KR20220070332A - 재료, 고정자 코어, 고정자 권선 코어 - Google Patents

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Abstract

재료는 다수의 도메인들(domains)의 적어도 하나의 층을 포함하며, 각각의 도메인은 제1 방향으로 편평하게 되고 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장된다. 편평하고 신장된 도메인들은 제2 방향으로 자속 흐름을 용이하게 하는 이방성 미세조직을 형성한다.

Description

재료, 고정자 코어, 고정자 권선 코어{Material, A Stator Core, and A Stator Winding Core}
여기서 설명되는 예시적이고 비제한적인 실시예들은 일반적으로 전기적으로 절연된 도메인들을 가진 지향성 미세조직(directional microstructure)을 가지는 재료와 이러한 재료를 포함하는 구조체에 관한 것이며, 더욱 구체적으로, 이러한 재료에 방향-의존성 및 위치-의존성 물리적 성질을 제공하는 방향- 및 위치-의존성 미세조직을 가지는 재료에 관한 것이다. 또한, 여기서 설명되는 예시적이고 비제한적인 실시예들은 특히 이러한 재료를 제조하는 방법과 이러한 재료를 사용하는 장치에 관한 것이다.
미국 특허 번호 9,205,488호는 분무-성형 공정에 의해 제조된 연질 자성 재료를 서술한다. 미국 특허 공개 번호 2013/0000860호는 층상 입자 증착에 근거한 분무-성형 공정을 서술한다.
본 발명은, 지향성 미세조직(directional microstructure)을 가지는 재료와 이러한 재료를 포함하는 구조체를 제공한다.
이하의 요약은 단지 예시적인 것이다. 요약은 청구항들의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
하나의 측면에 따르면, 재료는; 다수의 도메인들(domains)의 적어도 하나의 층을 포함하며, 각각의 도메인은 제1 방향으로 편평하게 되고 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장된다. 상기 편평하고 신장된 도메인들은 상기 제2 방향으로 자속 흐름(magnetic flux flow)을 용이하게 하는 이방성 미세조직을 형성한다.
다른 측면에 따르면, 방사상계(radial-field) 전기 모터의 고정자 코어(stator core): 축 둘레를 회전하도록 구성된 링 구조체(ring structure)를 가지는 요크(yoke); 및 상기 요크의 내부를 향한 표면으로부터 반경 방향으로 연장된 톱니 구조체들(teeth structures);을 포함한다. 상기 요크는 다수의 도메인들의 층들로 형성된 재료를 포함하고, 각각의 층의 도메인은 제1 방향으로 편평하게 되고 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장된다. 상기 편평하고 신장된 도메인들은 상기 요크 내에서 상기 제2 방향으로 자속 흐름(magnetic flux flow)을 용이하게 하는 이방성 미세조직(anisotropic microstructure)을 형성한다.
또 다른 측면에 따르면, 혼성계(hybrid-field) 전기 모터의 고정자 권선 코어(stator winding core)는: 링 구조체를 가지는 요크(yoke); 및 상기 요크의 내부를 향한 표면상의 다수의 톱니(teeth);를 포함한다. 상기 요크와 톱니는 각각 다수의 도메인들의 층들로 형성된 재료를 포함하고, 각각의 층의 도메인은 제1 방향으로 편평하게 되고 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장된다. 상기 편평하고 신장된 도메인들은 상기 요크와 톱니 중 하나 이상의 내에서 상기 제2 방향으로 자속 흐름(magnetic flux flow)을 용이하게 하는 이방성 미세조직(anisotropic microstructure)을 형성한다.
전술한 측면들 및 다른 특징들은 첨부된 도면들과 관련하여 이하의 설명에서 설명될 것이다.
도 1은 전기적으로 절연된 도메인들을 가진 지향성 미세조직을 가지는 재료의 예시적인 일 실시예를 개략적으로 표현한 도면이며;
도 2는 도 1의 재료의 사시도이며;
도 3a-3c는 도 1의 재료를 성형하는 공정의 예시적인 일 실시예를 개략적으로 표현한 도면들이며;
도 4a와 4b는 전기적 절연층들을 가진 지향성 미세조직을 가지는 재료의 예시적인 일 실시예를 개략적으로 표현한 도면들이며:
도 5는 도 4a와 4b의 재료를 개략적으로 표현한 사시도이며;
도 6a-6c는 방향- 및 위치-의존성 패턴을 가진 지향성 미세조직을 가지는 재료를 개략적으로 표현한 도면들이며;
도 7a와 7b는 도 6a-6c의 재료를 성형하는 공정의 예시적인 일 실시예를 개략적으로 표현한 도면들이며;
도 8a와 8b는 지향성 미세조직을 가진 재료를 포함하는 방사상계 전기 모터의 고정자 코어의 예시적인 일 실시예를 개략적으로 표현한 도면들이며;
도 9a와 9b는 방향- 및 위치-의존성 미세조직을 가진 방사상계 전기 모터의 고정자 코어의 예시적인 실시예들을 개략적으로 표현한 도면들이며;
도 10은 지향성 미세조직을 가진 혼성계 전기 모터의 고정자 권선 코어의 부분의 예시적인 일 실시예의 단면도이며;
도 11a는 두 개의 톱니를 보여주는 도 10의 고정자 권선 코어의 부분을 도시하며;
도 11b와 11c는 도 11a에 도시된 톱니의 단면도들이며;
도 12-14는 도 10의 고정자 권선 코어의 영역들 내의 지향성 미세조직을 개략적으로 표현한 도면들이며;
도 15는 고정자 권선 코어의 영역들 내의 미세조직 내의 전이를 개략적으로 표현한 도면이다.
미국 특허 번호 9,205,488호는 분무-성형(spray-forming) 공정에 의해 제조된 연질 자성 재료를 서술하며, 이는 그 전체가 여기에 참조로 통합된다. 상기 재료의 미세조직(microstructure)은 전기 절연성 경계에 의해 분리된 빽빽이 채워진 도메인들(domains)(그레인들(grains))에 의해 특징지어진다. 이러한 재료의 적용예는 전기 기계, 예를 들어, 전기 모터의 권선 코어(winding core)를 포함하며, 이는 높은 투자율(permeability), 높은 포화 자속밀도(saturation flux density), 및 와전류 손실(eddy current losses)을 제어하기 위한 높은 전기 저항률과 같은 적합한 자기 특성(magnetic property)을 가진 재료를 사용한다.
상기한 재료의 미세조직은 실질적으로 그 재료의 체적 내부에서 동일하며, 그 재료는 실질적으로 등방성(isotropic)의 물리적 성질을 포함할 수 있다(즉, 그 성질은 모든 방향에서 거의 동일하다). 이는 일반적인 사용을 위해 분무-성형된 부품들과 대량 분무-성형된 재료의 제조를 허용하는 반면에, 많은 적용예들은, 특별한 적용을 위해 조작된(최적화된) 방향- 및 위치-의존성(direction- and location-dependent) 성질을 가진 이방성(anisotropic) 재료로부터 이익을 얻을 수 있다.
도 1을 참조하면, 전기적으로 절연된 도메인들(domains)을 가진 지향성 미세조직(directional microstructure)을 가지는 재료의 예시적인 일 실시예가 개략적으로 묘사되어 있으며, 이는 일반적으로 10으로 표시되고, 이하에서 "재료(10)"로 지칭된다. 그 특징들이 도면들에 도시된 예시적인 실시예를 참조하여 설명될 것이지만, 그 특징들은 많은 대체 가능한 형태들의 실시예들로 구현될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 덧붙여, 요소 또는 재료의 임의의 적합한 크기, 형상, 또는 유형이 사용될 수 있을 것이다.
도시된 바와 같이, 재료(10)는 지향성 편향(directional bias)을 가진 이방성 미세조직을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 이방성 미세조직은 도메인들(12)(그레인들(grains))을 포함할 수 있으며, 이들은 바람직한 방향으로의 자기 플럭스 흐름(magnetic flux flow)(14)(이하, 자속 흐름이라 한다)을 용이하게 하는 형태로 만들어질 수 있다. 구체적으로, 상기 도메인들(12)(그레인들)은 자속 흐름의 바람직한 방향(x-방향(16))을 따라서 신장되고, 자속 흐름의 바람직한 방향에 수직인 방향(z-방향(18))으로 편평하게 될 수 있다.
위에서 설명된 이방성 미세조직의 결과로서, 상기 재료(10)는 지향성 자기 특성들을 드러낼 수 있다. 예를 들어, 자속 흐름의 바람직한 방향에 수직인 방향(z-방향(18))으로 전기 저항률(electrical resistivity)을 바람직하게 높게 유지하면서 (또는 전기 저항률을 증가시키면서), 투자율(permeability)이 자속 흐름의 바람직한 방향(x-방향(16))으로 바람직하게 증가할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 재료(10)의 사시도는 세 개의 직교하는 평면들 내의 미세조직을 보여준다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 미세조직의 도메인들(12)(그레인들)은 xy-평면(19)으로 도시된 바람직한 평면에서 자속 흐름을 용이하게 하는 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 도메인들(12)(그레인들)은 자속 흐름의 바람직한 평면(xy-평명(19))에서 확대되고, 자속 흐름의 바람직한 평면에 수직인 방향(z-방향(18))으로 편평하게 된다.
이제, 도 3a-3c를 참조하면, 도 1과 2의 재료(10)의 지향성 미세조직은, 예를 들어, 분무-성형 공정(spray-foming process)에 의해 제조될 수 있다. 상기 분무-성형 공정의 파라미터들, 예컨대 증착되는 입자들의 속도와 온도는 원하는 스플래팅(splatting)(즉, 개개의 입자(20)가 랜딩(landing)할 때 편평하게 변형되는 것)의 정도를 달성하도록 설정될 수 있다. 특히, 증착 방향(deposition direction)을 따른 입자(20)의 치수는 감소될 수 있고, 증착 방향에 수직인 평면에서의 입자(20)의 크기는 커질 수 있으며, 이에 따라 상기 재료(10)의 미세조직 내에 상기한 형상의 도메인들(12)(그레인들)을 생성한다. 도 3a에서, 입자(20)는 증착 시에 원하는 형상이 얻어지는 증착 방향(22)으로 증착되며, 여기서 입자(20)는 속도를 가지고 증착 방향(22)으로 이동한다. 도 3b에서, 입자(20)는 이전에 증착된 재료(10)와 접촉한다. 도 3c에서, 입자(20)는 증착 시 원하는 형상으로 변형된다.
상기 분무-성형 공정은 아크 와이어 공정(arc wire process), 플라즈마 공정, 고속 산소 연료 공정, 고속 공기 연료 공정, 저온 분사 공정, 또는 임의의 다른 적합한 증착 공정에 기초할 수 있다.
다양한 화학적 성질이 분무-성형 공정에 사용될 수 있다. 예로서, 철합금(예컨대, 전기 전도성 재료)이 도메인들의 코어(core)에 사용될 수 있으며, 산화알루미늄과 같은 산화물이 도메인들 사이에 전기 절연성 경계면을 제공하도록 형성될 수 있다. 철합금상에 산화알루미늄의 형성은, 비행 중에 산화알루미늄과 함께 철합금의 입자들을 분사함으로써 수행될 수 있다. 산화알루미늄은 와전류의 억제를 위해 바람직하게 낮은 전기 전도성을 나타낼 수 있으며, 권선-코어 적용예를 위해 찾아진 특성을 상승된 온도에서 안정되게 유지할 수 있다. 철합금 또는 다른 코어 재료과 함께 사용될 수 있는 다른 재료들은 알루미늄, 코발트, 니켈, 및 실리콘을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
이제, 도 4a와 4b를 참조하면, 상기 재료의 지향성 편향(또는 이방성)은, 지향성 미세조직에 전기 절연층들을 제공하기 위해 자속의 바람직한 방향(x-방향(16))으로 전기 절연성 경계면을 제거함으로써 더 향상될 수 있다. 결과적인 미세조직은 코어 재료의 층들(30)을 포함하며, 이들은 실질적으로 연속적인 전기 절연성 경계면들(32)에 의해 서로 분리될 수 있다.
도 4a에서, 코어 재료의 각각의 층(30)은 증착된 입자들(도메인들(12))의 단일의 층으로 형성되고, 그 뒤에 증착된 층의 증착된 입자들(도메인들(12))은 아래 층(30)의 증착된 입자들(도메인들(12))과 부분적으로 겹쳐지는 미세조직이 도시된다. 도 4b는 코어 재료의 각각의 층(30)이 증착된 입자들(20)의 다수의 층들로 형성된 미세조직을 묘사하며; 이 경우에, 코어 재료의 동일한 층(30) 내부에 증착된 입자들은 서로 전기적으로 절연되지 않는다. 몇몇의 실시예들에서, x-방향(16)에서 전기 절연성 경계면들을 제거하는 것과 전기 절연층들(32)을 형성하는 것은, 철합금 입자들의 증착과 산화알루미늄 코팅을 가진 철합금 입자들의 증착을 번갈아 수행하는 것을 포함할 수 있다(또는 단순히 철합금 입자들의 증착과 산화알루미늄의 증착을 번갈아 수행하는 것을 포함할 수 있다).
이제, 도 5를 참조하면, 층들(30)의 미세조직이 세 개의 직교하는 평면들에 도시된다. 도시된 바와 같이, 전기 절연성 경계면들(32)은 (실질적으로 x-y 평면(19)과 평행한) 자속의 바람직한 평면들에서 제거될 수 있다. 다시, 결과적인 미세조직은 코어 재료의 층들(30)을 포함할 수 있으며, 이 층들(30)은 실질적으로 연속적인 전기 절연성 (비전도성) 경계면들(32)에 의해 서로 분리된다.
도 4a, 4b, 및 5의 예시적인 재료의 미세조직은, 예를 들어, 층을 이룬 입자 증착에 기초한 분무-성형 공정(그 전체가 참조로서 여기에 통합된 미국 특허 공개 번호 2013/0000860호)에 의해 제조될 수 있다. 상기 공정의 파라미터들은 실질적으로 연속적인 전기 절연성 경계면들(32)에 의해 분리된 전도성 재료의 층들을 생성하도록 선택될 수 있다.
분무-성형 이방성 재료의 상기한 예들은 평면의 기하학적 구조를 넘어서 편리하게 확장될 수 있다. 일반적으로, 상기 재료의 미세조직은 바람직한 비평면 표면을 따라서 자속 흐름을 용이하게 하도록 설계될 수 있으며, 따라서 3차원 라미네이트의 등가물을 생성한다.
더욱이, 본 실시예에 따른 재료의 미세조직은 자속 흐름의 원하는 경로를 반영하는 패턴들을 특징으로 할 수 있다. 예시적인 비평면 기하학적 구조와 패턴들은 아래에서 설명된다.
이제, 도 6a-6c를 참조하면, 여기서 설명되는 예시적인 실시예들은 방향- 및 위치-의존성 패턴들(direction- and location-dependent patterns)을 포함할 수 있다. 도 6a는 자속을 화살표(42)로 도시된 방향으로 안내하기 위해 사용될 수 있는 도메인들(12)의 패턴(40)의 일 예를 도시한다. 다른 예로서, 도 6b는 만곡된 미세조직(60)을 보여주며, 이는 자속을 원주 방향(62)으로 안내하기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 예로서, 도 6c는 제1 부분(80)과 제2 부분(82)을 가지도록 분열되는 자속 흐름을 위해 사용될 수 있는 미세조직을 도시한다. 상술한 실시예들 중 어느 실시예에서, 상기 도메인들(12)의 층들은 자속을 비선형 방향(non-linear direction)으로 안내하기 위해 만곡될 수 있다.
도 6a-6c의 모든 예들에서, 자속 흐름의 바람직한 표면에 수직인 방향으로 전기 저항률을 유지하거나 또는 증가시키면서, 투자율은 자속 흐름의 바람직한 표면을 따라서 증가할 수 있다.
도 6a의 예시적인 패턴은, 예를 들어, 도 1, 4a, 및 4b에 도시된 바와 같이, 평평한 표면상에 그 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 재료를 (분무-성형) 증착함으로써 형성될 수 있다. 유사하게, 도 6b의 예시적인 패턴은, 예를 들어, 실린더형 표면상에 실질적으로 반경 방향으로 재료를 (분무-성형) 증착함으로써 형성될 수 있다.
도 6c의 예시적인 패턴은, 예를 들어, 도 7a와 7b에 도시된 공정에 의해 형성될 수 있다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 편평하게 된 입자들로부터 도메인들(12)을 포함하는 점진적으로 경사진 표면(102)이 먼저 형성될 수 있다. 그 다음에 증착 방향을 변화시키면서(조절하면서) 추가 재료가 증착될 수 있으며, 그럼으로써, 도 7b에 도시된 바와 같이, 이전에 생성된 표면에 실질적으로 수직인 방향(104)으로 추가 재료가 도메인들(12')로서 증착되고, 이는 재료의 미세조직의 도메인들(12)(그레인들)의 형상(평탄화 및 신장)의 지향(방향)에 있어서 바람직한 변화를 초래한다. 도 7a와 7b의 단계들은 재료의 미세조직의 도메인들(12)(그레인들)의 형상(평탄화 및 신장)의 지향(방향)에 있어서의 추가적인 변화를 달성하기 위해 반복될 수 있다.
도 6a-6c에 도시된 예시적인 지향성 미세조직들은, 아래의 예들에서 도시되는 바와 같이, 동일한 분무-성형 요소상에 공존할 수 있다.
도 8a와 8b는 방사상계(radial-field) 전기 모터의 고정자 코어(stator core)(140)의 예시적인 일 실시예를 개략적으로 표현하며, 상기 고정자 코어(140)는 링-타입 구조체로서 구성된 요크(yoke)(141)와 상기 링 구조체의 내부를 향한 표면(inner-facing surface)에 달려 있는 적어도 하나의 톱니(tooth)(143)를 포함한다. 상기 고정자 코어(140)는 지향성 미세조직을 가진 재료를 더 포함한다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 모터의 회전축은 z축으로서 도시된다.
도 8b는 모터를 축방향으로(즉, 모터의 회전축, z 축을 따라서) 볼 때, 상기 고정자 코어(140)의 단면 내의 재료의 미세조직을 도시한다. 도 8a는 모터를 반경방향으로 볼 때, 상기 고정자 코어(140)의 미세조직(즉, 상기 고정자 코어(140)의 요크(141)로서 언급되는 환형의 체적을 절단하는 실린더형 표면상에 보이는 미세조직)을 도시한다.
도 8a와 8b의 예시적인 고정자 코어(140)의 미세조직은 모터의 회전축에 수직인 평면에서의 자속 흐름을 용이하게 하며, 전기 모터에 사용되는 적층된(laminated) 고정자 코어의 고체 등가물로서 간주될 수 있다.
도 8a와 8b의 예시적인 고정자 코어(140)는, 예를 들어, 고정자 코어의 재료를 축방향으로 적층함으로써, 즉 모터의 회전축과 평행한 방향으로 재료를 증착(분무-성형)함으로써 제조될 수 있다.
도 9a와 9b는 방향-의존성 및 위치-의존성 미세조직을 포함하는 방사상계 전기 모터의 고정자 코어(180, 180')의 다른 예들을 묘사한다. 도 9a와 9b에 도시된 바와 같이, 상기 고정자 코어(180, 180')의 환형 체적(요크 (181, 181')) 내의 미세조직은 상기 요크(181, 181') 내의 원주 방향의 자속 흐름을 용이하게 하도록 구성될 수 있으며, 상기 고정자 코어의 톱니(182, 183') 내의 미세조직은 모터의 회전자가 회전할 때 자속 흐름의 방향의 변화를 수용하기 위해 등방성(isotropic)일 수 있다. 상기 고정자 코어들(180, 180')은, 도 9a와 9b에 도시된 바와 같이, 요크와 톱니 미세조직들 사이의 전이 경계(transition boundary)의 위치에 있어서 차이가 있다.
도 9a와 9b의 예시적인 고정자 코어들(180, 180')은, 예를 들어, 고정자 코어의 재료를 반경 방향으로 적층함으로써, 즉 고정자 코어의 둘레로 재료 증착(분무-성형)의 방향을 회전시킴으로써, 또는, 보다 편리하게는, 고정된 장소에서 재료를 반경 방향으로 증착하는 동안 고정자 코어를 회전시킴으로써, 제조될 수 있다. 증착(분무-성형) 공정에서, 여기서 설명된 바와 같이, 도메인들(12)(그레인들)의 원하는 형상을 달성하기 위해, 상기 공정의 파라미터들은 변할 수 있다(조절될 수 있다).
예를 들어, 도 9a에 도시된 바와 같은 방향-의존성 및 위치-의존성 미세조직을 제조하기 위해, 상기 고정자 코어(180)는 회전할 수 있고, 재료는 고정된 장소에서 반경 방향으로 증착될 수 있으며, 공정 파라미터들의 두 개의 설정들이 사용될 수 있다. 먼저, 상기 톱니(183)에 대응되는 고정자 코어(180)의 내측 부분이 형성될 때, 상기 공정 파라미터들은 실질적으로 등방성 미세조직을 형성하도록 설정될 수 있다. 그 다음에, 상기 요크(181)에 대응되는 고정자 코어(180)의 외측 부분이 형성될 때, 상기 공정 파라미터들은 원하는 이방성 미세조직을 형성하도록 설정될 수 있다. 이 경우에, 상기 공정 파라미터들은 증착된 재료의 반경 방향 적층에 따라 전환될 수 있다.
다른 예로서, 도 9a에 도시된 바와 같은 방향-의존성 및 위치-의존성 미세조직을 제조하기 위해, 고정자 코어(180')가 회전함에 따라 상기 공정 파라미터들은 상기한 두 개의 설정들로 여러 번 교대될 수 있으며, 원하는 미세조직은 등방성 구조와 이방성 구조를 교대로 가진다. 이 경우에, 상기 공정 파라미터들은 상기 고정자 코어의 각 위치(angular position)에 따라 주기적으로 전환될 수 있다.
이제, 도 10을 참조하면, 지향성 미세조직을 가진 재료를 포함하는 혼성계 전기 모터의 예시적인 고정자 권선 코어(stator winding core)(220)가 도시된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 고정자 권선 코어(220)는 요크(222)와 다수의 톱니(224)를 포함할 수 있다. 상기 요크(222)는 내부를 향한 표면(inner-facing surface)에 배치된 톱니들(224)을 가진 링-구조체를 포함할 수 있으며, 회전자(또는 다른 요소)는 상기 링-구조체 내에 수용될 수 있다.
도 11a는 두 개의 톱니들(224)을 보여주는 예시적인 고정자 권선 코어(220)의 부분을 도시한다. 도 11b와 11c는 고정자 권선 코어(220)의 톱니들(224)의 두 개의 직교하는 중간-평면들(mid-planes)을 따른 단면도들을 도시한다.
도 11b에 도시된 바와 같이, 상기 톱니의 주된 단면에서의 자속의 흐름은 1로 표시되고, 양방향, 즉 반경 방향 안쪽, 또는 반경 방향 바깥쪽일 수 있다. 유사하게, 도 11c에 4로 표시된 요크의 주된 단면에서 자속 흐름도 역시 양방향, 즉 모터 축에 대해 동심으로 시계방향 또는 반시계방향일 수 있다. 2와 3으로 표시된 영역들에서(도 11b), 자속 흐름은 양방향일 수 있으나, 고정자의 주된 축(예컨대. 고정자 권선 코어(220) 또는 요크(222)의 회전 축)에 대해 각을 이룬다. 1, 2, 3, 및 4로 표시된 영역들은 모두 고정자 톱니의 두 개의 중간-평면들 상에 있을 수 있다. 5와 6으로 표시된 영역들(도 11c)은 중간-평면들로부터 떨어져 있을 수 있으며, 이 영역들 내의 자속 흐름은 전방향(omnidirectional)일 수 있으나, 고정자의 주된 평면들에 대해 각을 이룬 평면에 국한된다.
최적의 성능을 위해, 도 11b와 11c를 참조하면, 1, 2, 3, 및 4로 표시된 영역들은 자속 흐름의 방향(표면)을 따라서 높은 투자율을 가지며 자속 흐름의 방향(표면)에 수직인 방향으로 높은 전기 저항률을 가진 재료(10)를 사용할 수 있다. 5와 6으로 표시된 영역들은, 여기서 자속 흐름은 평면에 국한되며, 자속 흐름의 평면 내에 높은 투자율을 가지고 상기 평면에 수직인 방향으로 높은 저항률을 가진 재료를 사용할 수 있다.
도 11a-11c에 관해 위에서 설명된 방향- 및 위치-의존성 성질들은 본 발명에 따라 제공된 방향- 및 위치-의존성 미세조직에 의해 가능할 수 있다. 도 12-15의 예들에 도시된 바와 같이, 방향은 하나의 영역으로부터 다음 영역으로 가면서 변할 수 있다. 도 12-14는 고정자 권선 코어의 영역들(1, 2, 및 3) 내의 원하는 지향성 미세조직의 예들을 보여준다(도 12는 영역 1 내의 지향성 미세조직을 도시하며, 도 13은 영역 2의 지향성 미세조직을 도시하고, 도 14는 영역 3의 지향성 미세조직을 도시한다). 도 15는 자속 흐름을 변화시키기 위해, 미세조직이 어떻게 이 영역들을 통해 전이(transition)될 수 있는지를 도시한다.
도 12 내지 15에 관하여 설명되는 혼성계 모터의 예시적인 방향- 및 위치-의존성 미세조직은, 앞에서 설명된 증착(분무-성형) 기술에 의해 형성될 수 있다.
비록 도 6a-15는 도 1과 2의 예시적인 미세조직과 일치하는 재료의 미세조직을 묘사하고 있지만, 도 4와 5의 예시적인 미세조직도 사용될 수 있다.
일 측면에 따르면, 재료는: 다수의 도메인들(domains)의 적어도 하나의 층을 포함하며, 각각의 도메인은 제1 방향으로 편평하게 되고 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장된다. 상기 편평하고 신장된 도메인들은 상기 제2 방향으로 자속(magnetic flux) 흐름을 용이하게 하는 이방성 미세조직을 형성한다.
각각의 도메인은 전기 전도성 재료의 코어(core)를 포함하며, 상기 코어에 절연성 경계면을 형성하기 위해 상기 코어는 전기 절연성 재료의 코팅에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 전기 전도성 재료의 상기 코어는 철합금을 포함할 수 있으며, 전기 절연성 재료의 상기 코팅은 산화알루미늄을 포함할 수 있다. 상기 편평하고 신장된 도메인들은 상기 제1 방향으로의 투자율과 비교하여 상기 제2 방향으로 증가된 투자율을 나타낼 수 있다. 상기 편평하고 신장된 도메인들은 상기 제2 방향으로의 전기 저항률과 비교하여 상기 제1 방향으로 증가된 전기 저항률을 나타낼 수 있다. 상기 재료는 적어도 두 개의 층들을 더 포함할 수 있으며, 각각의 층은 다수의 도메인들을 포함하며, 상기 층들 중 적어도 하나의 각각의 도메인은 전기 전도성 재료를 포함하고, 다른 층들 중 적어도 하나의 각각의 도메인은 전기 절연성 재료를 포함하며, 상기 다른 층들 중 적어도 하나는 전기 전도성 재료의 층들 중 적어도 하나를 절연시킨다. 다수의 도메인들의 적어도 하나의 층은 비선형 방향(non-linear direction)으로 자속을 안내하도록 만곡될 수 있다. 상기 재료는 다수의 도메인들의 적어도 두 개의 층들을 더 포함할 수 있으며, 제2 층의 도메인들은 제1 층의 도메인들과 겹쳐지도록 제1 층의 도메인들상에 증착된다.
다른 측면에 따르면, 방사상계(radial-field) 전기 모터의 고정자 코어(stator core)는: 축 둘레를 회전하도록 구성된 링 구조체(ring structure)를 가지는 요크(yoke); 및 상기 요크의 내부를 향한 표면으로부터 반경 방향으로 연장된 톱니 구조체들(teeth structures);을 포함한다. 상기 요크는 다수의 도메인들의 층들로 형성된 재료를 포함하고, 각각의 층의 도메인은 제1 방향으로 편평하게 되고 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장된다. 상기 편평하고 신장된 도메인들은 상기 요크 내에서 상기 제2 방향으로 자속 흐름(magnetic flux flow)을 용이하게 하는 이방성 미세조직(anisotropic microstructure)을 형성한다.
상기 도메인들은 방향-의존성 및 위치-의존성 미세조직으로서 상기 이방성 미세조직을 형성하도록 증착될 수 있다. 상기 톱니 구조체들은 등방성(isotropic) 미세조직을 포함할 수 있다. 상기 요크 내의 이방성 미세조직은 상기 요크 내의 원주 방향의 자속 흐름을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 혼성계(hybrid-field) 전기 모터의 고정자 권선 코어(stator winding core)는: 링 구조체를 가지는 요크(yoke); 및 상기 요크의 내부를 향한 표면상의 다수의 톱니(teeth);를 포함한다. 상기 요크와 톱니는 각각 다수의 도메인들의 층들로 형성된 재료를 포함하고, 각각의 층의 도메인은 제1 방향으로 편평하게 되고 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장된다. 상기 편평하고 신장된 도메인들은 상기 요크와 톱니 중 하나 이상의 내에서 상기 제2 방향으로 자속 흐름(magnetic flux flow)을 용이하게 하는 이방성 미세조직(anisotropic microstructure)을 형성한다.
상기 톱니 내에서의 자속 흐름은 양방향, 즉 반경 방향 안쪽, 또는 반경 방향 바깥쪽일 수 있다. 상기 톱니 내에서의 자속 흐름은 상기 요크의 주된 축에 대해 각을 이룰 수 있다. 상기 요크와 톱니 중 하나 이상의 내에서의 자속 흐름은 전방향(omnidirectional)일 수 있다. 상기 자속 흐름의 방향은 상기 톱니 각각의 상이한 영역들 사이에서 변할 수 있다. 각각의 도메인은 전기 전도성 재료의 코어(core)를 포함할 수 있으며, 상기 코어에 절연성 경계면을 형성하기 위해 상기 코어는 전기 절연성 재료의 코팅에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 전기 전도성 재료의 상기 코어는 철합금을 포함할 수 있으며, 전기 절연성 재료의 상기 코팅은 산화알루미늄을 포함할 수 있다. 상기 편평하고 신장된 도메인들은 상기 제1 방향으로의 투자율과 비교하여 상기 제2 방향으로 증가된 투자율을 나타낼 수 있으며, 상기 편평하고 신장된 도메인들은 상기 제2 방향으로의 전기 저항률과 비교하여 상기 제1 방향으로 증가된 전기 저항률을 나타낼 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 방법은: 표면상에 증착을 위해 다수의 제1 입자들을 제1 방향으로 분무하는 단계; 분무된 다수의 제1 입자들이 표면상에 증착되고 제1 방향으로 편평하게 되며 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장되도록 함으로써 상기 편평하고 신장된 입자들이 제1 층의 도메인들을 형성하는 단계; 그 뒤에, 상기 제1 층의 적어도 부분 상에 증착을 위해 다수의 제2 입자들을 상기 제1 방향으로 분무하는 단계; 분무된 다수의 제2 입자들이 상기 제1 층의 적어도 부분상에 증착되고 상기 제1 방향으로 편평하게 되며 상기 제2 방향으로 신장되도록 함으로써 상기 편평하고 신장된 입자들이 상기 제1 층 상에 제2 층의 도메인들을 형성하는 단계;를 포함한다. 상기 제1 층의 형성된 도메인들과 상기 제2 층의 형성된 도메인들은 상기 제2 방향으로 자속 흐름(magnetic flux flow)을 용이하게 하는 이방성 미세조직을 형성한다.
상기 다수의 제1 입자들의 각각의 입자는 전기 전도성 재료의 코어(core)를 포함하며, 상기 코어에 절연성 경계면을 형성하기 위해 상기 코어는 전기 절연성 재료의 코팅에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 전기 전도성 재료의 코어를 포함하는 상기 다수의 제1 입자들은 철합금을 포함할 수 있으며, 전기 절연성 재료의 상기 코팅은 산화알루미늄을 포함할 수 있다. 분무된 상기 다수의 제2 입자들 중 적어도 부분은 상기 제1 층상에 증착되지 않을 수 있으며, 그럼으로써 상기 제2 방향으로의 자속 흐름에서 분열을 초래한다.
전술한 설명은 오직 보여주기 위한 것이라는 것을 이해하여야 한다. 다양한 대체안들과 변형예들이 본 기술분야의 기술자에 의해 창안될 수 있다. 예를 들어, 다양한 종속항들에 기재된 특징들은 임의의 적합한 조합(들)으로 서로 조합될 수 있다. 덧붙여, 위에서 설명된 각각 다른 실시예들의 특징들은 선택적으로 새로운 실시예로 조합될 수 있다. 따라서, 본 설명은 첨부된 청구항들의 범위 내에 있는 모든 대체안들, 변형예들, 및 수정예들을 포용하도록 의도되었다.
10: 재료
12: 도메인
14: 자기 자속 흐름
20: 입자
22: 증착 방향
30: 층
40: 패턴

Claims (20)

  1. 재료로서,
    적어도 하나의 제1 층 및 적어도 하나의 제2 층으로서, 적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층의 각각은 복수의 도메인을 포함하되, 각각의 도메인은 제1 방향으로 편평하고 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장되어 있는, 적어도 하나의 제1 층 및 적어도 하나의 제2 층; 및
    적어도 하나의 상기 제1 층과 적어도 하나의 상기 제2 층 사이의 적어도 하나의 제3 층으로서, 적어도 하나의 상기 제3 층은 복수의 도메인을 포함하는, 적어도 하나의 제3 층;을 포함하되,
    적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층의 편평하고 신장되어 있는 도메인은 각각 제2 방향으로의 자속 흐름(magnetic flux flow)을 용이하게 하는 이방성(anisotropic) 미세조직을 형성하고;
    적어도 하나의 상기 제3 층의 도메인은 적어도 하나의 제2 층으로부터 적어도 하나의 제1 층을 분리하는 전기 절연 경계부를 형성하는 것을 특징으로 하는, 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층의 도메인은 각각 전기 전도성 재료의 코어를 포함하고, 적어도 하나의 상기 제3 층의 도메인은 적어도 하나의 제3 층의 전기 전도성 재료의 코어 상에 절연 경계부를 형성하기 위해 전기 절연 재료의 코팅에 의해 둘러싸인 전기 전도성 재료의 코어를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는, 재료.
  3. 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층의 코어는 철 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는, 재료.
  4. 제3항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제3 층의 코어는 철 합금을 포함하고, 전기 절연 재료의 코팅은 산화 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는, 재료.
  5. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층의 편평하고 신장된 도메인은 제1 방향에 비해 제2 방향으로 증가된 투자율을 나타내는 것을 특징으로 하는, 재료.
  6. 제5항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층의 편평하고 신장된 도메인은 제2 방향으로의 전기 저항률에 비해 제1 방향으로 증가된 전기 저항률을 나타내는 것을 특징으로 하는, 재료.
  7. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 층의 도메인은 적어도 하나의 상기 제3 층의 도메인과 중첩되도록 적어도 하나의 상기 제3 층의 도메인 상에 증착되는 것을 특징으로 하는, 재료.
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층은 비-선형 방향으로 자속을 안내하도록 만곡된 것을 특징으로 하는, 재료.
  9. 방사상계(radial-field) 전기 모터의 고정자 코어(stator core)로서, 상기 고정자 코어는,
    링 구조체를 갖는 요크; 및
    상기 요크의 내부를 향한 표면으로부터 반경방향 내측으로 연장되는 톱니 구조체(teeth structure);를 포함하며,
    상기 요크는 적어도 하나의 제1 층 및 적어도 하나의 제2 층으로 형성된 재료를 포함하고, 적어도 하나의 제1 층 및 적어도 하나의 제2 층 복수의 도메인을 각각 포함하고, 각각의 도메인은 제1 방향으로 편평하게 되고, 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장되고, 적어도 하나의 제1 층과 적어도 하나의 제2 층 사이에 복수의 도메인을 포함하는 적어도 하나의 제3 층을 포함하며;
    적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층의 편평하고 신장된 도메인은 요크 내에서 제2 방향으로의 자속 흐름을 용이하게 하는 이방성 미세조직(anisotropic microstructure)을 형성하며;
    적어도 하나의 상기 제3 층의 도메인은 적어도 하나의 제2 층으로부터 적어도 하나의 제1 층을 분리하는 전기 절연 경계부를 형성하는 것을 특징으로 하는, 고정자 코어.
  10. 제 9 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 층 또는 적어도 하나의 상기 제2 층 중 하나의 상부 층의 도메인은, 상기 적어도 하나의 제1 층 또는 적어도 하나의 제2 층 중 하나의 하부 층의 도메인의 상부 표면에 대응하도록 그 하부면에서 변형되는 것을 특징으로 하는, 고정자 코어.
  11. 제9항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층의 도메인은 방향-의존성 및 위치 의존성 미세조직으로서 이방성 미세조직을 형성하도록 증착되는 것을 특징으로 하는, 고정자 코어.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 톱니 구조체는 등방성(isotropic) 미세조직을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고정자 코어.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 요크 내의 이방성 미세조직은 상기 요크 내의 원주방향 자속 흐름을 용이하게 하도록 된 것을 특징으로 하는, 고정자 코어.
  14. 제9항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층의 도메인은 전기 전도성 재료의 코어를 각각 포함하고, 적어도 하나의 상기 제3 층의 도메인은 적어도 하나의 제3 층의 전기 전도성 재료의 코어 상에 절연 경계부를 형성하기 위해 전기 절연 재료의 코팅에 의해 둘러싸인 전기 전도성 재료의 코어를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는, 고정자 코어.
  15. 제14항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층의 코어는 철 합금을 포함하고, 적어도 하나의 상기 제3 층의 코어는 철 합금을 포함하고, 전기 절연성 재료의 코팅은 산화 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고정자 코어.
  16. 혼성계(hybrid-field) 전기 모터의 고정자 권선 코어로서, 상기 고정자 권선 코어는,
    링 구조체를 갖는 요크;
    상기 요크의 내부를 향한 표면 상의 복수의 톱니(teeth);를 포함하며,
    상기 요크 및 톱니는 적어도 하나의 제1 층 및 적어도 하나의 제2 층에 의해 형성된 재료를 각각 포함하고, 적어도 하나의 제1 층 및 적어도 하나의 제2 층은 복수의 도메인을 각각 포함하고, 각각의 도메인은 제1 방향으로 편평하게 되고 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장되며, 적어도 하나의 제1 층과 적어도 하나의 제2 층 사이의 제3 층은 복수의 도메인을 포함하며,
    편평하고 신장된 도메인은 요크 내에서 제2 방향으로의 자속 흐름을 용이하게 하는 이방성 미세조직을 형성하고,
    적어도 하나의 상기 제3 층은 적어도 하나의 상기 제2 층으로부터 적어도 하나의 상기 제1 층을 분리하는 전기 절연 경계부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고정자 권선 코어.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 톱니에서의 자속 흐름은 양방향, 반경방향 내측 또는 반경방향 외측으로 되는 것을 특징으로 하는, 고정자 권선 코어.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 요크 및 상기 톱니 중 하나 이상에서의 자속 흐름은 전방향(omnidirectional)으로 되는 것을 특징으로 하는, 고정자 권선 코어.
  19. 제16항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층의 도메인은 전기 전도성 재료의 코어를 각각 포함하고, 적어도 하나의 제3 층의 도메인은 적어도 하나의 제3 층의 전기 전도성 재료의 코어 상에 절연 경계부를 형성하기 위해 전기 절연 재료의 코팅으로 둘러싸인 전기 전도성 재료의 코어를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는, 고정자 권선 코어.
  20. 제19항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제1 층 및 적어도 하나의 상기 제2 층의 코어는 철 합금을 포함하고, 적어도 하나의 상기 제3 층의 코어는 철 합금을 포함하고, 전기 절연 재료의 코팅은 산화 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고정자 권선 코어.
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