KR20210129163A

KR20210129163A - 방위각 또는 폴로이드 자속 기계

Info

Publication number: KR20210129163A
Application number: KR1020217030267A
Authority: KR
Inventors: 앤더스 하그네스탈
Original assignee: 하그네시아 에이비
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2021-10-27
Also published as: EP3935721A4; US20220103056A1; CN113508515B; SE543274C2; SE1950276A1; US11728717B2; JP2022522634A; EP3935721A1; WO2020180234A1; CN113508515A

Abstract

자속의 스위칭에 의해 작동하는 전기 기계(1)는 제1 자기 구조체(10), 제2 자기 구조체(20) 및 권선(30)을 포함한다. 제1 및 제2 자기 구조체는 미리 결정된 운동 경로(4)를 따라 서로에 대해 이동 가능하게 배열되고, 4개 초과의 에어 갭을 거쳐 서로 끼워진 각각의 섹션(12, 22)을 갖는다. 제1 자기 구조체는 각각의 에어 갭에서 가변 투자율을 제공한다. 제2 자기 구조체는 각각의 에어 갭에서 가변 투자율 및/또는 영구 자석 극을 제공한다. 제1 및 제2 자기 구조체의 자기 주기성은 동일하다. 에어 갭 각각에 대해, 대부분의 자속은 매 순간 동일한 방향으로 통과된다. 권선은, 미리 결정된 운동 경로의 방향으로 각각의 섹션 둘레에, 또는 전체 폐쇄된 미리 결정된 운동 경로를 따라 각각의 섹션을 따라 제공된 각각의 루프(32)를 갖는다.

Description

방위각 또는 폴로이드 자속 기계

본 발명은 일반적으로 전기 기계, 및 특히, 가변 릴럭턴스 기계에 관한 것이다.

전기 기계의 개념은 잘 알려져 있고, 19세기 후반에 발명된 유도 기계 및 동기 기계와 같은 제1 유형의 전기 기계는 오늘날에도 여전히 산업에서 매우 중요하다. 전기 기계는 일반적으로 하나의 이동 가능한 부품(일반적으로, 회전자 또는 병진기이나, 이에 한정되지 않음) 및 제2 부품(일반적으로 고정자이나, 이에 한정되지 않음)을 포함한다. 이러한 부품은, 가동 부품과 제2 부품을 분리하는 에어 갭에 의해서 분리된다. 부품 중 적어도 하나, 일반적으로 고정자는 또한, 전류를 전달할 수 있는 전기 권선을 갖는다.

전기 기계의 특징은, 이 전기 기계가 기어 박스, 유압 시스템 및 공압 시스템과 같은 기계 시스템에 비해 낮은 힘 또는 토크 밀도를 가지나, 고속으로 작동할 수 있으므로 높은 전력 밀도를 갖는다는 점이다. 1kW/kg의 전력 밀도는 전기 모터에 대한 대표적인 수치이다.

대부분의 전기 기계의 특징은, 종종 전기 기계의 손실의 대부분을 구성하는 저항 전력 손실이, 권선의 와전류가 무시되는 경우, 에어 갭 속도(v)에 독립적이라는 점이다. 그러나, 총 전력의 백분율로 계산하면, 총 전력이 v에 비례하므로, 저항 전력 손실은 1/v에 비례한다. 따라서, 일반 전기 기계는 일반적으로 90-98% 범위의 효율이 일반적인 10-100m/s 범위의 고속에서 높은 효율을 갖는다. 저속에서, 예를 들어, 5m/s 미만에서, 전기 기계는 일반적으로 더 낮은 효율성을 갖는다.

또한, 저항 손실은 일반적으로 전기 기계에 열적 문제를 일으키고, 몇 초보다 더 긴 작동 동안 토크 및 힘 밀도뿐만 아니라 전력 밀도를 제한한다.

힘 또는 토크 밀도가 낮고 저속 효율이 낮기 때문에, 전기 기계는 높은 토크 또는 힘 및 저속이 필요한 응용분야에서 종종 기어 박스, 유압 시스템 또는 공압 시스템과 함께 사용된다. 이것은 전기 기계가 고속 및 낮은 토크로 작동할 수 있게 한다. 그러나, 이러한 기계 시스템은 몇 가지 단점을 갖는다. 기계적 변환은 시스템에 추가 손실을 생성하며, 이 손실은 일반적으로 시스템에 따라 3-20%이고, 부분 부하에서는 더 높다. 기계적 변환 시스템은 또한, 전기 기계 자체보다 더 많은 유지 관리가 필요하며, 이는 전체 비용을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 풍력 발전의 경우, 기어박스의 유지보수 문제는 지난 20년 동안 지속적으로 큰 문제였다.

저속 효율 문제와 낮은 힘 밀도 문제를 해결하기 위해, 가변 릴럭턴스 기계(VRM: variable reluctance machine), 특히 가변 릴럭턴스 영구 자석 기계(VRPM: variable reluctance permanent magnet machine)로 알려진 기계 패밀리에 속하는 다양한 기계 유형이 제안되고, 개발되었다. 이러한 기계 유형, 예를 들어 버니어 기계(VM: Vernier machine), 버니어 하이브리드 기계(VHM: Vernier hybrid machine), 및 횡방향 자속 기계(TFM: transverse flux machine)의 다양한 변형은 자기 기어링으로 알려진 기하학적 효과를 구현하여, 권선을 더 짧고 더 두껍게 함으로써 권선 저항을 크게 낮춘다. 이것은, 여러 인접 극으로부터의 자속이 같은 방향으로 가도록, 그리고 이동 가능한 부품, 즉 병진기 또는 회전자가 일 극 길이로 이동될 때 이러한 극으로부터의 자속이 방향을 스위칭하도록 기하학적 구조를 배열함으로써 달성된다.

이 기계는 또한, 다른 기계보다 더 높은 전단 응력을 발생시키며, 여기서 전단 응력은 단위 에어 갭 면적당 유용한 전단력으로서 정의된다. 그러나, 이들은 일반적으로 표준 기계에 비해 단위 체적당 패킹되는 에어 갭 면적의 양을 증가시키지 않으므로, 이러한 기계의 힘 밀도가 증가되더라도, 단지 적당할 뿐이다. 이러한 기계 유형의 잘 알려진 문제는 누설 자속이 커지는 점, 및 전체 부하에서 역률이 낮아지는 점이다. 따라서, 이들은 높은 역률과 매우 높은 전단 응력을 모두 가질 수 없다. 이들은 풍력 발전용으로 제안되었지만, 이러한 단점으로 인해, 광범위한 시장 침투에 도달하지 못했다.

TFM 기계의 한 유형이 참고 문헌 [1-4]에서 제안되었다. 이 기계는 단위 부피당 상당한 에어 갭 면적을 패킹한다는 장점을 갖는다. 그러나, 이 기계는 변압기가 둘로 쪼개진 것처럼 보이고, 단계당 최대 2개의 거대한 코일 내 에어 갭으로부터 멀리 떨어진 코일을 가지고 있다. 불행히도 이러한 구성은 또한, 몇 가지 사소한 단점을 갖는다. 제안된 구성은 큰 자기 누설 자속을 제공하며, 이는 낮은 역률로 귀결된다. 또한, 이것은 큰 클램핑 자기 수직력을 가지며, 이 수직력은 코어를 유지하기 위해 강력한 기계적 구조체를 필요로 한다. 이는, 코일이 두 개의 구조체에만 감겨 있다는 사실, 및 이 두 개의 구조체가 일부 에어 갭에서 멀리 떨어져 위치된다는 사실 때문이다.

종래 기술의 전기 기계의 문제점은, 저속 응용분야에서, 그리고 높은 힘 또는 토크 밀도가 요구되는 응용분야에서, 현재 솔루션이 매우 높은 토크 또는 힘 밀도에 도달할 수 없으며, 대부분의 토크 덴즈(torque dense) 기계가 전체 로드에서 낮은 역률을 갖는다는 점이다. 이것은, 종종 상당한 손실을 갖는 크고 값비싼 직접 구동 기계로 귀결된다.

따라서, 제시된 기술의 일반적인 목적은 개선된 일반 토크 또는 힘 밀도 및 증가된 저속 효율을 갖는 전기 기계를 제공하는 것이다.

상기 목적은 독립 청구항에 따른 디바이스에 의해 달성된다. 바람직한 실시형태는 종속 청구항에서 정의된다.

일반적으로, 제1 양태에서, 자속의 스위칭에 의해 작동하는 전기 기계는 제1 자기 구조체, 제2 자기 구조체 및 권선을 포함한다. 제1 자기 구조체 및 제2 자기 구조체는 미리 결정된 운동 경로를 따라 서로에 대해 이동 가능하게 배열된다. 제1 자기 구조체 및 제2 자기 구조체는, 미리 결정된 운동 경로에 평행한 4개 초과의 에어 갭을 거쳐 서로 끼워진 각각의 섹션을, 상기 미리 결정된 운동 경로에 수직인 폐쇄 경로를 따라 구비한다. 각각의 섹션은, 폐쇄 경로의 방향을 따라 보았을 때, 4개 초과의 에어 갭 중 2개의 연속적인 에어 갭에 대향하는 섹션 표면 사이에 위치되는 각각의 자기 구조체의 부분으로서 정의된다. 자기 구조체의 각각의 섹션에 대해, 자기력선은 섹션 표면 사이의 자기 재료를 통과한다. 제1 자기 구조체는 각각의 에어 갭에서 미리 결정된 운동 경로에 평행한 방향으로 가변 투자율을 나타낸다. 제2 자기 구조체는 각각의 에어 갭에서 미리 결정된 운동 경로에 평행한 방향으로 가변 투자율, 영구 자석 극, 및/또는 초전도 재료를 포함하는 자극을 나타낸다. 제1 자기 구조체의 섹션의 가변 투자율의 연속적인 최대값들 사이의 평균 거리로서 결정된 제1 평균 거리는, 제2 자기 구조체의 이웃 섹션의 가변 투자율의 연속적인 최대값들 사이의 평균 거리로서 또는 제2 자기 구조체의 이웃 섹션의 동일한 극성의 연속적인 자극들 사이의 평균 거리로서 결정된 제2 평균 거리와 35% 내에서 동일하다. 4개 초과의 에어 갭 각각에 대해, 적어도 하나의 작동 단계에서의 적어도 하나의 위치에서, 에어 갭에 있는 섹션 표면에 수직인 자속 밀도의 성분의 평균은 섹션 표면에 수직인 자속 밀도의 성분의 절대값의 평균의 15%보다 더 크다. 평균은 균일 자속 거리에 걸쳐 구해지며, 균일 자속 거리는 미리 결정된 운동 경로의 방향으로 각각의 에어 갭을 따라 제1 평균 거리에 3보다 더 큰 정수를 곱한 것이다. 자기 구조체의 섹션 중 적어도 3개에 대해, 권선은, 미리 결정된 운동 경로의 방향으로 적어도 균일 자속 거리에 대해 각각의 섹션 둘레에, 또는 전체 폐쇄된 상기 미리 결정된 운동 경로를 따라 각각의 섹션을 따라 제공된 각각의 루프를 갖는다.

제2 양태에서, 시스템은 제1 양태에 따른 전기 기계를 포함한다. 시스템은 신재생 에너지 변환 시스템, 풍력 발전소, 파력 발전소, 전기 선박 추진 시스템, 기어리스 모터, 직접 구동 시스템 또는 포스 덴스(force dense) 액추에이터이다.

제안된 기술의 한 가지 장점은 특히 저속에서 기계의 힘 또는 토크 밀도를 증가시키고 효율성을 증가시킨다는 점이다. 상세한 설명을 읽으면 다른 장점이 이해될 것이다.

본 개시 내용의 추가적인 목적 및 이점과 함께 본 개시내용은 첨부된 도면과 함께 기술된 다음 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해 될 수있다.

도 1a는 자속의 스위칭에 의해 작동하는 전기 기계의 실시형태의 예시이다.
도 1b는 부분이 절결된 도 1a의 실시형태의 도면이다.
도 1c 내지 도 1d는 제2 자기 구조체의 실시형태의 개략적인 예시이다.
도 1e 및 도 1f는 제1 자기 구조체의 실시형태의 개략적인 예시이다.
도 1g 내지 도 1h는 제1 자기 구조체와 제2 자기 구조체 사이의 기하학적 그리고 자기적 관계의 실시형태의 개략적인 예시이다.
도 2a 내지 도 2d는 제1 자기 구조체와 제2 자기 구조체 사이의 기하학적 관계의 실시형태의 개략적인 예시이다.
도 3은 에어 갭에서의 자속의 개략적 예시이다.
도 4는 가변 에어 갭 자속의 일 실시예를 예시하는 다이어그램이다.
도 5는 제2 자기 구조체 및 연관된 권선 루프의 실시형태의 단면의 개략적 예시이다.
도 6은 방위각 또는 폴로이드 자속 기계의 일 실시형태의 단면도이다.
도 7은 방위각 또는 폴로이드 자속 기계의 다른 실시형태의 단면도이다.
도 8은 방위각 또는 폴로이드 자속 기계의 또 다른 실시형태의 단면도이다.
도 9는 표면 장착 영구 자석을 활용하는 제1 자기 구조체와 제2 자기 구조체 사이의 기하학적 관계의 일 실시형태의 개략적 예시이다.
도 10은 스위치드 릴럭턴스 머신에서 제1자기 구조체와 제2 자기 구조체 사이의 기하학적 관계의 일 실시형태의 개략적 예시이다.
도 11은 폴로이드 플럭스 기계의 일 실시형태의 부분의 개략적 예시이다.
도 12는 부분이 절결된 폴로이드 자속 기계의 제1 자기 구조체, 제2 자기 구조체 및 권선의 일 실시형태의 부분의 개략적 예시이다.
도 13은 부분이 절결된 회전 기계의 일 실시형태의 개략적 예시이다.
도 14는 부분이 절결된 폴로이드 자속 기계의 제1 자기 구조체, 제2 자기 구조체 및 권선의 다른 실시형태의 부분의 개략적 예시이다.
도 15는 전기 기계에서 베어링 배치의 실시형태의 개략적 예시이다.

도면 전체에 걸쳐, 유사하거나 대응하는 요소에 대해 동일한 참조 번호가 사용된다.

여기에 제시된 기술은, 전기 기계의 일반적인 토크 또는 힘 밀도 문제, 및 매우 높은 토크 또는 힘 밀도, 저속에서도 매우 높은 효율을 가지며 적절한 역률을 유지함으로써 저속 효율 문제 모두에 대한 명쾌한 솔루션을 제공한다. 이것은 바람직하게는 세 가지 다른 양태를 고려함으로써 달성된다. 이러한 개념은 결과적으로, 디자인과 기하학적 특징이 따라야 하는 프레임을 제공한다.

권선 저항은 종종 주요 단점이다. 몇 배 더 낮은 권선 저항을 갖기 위해서, 여기에 제시된 기술은 소위 자기 기어링을 구현한다. 이러한 개념은, 권선이 각각의 개별 극 사이가 아니라, 대신 많은 극 둘레에 감겨 있다는 점을 의미한다. 일반적으로 전체 단계는 간단한 루프로 둘러싸여 있다. 따라서 권선은 표준 기계보다 몇 배 더 짧아질 수 있다. 동시에, 권선을 몇 배 더 두껍게 만들 수도 있다. 이것은 결과적으로 표준 기계보다 권선 저항을 몇 배 더 작게 만든다. 이러한 조치를 통해 권선 저항은 기하학적 구조 및 사이즈에 따라 약 1/100 내지 1/5의 팩터만큼 감소될 수 있다. 이것은 또한 열적 문제를 크게 감소시킨다.

고려해야 할 또 다른 개념은 가능한 한 작은 부피에서 에어 갭의 수를 증가시키는 것이다. 다시 말해서, 기계의 힘이 에어 갭에서 발생되기 때문에 특정 기계 체적 내에서 총 에어 갭 면적을 증가시키려는 노력이 있다. 여기에 제시된 기술은, 많은 에어 갭을 자기적으로 직렬로 연결하고, 바람직하게는 자기 폐쇄 루프를 생성하는 기하학적 구조로 함께 빽빽하게 패킹된 구조를 구현한다. 이것은 바람직하게는 철과 같은 자기 재료의 블록에서 불필요한 긴 자기력선 경로를 갖지 않으면서 달성된다. 여기에 제시된 기하학적 배열은 자속에 대한 자기 재료의 수동 복귀 경로를 줄임으로써 이를 달성한다. 따라서 표준 전기 기계와 비교하여 여기에 제시된 기계에 단위 부피당 몇 배 더 많은 에어 갭 영역이 패킹될 수 있다. 이것은 또한 과도한 양의 영구 자석을 사용하지 않으면서 달성된다.

이것은, 권선의 감소된 저항과 함께, 전기 기계에 상당히 더 높은 전류 부하를 가능하게 한다. 이것은, 전단 응력, 즉 에어 갭에서 발생하는 단위 면적당 유용한 힘이 표준 기계에서보다 2-4배 높아진다는 것을 의미한다. 최대 100kN/m²의 단위 면적당 힘도 실현 가능하다. 많은 에어 갭이 마그네틱 기어링으로 인해 함께 빽빽하게 패킹될 때 전단 응력의 이득은 표준 기계에 비해 훨씬 더 커진다. 표준 기계는 이와 관련하여 바람직하지 않은 스케일링을 가지고 있기 때문이다. 이것은 단위 부피 또는 중량당 에어 갭 면적의 상당한 증가와 조합하여 표준 기계보다 몇 배, 일반적으로 10-25배 더 큰 힘 또는 토크 밀도를 제공한다.

이러한 기하학적 구조의 또 다른 효과는, 이것이 바람직하게는 에어 갭에서 자기 재료에 대한 수직력이 국부적으로, 적어도 이상적으로는 제거될 수 있도록 배열될 수 있으며, 이는 무겁고 부피가 큰 구조 재료에 대한 필요성을 상당히 감소시킨다는 점이다. 자기 재료에 대한 수직력의 제거는 일반적으로 종래 기술의 전기 기계에서도 수행되지만, 일반적으로 포괄적인 의미에서 수행된다. 따라서, 기계의 한쪽으로부터 다른 쪽으로 수직력을 전달하는 내부 구조체를 필요로 한다. 그러나, 여기에 제시된 국부적 의미의 수직력 제거는 매우 유리하다. 견고한 내부 구조체에 대한 필요성이 여기에 제시된 기술에 의해 크게 감소된다.

일부 바람직한 실시형태에 대한 추가 이점은 누설 자속의 제거이다. 적어도 3개의 섹션 주위에 분산된 방식으로 권선을 배열함으로써, 한 단계에 대한 전체 권선은 폐쇄형 또는 거의 폐쇄형 코일 형상과 유사하다. 이러한 기하학적 구조는 환상 코일 또는 유사한 형상일 수 있다. 이러한 기하학적 구조를 가짐으로써, 누설 자속이 상당히 감소되거나 거의 제거될 수 있다. 기계의 이러한 실시형태에서 권선은 이를 위해 전체 누설 자속을 거의 제거하는 방식으로 배열된다. 이에 의해, 기계의 역률은 전단 응력을 감소시키지 않으면서 합리적인 수준으로 유지될 수 있으며, 바람직한 실시형태에서 0.8에 도달될 수 있다. 또한, 이러한 기하학적 관계는 권선에서, 그리고 기계적 구조체에서의 와전류 문제 및 전기강판에서 평면 와전류 문제를 감소시킨다.

본 발명은 바람직하게는, 특히 저속에서, 그리고 바람직한 경우에는 역률을 손상시키지 않으면서, 기계의 힘 또는 토크 밀도를 크게 증가시키고 효율을 증가시키기 위해 기하학적 효과를 이용하는 유형의 전기 기계에 관한 것이다. 여기에 제시된 기술은 직접 구동과 같은 저속 응용분야와 높은 힘 또는 토크 밀도가 필요한 응용분야(그러나, 이에 한정되지 않음)에서 전례 없는 성능을 갖는다. 적합한 응용분야는 풍력 발전, 조력 발전 및 파력 발전, 즉 신재생 에너지 변환 시스템, 전기 선박 추진, 기어 모터 교체, 직접 구동 응용분야 및 포스 덴스 액추에이터이지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고 다른 많은 응용분야에서 사용될 수 있다. 본 발명은 선형 또는 회전 전기 기계로서 구현될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

본 개시내용에서 사용되는 일부 용어는 명확한 정의를 필요로 할 수 있다.

"전기 기계"는 전류가 인가될 때 또는 그 반대의 경우에도 이동 가능한 바디에 힘을 가할 수 있는 기계로서 해석된다. 일반적으로, 전기 기계는 발전기, 모터 또는 액추에이터로서 사용된다.

"에어갭" 또는 "에어 갭"은 일반적으로 공기로 채워지지만, 이에 한정되지 않으며, 가스, 액체, 테플론과 같은 미끄럼 베어링 재료와 같은 비자기 재료를 포함할 수 있다.

"비자기"는 여기에서, 0.2 Tesla의 자속 밀도(B)에서 < 50의 상대 투자율을 갖고, < 0.2 Tesla의 잔류 자속 밀도를 갖는 재료로서 해석된다. 또한, "자기"는 여기에서, 0.2 Tesla의 자속 밀도(B) 또는 >= 0.2 Tesla의 잔류 자속 밀도에서 >= 50의 상대 투자율을 갖는 재료로서 해석된다.

기계적 동력은 P = Fv로 표현될 수 있으며, 여기서 F는 힘이고 v는 속도이다.

"속도"는 여기에서 이동 가능한 부분과 제2 부분 사이의 상대 속도로서 정의된다. 속도는 두 부분을 분리하는 에어 갭에서 이 두 부분의 각 표면에서 정의된다.

"힘"은 여기에서 이동 가능한 부분과 제2 부분 사이의 전류에 의해 가해지는 상대 힘으로서 정의된다. 힘은 두 부분을 분리하는 에어 갭에서 그리고 움직임을 따라 이 두 부분의 각 표면에서 구해져, 표면에서의 전단력이 된다.

"수직력"은 여기에서 이동 가능한 부분과 제2 부분 사이의 에어 갭에서의 인력 수직력으로 정의된다.

여기에 제시된 기술의 기하학적 구조는 자속이 단순한 권선 루프 내에서 단방향 또는 거의 단방향이도록 자기 기어링을 구현하게끔 배열된다. 이 권선 루프는 일반적으로 아래에서 더 논의되는 바와 같이 적어도 균일한 자속 거리에 걸쳐 자속을 둘러싸는 직사각형 권선 루프이다. 이것은 자속이 단방향이 아닌 동기 전기 기계의 분산된 권선과 동일하지 않다는 점을 주의한다.

따라서, 본 발명은, 버니어 머신(VM), 버니어 하이브리드 머신(VHM), 횡방향 자속 머신(TFM) 및 스위치드 릴럭턴스 머신(SRM)과 같은 자기 기어링을 구현하는 머신 유형과 함께 가변 릴럭턴스 전기 기계 패밀리에 속한다. 이 기계는 낮은 저항을 달성하지만, 많은 에어 갭을 자기적으로 직렬로 연결하지 않기 때문에 본 발명만큼 높은 힘 또는 토크 밀도에 도달하지 않으며, 이에 따라 본 발명과 같이 단위 부피당 큰 에어 갭 영역으로 패킹하지 않으며, 몇 배 적다. 또한, 이러한 기계는 본 발명과 동일한 정도로 누설 자속을 피하지 못하므로, 와전류 및 낮은 역률과 관련된 문제가 더 많다. 이러한 기계는 또한, 여기에 제시된 기술과 같은 정도로 국부적 의미에서 자기 수직력을 상쇄하지 않는다. 따라서, 이러한 기계는 동일한 양의 토크에 대해 더 많은 구조 재료가 필요하며, 이는 이러한 기계가 더 무겁고 더 비싸게 만든다.

축 방향 자속 동기 전기 기계(AFM: axial flux synchronous electric machine)는 자속이 축 방향으로 배열된 잘 알려진 동기 기계이다. 몇 가지 경우에, 축 방향 자속 기계는 토크 밀도를 증가시킬 수 있는 에어 갭이 직렬로 자기적으로 연결된 상태로 작동할 수 있다고 제안되었다. 그러나 AFM은 자기 기어링을 구현하지 않기 때문에, 본 발명이 갖는 권선 저항만큼 거의 낮은 저항을 갖지 않으며, 따라서 에어 갭에서 동일한 전단 응력을 생성할 수 없기 때문에 고효율 및 높은 토크 밀도 모두에 도달할 수 없다. 또한, AFM은, 자극이 더 짧게 만들어질 때 AFM에 대한 권선 저항이 본 발명에 비해 바람직하지 않은 스케일링을 갖기 때문에, 본 발명만큼 큰 단위 부피당 에어 갭 면적으로 패킹할 수 없다. 이러한 설명된 특징은, 영구 자석이 있거나 없는 철심 및 공심 동기 전기 기계, 유도 기계 및 동기 릴럭턴스 기계 또는 이들의 조합을 포함하여, 자기 기어링을 구현하지 않는 임의의 전기 기계보다, 결합된 효율성 및 힘 또는 토크 밀도 측면에서, 본 발명에 상당히 더 나은 성능을 제공한다.

도 1a는 자속의 스위칭에 의해 작동하는 전기 기계(1)의 실시형태를 도시한다. 이 실시형태는 3상(phase) 머신이며, 상이한 상(phase)(2A, 2B, 2C)는 일렬로 위치된다. 각각의 단계는 원칙적으로 서로 독립적으로 작동하며, 단지 서로 기계적으로만 연결되어 있다. 전기 기계(1)는 이 실시형태에서 8개의 섹션(12)으로 분할된 제1 자기 구조체(10)를 포함한다. 전기 기계(1)는 다수의 루프(32)를 갖는 권선(30)을 더 포함한다. 이 실시형태에서, 루프(32) 내부에는, 제2 자기 구조(20)가 있다. 이 실시형태에서, 제2 자기 구조체(20)는 8개의 섹션(22)으로 분할되며, 이 중 하나만이 도면에서 약간 관찰 가능할 수 있다. 제1 및 제2 자기 구조체(10, 20)와 권선(30)이 보일 수 있도록 기계적 구조체 부분이 제거된다.

제1 자기 구조체(10) 및 제2 자기 구조체(20)는 본 실시형태에서 선형 경로인 미리 결정된 운동 경로(4)를 따라 서로에 대해 이동 가능하게 배열된다. 제1 및 제2 자기 구조체(10, 20)의 섹션(12, 22)은 에어 갭(40)을 통해 서로 대향하게 배치되며, 도면에서 에어 갭 중 하나에만 번호가 부여된다. 에어 갭(40)은 미리 결정된 운동 경로(4)와 평행하다. 폐쇄 경로(3)는 운동 경로(4)에 수직으로 정의될 수 있다. 이러한 폐쇄 경로(3)를 따라, 제1 자기 구조체(10) 및 제2 자기 구조체(20)는 따라서, 에어 갭(40)을 거쳐 서로 끼워진 각각의 섹션(12, 22)을 갖는다. 다시 말해서, 폐쇄 경로(3)를 따라 이동될 때, 제1 자기 구조체(10)의 섹션(12) 뒤에 에어 갭(40)에 의해 분리된 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22)이 온다. 유사하게, 폐쇄 경로(3)를 따라 이동할 때, 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22) 다음에 에어 갭(40)에 의해 분리된 제1 자기 구조체(10)의 섹션(12)이 온다. 따라서, 제2 자기 구조체의 섹션(22)의 각 쌍 사이에 제1 자기 구조체(20)의 섹션(12)이 있고, 유사하게 제2 자기 구조체의 섹션(12)의 각 쌍 사이에 제1 자기 구조체(10)의 섹션(22)이 있다.

미리 결정된 운동 경로(4)는 제1 자기 구조체(10)와 제2 자기 구조체(20) 사이의 상대 운동에 관한 것이다. 이러한 미리 결정된 운동 경로(4)는, 예를 들어, 제2 자기 구조체(20)에서의 고정된 지점에 대한 제1 자기 구조체(10)에서의 고정된 지점의 운동으로서 정의될 수 있다. 물론, 제1 자기 구조체(10)에서의 고정된 지점에 대한 제2 자기 구조체(20)에서의 고정된 지점의 운동을 정의하는 반대의 정의가 또한 사용될 수 있다. 운동은 상대적인 운동이기 때문에, 미리 결정된 운동 경로(4)는 공간 상의 어떤 정의된 위치를 갖지 않고, 첨부된 도면에서, 움직이는 부분의 부근에 표시된다. 미리 결정된 운동 경로(4)가 절대 좌표로 정의되지는 않지만, 미리 결정된 운동 경로(4)의 방향은 또한 실제 세계에서 잘 정의된다.

따라서, 각각의 섹션(12, 22)은 폐쇄 경로(3)의 방향을 따라 에어 갭(40) 중 2개의 연속적인 에어 갭(40)에 대향하는 섹션 표면들 사이에 위치되는 각각의 자기 구조체(10, 20)의 부분으로서 정의될 수 있다.

도 1b에서, 도 1a의 전기 기계(1)의 절단된 단계(2)의 예시가 도시된다. 여기서, 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22)은 직접적으로 가시적이다. 도면의 가독성을 높이기 위해, 단지 하나의 섹션(12, 22)과 하나의 에어 갭(40)에만 번호가 부여된다. 여기에서, 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22)이, 폐쇄 경로(3)의 방향을 따라 에어 갭(40) 중 2개의 연속적인 에어 갭에 대향하는 섹션 표면(24, 26) 사이에 위치된다는 점이 도시될 수 있다. 또한, 제1 자기 구조체(10)의 섹션(12)이, 폐쇄 경로(3)의 방향을 따라 에어 갭(40) 중 2개의 연속적인 에어 갭에 대향하는 섹션 표면(14, 16) 사이에 위치된다.

또한, 자기 구조체(10, 20)의 각각의 섹션(12, 22)에 대해, 자기력선은 섹션 표면(14, 16, 24, 26) 사이의 자기 재료를 통과한다. 이는 이 실시형태(16)에서, 많은 에어 갭(40)이 자기적으로 직렬로 연결된다는 점을 의미한다. 또한, 섹션은 자기적으로 폐쇄 루프를 생성한다. 에어 갭(40)은 상대적으로 밀접하게 함께 패킹되고, 자기 재료의 블록에는 매우 긴 자기력선 경로가 없다.

이러한 속성은 끼워진 섹션의 수를 더 증가시킴으로써 더욱 더 향상될 수 있다. 현재로서는, 현저한 장점을 얻기 위해, 4개 초과의 에어 갭이 있어야 한다고 생각된다. 6개 초과의 에어 갭을 사용하여 더 확연한 장점이 달성된다. 가장 바람직하게는, 10개 초과의 에어 갭이 제공되며, 진정한 힘 덴즈(force dense) 또는 토크 덴즈(torque dense) 기계를 얻기 위해서, 14개 초과의 에어 갭이 제공되는 것이 바람직하다.

도 1a 및 도 1b에서 도시될 수 있는 바와 같이, 미리 결정된 운동 경로(4)를 따라 섹션(12, 22)의 다양한 구조체가 또한 존재한다. 이것은 도 1c 내지 도 1f와 관련하여 더 자세히 논의될 것이다. 그러나, 에어 갭(40)이 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행하기 때문에, 제1 자기 구조체(10)가 미리 결정된 운동 경로의 방향으로 제2 자기 구조체(20)에 대해 이동가능하다는 점을 주목한다.

도 1c에서, 섹션 표면(24) 중 하나의 일 부분이 에어 갭에서 볼 때와 같이 예시된다. 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22)은 전기 강판(25)의 블록, 또는 고투자율 재료의 제2 부분(23)으로 지칭되는 임의의 다른 고투자율 재료의 블록이 끼워진 영구 자석(27A, 27B)의 스택을 포함한다. 부분들이 제2 자기 구조체(20) 내에 제공되기 때문에 "제2"라는 표기가 사용된다. 전기 강판(25)은 일반적으로 미리 결정된 운동 경로(4) 방향으로 와전류를 방지한다. 고투자율 재료의 제2 부분(23)은 자기장을 잘 전도하며, 영구자석은 미리 결정된 운동 경로(4)의 방향으로 극성이 교대로 위치되므로, 고투자율 재료의 제2 부분(23) 중 매 두 번째 부분은 자기 북극 N을 나타낼 것이며, 나머지 부분은 자기 남극 S를 나타낼 것이다. 자기적으로 높은 투과성 재료의 제2 부분(23)은 자속 집중 구조체로서 작용할 것이다. 따라서, 이 실시형태에서, 각각의 에어 갭에서 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행한 방향으로, 제2 자기 구조체(20)는 영구 자극 N, S를 제공한다.

"고투자율 재료"는 본 개시내용에서 0.2 Tesla 초과의 자속 밀도에서 50 초과의 상대 투자율을 갖는 재료로서 정의된다.

영구 자석이 끼워진 블록으로서 사용될 수 있거나, 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 전기 강판을 사용하여 설명되는 다른 설계에서 사용될 수 있는 다른 고투자율 재료는, 예를 들어, 연자성 복합물(SMC: soft magnetic composite)이다. 이러한 재료는 최종 형상으로 소결된, 전기 절연 코팅물을 갖는 철 입자를 포함한다. 이러한 재료는 어떠한 와전류도 나타내지 않으면서 모든 방향으로 자속을 전도할 수 있다.

제2 자기 구조체(20)의 동일한 극성의 연속적인 자극들 사이의 평균 거리(21)는 이중 화살표로 예시되어 있다. 이 특정 실시형태에서, 동일한 극성의 연속적인 자극들 사이의 모든 거리는 동일하고, 또한 이의 평균과 동일하다. 그러나, 대안적인 실시형태에서, 영구 자석은 다소 변위되어 제공될 수 있으며, 이는 동일한 극성의 연속적인 자극 사이의 거리가 약간 변할 수 있지만, 항상 평균이 있음을 의미한다.

도 1d에서, 도 1c에서와 동일한 섹션(22)의 부분이 반경 방향으로 예시된다. 여기에서, 섹션 표면(24, 26)은 용이하게 도시될 수 있다. 표시된 경로(42)는, 섹션 표면(24, 26) 사이에서, 영구 자석(27A, 27B) 및 고투자율 재료의 제2 부분(23)을 포함하는 자기 재료를 자기력선이 어떻게 통과할 수 있는지 일례를 예시한다. 섹션 표면(24, 26)은 다시 말해서 서로 자기적으로 연결된다.

따라서, 일 실시형태에서, 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22) 중 적어도 하나는 에어 갭에 대향하는 표면(24, 26)을 따라 교번되는 극을 제공하도록 배열된 영구 자석(27A, 27B)을 포함한다.

다른 실시형태에서, 영구 자석(27A, 27B)을 포함하는 제2 자기 구조체(20)의 각각의 섹션(22)은 미리 결정된 운동 경로(4)의 방향으로 스택을 포함한다. 스택은, 고투자율 재료의 제2 부분(23)에 의해서, 즉 여기에서는 전기 강판(25)의 블록에 의해서 분리된, 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행한 교번되는 자화 방향을 갖는 영구 자석(27A, 27B)을 포함한다. 따라서, 제2 주기성, 즉 평균 거리(21)는 매 두 번째 영구 자석 사이의 거리와 동일하다.

도 1e에서, 섹션 표면(14) 중 하나의 일 부분이 에어 갭에서 볼 때와 같이 예시된다. 제1 자기 구조체(10)의 섹션(12)은, 거리 블록(17)이 끼워진 전기 강판(15)의, 또는 다른 고투자율 재료의 블록의 스택을 포함한다. 전기 강판(15)의 블록은 자기장을 잘 전도하며, 따라서 섹션 표면(14)에서 높은 투자율을 나타낸다. 그러나, 거리 블록(17)은 이 실시형태에서와 같이, 에어 갭으로부터 좀 떨어져 제공되거나, 또는 비자기 재료로 제조된다. 따라서, 거리 블록(17)은 섹션 표면(14), 즉 에어 갭에 대향하여 낮은 투자율을 나타낸다. 따라서, 각각의 에어 갭에서 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행한 방향으로, 제1 자기 구조체(10)는 가변 투자율을 나타낸다.

이 실시형태에서, 제1 자기 구조체(10)의 각각의 섹션(12)은, 고투자율 재료의 제1 부분(13)의, 즉 이 경우에, 전기 강판(15)의 블록을 포함하는 스택을 포함한다. 고투자율 재료의 제1 부분(13)은 미리 결정된 운동 경로(4)에 수직인 메인 연장부를 갖는다. 고투자율 재료의 제1 부분(13)은 비자기 재료 또는 슬릿, 즉 거리 블록(17) 또는 재료의 부재에 의해 분리된다. 이에 의해, 제1 주기성은 고투자율 재료의 2개의 연속적인 제1 부분(13) 사이의 거리와 동일하다.

제1 자기 구조체(10)의 상기 가변 투자율의 연속적인 최대치 사이의 평균 거리(11)는 이중 화살표로 예시된다. 이 특정 실시형태에서, 제1 자기 구조체(10)의 가변 투자율의 연속적인 최대치 사이의 모든 거리는 동일하고, 또한 그 평균과 동일하다. 그러나, 대안적인 실시형태에서, 고투자율 재료의 제1 부분(13)은 다소 변위되어 제공될 수 있으며, 이는 제1 자기 구조체(10)의 상기 가변 투자율의 최대값 사이의 거리가 다소 변할 수 있지만, 항상 평균이 있음을 의미한다.

도 1f에서, 도 1e에서와 동일한 섹션(22)의 부분이 반경 방향으로 예시된다. 여기에서, 섹션 표면(14, 16)은 용이하게 도시될 수 있다. 표시된 경로(42)는, 섹션 표면(14, 16) 사이에서, 고투자율 재료의 제1 부분(13)을 포함하는 자기 재료를 자기력선이 어떻게 통과할 수 있는지 일례를 예시한다. 섹션 표면(14, 16)은 다시 말해서 서로 자기적으로 연결된다.

제1 및 제2 자기 구조체 사이의 관계가 또한 중요하다. 도 1g는 미리 결정된 운동 경로(4)에 수직인 폐쇄 경로의 일부를 따른 제1 자기 구조체(10) 및 제2 자기 구조체(20)의 일부 섹션(12, 22)을 개략적으로 도시한다. 여기에서, 제1 자기 구조체(10)의 섹션(12)과 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22)의 교번하는 출현이 용이하게 도시된다. 에어 갭(40)은 섹션(12, 22)을 서로 분리시킨다. 여기서, 제1 자기 구조체(10)의 섹션(12)의 자기 부분이 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22)의 자극으로부터 자기장을 전도할 수 있다는 점이 또한 도시될 수 있다. 따라서, 주로 점선 화살표(44)를 따라 자속이 전도될 수 있다. 여기에서, 예시된 자속은 동일한 방향으로, 즉 도면에서 왼쪽으로 각각의 에어 갭(40)을 통과한다는 점이 주의될 수 있다.

도 1h는, 제1 자기 구조체(10)와 제2 자기 구조체(20)가 미리 결정된 운동 경로의 방향으로 서로에 대해 평균 거리(11)의 절반과 동일한 거리 만큼 변위되었을 때, 도 1g의 제1 자기 구조체(10) 및 제2 자기 구조체(20)의 섹션(12, 22)을 개략적으로 예시한다. 자속에 대한 상황이 이제 완전히 바뀌었다. 이제, 자속에 대한 경로는 점선 화살표(45)에 의해서 예시되는 바와 같이, 도면의 오른쪽 방향으로 이다. 각각의 에어 갭(40)에서, 자속은 이제 방향을 변경하였다.

도 1g 및 도 1h에서, 각각의 순간에 모든 에어 갭에 걸쳐 동일한 방향으로 자속을 갖는 효과가 제1 자기 구조체(10)의 거리(11)를 제2 자기 구조체(20)의 거리(21)와 동일하게 함으로써 달성되는 점이 인지될 수 있다. 자속의 최대 변화를 달성하기 위해서, 이러한 평균 거리는 동일해야 한다. 그러나, 이 요구에서 벗어나, 전단 응력과 효율성의 일부를 희생하면서, 여전히 작동하는 기계를 보유할 수 있다. 예를 들어, 힘 변동 및 소위 코깅(cogging) 효과를 줄이고, 진동을 줄이고, 모터의 시동을 용이하게 하기 위해, 예를 들어, 평균 거리에 작은 편차를 제공할 가능성이 있다. 제1 자기 구조체(10) 또는 제2 자기 구조체(20) 중 어느 하나의 자기 재료가, 이들이 미리 정해진 운동 경로의 방향으로 서로에 대한 각도를 나타내도록, 비스듬히 움직이는 소위 스큐잉(skewing)을 사용하는 것도 가능하다.

도 2a 내지 도 2d에서, 미리 결정된 운동 경로(4)의 방향으로 상이한 주기성을 갖는 제1 자기 구조체(10) 및 제2 자기 구조체(20)의 일부 실시형태가 개략적으로 예시된다. 도 2a에서, 평균 거리(11)로 나타낸 제1 자기 구조체(10)의 주기성은 평균 거리(21)로 나타낸 제2 자기 구조체(20)의 주기성과 약간 상이하다. 그러나, 이 차이는 여전히 전체 건설적인 작동을 달성하기에 충분히 작다. 도 2b에서, 평균 주기성은 두 자기 구조체에 대해 동일하지만, 제1 자기 구조체(10)는 연속적인 구조체 반복 사이에 서로 다른 개별 거리(11' 및 11")를 갖는다. 도 2c에서, 서로 다른 개별 거리(21' 및 21")를 갖는 것은 대신에 제2 자기 구조체(20)이다. 도 2d에서, 두 개의 자기 구조체(10, 20)는 각각의 구조적 반복 사이에 상이한 개별 거리를 가지고, 평균 거리(11, 21)에서는 작은 차이를 갖는다. 물론 다른 구성이 또한 가능하다.

만곡된 미리 결정된 운동 경로를 갖는 실시형태에서, 곡률과 관련하여 외측 상의 자기 구조체는, 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 상이한 평균 거리(11, 21)를 가질 수 있다. 그러나, 제1 자기 구조체의 각각의 섹션에 대해서, 제2 자기 구조체의 이웃 섹션이 항상 있으며, 본원에서 위에서 논의된 한계 내에 속하는 평균 거리를 나타낸다.

현재 평균 거리의 이러한 편차는 35%를 초과해서는 안 된다고 믿어진다. 달리 말해서, 제1 자기 구조체의 섹션의 가변 투자율의 연속적인 최대값들 사이의 평균 거리로서 결정된 제1 평균 거리는, 제2 자기 구조체의 이웃 섹션의 동일한 극성의 연속적인 자극들 사이의 평균 거리로서 결정된 제2 평균 거리와, 35% 내에서, 동일하다. 바람직하게는, 평균 거리는 가능한 서로 근사하게 유지되어야 한다. 따라서, 바람직한 실시형태에서, 제1 및 제2 자기 구조체의 평균 거리 사이의 편차는 30%를 초과하지 않아야 하고, 보다 바람직하게는 20%를 초과하지 않아야 하고, 가장 바람직하게는 10%를 초과하지 않아야 한다.

가변 투자율의 최대값을 정의할 때, 고려되도록 의도되는 것은 반복 구조체의 전체 변형이다. 에어 갭 외부에서 일반적인 에너지 변환에 영향을 미치지 않는, 작은 국부 최대값을 발생시킬 수 있는 작은 미세한 변동은 이 점에서 최대값으로 간주되지 않는다. 유사하게, 작은 확장부의 투자율의 변동을 제공하고, 에어 갭 외부에서 에너지 변환에 기여하지 않는 다른 작은 구조체는 무시될 것이다. 가장 넓은 메인 최대값의 폭의 20%보다 더 작은 폭을 갖는 국부 최대값이 기계의 작동에 대해 중요하지 않고, 최대값 사이의 평균 거리를 정의할 때 무시되어야 한다고 믿어진다.

유사하게, 주기성이 누락된 메인 최대값에 의해서 중단되고, 연속적인 메인 최대값 사이의 거리가 두 배 거리로 되면, 작동 속성이 다소 저하되지만, 대부분의 경우 여전히 유용할 것이다. 그렇지 않은 반복적인 구조체에서 이러한 생략된 최대값은 최대값 사이의 평균 거리를 정의할 때 무시되어야 한다.

따라서 현재 개시된 기술은 두 개의 자기 구조체 사이의 상대적인 위치에 따라 크기와 방향을 변경하는 에어 갭 상의 자속의 기본 원리에 기반한다. 이상적인 경우, 원치 않는 누설 자속을 무시하며, 에어 갭 상의 모든 자속은 매 순간 같은 방향으로 지향된다. 따라서, 기계는 자속 스위칭을 활용하는 기계이다. 본 개시내용에서, 자속 스위칭을 활용하는 기계는 자속의 스위칭에 의해 작동하여 소위 자기 기어링을 구현하는 전기 기계로 정의된다.

도 1a 내지 도 1h의 특정 실시형태를 연구하면, 먼저 이 실시형태에서 미리 결정된 운동 경로가 선형 경로라는 것을 알 수 있다. 또한 방위각 방향을 따른 자속의 변화로 인해 기계가 작동한다고 결론지을 수 있으며, 따라서 이러한 유형의 기계는 바람직하게 방위각 자속 스위칭 기계로 표시될 수 있다.

이상적인 세계에서, 모든 자속은, 제1 자기 구조체(10)의 고투자율 재료의 제1 부분(13)이 제2 자기 구조체(20)의 고투자율 재료의 제2 부분(23)과 정렬될 때, 에어 갭(40)을 지나 반대쪽 섹션 안으로 이동한다. 그러나 현실 세계에서는, 항상 누설 자속이 존재한다. 따라서, 일부 자속은 항상 반대 방향으로 다시 에어 갭(40) 상에 누출될 것이다. 그러나, 신중한 설계에 의해, 대부분의 자속은 적어도 자기 구조체들이 정렬될 때, 동일한 방향으로 지향될 것이다. 여기에 제시된 기술의 효율성, 전단 응력 및 역률은, 이 과반이 증가되면, 일반적으로 증가될 것이다.

도 3은 이러한 정의를 개략적으로 예시한다. 제2 자기 구조체(20)는 에어 갭(40)에 대향하는 표면(24)을 따라 교번되는 자극을 제공한다. 북극르로부터 남극으로 이동되는 자속은 화살표(43)로 예시된다. 일부, 바람직하게는, 대부분의 자속은 제1 자기 구조체(10)를 통해 다음 제2 자기 구조체(20)로 이동된다. 이것은, 기계의 작동, 즉 유용한 자속을 달성하기 위해 여기에 제시된 기술에서 활용되는 자속이다. 이 예시에서 에어 갭(40)은 도면의 가독성을 높이기 위해 극적으로 과장되어 있다는 점을 주의한다. 그러나, 일부 자속은 제1 자기 구조체(10)를 통과하지 않고 동일한 제2 자기 구조체(20)로 다시 누출된다. 점선(49)으로 표시된, 표면(24)에 있는 또는 이 부근의 상황을 고려하면, 자속은 바깥쪽으로, 즉 도면의 오른쪽으로 이동된다. 본 상황에서, 5개의 화살표(43)는 선(49)을 가로질러 제2 자기 구조체(20)의 각각의 북극을 떠나고 있다. 동시에, 자속은 또한 안쪽으로, 즉 도면의 왼쪽으로 이동된다. 본 상황에서, 2개의 화살표(43)는 선(49)을 가로질러 제2 자기 구조체(20)의 각각의 남극에 도달된다.

현정한 장점을 달성하기 위한 최소 한계는, 한 방향의 자속이 반대 방향의 자속을 약 1/3만큼 초과하는 경우로 추정된다. 이를 적절한 방법으로 정량화하기 위해, 두 개의 통합된 측정값이 정의될 수 있다. 제1 측정에서, 표면(24)에 들어가거나 떠나는 모든 자속의, 표면(24)에 수직인 성분이 이 방향을 포함하여 평균된다. 도 3에서, 각각의 북극으로부터 두 개의 화살표가 이웃 남극으로 돌아오기 때문에, 이들은 이러한 평균에서 서로 상쇄될 것이다. 제1 자기 구조체(10)를 통과하는 세 개의 화살표에 대응되는 자속만이 평균, 즉 자속 스위칭 기계에 대한 "유용한" 또는 순 자속에 기여할 것이다. 제2 측정에서, 표면(24)에 들어가거나 떠나는 자속은 다시 평균되지만, 이제 방향은 무시된다. 다시 말해서, 섹션 표면에 수직인 자속 밀도의 성분의 절대값이 평균화를 위해서 사용된다. 이것은 어느 방향으로든 에어 갭을 지나가는 총 자속의 측정치를 제공한다. 제1 측정값, 즉 유용한 자속과 제2 측정값, 즉 총 자속 사이의 비율을 고려함으로써, "유용한" 자속의 상대적인 양이 결정될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 일 방향으로의 자속이 반대 방향으로의 자속을 약 1/3만큼 초과하는 것이 장점을 경험하기 위한 하측 한계인 것으로 보인다. 위에서 설명된 두 개의 통합 측정값의 비율을 사용하면, 이것은 약 0.15에 대응된다. 적어도 0.20의 비율을 갖는 더 확연한 장점이 달성된다. 적어도 0.25의 비율을 갖는 것이 훨씬 더 바람직하고, 적어도 0.30의 비율을 갖는 것이 훨씬 더 바람직하다. 가장 바람직하게는, 비는 적어도 0.40이다.

자속 스위칭 기계의 기본 아이디어는 제1 자기 구조체와 제2 자기 구조체 사이의 상대 위치에 따라 변하는 에어 갭에 대한 자속을 갖는 것이기 때문에, 이 평균은 에어 갭(40) 길이의 상당 부분에 대해 유효해야 한다. 이것은 다수의 연속적인 자극 및/또는 가변 투자율의 최대값에 대해서도 마찬가지이다. 다시 말해서, 이 조건은 미리 결정된 운동 경로(4)를 따른 에어 갭의 연속적 통과에 존재해야 한다. 이것은 또한, 에어 갭(40)을 따라 적어도 두 개의 극 기간(pole period) 동안 공통 지향된 "유용한" 자속이 제공되어야 하는 것처럼 표현될 수 있다. 에어 갭에 걸쳐 균일하게 지향된 자속을 국부적으로 가질 수 있지만 여러 자극 기간을 포함하는 거리에 걸쳐는 그렇지 않은 비-플럭스-스위칭 기계의 다른 실시예가 있다. 평균화는 또한, 전체 극 쌍에 대해 수행되어야 한다. 따라서, 위에서 언급된 평균화는 3개 이상의 극 쌍의 미리 결정된 운동 경로(4) 방향의 거리에 대해 수행되어야 한다. 도 3에서, 화살표(41)는 극 쌍 거리의 평균의 4배의 평균화 거리를 나타낸다. 따라서 현재는, 제1 자기 구조체(10)의 가변 투자율의 연속적인 최대값들 사이의 평균 거리(11)의 정수(적어도 3) 배에 대한 평균이 정확한 자속 스위칭 기본 설계를 보장한다고 믿어진다. 따라서 평균화가 수행되는 거리는 논의할 의미 있는 비를 갖기 위해 자기 구조체의 주기성의 정수 배이어야 한다. 그렇지 않으면, 일정 기간 내의 플럭스 차이는 비에, 의도되지 않은 영향을 줄 수 있다.

또한, 유용한 자속과 동일한 자기 구조체로 되돌아가는 자속 사이의 관계는 장치에 따라 다를 수 있다는 점이 주의되어야 한다. 예를 들어, 유용한 자속은, 미리 결정된 운동 경로의 방향으로, 자기 구조체의 중간에서보다 자기 구조체의 끝에서 더 낮을 가능성이 더 크다. 위에서 추가로 논의된 자기 구조 내의 거리 편차의 제공은 또한, 한 위치로부터 다른 위치로 유용한 자속의 비율을 변경할 수 있다. 따라서, 위에서 논의된 조건은 에어 갭 내의 적어도 하나의 위치, 예를 들어 자기 구조체의 중간에 가깝게 그리고/또는 자기 구조체의 요소들 사이의 반복적인 거리를 갖는 부분에 가깝게 존재하도록 의도된다.

또한, 유용한 자속과 동일한 자기 구조체로 되돌아가는 자속 사이의 관계는 작동 단계에 따라 다를 수 있다는 점이 주의되어야 한다. 예를 들어, 도 1g 및 도 1h에 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 자기 구조체의 다양한 구조가 서로에 대해 레지스트리(registry)에 있을 때, 유용한 자속이 매우 높을 것으로 믿어진다. 그러나, 중간 상대 위치, 즉 다른 작업 단계에서는, 상황이 다를 수 있다. 따라서 자속 비에 대한 위의 논의는 적어도 하나의 작동 단계에 대해, 예를 들어, 유용한 자속이 최대화될 때, 유효하도록 의도된다.

다시 말해서, 에어 갭(40) 각각에 대해, 적어도 하나의 작동 단계에서의 적어도 하나의 위치에서, 에어 갭(40)에 있는 섹션 표면에 수직인 자속 밀도의 성분의 평균은 섹션 표면에 수직인 자속 밀도의 성분의 절대값의 평균의 15%보다 더 크며, 평균은 균일 자속 거리에 걸쳐 구해지며, 균일 자속 거리는 미리 결정된 운동 경로의 방향으로 각각의 에어 갭(40)을 따라 제1 평균 거리(11)에 3보다 더 큰 정수를 곱한 것이다. 고성능을 달성하기 위해서, 이러한 조건은 기계의 가능한 큰 부분에 존재하는 것이 바람직하다. 따라서, 바람직한 실시형태에서, 이러한 관계는 또한, 미리 결정된 운동 경로(4)의 방향으로 각각의 에어 갭(40)을 따른 제1 평균 거리(11)의 5배 초과, 훨씬 더 바람직하게는 9배 초과, 가장 바람직하게는 15배 초과의 균일 자속 거리에 대해서도 성립한다.

위에서 간략하게 언급된 바와 같이, 에어 갭에서 자기 재료에 대한 수직력은 국부적으로 제거될 수 있다. 제1 자기 구조체(10)로부터 제2 자기 구조체(20)에 가해지는 일 측부로부터의 힘은 제1 자기 구조체(10)로부터의 반대 측부 상에서의 동일한 힘에 의해 이상적으로 보상된다. 유사하게, 제2 자기 구조체(20)로부터 제1 자기 구조체(10)에 가해지는 일 측부로부터의 힘은, 기계적으로 쉽게 핸들링되는 상기 폐쇄 경로(3)에 수직인 작은 힘 성분(기하학적 형태에 따라 다름)을 제외하고, 제2 자기 구조체(20)로부터의 반대 측부 상에서의 동일한 힘에 의해 보상된다. 따라서, 힘들은 균형을 이루며, 무겁고 부피가 큰 구조 재료의 필요성을 상당히 감소시킨다. 현실 세계에서, 완벽한 기하학적 구조와의 편차는 항상 존재하며, 이러한 편차는 언쇼의 정리(Earnshaw´s theorem)에 따라 상쇄되지 않는 수직력을 생성할 것이다. 그러나, 이러한 힘은 훨씬 작은 크기이고, 일반적으로 베어링에 의해 핸들링된다. 여기에 제시된 국부적 의미의 수직력 제거는 이전에 이런 방식으로 사용되지 않았다.

따라서, 에어 갭을 가로지르는 자속은 미리 결정된 운동 경로(4)를 따라 제1 자기 구조체(10) 및 제2 자기 구조체(20)의 상대 변위를 변경함에 따라 변할 것이다. 이것은 도 4에 개략적으로 예시된다. 자속의 이러한 변화는 제1 자기 구조체(10) 및 제2 자기 구조체(20) 모두의 모든 섹션 및 에어 갭에서 동시에 나타난다. 이 가변 자속을 둘러싸도록 권선(30)을 배열함으로써, 전기 기계의 작동이 달성될 수 있다.

도 5는, 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22) 주위에 제공된 루프(32), 즉 다수의 감김(turn)을 구비하여 권선이 섹션(22) 주위에서 1회 이상 감기하도록 하는, 권선(30)의 실시형태를 예시한다. 도 4의 변화하는 자속은 또한 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22)에 걸쳐 존재할 것이다. 루프(32)는 일반적으로 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행하게, 즉, 이 실시형태에서는 도면의 종이의 평면에 수직으로 지향되는 폐쇄 경로를 가로질러 연장된다. 다시 말해서, 루프(32)는 미리 결정된 운동 경로(4)의 방향으로 이들의 메인 연장부를 갖는다. 변환되는 전력량과 관련하여 권선 저항을 줄이기 위해 자속의 실질적으로 균일한 방향의 이점을 얻기 위해, 루프가 미리 결정된 운동 경로(4)를 따라 복수의 자극 거리, 즉 동일한 극성의 연속적인 자극 사이의 거리를 둘러싸도록 하는 것이 유리하다. 현저한 장점을 달성하기 위해, 현재 적어도 3개의 자극 거리가 적어도 하나의 단일 루프(32)에 의해 둘러싸여야 한다는 점이 믿어진다. 그러나, 단일 루프에 의해 둘러싸이는 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22)이 많을수록 총 권선 재료가 덜 필요하고, 변환된 전력과 관련하여 저항 손실이 더 낮아질 수 있다. 도 5에서, 15개의 자극 쌍이 둘러싸여 있다.

일 실시형태에서, 권선은 제1 자기 구조체의 2개 초과의 섹션 또는 제2 자기 구조체의 2개 초과 섹션 주위에 미리 결정된 운동 경로에 대해 비수직적으로 권취된다.

다른 실시형태에서, 권선의 루프는 투자성 재료의 제1 부분 중 복수의 연속적인 부분을 둘러싸며 미리 결정된 운동 경로에 평행하게 감겨 있다.

마그네틱 기어링의 개념은 권선이 각 개별 극 사이가 아니라 많은 극 둘레에 감겨 있다는 점에 의해서 사용된다. 이것은, 극이 더 짧게 만들어질 때, 권선이 더 길고 가늘어지는 문제(이는 표준 기계의 저속 성능을 제한함)를 해결한다. 일반적으로, 전체 단계가 간단한 루프로 둘러싸여 있으며, 이는 권선을 매우 짧게 유지될 수 있다는 점을 의미한다. 일반적으로, 루프는 직사각형 또는 유사한 모양을 갖는다. 또한, 사용 가능한 공간이 충분하며, 짧은 권선에 비용이 많이 들지 않기 때문에, 권선이 몇 배 더 두껍게 만들어질 수 있다. 전체적으로, 이것은 표준 기계보다 권선 저항을 몇 배 더 작게 만든다.

아래에서 더 논의되는 바와 같이, 권선(30)은 또한, 제1 자기 섹션 둘레에도 제공될 수 있다. 다시 말해서, 권선은 미리 결정된 운동 경로의 방향으로 적어도 위에서 언급된 균일 자속 거리에 대해 각각의 섹션 둘레에 제공된 루프를 갖는다.

또한, 플럭스가 구조체 밖으로 누출되는 것을 방지하기 위해, 여러 섹션 둘레에 루프를 제공하는 것이 유리하다. 이것은 아래에서 더 자세히 논의될 것이다. 자기 구조체의 섹션 중 적어도 3개 주위에 루프를 가짐으로써 효과가 달성될 수 있다고 믿어진다. 루프로 둘러싸인 섹션이 많을수록, 단위 중량당 더 많은 전력이 활용될 수 있고, 누설 자속이 더 낮아질 것이다. 바람직하게는, 루프는 자기 구조체의 섹션들 중 적어도 4개, 보다 바람직하게는 적어도 6개, 가장 바람직하게는 적어도 8개 둘레에 제공된다. 도 1a의 실시형태에서, 모든 8개 섹션 둘레에 루프가 있다.

전기 기계가 발전기로서 작동되는 경우, 제1 자기 구조체(10) 및 제2 자기 구조체(20)는 서로에 대해 이동되도록 강제되며, 권선(30)의 루프(32)에 전압을 유도한다. 유사하게, 전기 기계가 모터로서 작동된다면, 권선(30)의 루프(32)를 통한 변화하는 전류는 제1 자기 구조체(10)와 제2 자기 구조체(20) 사이의 힘으로 귀결되어, 상대 운동을 생성할 것이다.

따라서, 일 실시형태에서, 전기 기계는 발전기이다. 제1 자기 구조체 및 제2 자기 구조체의 상대 운동은 권선에 유도 교류 전압을 발생시킨다.

다른 실시형태에서, 전기 기계는 모터이다. 권선을 통해 전도된 교류는 제1 자기 구조체 및 제2 자기 구조체의 상대 운동을 유발한다.

지금까지, 제1 자기 구조체와 제2 자기 구조체 사이의 상대적인 운동이 논의되었다. 이것은 다양한 방법으로 얻어질 수 있다.

일 실시형태에서, 제1 자기 구조체는 고정자이다. 다시 말해서, 제1 자기 구조체는 기계의 고정적 지지 부분에 기계적으로 부착된다. 제2 자기 구조체는 다음으로, 고정자에 대해, 즉 기계의 지지 부분에 대해서도 이동 가능하게 배열된다. 선형의 미리 결정된 운동 경로의 경우, 제2 자기 구조체는 따라서 병진기가 된다.

다른 실시형태에서, 상황은 반대이다. 제2 자기 구조체는 고정자이다. 다시 말해서, 제2 자기 구조체는 기계의 고정적 지지 부분에 기계적으로 부착된다. 제1 자기 구조체는 다음으로, 고정자에 대해, 즉 기계의 지지 부분에 대해서도 이동 가능하게 배열된다. 선형의 미리 결정된 운동 경로의 경우, 제1 자기 구조체는 따라서 병진기가 된다.

또 다른 실시형태에서, 제1 자기 구조체 및 제2 자기 구조체 모두는 기계의 고정적 지지 부분에 대해 이동 가능할 수 있다.

본원에 제시된 기하학적 구조는 많은 에어 갭을 자기적으로 직렬로 연결한다. 이것은 일반적으로 섹션의 기하학적으로 폐쇄 루프를 생성한다(이러한 폐쇄 루프가 절대적 요건이 아니더라도). 자기 기어링이 구현되어야 하는 경우, 에어 갭을 통과하는 큰 단방향 자속이 있다. 자속 밀도는 발산이 없기 때문에, 자속은 사라질 수 없지만, 어느 정도 폐쇄 루프로 계속되어야 한다. 따라서, 섹션 자체가 루프를 형성하지 않는 경우, 이 기능을 제공하기 위해 다른 자기 재료 블록을 추가되어야 한다. 자속이 크기 때문에, 자기 재료의 이러한 블록의 자기력선 경로는 길어질 것이다. 에어 갭 사이의 철과 같은 자기 재료의 블록에서 불필요한 긴 자기력선 경로를 피하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이러한 블록은 힘이나 전력을 제공하지 않고 추가 질량, 추가 손실 및 추가 비용만 제공하기 때문이다. 이러한 아이디어의 한 결과는, 자기력선이 반대 방향으로 주어지지 않는 제1 자기 구조체 및/또는 제2 자기 구조체의 섹션 둘레에 권선의 루프가 배치될 수 있다는 점이다. 다시 말해서, 자기력선은 일반적으로 연속 섹션 둘레의 루프들 사이에서 방향을 많이 변경하지 않을 수 있다. 도 1a 내지 도 1h의 실시형태에서, 루프에 의해서 둘러싸인 8개의 섹션은 이웃 루프에 대해 45°로 지향되는 자기력선을 둘러싼다. 이러한 아이디어는 누설 자기장의 감소를 촉진할 뿐만 아니라 많은 수의 에어 갭을 달성할 가능성을 높힌다.

따라서, 일 실시형태에서, 2개의 연속적인 각각의 루프를 통과하는 자기력선은 2개의 연속적인 루프의 위치 사이에서 150도 미만, 바람직하게는 120도 이하, 가장 바람직하게는 90도 이하로 방향을 변경한다.

도 6은 도 1의 플럭스 스위칭 전기 기계(1)의 미리 결정된 운동 경로에 수직인 단면을 예시한다. 본 실시형태에서, 이것은 원형 레이아웃 및 자속 집중 자석 구조체로 구현된다. 알 수 있는 바와 같이, 권선(30)은 그 루프(32)에 의해 희박한 환상 코일(sparse toroidal coil)과 유사하다. 이상적인 환상 코일은 누설 자속을 전혀 갖지 않는다. 이 실시형태에서, 희박한 환상 코일 권선은 이러한 특성 중 일부를 계승하므로, 전체 누설 자속이 매우 작아진다. 환상 형태 둘레의 증가된 루프 수는 누설 플럭스를 감소시키고, 동시에 연속적인 에어 갭 사이의 거리를 감소시킨다.

따라서 기계의 권선은 전체 누설 자속을 거의 제거하는 방식으로 배열된다. 이로써 기계의 역률은 전단 응력을 감소시키지 않으면서 합리적인 수준으로 유지될 수 있다. 바람직한 실시형태에서 0.8의 역률이 도달될 수 있다. 또한, 이러한 기하학적 관계는 권선에서, 그리고 기계적 구조체에서의 와전류 문제 및 전기강판에서 평면 와전류 문제를 감소시킨다.

따라서, 본 기술은 기계의 힘 또는 토크 밀도를 증가시키고 효율성을 증가시키기 위해서 기하학적 효과를 활용한다. 이것은 저속에서 특히 현저하다. 바람직한 실시형태에서, 이것은 역률을 손상시키지 않고서도 달성될 수 있다. 따라서 여기에 제시된 기술은 다이렉트 드라이브와 같은 저속 응용분야와 높은 힘 또는 토크 밀도가 필요한 응용분야에서 전례 없는 성능을 갖는다. 그러나 기술은 이에 한정되지 않는다. 적합한 응용분야은 일반적으로, 풍력 발전 또는 파력 발전과 같은 재생 에너지 변환 시스템, 전기 선박 추진, 기어 모터 교체, 다이렉트 드라이브 응용분야 및 포스 덴스(force dense) 액추에이터이다. 그러나, 기술은 이에 한정되지 않고 다른 많은 응용분야에서도 사용될 수 있다.

그러나 원형 단면을 갖는 설계는, 특히 원통형 대칭을 깨뜨리는 미리 결정된 운동 경로(4)에 곡률이 도입되는 회전 기계를 위한 기계적 구조 및 그 장착에 대한 어떤 필요성을 갖는다. 제조 및 실장에 적합한 구성을 달성하기 위해, 자기 특성의 일부 희생은 보다 쉽게 구축될 수 있는 구성을 달성하는 데 대한 관심의 것일 수 있다.

한 가지 대안이 도 7에 예시된다. 이 구성은, 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22)에 제1 자기 구조체(10)의 섹션(12A)이 끼워지는 직선 빌딩 블록에 기반한다. 그런 다음 제1 자기 구조체(10)의 2개의 단부 섹션(12B)은 조립체를 자기 폐쇄 루프에 연결하여 폐쇄 경로(3)를 제공한다. 이러한 구조체에서, 제1 자기 구조체(10)의 섹션(12A)은 권선의 루프(32)에 의해 둘러싸인다.

이 실시형태는 생산 및 장착이 훨씬 더 쉽지만, 자기적 거동에서 몇 가지 단점을 갖는다. 먼저, 도면의 위쪽 또는 아래쪽 부분에 있는 정렬된 섹션의 루프가 동일한 방향의 장 라인을 둘러싸더라도, 단부 섹션(12B)의 양쪽에 있는 루프는 방향이 180도 변경된 장 라인을 대신 둘러싸며, 이는 최적이 아니다. 이것은 필연적으로 일부 누설 장을 유발할 것이다. 이러한 최적이 아닌 자기 특성의 단점은 장착할 직선 블록만을 갖는 이점과 관련되어야 한다.

도 8은 대안적인 실시형태다. 여기에서 제2 자기 구조체(20)의 두 개의 추가 섹션(22B)이 구조체의 측부에 추가되었다. 이들 섹션(22B)은 제1 자기 구조체(10)의 2개의 코너 섹션(12C) 사이에 끼워진다. 이 실시형태에서 자기력선은 구조체의 어느 곳에서나 90도 넘게 방향을 변경하지 않으며, 이는 자기 거동을 개선한다. 그러나, 추가 섹션(22B)은 대신 장착 및 구성의 복잡성을 추가한다.

위의 실시형태에서, 자속 집중 구조체로서 작용하는, 고투자율 재료의 제2 부분(23)이 삽입된 영구 자석(27A, 27B)의 스택이 예시되었다. 다시 말해서, 제2 자기 구조체의 각각의 섹션은, 에어 갭(40)에 대향하는 표면(24, 26)을 따라 교번하는 극을 제공하도록 배열된 영구 자석(27A, 27B)을 포함하며, 제2 주기성은 동일한 극성의 두 개의 연속적 극 사이의 거리와 같다. 바람직하게는, 권선의 루프는 복수의 연속적인 제2 자기 재료 시트를 둘러싸는 미리 결정된 운동 경로에 평행하게 감겨 있다. 그러나 자기장의 제공은 또한, 다른 구성에 의해 제공될 수 있다.

도 9는 표면 장착 자석을 갖는 선형 횡방향 자속 기계의 개략적인 단면도를 도시한다. 이것은 제2 자기 구조체(20)의 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행한 방향으로 에어 갭(40)을 따라 영구 자석 극을 제공하는 대안적인 방법을 제시한다. 여기서 제2 자기 구조체(20)는 자기 재료의 중앙 몸체(29)를 갖는 섹션(22)을 포함한다. 중앙 몸체(29)의 표면에는 표면 장착 자석(27C)이 제공된다. 이러한 구성으로, 섹션(22)의 양 측부 상에서 극성이 상이할 수 있으며, 이는 제1 자기 구조체(10)의 섹션(12)이 미리 결정된 운동 경로(4) 방향으로 변위 없이 장착될 수 있음을 의미한다. 그러나, 미리 결정된 운동 경로(4)에 수직인 표면 장착 자석(27C)에는 자력이 있기 때문에 표면 장착 자석(27C)의 안전한 장착을 확보하기 위한 수단이 있어야 한다.

대안적인 실시형태에서, 제2 자기 구조체는 각각의 에어 갭에서 상기 미리 결정된 운동 경로에 평행한 방향으로 초전도 재료를 포함하는 자극을 제공한다. 이러한 극은, 루프를 갖는 초전도 재료로 형성된 권선에 의해 제공된다. 이 실시형태는, 제2 자기 구조체에서 철의 사용 없이 상당히 더 높은 자속 밀도가 달성될 수 있다는 장점을 갖는다. 단점은, 솔루션이 더 비싸고, 초전도 권선을 초전도 온도로 냉각하기 위해 저온 유지 장치 시스템을 필요로 한다는 점이다.

또 다른 대안에서, 스위치드 릴럭턴스(switched reluctance) 기계 구성이 채택될 수 있다. 도 10은 이러한 접근법에서 제1 자기 구조체(10)와 제2 자기 구조체(20) 사이의 관계를 예시한다. 여기서, 제2 자기 구조체(20)는 고투자율 재료의 제2 부분(23), 예를 들어 전기 강판(25) 블록을 포함한다. 이들은, 제1 자기 구조체(10)의 고투자율 재료의 제1 부분(13)과 본질적으로 동일한 주기성을 갖는다. 또한 여기에서, 위에서 더 논의된 바와 같이, 주기성 간의 정확한 일치로부터의 편차가 적용될 수 있다. 따라서, 제2 자기 구조체(20)는 각각의 에어 갭에서 미리 결정된 운동 경로에 평행한 방향으로 가변 투자율을 나타낸다.

스위치드 릴럭턴스 실시형태에서 힘은, 제1 자기 구조체(10)의 자기 재료와 제2 자기 구조체(20)의 자기 재료가 정렬되지 않고 권선의 전류에 의해 자화될 때 이들 사이의 단순 인력에 의해 생성된다. 이 힘은 제1 자기 구조체(10)와 제2 자기 구조체(20) 사이의 상대 위치에 따라 어느 일 방향일 수 있다. 이에 의해, 스위치드 릴럭턴스 실시형태의 한 단계는 전기 주기의 절반, 즉 4사분면 중 2사분면 동안만 원하는 방향으로 힘을 생성할 수 있고, 다른 2사분면 동안에는 수동 상태를 유지할 수 있다. 이것은, 평균 힘 밀도를 직접 절반으로 줄이고 필요한 단계 수를 두 배로 늘리는 기계 유형에 대한 단점이다. 또한, 일반적으로 영구자석 실시형태에 비해 힘이 더 작으며(이는 추가 단점임), 역률과 효율이 더 낮다. 그러나, 스위치드 릴럭턴스 실시형태의 장점은 실시형태에 값비싼 영구 자석이 없다는 점이며, 이는 재료 비용을 낮추고, 이러한 유닛의 제조를 위한 네오디뮴 및 디스프로슘과 같은 영구 자석 재료의 가용성에 대한 의존성을 생성하지 않는다. 또한, 권선에 전류가 없을 때, 제1 자기 구조체(10)와 제2 자기 구조체(20) 사이에는 인력이 존재하지 않는다. 따라서, 제조 및 조립이 상당히 덜 복잡해진다.

따라서, 일 실시형태에서, 제2 자기 구조체의 섹션 중 적어도 하나는 비자기 재료 또는 슬릿에 의해 분리된, 바람직하게는 미리 결정된 운동 경로에 수직인 메인 연장부를 갖는 투자기성 재료의 제2 부분의 스택을 포함하며, 제2 평균 거리는 투자성 재료의 연속적인 제2 부분 사이의 평균 거리로서 결정된다.

다른 실시형태에서, 권선의 루프는 투자성 재료의 제2 부분 중 복수의 연속적인 부분을 둘러싸며 미리 결정된 운동 경로에 평행하게 감겨 있다.

일부 실시형태에서, 스위치드 릴럭턴스 접근법은 자화된 자기 구조체와 결합될 수 있다는 점이 주의될 수 있다. 이를 위해, 제2 자기 구조체의 일부 섹션은, 위에서 설명된 바와 같이, 릴럭턴스 스위치드 유형일 수 있는 한편, 제2 자기 구조체의 다른 섹션은, 예를 들어, 도 1a 내지 도 9와 관련하여 설명된 실시형태 중 임의의 것에 따른 자석에 기반한 구조체를 가질 수 있다.

지금까지는, 단지 선형의 미리 결정된 운동 경로가 논의되었다. 그러나, 예를 들어, 회전 기계와 같이 만곡된 미리 결정된 운동 경로에 대해 위의 사상을 활용하는 것도 가능하다.

회전 기계의 경우, 위에서 논의된 대부분의 원칙은 여전히 유효하다. 주요 차이점은 미리 결정된 운동 경로의 형상이다. 제1 자기 구조체 및 제2 자기 구조체는 미리 결정된 운동 경로와 동일한 메인 형상으로 형성되어야 한다. 이는, 미리 결정된 운동 경로가 원형 경로인 경우, 자기 구조체가 또한, 원형이거나 원형 세그먼트로서 형성되어야 함을 의미한다.

도 11은 위에 제시된 사상에 따른 회전 기계의 일 실시형태를 예시한다. 원형의 미리 결정된 운동 경로(4)가 예시된다. 메인 환상 형상체를 갖는 제1 자기 구조체(10)는 미리 결정된 운동 경로(4)의 방향으로 제공된 고투자율 재료의 다수의 제1 부분(13)을 갖는 섹션(12)을 제공한다. 회전 전기 기계(1)는, 이 실시형태에서, 6개의 단계(2A 내지 2F)를 갖고, 상이한 단계의 제1 자기 구조체(10) 사이의 상세한 변위에 따라, 기계는 1, 2, 3 또는 6단계 기계일 수 있다. 권선의 다수의 루프(32)는 메인 환상 형상체의 외부 및 내부에서 볼 수 있다. 제2 자기 구조체는 이 도면에서 도시되지 않는다.

위에서 간략하게 언급된 바와 같이, 곡률부의 내측 측부, 즉 회전 기계의 중심을 향하는 섹션(12, 22)은, 외측 측부에 있는 섹션보다, 미리 결정된 운동 경로를 따라 자기 구조체(10, 20)의 자기 거동의 반복부 사이의 평균 거리가 약간 더 작다. 그러나, 일반적으로 이웃 섹션은 여전히 위에서 논의된 20% 불일치 범위 내에 속한다.

도 12는 도 11의 실시형태의 절단 예시의 일 부분이다. 여기에서 "레이스트랙 형상의" 단면이 있다는 점이 도시될 수 있다. 긴 측부는 각각 제1 자기 구조체(10) 및 제2 자기 구조체(20)의 교대 섹션(12A, 22)을 포함한다. "레이스트랙"의 단부에서, 제1 자기 구조체(10)의 반원 섹션(12D)은 폐쇄 경로로 자기 경로를 폐쇄한다. 권선의 루프(32)는 "레이스트랙"의 외부 및 내부, 즉 지지 거리 블록에 의해 분리된, 폐쇄된 자기 부품의 내부 및 외부에 제공된다. 루프(32)는 기계의 단계에 속하는 제2 자기 구조체(20)의 부분을 둘러싸도록 연장된다.

도 11 내지 도 12의 특정 실시형태를 연구할 때, 먼저 이 실시형태에서 미리 결정된 운동 경로가 원형 경로 또는 적어도 이의 일부라는 점을 알 수 있다. 이 회전 기계에서, 에어 갭(40)을 가로지르는 자속은 폴로이드(poloidal) 방향으로 지향된다는 점을 더 알 수 있다. 폴로이드 방향을 따른 자속의 변화로 인해 기계가 작동되기 때문에, 이러한 유형의 기계는 바람직하게 폴로이드 자속 스위칭 기계로 표시될 수 있다.

따라서, 일 실시형태에서, 미리 결정된 운동 경로는 원호 경로이고, 이에 의해 전기 기계는 폴로이드 자속 기계이다.

도 13은, 구조 재료가 명확성을 위해 제거된 회전 기계의 다른 실시예를 나타낸다. 원형의 미리 결정된 운동 경로(4)가 예시된다. 메인 환상 형상체를 갖는 제1 자기 구조체(10)는 미리 결정된 운동 경로(4)의 방향으로 제공된 고투자율 재료의 다수의 제1 부분(13)을 갖는 섹션(12)을 제공한다. 1보다 큰 임의의 수의 단계가 미리 결정된 운동 경로(4)를 따라 분포되며, 이 특정 예시에서는 3개의 단계(2A 내지 2C)가 있다. 직렬 또는 병렬로, 또는 각 단계에 대해 이들의 조합으로 연결된 권선의 하나 이상의 루프(32)는 이 실시형태에서 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22) 둘레에 제공된다. 제1 자기 구조체의 2개의 톱니형 섹션(12E)은 단계를 자기적으로 연결하고 기계의 자기 회로를 폐쇄한다.

회전 기계에서, 움직이는 자기 구조체는 종종 회전자로 지칭된다. 따라서, 일 실시형태에서, 제2 자기 구조체는 회전자이다. 다른 실시형태에서, 제1 자기 구조체는 회전자이다.

레이스트랙 단면 형상을 가진 이 폴로이드 자속 스위칭 기계의 기하학적 구조는 위에 추가로 제시된 원형 형상을 가진 방위각 자속 스위칭 기계만큼 누설 자속을 회피하는 데 좋지 않다. 그러나, 앞서 논의된 바와 같이, 이 기하학적 구조는 대신, 제조하기가 덜 복잡하다.

당업자라면 누구나 알 수 있는 바와 같이, 선형 기계에 사용되는 임의의 기하학적 형상은 또한, 회전 기계에 전달될 수 있다. 그러나, 최적의 자기 거동이 요구되는 경우, 추가 곡률로 인해, 일반적으로 회전 기계의 제조 및 장착이 훨씬 더 복잡할 것이다.

단 하나의 단계를 갖는 회전 기계에서, 권선은 다소 특별한 방식으로 제공될 수 있다. 이것은 도 14에 예시된다. 이 실시형태에서, 권선(30)은 자기 경로의 내부에 전체 회전 기계를 둘러싸는 하나의 단일 루프로서 제공된다. 권선(30)의 루프는 여기서 전체 폐쇄된 미리 결정된 운동 경로(4)를 따른 섹션을 따라서 제공된다.

이 실시형태는 리턴 권선이 필요하지 않기 때문에 더 짧은 권선의 장점을 가지며, 이는 하나의 특정 실시형태에 대한 전도성 손실을 감소시킨다. 단점은 각각의 단계에 대해 하나의 실시형태가 필요하고, 일반적으로 필요한 일정한 토크를 생성하기 위해 적어도 2개 또는 바람직하게는 3개의 개별 링이 필요하다는 점이다. 따라서, 각각의 전도체 링은 더 적은 재료를 자화하고, 더 적은 힘을 생성하며, 이는 저항 손실의 감소가 덜 두드러지게 한다. 또한, 더 많은 베어링이 필요하고, 에어 갭 외부의 링 권선 내부에 누설 자속이 있을 것이기 때문에 역률이 더 낮을 것이다.

본 발명의 일반적인 과제는 에어 갭을 정확하게 유지하는 것이다. 도 14에 도시된 본 발명의 일 실시형태에서, 이것은 에어 갭(40)에, 또는 심지어 에어 갭(40) 내에 위치된 베어링(60)을 가짐으로써 달성되며, 이는 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22)에 대해 제1 자기 구조체(10)의 섹션(12)을 위치시킨다. 이에 의해, 에어 갭(40)은 제1 자기 구조체(10)의 섹션(12) 및 제2 자기 구조체(20)의 섹션(22)을 지지하는 큰 강성 구조체의 필요 없이 유지될 수 있으며, 각각의 섹션이 분리된 상태로 유지될 수 있다. 이 솔루션은, 적어도, 일반적으로 회전자의 회전축 가까이에 위치된 베어링이 있는 회전 기계에 대해서 표준이 아니다. 베어링은 볼 베어링, 롤러 베어링, 트랙 롤러, 유체 베어링, 미끄럼 베어링 등과 같은 모든 유형의 베어링일 수 있다.

도 15는 베어링(60)을 위한 대안적인 위치를 갖는 에어 갭(40)을 도시하며, 여기서 베어링은 일정 거리 내에 배치된다. 60A에서, 베어링은 에어 갭 외부에 배치되지만, 에어 갭 폭 거리(61) 내에 있다. 에어 갭 폭 거리(61)는 미리 결정된 운동 경로 및 폐쇄 경로 모두에 수직인 방향의 에어 갭의 폭이다. 60B에서, 베어링은 에어 갭에 위치되며, 이 에어 갭은 섹션(12, 22)의 기계적 강성 요건을 완화시키지만, 기계의 전자기적 작동을 방해한다. 60C에서, 베어링 중 하나가 제거되고, 나머지 베어링은 에어 갭의 중심 근처에 배치된다. 이것은 베어링의 수를 감소시키지만, 기계에 더 많은 강성 요건을 도입한다. 마지막으로, 60D에서, 에어 갭의 큰 부분 또는 전체 에어 갭이 베어링에 의해서 덮인다. 일반적으로, 이것은 미끄럼 베어링이다. 요약하면, 적어도 하나의 베어링(60)은 적어도 하나의 에어 갭(40)에 또는 부근에 위치되며, 에어 갭(40)과 베어링(60) 사이의 거리는 에어 갭(40)에서 상기 섹션 표면(14, 16, 24, 26)의 폭(61)보다 작거나, 바람직하게는 에어 갭(40)에서 섹션 표면의 폭(61)의 절반보다 작으며, 폭(61)은 상기 미리 결정된 운동 경로에 수직으로 취해져야 한다.

상기 미리 결정된 운동 경로가 회전하는 기계에 대해 정확한 곡률을 갖는 실시형태에서, 곡률의 중심에 더 가까운 곡률의 내부에 위치하는 상기 섹션(12, 22)에 대한 극 길이는, 동일한 주파수에서 작동하도록 곡률 중심으로부터 더 멀리 위치하는 섹션(12, 22)보다 더 짧은 극 길이를 가질 필요가 있다. 따라서, 이들 극은 상기 섹션 표면의 동일한 상기 폭(61)을 갖는다면, 곡률 중심으로부터 더 멀리 위치된 극보다 더 적은 자속을 전달할 수 있다. 이것은, 힘이 더 낮아지고 누설 자속이 높아지기 때문에, 기계의 성능에 문제가 되거나 약간의 단점이 될 수 있다. 이를 보상하기 위해, 곡률 중심에 더 가깝게 위치되는 섹션에 대해 섹션의 섹션 폭(61)은 더 크게 될 수 있다. 최적으로, 섹션 폭(61)은 곡률 중심과 섹션(12, 22)의 중심 사이의 거리에 반비례하도록 선택될 수 있어, 모든 섹션이 대략 동일한 양의 플럭스를 전달할 수 있다.

여기에 제시된 기술은 저속 응용분야에서 매우 우수한 성능을 갖기 때문에, 이전 설명에 따른 기계의 저속 응용분야에서의 사용은 유리하다. 가장 중요한 응용분야는 아마도 직접 구동 발전기 및 모터이지만, 5m/s 미만의 특성 속도에서 작동하는 시스템도 특히 적합한 것으로 확신된다. 특성 속도는 제1 자기 구조체 및 제2 자기 구조체, 예를 들어, 병진기와 고정자, 또는 회전자와 고정자 사이의 전형적인 상대 운동 속도로서 정의된다. 적합한 응용분야는 일반적으로 신재생 에너지 변환 시스템, 풍력 발전, 조력 발전, 파력 발전, 전기 선박 추진, 기어 모터, 즉 기어리스 모터의 교체, 트랙션 모터, 일반 직접 구동 시스템 및 포스 덴스 액추에이터이다.

상술된 실시형태는 본 개시내용의 몇 가지 예시적인 실시예로서 이해되어야 한다. 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정예, 조합예 및 변경예가 구현될 수 있다는 점이 당업자에 의해서 이해될 것이다. 특히, 다른 실시형태의 다른 부분 솔루션이, 기술적으로 가능한 경우, 다른 구성에 결합 될 수 있다. 그러나, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.

참고문헌:

[1] EP3325800A1

[2] Hagnestal, Anders, and Erling Guldbrandzιn. "A highly efficient and low-cost linear TFM generator for wave power." EWTEC 2017: the 12th European Wave and Tidal Energy Conference 27th aug-1st Sept 2017, Cork, Ireland. European Wave and Tidal Energy Conference, 2017.

[3] Hagnestal, A., 2016, "A low cost and highly efficient TFM generator for wave power," The 3rd Asian Wave and Tidal Energy Conference AWTEC, pp. 822-828.

[4] Hagnestal, A., 2018, "On the Optimal Pole Width for Direct Drive Linear Wave Power Generators Using Ferrite Magnets," Energies, 11(6).

Claims

자속의 스위칭에 의해 작동되는 전기 기계(1)에 있어서,
제1 자기 구조체(10);
제2 자기 구조체(20); 및
권선(30)을 포함하되,
상기 제1 및 제2 자기 구조체(10, 20)는 미리 결정된 운동 경로(4)를 따라 서로에 대해 이동 가능하게 배열되고,
상기 제1 및 제2 자기 구조체(10, 20)는, 상기 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행한 4개 초과의 에어 갭(40)을 거쳐 서로 끼워진 각각의 섹션(12, 22)을, 상기 미리 결정된 운동 경로(4)에 수직인 폐쇄 경로(3)를 따라, 구비하며,
각각의 섹션(12, 22)은, 상기 폐쇄 경로(3)의 방향을 따라 보았을 때, 상기 4개 초과의 에어 갭(40) 중 2개의 연속적인 에어 갭에 대향하는 섹션 표면(14, 16, 24, 26) 사이에 위치되는 각각의 자기 구조체의 부분으로서 정의되며,
상기 자기 구조체의 각각의 섹션(12, 22)에 대해, 자기력선은 상기 섹션 표면(14, 16, 24, 26) 사이의 자기 재료를 통과하며,
상기 제1 자기 구조체(10)는 각각의 에어 갭(40)에서 상기 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행한 방향으로, 가변 투자율을 제공하며,
상기 제2 자기 구조체(20)는 각각의 에어 갭(40)에서 상기 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행한 방향으로,
가변 투자율;
영구 자석 극; 및
초전도 재료를 포함하는 자석 극 중 적어도 하나를 제공하며,
상기 제1 자기 구조체(10)의 섹션(12)의 상기 가변 투자율의 연속적인 최대값들 사이의 평균 거리로서 결정된 제1 평균 거리(11)는, 상기 제2 자기 구조체(20)의 이웃 섹션(22)의 상기 가변 투자율의 연속적인 최대값들 사이의 평균 거리로서 또는 상기 제2 자기 구조체의 상기 이웃 섹션(22)의 동일한 극성의 연속적인 자극들 사이의 평균 거리로서 결정된 제2 평균 거리(21)와, 35% 내에서, 동일하며,
상기 4개 초과의 에어 갭(40) 각각에 대해, 적어도 하나의 작동 단계에서의 적어도 하나의 위치에서, 에어 갭(40)에 있는 상기 섹션 표면(14, 16, 24, 26)에 수직인 자속 밀도의 성분의 평균은 상기 섹션 표면(14, 16, 24, 26)에 수직인 상기 자속 밀도의 상기 성분의 절대값의 평균의 15%보다 더 크며, 상기 평균은 균일 자속 거리(41)에 걸쳐 구해지며, 상기 균일 자속 거리(41)는 상기 미리 결정된 운동 경로(4)의 상기 방향으로 상기 각각의 에어 갭(40)을 따라 상기 제1 평균 거리(11)에 3보다 더 큰 정수를 곱한 것이며,
상기 자기 구조체의 상기 섹션(12, 22) 중 적어도 3개에 대해, 상기 권선(30)은 상기 미리 결정된 운동 경로(4)의 상기 방향으로 적어도 상기 균일 자속 거리(41)에 대한 각각의 섹션(12, 22) 주위에, 또는 전체 폐쇄된 상기 미리 결정된 운동 경로(4)를 따른 각각의 섹션(12, 22)을 따라 제공되는 각각의 루프(32)를 갖는, 전기 기계.
제1항에 있어서,
2개의 연속적인 상기 각각의 루프(32)를 통과하는 자기력선은 상기 2개의 연속적인 루프(32)의 위치들 사이에서 150도 미만으로 방향을 변경하는, 전기 기계.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 자기 구조체(10)는 고정자인, 전기 기계.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 자기 구조체(20)는 고정자인, 전기 기계.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미리 결정된 운동 경로(4)는 선형 경로이고, 이에 의해 상기 전기 기계(1)는 방위각(azimuthal) 자속 기계인, 전기 기계.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미리 결정된 운동 경로(4)는 원호 경로이며, 이에 의해 상기 전기 기계(1)는 폴로이달(poloidal) 자속 기계인, 전기 기계.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 권선(30)은 상기 제1 자기 구조체(10)의 2개 초과의 섹션(12) 또는 상기 제2 자기 구조체(20)의 2개 초과의 섹션(22) 둘레에 상기 미리 결정된 운동 경로(4)에 비수직으로 감긴, 전기 기계.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 자기 구조체(10)의 각각의 섹션(12)은 비자기 재료(17) 또는 슬릿에 의해 분리된 고투자율 재료(13)의 제1 부분의 스택을 포함하며, 이에 의해 상기 제1 평균 거리(11)는 고투자율 재료(13)의 2개의 연속적인 제1 부분 사이의 평균 거리와 동일한, 전기 기계.
제8항에 있어서,
상기 권선(30)의 루프(32)는 고투자율 재료(13)의 복수의 연속적인 상기 제1 부분을 둘러싸며 상기 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행하게 감긴, 전기 기계.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 자기 구조체(20)의 각각의 섹션(22)은 비자기 재료 또는 슬릿에 의해 분리된 고투자율 재료(23)의 제2 부분의 스택을 포함하며, 이에 의해 상기 제2 평균 거리(21)는 고투자율 재료(23)의 2개의 연속적인 제2 부분 사이의 평균 거리와 동일한, 전기 기계.
제10항에 있어서,
상기 권선(30)의 루프(32)는 고투자율 재료(23)의 복수의 연속적인 상기 제2 부분을 둘러싸며 상기 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행하게 감긴, 전기 기계.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 자기 구조체(20)의 상기 섹션(22) 중 적어도 하나는, 상기 에어 갭(40)에 대향하는 상기 표면(24, 26)을 따라 교번하는 극을 제공하도록 배열된 영구 자석(27; 27A, 27B; 27C)을 포함하는, 전기 기계.
제12항에 있어서,
상기 제2 자기 구조체(20)의 각각의 섹션(22)의 적어도 하나는 비자기 재료 또는 슬릿에 의해 분리된 고투자율 재료(23)의 제2 부분의 스택을 포함하며, 이에 의해 상기 제2 평균 거리(21)는 고투자율 재료(23)의 2개의 연속적인 제2 부분 사이의 평균 거리와 동일한, 전기 기계.
제12항에 있어서,
상기 제2 자기 구조체(20)의 각각의 섹션(22)은, 상기 에어 갭(40)에 대향하는 상기 표면(24, 26)을 따라 교번하는 극을 제공하도록 배열된 영구 자석(27; 27A, 27B; 27C)을 포함하는, 전기 기계.
제12항 또는 제14항에 있어서,
영구 자석(27; 27A, 27B; 27C)을 포함하는 상기 제2 자기 구조체(20)의 각각의 섹션(22)은, 고투자율 재료(23)의 부분에 의해 분리된, 상기 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행한 교번하는 자화 방향을 갖는 영구 자석(27A, 27B)의 스택을, 상기 미리 결정된 운동 경로(4)의 상기 방향으로, 포함하며, 이에 의해 상기 제2 평균 거리(21)는 모든 제2 영구 자석(27A, 27B) 사이의 평균 거리와 동일한, 전기 기계.
제15항에 있어서,
상기 권선(30)의 루프(32)는 복수의 연속적인 상기 영구 자석(27A, 27B)을 둘러싸며 상기 미리 결정된 운동 경로(4)에 평행하게 감긴, 전기 기계.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 기계는 상기 에어 갭(40) 중 적어도 하나에 또는 하나의 부근에 위치된 적어도 하나의 베어링(60)을 더 포함하며, 상기 에어 갭(40) 중 상기 하나와 상기 적어도 하나의 베어링(60) 사이의 거리는 상기 에어 갭(40) 중 상기 하나에서 상기 섹션 표면(14, 16, 24, 26)의 폭(61)보다 작으며, 상기 폭(61)은 상기 미리 결정된 운동 경로(4)에 수직으로 취해지는, 전기 기계.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 전기 기계(1)를 포함하는 시스템에 있어서,
신재생 에너지 변환 시스템,
풍력 발전 플랜트,
조력 발전 플랜트,
파력 발전 플랜트,
전기 선박 추진 시스템,
기어리스 모터,
다이렉트 드라이브 시스템, 및
포스 덴스(force dense) 액추에이터 중 선택된 시스템.