축 방향으로 연장되는 원주 방향으로 이격된 보충 자석들(51)을 더욱 포함하며, 자속 공급원(94)의 상기 블랭크 단부들(94C, 94D)은 상기 보충 자석들(51)의 각각의 제1 및 제2 축 방향 단부들(51A, 51B)과 마주하며, 상기 극편들(33)의 상기 측면들(33C, 33D)은 상기 보충 자석들(51)의 대향하는 각각의 측면들(51C, 51D)과 마주하는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
  14. 제1항 내지 제13항들 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 극편(30)은 반경 방향 표면(36A 또는 36B)으로부터 멀리 연장되는 폴슈(34)를 포함하며, 상기 폴슈는 그에 인접한 자속의 반경 방향 공급원(60)을 갖지 않으며, 상기 폴슈(38)는 극편(30)에 대해 반경 방향 및 원주 방향으로 오프셋 된 극면(38F)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자극 배치(300).
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