KR20230173671A

KR20230173671A - 분리된 유동 지향적인 자성을 가진 조립품 및 이를 통해 형성된 시스템

Info

Publication number: KR20230173671A
Application number: KR1020237036204A
Authority: KR
Inventors: 레이너 메인케
Original assignee: 레이너 메인케
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2022-03-23
Publication date: 2023-12-27
Also published as: EP4315564A1; CN117716607A; JP2024512061A; AU2022246087A1; WO2022204329A1

Abstract

본 발명은 자기 배열들 및 관련 시스템들에 관한 것이다. 기계용 예시적인 배열은 복수의 개별적인 자기 세그먼트들을 포함한다. 상기 배열에서의 배치 이전과 같이, 상기 세그먼트들이 강자성 물질의 영향으로부터 멀리 이격(離隔)되어 있을 때, 각각의 세그먼트는 동일한 최대 장(場) 강도를 갖는 폴을 포함한다.

Description

이산 플럭스 지향 자석 조립체들 및 그것과 함께 형성된 시스템들

[001] 본 출원은, 2021년 3월 23일에 이산 플럭스 지향 자석 조립체들(Discrete Flux-Directed Magnet Assemblies)의 명칭으로 출원된, 미국 특허출원 63/165,107호에 우선권을 청구한다.

[002] 본 발명은 동기식 전기 기계들에 관한 것으로, 특히 본원발명의 실시예들은 모터들 및 발전기들에서의 전력 및 토크 밀도(torque density)를 개선시키기 위한 시스템들 및 방법들을 포함한다.

[003] 전기 기계들에서의 전력 대 질량비(power to mass ratio) 및 토크 대 질량비(torque to mass ratio), 즉, 전력 및 토크 밀도들을 증가시키는 것은 상기 기계들의 질량 및 크기가 항공기, 터보 샤프트 발전기 및 풍력 발전기와 같은 기계에는 중요한 다양한 새로운 응용분야들에서 전력을 발전시키는데 중요한 사항이다. 현존의 기계 기술들에서, 5 kW/kg의 치수의 전력 밀도는 실현 가능하지만, 다수의 새로운 응용분야들에 대한 제한 요소를 구성한다. 더욱 높은 전력 및 토크 밀도들에서의 추가적인 구성 개선점들은 또한 전기 자동차들과 같은 현존의 응용분야들을 유익하게 할 것이다. 잠재적인 장점들은 탄소 배출량(carbon footprint), 열 생성, 및 규제 배출(regulated emissions)에서의 감소들뿐만 아니라, 에너지 변환 및 전송에서의 더욱 높은 효율을 포함한다.

[004] 이론상으로, 가장 높은 전력 및 토크 밀도들은 25 kW/kg의 치수의 전력 밀도가 가능해 보이는 완전한 초전도, 동기식 기계들에서 성취될 수 있다. 그러나, 초전도 고정자 권선(superconducting stator windings)에서의 AC 손실들은 단지 낮은 RPM들에서만 수용될 수 있다. 부분적으로 DC 회전자들을 갖는 초전도 기계들은, 원칙적으로, 수 테슬라(Tesla)의 공극(空隙)자속밀도(airgap flux density)를 발생시킬 수 있음으로써, 더욱 높은 전력 밀도 및 토크 밀도에 도달하는 잠재성을 제공할 수 있다. 그러나, 필요한 죔쇠(back iron)의 포화는 공극(空隙)에서의 자속밀도를 2 테슬라 미만의 값으로 제한시키며, 죔쇠(back iron)의 중량은 성취 가능한 전력 밀도 및 토크 밀도를 추가로 제한시킨다. 회전식 초전도 시스템용 퀀치 탐지(quench detection) 및 보호의 복잡성 및 극저온학(cryogenics)은, 더욱 높은 전력 레벨들 및 토크 밀도들이 도달될 수 있지 않는 한, 초전도 기계 기술의 광범한 사용을 복잡하게 만든다.

[005] 1973년에 영국계 미국인 물리학자인 죤 씨, 말린슨(John C. Mallinson) 씨는 자화 방향이 일정한 크기를 갖는 공간적으로 회전하는 자속인 평면 구조들에 대한 새로운 종류의 자화(磁化) 패턴들에 대한 자기(磁氣) 이론을 발표했다. 영구 자석부분들의 순서 배열은 그 배열의 일측에 자장(磁場)을 증가시키는 반면, 그 배열의 타측에서는 그 자장(磁場)을 거의 0에 가깝게 감소시킨다. 1973년 12월에 발행된, 자기학에 관한 Mallinson(말린슨), J. C. 씨의 IEEE 보고서(IEEE Transactions)의 Vol. MAG-9, No. 4, pp678-682를 참고하시기 바란다. 자기 방향의 공간적으로 회전하는 패턴은 자속을 자기 부분들의 배열에서 부분으로부터 부분으로 채널(chan -nel)한다. 이러한 조립체들의 응용은 1980년에 클라우스 할바흐(Klaus Halbach) 씨에 의해 발명된 엑셀레이터들에서의 하전된 입자빔 광학 및 대응하는 빔 라인들에 대한 할바흐(Halbach) 배열에서 예시된다. 할바흐, 클라우스(Halbach, Klaus) 원자력 계측기들 및 방법들(Nuclear Instruments and Meths), 169　(1): 1-10 "배향 희토류 코발트 물질(Oriented Rare Earth Cobalt Material)을 갖는 영구다극자석(Permanent Multipole Magnets)의 구성"(1980)을 참고하시기 바란다.

[006] 입자 엑셀레이터 응용을 위해서는 하전된 입자빔들에 색 보정을 집중 및 적용할 필요가 있다. 이것은 고정수의 정밀하게 배열된 극쌍들을 포함하는 전자기 코일들에 의해 수행된다. 하전 입자빔을 구부리기 위한 2극 배열은 1개의 북극 및 1개의 남극을 갖는, 즉, n=1, 단일 극쌍을 구성한다. 하전 입자빔을 집속시키기 위해, 상기 코일 구성은 2개의 쌍의 북극들 및 2개의 쌍의 남극들을 포함하는 n=2 4극자(極子)(quadrupole) 배열을 갖는다. 다른 운동량을 갖는 입자들을 정밀한 집속점으로 집속시키는 색 보정들은 n=3 또는 그 이상의 극쌍들의 더욱 높은 차수의 배열들을 필요로 한다. 일반적으로, 무한한 길이의 개구의 단면에서의 임의의 원하는 자장(磁場)은 이른바 다극 성분들의 중첩, 즉, 선택적인 다극들, 예컨대, 2극들, 4극들, 6극들, 의 결합, 으로서 설명 또는 합성될 수 있다. 하전된 입자 빔 광학용으로 사용된 자장(磁場)들은 종래의 광학 렌즈들에 대한 엄격한 필요조건들에 대해극히 정확, 유사해야 한다. 수학적으로, 정확도 요구조건(accuracy requirement)은, 임의의 더욱 낮은 또는 더욱 높은 적용없이도, 각각의 자석이 단일 다극 치수, 예컨대, 순전한 4극 (n=2), 를 포함할 때 수행된다.

[007] 할바흐(Halbach) 배열들은 하전된 입자 빔 광학에 필요한 요구된 높은 장(場) 균일성을 제공한다. 이러한 자석 조립체들에서, 임의의 점에서의 자속 방향은 극 좌표들에서의 다음의 방정식들에 의해 주어진다:

및

여기서, B_rem 은 잔류 자속밀도의 크기이며 p 는 극쌍들의 수를 명시하는 정수이다. 첨자 "r" 는 장(場)의 방사상 성분을 의미하며 첨자 "ρ" 는 장(場)의 접선 성분을 의미한다. p 의 양의 값은 상기 배열의 방사상으로 바깥 방향으로 향해진 장(場)을 발생시키며, p 의 음의 값은 상기 배열의 방사상으로 내측 방향으로 향해진, 실린더의 중심축 쪽으로의, 장(場)을 발생시킨다.

[008] 전기 기계들은 또한 하전된 입자 빔 광학에 필요한 동일한 다극 구성들을 필요로 하나, 장 균일성 요구조건들은 하전된 입자 빔 광학에 대한 것보다는 덜 엄격하다. 동기식 기계들의 회전자들에 대해, 영구자석 할바흐 배열들은 필요한 다극 구성의 발생의 간단하면서도 에너지-효율 실현을 가능하게 하며 상기 배열들의 일측에서의 자속밀도의 증가는 증가된 전력 밀도 및 토크 밀도를 산출한다. 그러나, 할바흐 배열들, 특히 높은 극수들(pole numbers)을 갖는 배열들, 의 높은 제조비용은 광범한 사용을 방해해 왔다.

[009] 효율뿐만 아니라 전력 밀도 및 토크 밀도에 관한 동기식 기계들의 기능에서의 상당한 개선을 성취하기 위해서는, 검증된 개념들을 개선된 제조 기술들 및 최적화 방법론으로 집적하는 새로운 설계 위상 기하학(design topologies)이 필요하다. 새로운 위상 기하학은 또한 할바흐 배열들로 증명된, 예컨대, 초전도 코일 구성들에 확장된, 자속 채널링의 장점들을 수행하는데 필요하다. 상기 발명된 개념은 할바흐 배열 제조의 복잡성을 피하는 자속 채널링에 대한 참신한 접근방법으로 동기식 기계들의 성능을 크게 증가시키기 위한 해결책을 제공한다.

상기 문제점을 해소하기 위해 발명된 본 발명은 할바흐 배열 제조의 복잡성을 피하는 자속 채널링에 대한 참신한 접근방법으로 동기식 기계들의 성능을 크게 증가시키기 위한 해결책을 제공하는 이산 플럭스 지향 자석 조립체들 및 그것과 함께 형성된 시스템들을 제공함에 그 목적이 있다.

[010] 증가된 효율뿐만 아니라 전례 없는 전력 및도 및 토크 밀도를 가능하게 하는 전기 기계들을 위한 개선된 다중 구성들이 제공된다. 상기 개념들은 초전도 코일들뿐만 아니라 영구 자석들에 근거한 기계들에 적용 가능하다. 장(場)-생성 시스템과 같은 영구 자석들의 사용은 극저온학의 복잡성 및 전기 에너지를 회전 시스템에 공급하기 위한 필요성을 회피하게 한다. 한편, 초전도 회전자들은 더욱 높은 자속 밀도들에 대한 잠재성을 제공한다. 본 발명은 또한 자기(磁氣) 기어 박스들의 실현 및 자기(磁氣) 기어 박스들을 전기 기계들로 집적하는 것을 가능하게 한다. 다음의 실시예들은 예시적이지만, 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다.

[011] 할바흐 배열들은 교류 북-남 극 구조들을 구성하는 종래의 자석 조립체들에서의 동기식 기계의 장(場)-생성 회전자에 대한 상당한 장점들을 제공한다. 원주형 배열에서의 자속 채널링에 기인하여, 자속이 필요한 경우, 상기 배열의 일측에서의 자속 밀도는 향상되는 반면, 자속이 필요한 경우, 상기 배열의 타측에서의 자속 밀도는 거의 0으로 감소된다. 할바흐 배열들에서와 같은 필요한 자속 채널링을 발생시키는 구성 개념이 설명되어 있다. 할바흐 배열과는 달리, 상기 구성 개념은 상당히 감소된 제조 비용으로도 높은 RPM에서 동작하는 기계들에 필요한 더욱 높은 기계 안정성을 갖는 아주 작은 시스템들로부터 아주 큰 시스템들까지의 확장성(scalability)을 제공한다. 상기 설명된 자속 채널링의 시스템들 및 방법들은 초전도 회전자들에 직접 적용 가능하다.

[012] 일 실시예에서 기계의 효율성은 공극에서의 장 형성을 위해 필요한 죔쇠에서의 자화 손실들을 제거하고 주변 자장(fringe magnetic field)을 감소시킴으로써 증가된다. 다른 한 실시예에서 전력 밀도 및 토크 밀도에서의 상당한 증가는 상기 죔쇠를 제거함으로써 성취된다.

[013] 전기 기계들의 공급된 전력 및 토크 밀도에서의 추가적인 개선은 모터 또는 발전기로 집적될 수도 있는 자기 기어링에서 성취될 수 있다. 자기 기어링에 대해, 설명된 자속 채널링 개념은 다음을 제공한다:(i)종래의 할바흐(Halbach) 배열들과 대비하여 상당히 감소된 비용에서의 높은 기계적인 강도, (ii)종래의 기계적인 또는 자기적인 기어링보다 단위 질량당 상당히 더욱 높은 전력 전송, (iii)99%를 초과할 수도 있는 기어링 효율, 및 (iv)최소한의 또는 거의 없는 유지 보수로도 내재적 과부하 방지(intrinsic overload protection).

[014] 전기 기계에서의 전력 밀도 및 토크 밀도의 추가적인 최적화는 또한 고정자(固定子) 권선(捲線)에서의 증가된 전류 로우딩을 필요로 하므로, 신뢰성 있는 동작을 보장하기 위해 열 발산 및 냉각을 필요로 한다. 고정자(固定子) 권선(捲線)의 가장 높은 전류 로우딩은 비터-자석 기술(Bitter-Magnet technology)에 의해 성취될 수 있다.(수빈 안, 비터 자석을 전력 장치들에 적용하기 위한 타당성 조사, MT-26, 2019년 9월[Soobin An, A Feasibility Study to Apply the Bitter Magnet to Electric Power Devices, MT-26, Sept. 2019] 참조 바람), 여기서, 도체는 냉각수 및 열-생성 도체 사이의 직접적인 접촉을 갖는 냉각수의 흐름에 대한 최적화된 홀 패턴들을 포함하는 동판들을 구성한다. 상기 비터-자석 기술(Bitter-Magnet techn -ology)은 비용이 절감된 제조방법들을 사용하면서도 뛰어난 열 발산을 제공한다.

[015] 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 자기(磁氣) 시스템이 제공되며, 상기 자기(磁氣) 시스템은 최소한 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하며 중심축을 따라 연장되어 있는 제1 배열 구조를 포함하며, 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들 중 각각의 세그먼트는: (i)그 폭에 대해 길쭉한 길이를 갖고, 상기 중심축과 평행한 방향으로 그 장변(major side)을 따라 연장되어 있고; (ii)최대 장(場) 강도 방향 및 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하는 유사한 특징적인 장(場) 분포를 갖는 폴(pole)를 포함하며; (iii)횡단면에서 미리 결정된 형태를 갖는 표면을 갖고, 상기 최대 장(場) 강도 방향은 그로부터 외측으로 향하며, 상기 표면 주위로 상기 세그먼트는 상기 중심축 주위에 원주 방향으로 위치한 유사한 자기 세그먼트들의 제1 배열에서 상기 세그먼트의 고정된 배치 이전에 축상으로 회전 가능하고; (iv)상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들의 장변들이 연장되어 있는 방향들에 평행한 방향으로 연장되어 있는 그 장변과 고정적으로 배열되어 있으며; 및 (v)상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들과 결합하여, 상기 유사한 자기 세그먼트들의 제1 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 중심축과 평행한 방향으로 연장되도록 위치하고, 상기 제1 배열은 제1 시퀀스에서의 위치의 함수로서 서로 회전된 자기 세그먼트들의 필드 폴들(field poles)을 갖는 제1 순서 시퀀스로서 구성되고, 이것은 상기 제1 시퀀스에서의 상기 자기 세그먼트들중 필드 폴들(field poles)의 각도 방향들(angular orientations)에서의 편차를 초래한다. 상기 자기 시스템에서의 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 세그먼트들은 다른 세그먼트들로부터의 장(場)들을 부가적으로 결합 또는 감소시킴으로써 상기 제1 배열 구조 주위에 순(純) 장(場) 강도들(net field strengths)을 부여하기 위해 1개 이상의 다른 세그먼트들과 접촉하여, 또는 충분히 근접하게, 위치될 수도 있고, 증가된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 하나에 초래되는 반면, 감소된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 다른 하나에 초래된다. 일련의 실시예들에서 상기 자기 세그먼트들은 순서 시퀀스에 위치하며, 상기 자기 세그먼트들은 상기 세그먼트들 중의 특징적인 최대 장 강도 방향의 위치들을 순차적으로 변이시킴으로써 상기 배열의 일측에 상기 증가된 최대 장 강도를 초래하기 위해 다른 자기 세그먼트들에 대해 축상으로 회전된다. 상기 자기 시스템은 추가적으로 지지 구조를 포함할 수도 있으며, 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들중 상기 자기 세그먼트들은 중심축에 대해 그리고 서로에 대해 고정된 위치들을 점유하며, 상기 필드 폴들중 상기 특징적인 최대 장 강도 방향들의 위치들(orientations)에서의 상대적인 편이들이 고정된다. 상기 지지 구조는 상기 자기 세그먼트들이 위치되는 일련의 채널들 또는 홈들(grooves)을 포함할 수도 있다. 상기 자기 세그먼트들 및 상기 채널들 또는 홈들은 필드 오리엔테이션(field orientation)에서의 상대적인 편이들을 제자리에 고정시키기 위해 세그먼트들의 회전 위치들을 제자리에 고정시키는 보상적인 형태들 또는 특징들을 가질 수도 있다. 다른 한 실시예에서 상기 자기 시스템은 일련의 개구들(apertures)을 그안에 갖고 중심축을 따라 형성된, 지지 구조를 포함하며, 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 개별적인 자기 세그먼트들은 상기 배열에서의 편이들을 순차적으로 제공하기 위해 상기 개구들내에서 축상으로 회전되고 위치된다. 상기 지지 구조는 서로에 대해 결합된 스탬프된 박판들(stamped laminations)을 포함할 수도 있으며, 상기 박판들은 비자기 물질을 포함한다.

[016] 본 발명의 추가적인 실시예들에 따르면, 상기 자기 시스템은 최소한 제2 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하고, 중심축을 따라 연장되어 있는 제2 배열 구조를 추가적으로 포함하며, 상기 제2 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 각각의 세그먼트는: (i) 그 폭에 대해 길쭉한 길이를 갖고, 상기 중심축과 평행한 방향으로 그 장변(major side)을 따라 연장되어 있고; (ii) 최대 장(場) 강도 방향 및 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하는 유사한 특징적인 장(場) 분포를 갖는 폴(pole)을 포함하며; (iii) 횡단면에서 미리 결정된 형태를 갖는 표면을 갖고, 상기 최대 장(場) 강도 방향은 그로부터 외측으로 향하며, 상기 표면 주위로 상기 세그먼트는 상기 중심축 주위에 원주 방향으로 위치한 유사한 자기 세그먼트들의 제2 배열에서 상기 세그먼트의 고정된 배치 이전에 축상으로 회전 가능하고; (iv) 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들의 장변들이 연장되어 있는 방향들에 평행한 방향으로 연장되어 있는 그 장변과 고정적으로 배열되어 있으며; 및 (v) 상기 제2 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들과 결합하여, 상기 유사한 자기 세그먼트들의 제2 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 중심축과 평행한 방향으로 연장되도록 위치하고, 상기 제2 배열은 제2 시퀀스에서의 위치의 함수로서 서로 회전된 자기 세그먼트들의 필드 폴들(field poles)을 갖는 제2 순서 시퀀스로서 구성되고, 이것은 상기 제2 시퀀스에서의 상기 자기 세그먼트들중 필드 폴들(field poles)의 각도 방향들(an -gular orientations)에서의 편차를 초래한다. 예시적인 실시예에서 상기 자기 세그먼트들의 제2 배열은 자장(磁場) 패턴들의 회전식 편이 각도 방향들(angular ori -entations)을 포함하는 성분들의 시퀀스를 제공하도록 구성되며, 필드 패턴들의 상기 각도 방향들(angular orientations)은 상기 중심축에 수직인 방향으로 다른 자기 성분들중에서 회전한다. 상기 시스템의 다른 실시예들에서 상기 필드 패턴들의 공간적인 회전은, 상기 제1 배열의 내측 또는 외측중 하나에 증가된 자기 필드 강도를 제공하는 반면, 상기 제1 배열의 내측 또는 외측중 다른 하나에 감소된 자기 필드 강도를 제공하는 방식으로 자속을 구성한다. 또한, 다른 실시예들에서 상기 제1 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며 상기 n 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이(rotational shift)에 의해 특징지어진다. 다른 하나의 실시예에서 상기 제2 배열은 m 개의 자기 세그먼트들을 포함하며 상기 m 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어진다. 상기 제1 배열은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어진 n 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트보다 적은 수의 세그먼트들중의 필드 패턴을 갖는 n 개의 자기 세그먼트들을 포함할 수도 있다.

[017] 또한 본 발명에 따르면, 제1 회전자 및 고정자 권선을 갖고, 그 각각은 프레임을 따른 방향으로 연장되어 있는 중심축 주위에서 다른 것에 대해 동축인 동기식 전기 기계가 제공되며, 상기 고정자는 상기 프레임에 고정적으로 부착되며 상기 제1 회전자는 상기 프레임 및 상기 고정자 권선에 대한 회전을 위해 상기 프레임에 부착된다. 상기 제1 회전자 및 상기 고정자 권선은 각각 상기 중심축을 따라 연장되어 있는 원주 방향의 표면을 갖는다. 상기 제1 회전자는 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하며, 각각의 세그먼트는: (i) 그 폭에 대해 길쭉한 길이를 갖고, 상기 중심축과 평행한 방향으로 그 장변(major side)을 따라 연장되어 있고; (ii) 최대 장(場) 강도 방향 및 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하는 유사한 특징적인 장(場) 분포를 갖는 폴(pole)을 포함하며; (iii) 횡단면에서 미리 결정된 형태를 갖는 표면을 갖고, 상기 최대 장(場) 강도 방향은 그로부터 외측으로 향하며, 상기 표면 주위로 상기 세그먼트는 상기 중심축 주위에 원주 방향으로 위치한 유사한 자기 세그먼트들의 제1 배열에서 고정된 배치 이전에 회전 가능하고; (iv) 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들의 장변들에 평행한 방향으로 연장되어 있는 그 장변과 고정적으로 배열되어 있으며; (v) 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들과 결합하여, 상기 중심축을 향하는 내측 및 상기 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 향하는 외측을 갖는 자기 세그먼트들의 상기 제1 원주형 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 중심축을 따라 연장되어 있고; 및 (vi) 다른 세그먼트들로부터의 장(場)들을 부가적으로 결합 또는 감소시킴으로써 상기 제1 원주형 배열 구조 주위에 순(純) 장(場) 강도들(net field strengths)을 부여하기 위해 1개 이상의 다른 세그먼트들과 충분히 근접하게 위치되고, 증가된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 하나에 초래되는 반면, 감소된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 다른 하나에 초래된다. 예컨대, 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들의 상기 장변들은 원통형의 형태 또는 타원형의 형태여서 횡단면에서의 미리 정해진 형태가 원형 또는 타원형일 수도 있다. 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들의 장변들은 축상으로 대칭인 형태들일 수도 있으나 이에 제한되지는 않는다. 일련의 실시예들에서 상기 제1 배열에서의 모든 자기 세그먼트들은 오로지 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들로만 구성된다. 다른 하나의 일련의 실시예들에서 상기 제1 배열에서의 모든 세그먼트들은 2극 자석들이다. 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열은 자장(磁場) 패턴들의 회전 가능하게 편이된 각도 방향들(angular orientations)을 포함하는 성분들의 시퀀스를 제공하도록 구성될 수도 있다. 여기서, 상기 시퀀스를 따라, 상기 개별적인 자기 세그먼트들의 다른 것들중 필드 폴들의 각도 방향들은 상기 중심축에 수직인 방향으로 상기 시퀀스에서 위치의 함수로서 회전됨으로써, 최대 필드 강도 방향들에서의 회전들을 포함하여, 상기 필드 폴들의 각도 방향들에서의 일련의 회전들을 제공한다. 상기 배열의 내측 또는 외측중 다른 하나에서의 상기 감소된 자장 강도에 대한 상기 배열의 내측 또는 외측중 하나에서의 상기 증가된 자장 강도의 크기는 폴당 세그먼트들의 수 및 필드 폴들의 회전의 각도(들)의 특정 시퀀스에 부분적으로 의존할 수도 있다. 다른 하나의 일련의 실시예들에서, 상기 제1 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며 상기 n 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어진다. 상기 제1 배열이 n 개의 자기 세그먼트들을 포함할 때, n 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트보다 적은 수의 세그먼트들중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어질 수도 있다. 상기 제1 배열에서의 자기 세그먼트들의 장변들은 서로 이격되거나 서로 접촉될 수도 있다.

[018] 상기 동기식 전기 기계의 실시예들은 제2 회전자를 포함할 수도 있다: 상기 고정자 권선은 내부 고정자 권선 거리 Wi 및 외부 고정자 권선 거리 Wo 사이에 연장되어 있고, 각각의 고정자 권선 거리 Wi 및 Wo는 상기 중심축으로부터 측정되며; 상기 제1 회전자는 내부 거리 IRi 및 외부 거리 IRo 사이에 연장되어 있는 내부 회전자, IR이고, 각각의 거리 IRi 및 IRo는 상기 중심축으로부터 측정되며, 여기서 IRo < Wi이다. 상기 기계는, 상기 내부 회전자, IR에 대한 외부 회전자, OR로서 위치된, 그리고 상기 프레임 및 상기 고정자 권선에 대한 회전을 위해 상기 프레임에 부착된, 상기 제2 회전자를 포함하며, 상기 제2 회전자, OR는 외부 회전자 내부 거리 ORi 및 외부 회전자 외부 거리 ORo 사이에 연장되어 있고, 각각의 거리 ORi 및 ORo는 상기 중심축으로부터 측정되며, 상기 외부 회전자, OR는 상기 중심축을 따라 연장되어 있는 원주형 또는 원통형 표면을 갖는다. 상기 외부 회전자, OR는 제2 복수의 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하며, 특징적인 필드 패턴을 갖는 상기 제2 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 각각의 세그먼트는: (i) 서로에 대해 공간적으로 평행한 방향들에서 고정적으로 배열되고; (ii) 제2 원주형 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 축을 따라 연장되어 있으며; (iii) 제2 안정화 구조에 위치 가능하고; 및 (iv) 토크 생성을 위해 고정자 권선과 상호 작용하기 위해 상기 중심축 주위로 회전 가능하다.

[019] 제2 회전자를 포함하는 상기 기계에 대해, 자기 시스템들의 상기 제2 배열은 자장(磁場) 패턴들의 회전식 편이 각도 방향들을 포함하는 성분들의 시퀀스를 제공하도록 구성될 수도 있으며, 상기 필드 패턴들의 상기 각도 방향들은 다른 자기 성분들중에서 상기 중심축에 대해 수직인 방향들에서 회전한다. 상기 필드 패턴들의 공간적인 회전은, 상기 제2 배열의 내측 또는 외측 중 하나에 증가된 자장 강도를 제공하는 반면, 상기 제2 배열의 내측 또는 외측 중 다른 하나에 감소된 자장 강도를 제공하는 방식으로, 자속을 구성할 수도 있다. n 개의 자기 세그먼트들을 포함하는 상기 제1 배열의 일실시예에서, n 개의 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음의 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대해 각도 방향에서의 회전식 편이에 의해 특징지어진다. m 개의 자기 세그먼트들을 포함하는 상기 제2 배열의 다른 하나의 실시예에 따르면, m 개의 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음의 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대해 각도 방향에서의 회전식 편이에 의해 특징지어진다. n 개의 자기 세그먼트들을 포함하는 상기 제2 배열의 다른 일련의 실시예들에서, n 개의 세그먼트들중 모든 하나보다 적은 수의 세그먼트들중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음의 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대해 각도 방향에서의 회전식 편이에 의해 특징지어진다.

[020] 다른 일련의 실시예들에서, 동기식 전기 기계가 제공되며, 상기 동기식 전기 기계는 제1 회전자 및 고정자 권선을 포함하며, 그 각각은 프레임을 따른 방향으로 연장되어 있는 중심축 주위에서 다른 것에 대해 동축이며, 상기 고정자 권선은 상기 프레임에 고정적으로 부착되며 상기 제1 회전자는 상기 프레임 및 상기 고정자 권선에 대한 회전을 위해 상기 프레임에 부착된다. 상기 제1 회전자 및 상기 고정자 권선은 각각 상기 중심축을 따라 연장되어 있는 원주형 표면을 갖고, 상기 제1 회전자는 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하며, 각각의 세그먼트는: (i) 그 폭에 대해 길쭉한 길이를 갖고, 상기 중심축과 평행한 방향으로 그 장변(major side)을 따라 연장되어 있고; (ii) 최대 장(場) 강도 방향 및 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하는 유사한 특징적인 장(場) 분포를 갖는 폴(pole)을 포함하며; (iii) 횡단면에서 미리 결정된 형태를 갖는 표면을 갖고, 상기 최대 장(場) 강도 방향은 그로부터 외측으로 향하며, 상기 표면 주위로 상기 세그먼트는 상기 중심축 주위에 원주 방향으로 위치한 유사한 자기 세그먼트들의 제1 배열에서 고정된 배치 이전에 회전 가능하고; (iv) 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들의 장변에 평행한 방향으로 연장되어 있는 그 장변과 고정적으로 배열되어 있으며; (v) 유사한 특징적인 최대 장(場) 강도 방향을 갖는 폴 (pole)을 포함하고; 및 (vi) 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들과 결합하여, 유사한 자기 세그먼트들의 상기 제1 원주형 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 중심축과 평행한 방향으로 연장되어 위치되며, 상기 배열은 상기 시퀀스에서의 위치의 함수로서 서로에 대해 회전된 자기 세그먼트들의 상기 폴들(poles)을 갖는 시퀀스로 구성되고, 이것은 상기 자기 세그먼트들중 필드 폴들(poles)의 각도 방향들에서의 편이들을 초래한다.

[021] 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들의 장변들은 원통형 또는 타원형일 수도 있어 횡단면에서의 미리 결정된 형태가 원통형 또는 타원형일 수도 있다. 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들중 각각의 세그먼트의 각각의 장변은 축상으로 대칭일 수도 있다. 상기 제1 배열은 단지 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 개별적인 자기 세그먼트들로 구성될 수도 있다. 상기 제1 배열에서의 모든 세그먼트들은 2극 자석들일 수도 있다. 상기 기계의 실시예들은 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다수의 세그먼트들이 삼각형 형상(pie shaped)의 성분들이 아니며 상기 최대 필드 강도 방향이 성분 형태들 주위의 위치의 함수로서 변하는 비대칭적 형태의 성분들로 형성되지 않는 것을 요구할 수도 있다. 다른 실시예들에서 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다수의 세그먼트들은 자화후 비대칭적으로 형성된 성분들로 형성되지 않아 상기 최대 필드 강도 방향이 상기 형성된 성분들 중 다른 것들 주위에서 위치의 함수로서 변하게 된다.

[022] 본 발명의 설명된 실시예들에 따르면, 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들중 아무 것도 동일한 자화된 성분들로서 형성된 다음, 동일한 성분들로부터 다른 형태들로 형성되거나 기계 가공된 다음, 일련의 다르게 형성된 성분들로서 순서화되지 않으며, 그들 중에서 상기 최대 필드 강도 방향이 상기 성분 형태들 주위에서 위치의 함수로서 변한다. 다른 실시예들에 따르면, 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들중 아무 것도 상기 최대 필드 강도 방향이 상기 성분 형태들 주위에서 위치의 함수로서 변하는 일련의 성분들로서 형성 및 순서화되지 않는다. 상기 축을 향하는 내측 및 상기 축으로부터 멀어지는 방향으로 향하는 외측을 갖는 자기 세그먼트들의 상기 제1 원주형 배열을 갖는, 상기 기계에 대해, 증가된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 하나에 초래되는 반면, 감소된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 다른 하나에 초래된다. 또한 다른 실시예들에 따르면, 자기 세그먼트들의 상기 제1 원주형 배열이 상기 중심축 주위로 회전할 때, 증가된 자장 강도를 나타내는 상기 배열의 측면상의 장(場)은 주로 토크 생성을 위한 고정자 권선의 장(場)들과 상호 작용한다. 상기 기계의 실시예들은 그안에 일련의 개구들을 갖고 원통형 평면을 따라 형성된 지지 구조를 포함한다. 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 각각의 세그먼트는 그 편이들을 제공하기 위해 상기 개구들 중 하나내에 회전 가능하게 위치된다. 상기 지지 구조는 서로에 대해 결합된 일련의 스탬프된 박판들을 포함할 수도 있으며, 상기 박판들은 비자성 물질을 포함한다. 상기 기계는 내부 회전자 및 외부 회전자를 포함할 수도 있다. 예컨대, 상기 고정자 권선은 내부 고정자 권선 거리 Wi 및 외부 고정자 권선 거리 Wo 사이에서 방사상으로 연장되어 있고, 각각의 고정자 권선 거리 Wi 및 Wo는 상기 중심축으로부터 측정되며, 상기 제1 회전자는 내부 거리 IRi 및 외부 거리 IRo 사이에서 연장되어 있는 내부 회전자, IR, 로서 위치되며, 된다. 각각의 거리 IRi 및 IRo는 상기 중심축으로부터 측정되며, 여기서 IRo<Wi이다. 상기 기계는, 상기 내부 회전자, IR에 대한 외부 회전자로서 위치된, 그리고 상기 프레임 및 상기 고정자 권선에 대한 회전을 위해 상기 프레임에 부착된, 외부 회전자, OR를 추가로 포함하며, 상기 제2 회전자, OR는 외부 회전자 내부 거리 ORi 및 외부 회전자 외부 거리 ORo 사이에 연장되어 있고, 각각의 거리 ORi 및 ORo 는 상기 중심축으로부터 측정되며, 상기 외부 회전자, OR는 상기 중심축을 따라 연장되어 있는 원주형 또는 원통형 표면을 갖는다. 상기 외부 회전자, OR는 제2 복수의 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하며, 특징적인 필드 패턴을 갖는 상기 제2 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 각각의 세그먼트는: (i) 서로에 대해 공간적으로 평행한 방향들에서 고정적으로 배열되고; (ii) 제2 원주형 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 축을 따라 연장되어 있으며; (iii) 제2 안정화 구조에 위치 가능하고; 및 (iv)토크 생성을 위해 상기 고정자 권선과 상호 작용하기 위해 상기 중심축 주위로 회전 가능하다. 자기 세그먼트들의 상기 제2 배열은 자장(磁場) 패턴들의 회전식 편이 각도 방향들을 포함하는 성분들의 시퀀스를 제공하도록 구성될 수도 있으며, 필드 패턴들의 상기 각도 방향들은 상기 중심축에 수직인 방향으로 다른 자기 성분들중에서 회전한다. 상기 필드 패턴들의 상기 공간적인 회전은, 상기 제1 배열의 내측 또는 외측중 하나에 증가된 자기 필드 강도를 제공하는 반면, 상기 제1 배열의 내측 또는 외측중 다른 하나에 감소된 자기 필드 강도를 제공, 하는 방식으로 자속을 구성할 수도 있다. 상기 제1 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함할 수도 있으며 상기 n 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어질 수도 있다. 다른 하나의 실시예에따르면, 상기 제2 배열은 m 개의 자기 세그먼트들을 포함하며 상기 m 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어진다. 여전히 다른 하나의 실시예에 따르면, 상기 제2 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, n 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트보다 적은 수의 세그먼트들중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어진다.

[023] 동기식 기계의 조립방법이 또한 제공된다. 제1 회전자 및 고정자 권선이 프레임 주위에 부착된다. 상기 제1 회전자 및 상기 고정자 권선중 각각은 상기 프레임을 따른 방향으로 연장되어 있는 중심축 주위에서 다른 것에 대해 동축이며, 상기 고정자 권선은 상기 프레임에 고정적으로 부착되고 상기 제1 회전자는 상기 프레임 및 상기 고정자 권선에 대한 회전을 위해 상기 프레임에 부착된다. 상기 제1 회전자 및 상기 고정자 권선은 각각 상기 중심축을 따라 연장되어 있는 원주형 표면을 갖도록 형성되고, 상기 제1 회전자는 제1 배열에 구성된 최소한 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들로 형성되며, 각각의 세그먼트는: (i) 그 폭에 대해 길쭉한 길이를 갖고, 상기 중심축과 평행한 방향으로 그 장변(major side)을 따라 연장되어 있고; (ii) 최대 장(場) 강도 방향 및 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하는 유사한 특징적인 장(場) 분포를 갖는 폴(pole)을 포함하며; (iii) 횡단면에서 미리 결정된 형태를 갖는 표면을 갖고, 상기 최대 장(場) 강도 방향은 그로부터 외측으로 향하며, 상기 표면 주위로 상기 세그먼트는 상기 중심축 주위에 원주 방향으로 위치한 유사한 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열에서 상기 세그먼트의 고정된 배치 이전에 축상으로 회전 가능하고, 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열은 상기 중심축을 향햐는 내측 및 상기 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 향하는 외측을 갖고; (iv) 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들의 장변들이 연장되어 있는 방향들에 평행한 방향으로 연장되어 있는 그 장변과 고정적으로 배열되어 있으며; 및 (v) 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들과 결합하여, 유사한 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 중심축과 평행한 방향으로 연장되어 위치되며, 상기 제1 배열은 상기 제1 시퀀스에서의 위치의 함수로서 서로에 대해 회전된 상기 자기 세그먼트들의 필드 폴들(poles)을 갖는 제1 순서 시퀀스로 구성되고, 이것은 상기 제1 시퀀스에서의 상기 자기 세그먼트들중 상기 필드 폴들(poles)의 각도 방향들에서의 편이들을 초래하며, 상기 편이들은 상기 제1 배열의 일측에 증가된 자장 강도를 초래하는 반면, 상기 제1 배열의 타측에 더욱 낮은 자장 강도를 초래한다.

[024] 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 자기 시스템이 또한 제공된다. 상기 자기 시스템은 최소한 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하며 중심축을 따라 연장되어 있는 최소한 제1 배열 구조를 갖고, 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 각각의 세그먼트는: (i) 그 폭에 대해 길쭉한 길이를 갖고, 상기 중심축과 평행한 방향으로 그 장변(major side)을 따라 연장되어 있고; (ii) 최대 장(場) 강도 방향 및 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하는 유사한 특징적인 장(場) 분포를 갖는 폴(pole)을 포함하며; (iii) 횡단면에서 미리 결정된 형태를 갖는 표면을 갖고, 상기 최대 장(場) 강도 방향은 그로부터 외측으로 향하며, 상기 표면 주위로 상기 세그먼트는 상기 중심축 주위에 원주 방향으로 위치한 유사한 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열에서 상기 세그먼트의 고정된 배치 이전에 축상으로 회전 가능하고; (iv) 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들의 장변들이 연장되어 있는 방향들에 평행한 방향으로 연장되어 있는 그 장변과 고정적으로 배열되어 있으며; 및 (v) 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들과 결합하여, 유사한 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 중심축과 평행한 방향으로 연장되어 위치되며, 상기 제1 배열은 상기 제1 시퀀스에서의 위치의 함수로서 서로에 대해 회전된 상기 자기 세그먼트들의 필드 폴들(poles)을 갖는 제1 순서 시퀀스로 구성되고, 이것은 상기 제1 시퀀스에서의 상기 자기 세그먼트들중 상기 필드 폴들(poles)의 각도 방향들에서의 편이들을 초래한다.

[025] 상기 자기 시스템의 일련의 실시예들에서, 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 세그먼트들은 다른 세그먼트들로부터의 장(場)들을 부가적으로 결합 또는 감소시킴으로써 상기 제1 배열 구조 주위에 순(純) 장(場) 강도들(net field strengths)을 부여하기 위해 1개 이상의 다른 세그먼트들과 접촉하여, 또는 충분히 근접하게, 위치되고, 증가된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 하나에 초래되는 반면, 감소된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 다른 하나에 초래된다. 상기 자기 세그먼트들은 전적으로 순서 시퀀스에 위치할 수도 있으며, 상기 자기 세그먼트들은 상기 세그먼트들 중의 특징적인 최대 장 강도 방향의 위치들을 순차적으로 변이시킴으로써 상기 배열의 일측에 상기 증가된 최대 장 강도를 초래하기 위해 다른 자기 세그먼트들에 대해 축상으로 회전된다. 상기 자기 시스템은 추가적으로 지지 구조를 포함할 수도 있으며, 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들중 상기 자기 세그먼트들은 상기 중심축에 대해 그리고 서로에 대해 고정된 위치들을 점유하며, 상기 필드 폴들중 상기 특징적인 최대 장 강도 방향들의 위치들(orientations)에서의 상대적인 편이들이 고정된다. 상기 지지 구조는 상기 자기 세그먼트들이 위치되는 일련의 채널들 또는 홈들(grooves)을 포함할 수도 있다. 따라서, 상기 자기 세그먼트들 및 상기 채널들 또는 홈들은 필드 오리엔테이션(field orientation)에서의 상대적인 편이들을 제자리에 고정시키기 위해 세그먼트들의 회전 위치들을 제자리에 고정시키는 보상적인 형태들 또는 특징들을 가질 수도 있다. 설명된 실시예에서, 상기 자기 구조는, 그안에 형성된 그리고 상기 중심축을 따라 형성된, 일련의 개구들(apertures)을 포함할 수도 있으며, 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 개별적인 자기 세그먼트들은 상기 배열을 따라 상기 편이들을 순차적으로 제공하기 위해 상기 개구들내에서 축상으로 회전되고 위치된다. 상기 지지 구조는 서로에 대해 결합된 일련의 스탬프된 박판들(stamped laminations)로 형성될 수도 있으며, 상기 박판들은 비자기 물질을 포함한다.

[026] 상기 자기 시스템은 최소한 제2 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하고, 상기 중심축을 따라 연장되어 있는 제2 배열 구조를 추가적으로 포함할 수도 있으며, 상기 제2 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 각각의 세그먼트는: (i) 그 폭에 대해 길쭉한 길이를 갖고, 상기 중심축과 평행한 방향으로 그 장변(major side)을 따라 연장되어 있고; (ii) 최대 장(場) 강도 방향 및 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하는 유사한 특징적인 장(場) 분포를 갖는 폴(pole)을 포함하며; (iii) 횡단면에서 미리 결정된 형태를 갖는 표면을 갖고, 상기 최대 장(場) 강도 방향은 그로부터 외측으로 향하며, 상기 표면 주위로 상기 세그먼트는 상기 중심축 주위에 원주 방향으로 위치한 유사한 자기 세그먼트들의 상기 제2 배열에서 상기 세그먼트의 고정된 배치 이전에 축상으로 회전 가능하고; (iv) 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들의 장변들이 연장되어 있는 방향들에 평행한 방향으로 연장되어 있는 그 장변과 고정적으로 배열되어 있으며; 및 (v) 상기 제2 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들과 결합하여, 상기 유사한 자기 세그먼트들의 제2 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 중심축과 평행한 방향으로 연장되도록 위치하고, 상기 제2 배열은 상기 제2 시퀀스에서의 위치의 함수로서 서로에 대해 회전된 자기 세그먼트들의 필드 폴들(field poles)을 갖는 제2 순서 시퀀스로서 구성되고, 이것은 상기 제2 시퀀스에서의 자기 세그먼트들중 상기 필드 폴들(field poles)의 각도 방향들에서의 편차들을 초래한다. 자기 세그먼트들의 상기 제2 배열은 자장(磁場) 패턴들의 회전식 편이 각도 방향들을 포함하는 성분들의 시퀀스를 제공하도록 구성될 수도 있으며, 필드 패턴들의 상기 각도 방향들은 상기 중심축에 수직인 방향으로 다른 자기 성분들중에서 회전한다. 또한, 상기 필드 패턴들의 공간적인 회전은, 상기 제1 배열의 내측 또는 외측중 하나에 증가된 자기 필드 강도를 제공하는 반면, 상기 제1 배열의 내측 또는 외측중 다른 하나에 감소된 자기 필드 강도를 제공, 하는 방식으로 자속을 구성할 수도 있다. 일 실시예에서, 상기 제1 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, 상기 n 개의 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이(rotational shift)에 의해 특징지어진다. 다른 하나의 실시예에서, 상기 제2 배열은 m 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, 상기 m 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어진다. 다른 하나의 실시예에서, 상기 제1 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, n 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트보다 적은 수의 세그먼트들중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어진 다.

[027] 본 발명에 따른 전기 기계들의 상기 실시예들은 죔쇠(back iron)를 포함할 수도 있으며, 상기 죔쇠는 상기 제1 회전자의 상기 제1 배열에서의 상기 제1 복수의 자기 세그먼트들로부터 방사상으로 외측으로 위치되며 상기 제1 회전자와 동축이고, 상기 고정자의 권선들은, 공극(空隙)(air gap)에서의 향상된 방사상의 자속 밀도를 생성하기 위해, 상기 제1 회전자 및 상기 죔쇠 사이에서 상기 공극을 따라 연장되어 있다. 상기 죔쇠는 상기 죔쇠에 발생하는 자화를 야기시키는 변하는 장(場)의 존재를 회피, 감소 또는 제거하기 위해 상기 회전자와 동시에 회전하도록 기계적으로 결합될 수도 있다.

[028] 상기 기계가, 예컨대, 상기 제1 회전자의 상기 제1 배열에서의 상기 제1 복수의 자기 세그먼트들로부터 방사상으로 내측으로 위치되며 상기 제1 회전자와 동축인, 자속 유도 내부 죔쇠를 포함할 때, 상기 내부 죔쇠는 상기 죔쇠에 발생하는 자화를 야기시키는 변하는 장(場)의 존재를 회피, 감소 또는 제거하기 위해 상기 회전자와 동시에 회전하도록 기계적으로 결합될 수도 있다.

[029] 상기 자기 시스템이 자기 성분들을 포함하는 상기 제2 배열 구조를 포함할 때, 상기 시스템은 또한 상기 제1 배열 및 상기 제2 배열 사이에서 각각에 대해 동축상으로 정렬되어 위치된 강자성 세그먼트들을 포함하는 원주형 배열을 포함할 수도 있다.

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명은 할바흐(Halbach) 배열 제조의 복잡성을 피하는 자속 채널링에 대한 참신한 접근방법으로 동기식 기계들의 성능을 크게 증가시키기 위한 해결책을 제공하는 이산 플럭스 지향 자석 조립체들 및 그것과 함께 형성된 시스템들을 제공하는 효과가 있다.

[030] 다음의 상세한 설명이 첨부 도면들을 참조하여 이해될 때, 본 발명의 특징들 및 장점들은 보다 자세히 이해될 것이다.
[031] 도 1은 종래의 동기식 기계의 단면도이다.
[032] 도 2a는 자화 방향들이 인접한 세그먼트들에서 역병렬(逆竝列)인 삼각형 형태의(pie-shaped) 성분들로 구성되는 원통형 자석 조립체의 부분적인 도면이다.
[033] 도 2b는 자화 방향들이 인접 세그먼트들 사이에서 45°만큼 순차적으로 회전하는 삼각형 형태의(pie-shaped) 세그먼트들로 구성되는 원통형 자석 조립체의 부분적인 도면이다.
[034] 도 3은 분절된(segmented) 회전자 자석 조립체를 갖는 축(shaft)을 따라 취해진 동기식 기계의 단면 측면도이다.
[035] 도 4는 죔쇠가 기계 하우징에 고정되지는 않지만, 오히려 회전자와 회전하도록 기계적으로 결합되는 분절된 회전자 자석을 갖는 동기식 기계의 단면 측면도이다.
[036] 도 5는 분절된 회전자 자석 조립체가 기계의 외주면에 위치되고 죔쇠는 상기 기계에 인접하여 위치되며 상기 기계 하우징에 부착되는 동기식 기계의 단면 측면도이다.
[037] 도 6은 상기 기계 하우징에 고정되는 대신에, 상기 죔쇠가 상기 회전자와의 회전을 위해 기계적으로 결합되는 분절된 회전자 자석 조립체를 갖는 동기식 기계의 단면 측면도이다.
[038] 도 7은 이중의 분절된 회전자 조립체를 갖고 임의의 죔쇠를 포함하지 않는 동기식 기계의 단면 측면도이다.
[039] 도 8은 폴당 3개의 세그먼트들을 포함하는 내부 자속-유도 배열 및 폴당 5개의 세그먼트들을 포함하는 외부 자속-유도 배열을 갖는 원통형 자기 세그먼트들을 포함하는 5개의 폴 쌍들을 각각 갖는 2개의 개별적인 동축 자속 유도 배열들을 예시하는 기계의 축을 따라 취해진 단면도이다.
[040] 도 9는 예시적인 타원형 개구들을 갖는 막대기 형상의(rod-shaped) 자기 세그먼트들을 지지하기 위한 고리 형상의 지지 구조를 예시하는 기계의 축을 따라 취해진 단면도이며, 화살표들은 타원형 개구의 원통형 배열에서의 각각의 장축(major axis)에 대한 방향들(orientations) 및 거기에 삽입된 자기 세그먼트들에 대한 가능한 필드 방향들(orientations)을 가리킨다.
[041] 도 10은 타원형 자석 세그먼트들이 삽입되는 타원형 개구들을 포함하는 5개의 폴 쌍들을 각각 갖는 2개의 동축 자속 유도 자석 배열들을 예시하는 기계의 단면도이다.
[042] 도 11은 도 9에 도시된 지지 링의 1개의 예시적인 개구내에 양단간으로 삽입된 다수의 영구 자석 써브세그먼트들(subsegments)로 구성된 예시적인 자기 세그먼트를 갖는 기계의 사시도이다.
[043] 도 12는 각각 공극에서 타원형 자기 세그먼트들 및 사각형 비자성 세그먼트들과 조립된 자기 폴들을 포함하는 예시적인 원통형 배열을 갖는 자기 기어 시스템 대칭의 원통형 축에 대한 횡단면을 따라 취해진 단면도이다.
[044] 개별적인 자기 세그먼트들 또는 상기 세그먼트들이 위치되는 관련된 개구들이 원형 또는 타원형의 형태들로 상기 도면들에 도시되어 있다. 상기 형태들내에 도시된 화살표들은 위치된 세그먼트들의 자화 방향들 또는 회전성 편이들 또는 상기 세그먼트들이 위치되는 타원형 개구들의 방향들과 대응한다. 유사한 참조번호들이 유사한 성분들을 표기하기 위해 전체의 도면들을 통해 사용된다. 본 발명의 특징들은 도식적으로 예시되어 있으며, 본 발명의 특징들을 강조하기 위해 명백한 성격의 다양한 세부 사항들, 연결 사항들 및 구성요소들은 도시되어 있지 않다. 도면들에 도시된 다양한 특징들은 일정한 비례로 확대 또는 축소되어 도시되지 않는다.

[045] 본 발명의 실시예들에 관한 특정 특징들을 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 주로 참신하면서도 불분명한 구성요소들 및 공정 단계들의 결합에 근거하고 있음을 유의해야 한다. 이 기술분야에서의 통상의 기술자에게 용이하게 명백하게 될 세부사항들을 갖는 본 발명을 모호하게 하지 않게 하기 위해 일정한 종래의 구성요소들 및 단계들은 생략되거나 보다 자세하지 않게 설명되어 있는 한편, 도면들 및 명세서는 본 발명을 이해하는데 적합한 다른 성분들 및 단계들을 보다 자세히 설명하고 있다. 설명된 실시예들은 본 발명에 따른 구조 또는 방법에 관한 한계들을 정의하지는 않지만, 필수적인 것 보다는 허용 가능한 그리고 완전한(exhaustive) 것보다는 예시적인 특징들을 포함하는 예들을 제공할 뿐이다. 게다가, 본 발명 및 청구되는 범위를 설명하는데 명확성을 보장하기 위해, 전문 용어의 간단한 설명이 제공되어 있다.

[046] 여기에 사용된 "원주형(Circumferential)" 은 축 또는 몸체 형태, 예컨대, 회전자, 고정자, 또는 세그먼트들의 배열, 주위에 부분적으로 또는 전체적으로 연장되어 있는 구성을 의미한다. 예컨대, 직선축(straight axis)을 따라 그리고 상기 축 주위에 완전하게 연장되어 있는, 폐쇄된 몸체 형태, 예컨대, 고정자 권선의 외면은 원주형 형태를 갖는데, 그 이유는 상기 외면이 상기 축 주위로 부분적으로 또는 완전하게 연장되어 있기 때문이다. 예컨대, 상기 폐쇄도니 몸체 형태는, 예컨대, 상기 축을 따라 연장되어 있는 원통형, 또는 원통형과 유사한, 몸체 형태를 갖는 전기적인 권선의 형태일 수도 있다.

[047] "원주형 배열(Circumferential array)" 은 축 주위로 또는 몸체 형태 주위로 원주 방향으로 배열된 세그먼트들의 배열을 의미한다.

[048] "세그먼트들의 원통형 배열(Cylindrical array of segments)" 은 직렬로 구성된 개별적인 세그먼트들, 예컨대, 일련의 막대 자석들(bar magnets), 의 배열을 의미하며, 이 배열은 축 또는 몸체 형태 주위에 원주 방향으로 부분적으로 또는 전체적으로 연장되어 있고, 상기 세그먼트들은 실제의 또는 가상의 원통형 표면을 따른 공간 속성(spatial attributes)을 제공하기 위해 병렬 세그먼트들의 시퀀스로서 배열될 수도 있다. 상기 공간 속성은 실제의 또는 가상의 원통형 표면 주위의 위치의 함수로서 공간 기하학적 특성들 또는 자장(磁場) 분포들 및 자속 밀도들에 관계할 수도 있다.

[049] 원통형 몸체가 다수의 개별적인 벽 부분들 또는 지름의 변화(variations in diameter)를 가질 수도 있을지라도 "원통형과 유사한(Cylindrical-like)" 은 원통형 몸체의 형태 및 대칭 구조(symmetry)에 유사하거나 또는 충분히 근접한 형태를 의미한다.

[050] 또한 세그먼트로서 설명된, "개별적인 자기 세그먼트(Discrete magnetic se -gment)"는 영구 자석 또는 전자석(electromagnet)(예컨대, 전자석 코일)이다. 영구 자석의 경우, 상기 세그먼트는 막대-형태의, 즉, 가늘고 긴(elongate) 구조의 형태일 수도 있다. 상기 구조는 단일 구조일 수도 있거나 다수의 써브세그먼트들, 즉, 다수의 자석들, 을 포함할 수도 있으며, 이것들은 세그먼트의 원하는 길이를 실현하기 위해 크기면에서 더 작으며 단대단(end to end), 즉, 극대극(pole to pole)으로 배열된다. 영구자석 세그먼트는 단면에서의 임의의 특정 형태로 제한되지 않으며, 본 발명의 실시예들에서의 사용을 위해 설명된, 상기 세그먼트들은 직선축을 따라 연장되어 있는 가늘고 긴 형태를 가지며, 단면에서, 즉, 상기 축에 수직인 평면들을 따라 취해진 단면도들, 에서의 임의의 특정 세트의 형태들로 제한되지는 않는다. 상기 세그먼트 단면 형태들은, 예컨대, 원형의, 원통형의, 타원형의, 대칭형의, 또는 비대칭형일 수도 있다.

[051] 자장(磁場)들의 문맥에서, "자속 채널링(Flux channeling)", 은 다수의 자기원들(magnetic sources)로부터 방사(放射)되는 자속의 상호 작용에 기인하는 순(純) 필드 패턴(net field pattern)을 의미한다. 예에 의해, 원주 방향으로 배열된 자석들의 배열에 대해, 자속 채널링은 개별적인 자석들의 배열 주위의 비대칭 장(場) 분포를 초래할 수도 있다. 종래의 할바흐(Halbach) 배열에 대해, 장 상호작용들은 상기 자석 배열의 일측에 증가된 자장(磁場) 강도를 초래하는 반면, 상기 배열의 다른 일측에 감소된 자장(磁場) 강도를 초래할 수도 있다.

[052] "막대 형태의 구조(Rod shaped structure)"는 직선축을 따라 연장되어 있는 가늘고 긴 부재를 의미하며, 장축에 수직인 평면을 따라 도시된 구조의 형태로 제한되지는 않는다. 본 발명에 따른 배열들을 형성하기 위해 사용된 개별적인 자기 세그먼트들은 일반적으로 가늘고 길며, 장축 주위로 연장되어 있고, 단면에서, 즉, 상기 장축에 수직인 평면을 따라, 다향한 형태들을 가질 수도 있다.

[053] "단면에서의 형태(Shape in cross section)"는, 개별적인 자기 세그먼트 또는 코일에 관하여, 상기 세그먼트의 장축, 예컨대, 상기 가늘고 긴 형태가 연장되어 있는 방향을 따른 직선축, 에 수직인 평면을 따른 형태를 의미한다.

[054] 종래의 동기식 기계의 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 상기 개념은 발전기들 및 모터들과 동일하다. 발전기의 경우, 기계적인 에너지가 상기 기계의 회전축(rotating shaft)(104)에 공급된다. 상기 기계적인 에너지는 고정자 권선들(102)로부터의 출력으로서 유용하게 만들어진 전기 에너지로 변환된다. 모터의 경우에는, 임의의 종류의 추진력에 대해, 전기 에너지는 상기 고정자 권선들(102)로 공급되며 상기 회전축(104)에서 유용하게 만들어진 기계적인 에너지로 변환된다.

[055] 도 1에 도시된 도시적인 구성은 동기식 전기 기계의 기본 기능을 예시한다. 상기 고정자(102) 및 상기 회전자(100)는 공통축을 따라 고정자 권선들(102W)과 동심으로 위치되어 각각의 권선에 흐르는 전류가 주로 축상 방향에서, 즉, 상기 축(104)의 방향을 따라, 흐르게 된다. 동기식 기계의 고정자는 회전하는 자장을 생성하기 위해 적절한 위상 조정(位相調整)(phasing)을 갖는 다수의 권선들(102W)(미도시)을 구성할 수도 있다. 이상적으로 그리고 최적으로, 종래의 기계의 회전자의 필드 라인들이 공통축으로부터 방사상으로, 즉, 상기 고정자 권선들에서의 전류 흐름의 주요 방향들에 수직인 방사상의 방향으로, 연장되는 것이 바람직하다.

[056] 상기 시스템으로 또는 상기 시스템으로부터 기계적인 에너지를 전달하는, 상기 회전자(100)는 상기 기계축(104)에 결합된다. 상기 회전자는 동심의 죔쇠(103)에 의해 에워싸여 있으며, 이른바 공극(空隙)이 상기 회전자 및 상기 죔쇠(103) 사이에 형성된다. 상기 고정자 권선들(102W)은 상기 공극(空隙), G, 에 위치된다. 영구 자석들 또는 전자석들(101), 상기 회전자(100)를 구성하는 것은 상기 고정자 권선들(102W)에 의해 생성된 장(場)과의 결합을 위해 상기 공극(空隙)에서의 자장(磁場)을 공급한다. 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해, 상기 회전자(100)가 상기 축(104)에의 토크의 인가에 의해 회전될 때, 상기 회전자의 변하는 자속 및 상기 고정자 권선들에서의 전류 흐름 사이의 상호작용은 상기 고정자 권선의 단자들에서의 기전력(electromotive force)(emf)을 유도하며 상기 시스템은 발전기로서 동작한다. 모터 동작의 경우에, 적절한 위상 편이들을 갖는 교류 전압이 상기 고정자 권선들(102W)을 여기(勵起)하도록 인가될 때, 회전하는 자장이 상기 기계의 축 주위에 생성된다. 상기 고정자 권선들에 의해 생성된 회전하는 장(場) 및 상기 회전자 자석들(101)의 자장들 사이의 상호작용은 상기 고정자 권선을 여기(勵起)하도록 인가된 교류 전압의 주파수와 동기적으로 상기 회전자를 회전시킨다.

[057] 상기 회전자 자석들(101) 및 고정자 권선들(102) 사이의 최대 에너지 전달을 달성하기 위해, 상기 고정자 권선 공극, G, 에서의 장(場)은 방사상의 방향으로 위치되어야 한다. 종래의 모터에 대해 설명된 바와 같이, 상기 고정자 권선의 도체상에서 작용하는, 로렌쯔 힘(Lorentz force), F은 F=IХB 으로 주어지며, 모든 양들은 벡터들이다. I는 상기 고정자 권선(102)에서의 전류를 나타내고, B는 상기 공극에서의 회전자 자석들에 의해 제공된 자속 밀도이며, 이 자속 밀도는 고정자 권선들(102)을 통해 흐르는 전류와 상호 작용한다. 전류의 방향, I, 자속 밀도의 방향, B가 서로에 대해 수직일 때, 그 벡터적(積)(vector cross product)에 의해 주어진 힘은 그 최대치를 갖는다. 상기 2개의 양들 사이의 각도가 0o 일때, 상기 로렌쯔 힘(Lorentz force)은 0이다. 이 관계로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 고정자 권선의 도체들은 축방향으로 위치하기 때문에, 상기 회전자의 필드 방향이 공통축에 대해 방사상의 방향에 있을 때, 기계력은 최적화된다. 필드 생성 회전자를 에워 싸는 상기 죔쇠(103)에서, 상기 회전자의 필드 라인들은 상기 방사상의 방향에 보다 근접하게 정렬될 수 있다.

[058] 동기식 기계의 힘은 다음의 관계에 의해 주어진다:

(Eqn 3)

여기서, ω는 회전 속도이고, L은 기계의 축상 길이이며, D는 공극에서의 고정자 권선들의 평균 직경이고, B_R은 상기 공극에서의 자속 밀도이며, A_s는 상기 고정자 권선의 전류 로우딩(current loading)이다. 상기 방정식은 상기 기계의 힘이 상기 고정자 권선에서의 상기 공극에서의 상기 자속 밀도에 비례함을 보여준다. 만일 상기 시스템이 원통형 할바흐 배열에 존재하는 자기 성분들의 자속 채널링 배열을 포함하면, 상기 회전자에 필요한 원통형 시스템의 자속 밀도는 향상될 수 있다. 이러한 자석 구성에 대해, 각각의 자기 폴(pole)은 성분들로 분할되며, 개별적인 성분들의 자화 방향들은 성분으로부터 성분까지의 방향에서 변한다. 종래의 영구 자석은 상기 배열의 반대편들에 북극 및 남극을 가지는 반면, 상기 배열에서 자화 방향을 성분으로부터 성분까지 적절하게 회전시킴으로써, 자석의 자속은 상기 배열의 일측에서만 거의 전체적으로 나오도록 굽어질 수, 즉, 채널링될 수, 있다. 이 경우에, 영구 자석들 또는 전자석들을 구성할 수 있는, 자석들의 고리 조립체는 내측 방향의 자속만을 또는 외측 방향의 자속만을 실질적으로 가지도록 제조될 수 있다. 장(場) 굽어짐(field bending)(자속 채널링으로 불리어지는)에 기인하여, 나오는 자속은 상기 시스템의 일측에 대해 크게 제한되지 않을뿐만 아니라, 마주보는 북극 및 남극을 갖는 종래의 자석에 비교하여 나오는 자속 밀도의 상당한 향상으로도 이끈다. 일부의 경우들에서, 본 발명에 따른 자속 채널링 배열에 의해 성취 가능한 장(場) 굽어짐은 2배로 향상될 수 있다.

[059] 원리상으로, 만일 장(場)-생성 회전자 시스템이 자속-채널링 배열, 마주보는 북극 및 남극을 갖는 종래의 자석들의 조립체 대신에, 예컨대, 삼각형(pie-shaped) 자기 세그먼트들을 포함하는 종래의 할바흐 배열을 갖는 것으로서 수행된다면, 동기식 기계의 힘은 상당히 향상된다. 종래의 시스템과 비교하여 자속-채널링 배열을 포함하는 시스템의 장점들은 도 2a에 예시된 종래의 자석 조립체에 대한 기능 및 도 2b에 예시된 자속 채널링 배열들을 포함하는 시스템에 대한 기능 사이의 비교로부터 명백하다.

[060] 도 2b는 완전한 할바흐 배열의 2개의 자기 폴들을 예시하며, 각각의 폴(pole)은 4개의 성분들(121)로 구성된다. 상기 배열의 각각의 삼각형(pie-sha -ped) 성분(121)은 다른 자화 방향을 갖는다. 영구 자석의 장(場) 강도는 상기 자석의 형태에 의존하며 상기 장(場)은 공기 대신에 근처의 강자성(强磁性) 물질의 존재에 강하게 의존한다. 상기 조립된 삼각형 세그먼트들에 대해 필드 라인들은 공기와 비교하여 강자성(强磁性) 물질의 더욱 낮은 자기(磁氣) 저항에 근거하여 세그먼트로부터 세그먼트까지 채널링된다. 한편, 만일 동일한 삼각형 성분이 공기에 있다면, 그 필드 라인들 중 일부는 그 성분 자체를 통해 복귀함으로써, 외부에서 측정될 수 있는 상기 장(場)을 감소시킨다. 만일 할바흐 배열의 모든 삼각형 성분들이 동일한 잔류 장(場) B_rem으로 자화된다면, 상기 조립된 시스템은 방정식 1 및 방정식 2에 의해 주어진 이상적인 필드 구성으로 매우 근접하게 될 수 있다.

[061] 완전한 할바흐 배열에서의 자속 채널링에 근거하여, 고리의 내부(1 22)상의 자속 밀도는 향상될 수 있고 외부(123)상의 자속 밀도는 제거될 수 있으며, 또는 그 역(逆)도 마찬가지이고, 그 경우에 상기 고리의 외부만이 임의의 자속 밀도를 보여준다. 그러나, 실제적으로, 각각의 세그먼트의 세로축 주위의 변하는 자화 방향들(121)을 갖는 삼각형 영구 자석들의 제조는 오히려 복잡하며, 시간을 많이 소비하고 값비싸다. 이것은 영구 자석들이 동일한 자화 방향들(12 1)과 직각으로 제조된다는 사실에 기인한다. 자화된 평행 6면체들은 그 다음으로 원하는 자화 방향을 얻기 위해 개별적으로 기계 가공된다. 영구 자석들의 취성(脆性)(brittleness) 및 강성(剛性)(hardness) 특성들 및 다른 강자성 물질들의 근처에서 작용하는 강력한 힘들에 근거하여, 제조 및 조립 공정들은 복잡하며, 많은 응용분야들에 대해 원하는 것보다 도전적이며(challenging) 덜 실제적이다.

[062] 게다가, 서로 대항하는 강력한 자력들의 존재하에, 도우넛(donut-like) 형상의 조각들을 조립한 다음, 그것들을 서로에 대해 결합하는 것은 복잡한 공정이다. 그 결과의 조립체는 그 다음으로 기계적인 견고성을 달성하기 위해 정상적으로 포장된다. 많은 응용분야들에 대해, 상기 조립체들의 최종 비용은 상기 결과의 장점들을 초과하여 종래의 기계의 크기를 증가시킴으로써 전력 및 토크를 증가시키는데 보다 경제적인 것으로 보인다.

[063] 그러나, 예시적인 실실예들에서, 모두 동일한 자화 방향들을 갖는(도 10 참조), 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하는, 본 발명에 따른 자속-채널링 배열들에서, 종래의 할바흐 배열들로부터 기대된 것과 같은 동일한 장점들을 산출하는 동기식 전기 기계들을 실현하는데 보다 실제적이며 경제적으로 실현 가능하다.

[064] 본 발명에 따른 예시적인 시스템(130)의 실시예는 도 3에 도시되어 있으며, 자속-채널링된 영구 자석 배열(107)은 장(場)-생성 회전자를 형성하기 위해 상기 기계의 축(104)에 부착되어 있다. 상기 자석 배열(107)의 표시는 도식적이다. 상기 자석 배열(107)의 4개의 표시된 써브세그먼트들은 이 세그먼트가 개별적인 자기 써브세그먼트들의 조립체임을 나타내는 것이다. 이것은 상기 자기 세그먼트들이 상기 조립체에 어떻게 위치되는지를 보여주지는 않는다. 상기 회전자로부터 방사상 외측으로 그리고 상기 회전자와 동축상으로 위치된, 동심의 죔쇠(103)의 도움으로, 향상된 방사상의 자속 밀도가, 상기 회전자의 장(場)과 상기 고정자 권선들(102W)이 위치되는 상기 죔쇠(103) 사이의, 공극(air gap), G에 생성된다.

[065] 전기 기계의 효율은 상기 죔쇠에서의 자화 손실들에 의해 강력하게 영향을 받으며, 이것은 상기 회전자의 회전하는 장(場)의 변하는 자장에 노출된다. 도 4에 도시된 시스템(135)에 대해, 상기 죔쇠가 상기 회전자에 기계적으로 결합된다면, 이러한 자화 손실들은 상당히 감소될 수 있다. 이 경우에, 상기 죔쇠(111)는 상기 회전자(108)와 동시에 회전하도록 기계적으로 결합되어, 자화가 상기 죔쇠(111)에 발생하도록 야기시키는 변하는 장(場)은 존재하지 않는다.

[066] 도 5에 도시된 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따르면, 자속-채널링된 배열(113)은, 상기 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 향하도록, 상기 고정자(102)의 외측에 위치되며, 자속-유도 쇠(flux-directing iron)(112)는 상기 중심축을 향하도록 상기 고정자(102)의 내측에 위치된다. 이러한 구성에서, 상기 기계의 동일한 치수들에 대해, 상기 고정자(102) 및 상기 회전자 자석 배열(113) 사이의, 상기 공극, G, 에서의 한층 높은 자속 밀도를 발생시키게 되므로, 더욱 높은 전력 및 토크 밀도를 발생시키게 된다. 또한, 도 6의 시스템(45)을 참고하자면, 상기 자속-유도 쇠(112)가 다시 상기 자속-채널링된 배열(113)에 기계적으로 결합되면, 상기 자속-유도 쇠(112)에서의 자화 손실들은 감소될 것이다.

[067] 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따르면, 도 7에 도시된 시스템(150)은 개별적인 자기 세그먼트들(110)을 포함하는 다른 하나의 자속-채널링 배열로 대체된 외부 죔쇠(예컨대, 도 3-도 6에 도시된)로 성취된 전기 기계에 대해 상기 공극(102)에서의 자속 밀도에서의 추가적인 개선을 예시한다. 이 경우에, 내부 자속-채널링 배열(109)은 외측 방향의 자속을 생성하며 상기 죔쇠를 대체하는 외부 자속-채널링 배열(110)은 내측 방향의 자속을 생성시킨다. 상기 마주보는 자속-채널링 배열들(109 및 110)은 다음을 제공한다: (i) 원하는 방사상 자속 방향, (ii) 내부 및 외부 자속-채널링 배열들의 중첩에 의해 주어지는 공극에서의 자속 밀도의 추가적인 향상, 및 (iii) 주변 자장의 추가적인 차폐(shielding)가 필요하지 않음. 상기 2개의 마주보는, 자속-채널링 배열들(109 및 110)은 상기 회전자(108)에 기계적으로 결합됨으로써 상기 축(104)에 결합된다.

[068] 마주보는 자속-채널링 배열들을 갖는, 죔쇠를 요구하는 기계 구성에 비해, 상기 공극에서의 더욱 높은 자속 밀도들이 가능해진다. 철은 2 테슬라(Tesla) 근처의 자기 포화를 보여주기 때문에, 상기 공극에서의 자속 밀도들은 이 값으로 제한되어야 하거나 상기 철은 그 목적을 상실하는 공기처럼 작용할 것이다. 2 테슬라(Tesla) 미만에서도, 상기 죔쇠의 두께는 상기 공극에서의 장(場)을 방사상 방향으로 향하게 하고 주변 자장을 포함하기 위해 상기 공극에서의 자속 밀도를 갖도록 증가해야 한다. 증가된 철의 두께는 자속 밀도에서의 증가로 인한 전력 및 토크 밀도에서의 증가와 대응하는 기계 중량의 증가를 초래한다. 마주보는 자속-채널링 배열들의 개념에 의해, 이 제한은 제거되며 수 테슬라의 공극에서의 자속 밀도들을 갖는 영구 자석들 대신에 초전도 2극 코일들의 사용이 실현 가능해진다.

[069] 미국특허출원 US2018/0226190호에서 할바흐 배열들에 대한 제조 공정이 설명되어 있으며, 여기서 전체 배열이 단일 단계에서 자화된다. 이것은 할바흐 고리 주위에서 방위각 위치의 함수로서 연속적으로 변하는 자속 방향을 생성하는 자화 코일들의 도움으로 성취된다(방정식 1 및 방정식 2 참조). 이 기술의 적용은 50 mm 및 200 mm 사이의 배열 직경 및 12 미만의 최대 극수(pole number)의 제한된 범위에 가장 적합하다. 네오디뮴(NdFeB), 와 같은 영구 자석 물질의 자화는 수 테슬라의 자속 밀도를 요구한다. 이것은 풍력 발전기들에 필요한 것과 같은, 크고 연속적인 할바흐 배열들의 제조를 비현실적으로 만든다. 상기 필요한 자화 코일들은 매우 큰 인덕턴스에 의해 매우 크게 된다. 수 테슬라의 자속 밀도를 갖는 필요한 펄스 자장을 생성시키는 것은 매우 높은 전압들 및 높은 전력을 필요로 한다. 충분한 방사상 두께로 20 이상의 극수를 필요로 하는 전기 기계들에 대한 고리들의 자화를 위한 추가적인 어려움이 존재한다. 상기 자화 공정에 필요한, 임의의 다극 코일의 내부 장(場)은 상기 시스템의 중심쪽으로의 점증 지수(increasing exponent)로 감소한다. 4극에 대해, 즉, 4개의 폴들(poles)을 갖는 시스템에 대해, 자속 밀도는 반경의 함수로서 선형 방식으로 감소한다. n 개의 폴들의 일반적인 경우에 대해, 상기 자속 밀도는 1/r^n-1로서 감소한다. 중심쪽으로의 자속 밀도의 급격한 감소에 기인하여, 주어진 반경 두께의 고리-형태의 자석의 내부에서의 자화를 위한 충분한 자속 밀도를 성취하는 것이 점차로 어려워지고 있다. 이러한 효과를 극복하기 위해, 매우 큰 자화 장(場)들이 방사 방향에서의 균일한 자화를 위한 필요한 자속 밀도로 상기 고리를 관통(penetrate)하는데 필요하다.

[070] 상기한 바와 같이, 삼각형의, 적절히 자화된 세그먼트들로 구성된 종래의 할바흐 배열들의 제조상의 복잡성은 그들의 광범한 응용을 방해해 왔다. 많은 응용분야들에 대해, 상기 조립체들의 최종 비용은 그 결과의 장점을 초과하며, 종래의 기계의 크기를 확대시킴으로써 전력 및 토크를 증가시키는 것이 보다 경제적이다.

[071] 본 발명에 따르면, 종래의 할바흐 배열들을 회전식 기계들에 포함시키는 제조상의 어려움들은 그 필요한 연속적인 고리 형상들(geometries) 또는 개별적인 삼각형의 조각들로 형성된 원통형 조립체들이 아닌 다른 구성들에 근거하여 회피될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 개별적인 영구 자석들 또는 원통형으로 형성된 표면, 즉, 원통형 평면의 윤곽을 따라 연장되어 있는 배열의 형태로 배열된 전류가 흐르는 정상적인 또는 초전도 코일들을 포함하는 자속-유도 자석 조립체를 제공한다. 상기 배열에서의 개별적인 자석들은 원통형 표면의 중심축과 평행한 방향으로 연장되어 있다.

[072] 도 8에 관해 설명하자면, 도 8의 단면도는 회전식 전기 기계 또는 자기(磁氣) 기어로서 동작을 위해 적합한 동심 배열 형태의 2개의 자속-유도 자시 조립체들을 예시한다. 원들(303)의 각각은, 여기에는 자기 세그먼트로서 설명된, 막대-형태의 영구 자석 또는 2극 코일이다. 유리한 실시예에서, 고리들 중 하나에서의 모든 자기 세그먼트들(303)은 동일한 자화들(magnetizations)과 동일하다. 그러나, 상기 성분들은 자속 채널링을 위해 필요한 자화 방향을 발생시키기 위해 서로에 대해 회전된다. 각각의 개별적인 자기 세그먼트의 필요한 자화 방향은 화살표에 의해 표시된다. 내부 고리(302)의 자기 세그먼트들은 또한 외부 고리(300)의 성분들과 동일할 수 있다.

[073] 예시된 실시예는 2중 회전자 모터 또는 발전기로서 동작을 위해 적합하다. 다른 실시예들은 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 단일 회전자를 갖는 기계에 적용 가능한 단일-유도 자석 조립체를 구성할 수도 있다. 도 8에 관해 설명하자면, 각각의 자속-유도 자석 조립체(300 및 302)는 코일들 또는 막대형 성분들, 폴(pole) 세그먼트들이라 설명된, 의 형태의 일련의 영구 자석들을 포함할 수도 있다. 상기 세그먼트들이 영구 자석들인 실시예들에 대해, 상기 세그먼트들은 서로 이격(離隔)될 수도 있으나, 인접한 폴 세그먼트들의 표면들, 장변들(major side -s)로서 설명된, 은 서로 인접하거나 접촉할 수도 있다. 도 8의 도면은 막대형 세그먼트들의 각각의 배열에 공통적인 대칭 구조의 원통형 축에 대한 횡단면을 따라 취해진 도면이다. 동심의 쌍에서의 막대형 세그먼트들의 내부 배열(302)은 방사상으로 외측으로-유도된 자속을 투사하며, 동심의 쌍에서의 외부 배열(300)은, 표시된 자화 방향들에 의해 결정된, 방사상으로 내측으로-유도된 자속을 투사한다. 막대형 자기 성분들의 각각의 예시적인 배열(300 및 302)은 개별적인 자기 막대형 세그먼트들의 적절한 자화 방향들을 갖는 자속-유도 자기 조립체로서 구성된다. 도 8에 도시된 실시예는 5개의 폴 쌍들을 갖는 장(場)을 발생시킨다. 개별적인 자석들의 각각의 조립체는 대칭축의 방향으로 원통형 평면내에 연장되어 있다. 내부 자기 배열(302)에 대해, 외측으로 투사된 자속에 의해, 각각의 폴은 3개의 세그먼트들을 구성한다. 상기 외부 자기 배열(300)에서, 각각의 폴은 5개의 세그먼트들을 구성한다. 표시된 자화 방향들은 방정식 1 및 방정식 2에 의해 얻어질 수 있으며, 상기 방정식들은 편의를 위해 여기에 다시 표시된다:

방정식 1 및 방정식 2에 의해 주어진 이상적인 구성은 폴(pole)당 세그먼트들의 큰수에 의해 가장 적합하게 실현된다. 그러나, 폴당 5개의 세그먼트들이 본 발명의 실시를 위한 이상적인 구성의 적합하게 근접한 접근방법을 제공할 수 있다고 보여질 수 있다.

[074] 도 8에 도시된 막대형 세그먼트들의 2개의 배열들(300 및 302)의 동심의 배열은 동기식 전기 기계들용의 회전자로서 사용될 수 있으며 그 근본적인 개념들은 또한 자기 기어들의 동작에 대해 적용될 수도 있다. 모터 응용분야들에서, 상기 고정자 권선들은 막대형 자기 세그먼트들의 내부 배열(302) 및 외부 배열(300) 사이의 공극에 위치될 것이다. 상기 고정자 전류는 도면이 취해지는 상기 평면에 수직인 방향으로 흐르기 때문에, 상기 동심의 마주보는 배열들은 각각 최적화된 토크에 필요한 방사상으로 유도된 자속 밀도를 발생시키며, 상기 고정자 권선에서의 도체에서의 로렌쯔 힘들(Lorentz forces)은 상기 도체에 흐르는 전류 및 그 주위의 자속의 곱셈(cross-product) F = IХB 에 의해 주어진다.

[075] 전기 기계들의 실제적인 응용들에 대해, 자기 기어들은 이러한 막대형 성분들의 동심의 배열들을 포함하며, 폴 쌍들(pole pairs)의 수, 폴(pole)당 세그먼트들의 수, 개별적인 자석들의 단면에서의 형태들, 2개의 자석 배열들 사이의 공극, 및 상기 배열들의 방사상 두께는 각각 최상의 가능한 자속 채널링을 위해 최적화될 수 있다.

[076] 자속-유도 자석 배열에서의 각각의 막대형 자석, 즉, 영구 자석 또는 2극 코일, 의 형태는, 단면으로 도시될 때, 다양한 대칭 또는 비대칭 형태일 수도 있다.

[077] 일 실시예에서, 상기 막대형 자기 세그먼트들은 각각의 자속-유도 자석 조립체의 원통형 배열 패턴을 종합적으로 형성하는 동일한 그리고 균일하게 이격(離隔)된 일련의 원통들이다. 이 예에서, 상기 영구 자석들은 각각 원통형 형태의 축방향에 대해 수평인 자화 방향을 갖고, 상기 자석들은, 종래의 할바흐 배열에서의 패턴과 유사한, 그리고 임의의 특정 다극 구성, n, 에 대한, 상기 폴들을 따른 자화 방향들의 주기적으로 편이하는 패턴에 대한 필요한 자화 방향을 제공하기 위해 상기 조립체 주위의 위치의 함수로서 개별적으로 회전될 수도 있다.

[078] 예시적인 막대형 영구 자석들(도 8에 원통형으로 도식적으로 도시된)은 각각 일련의 개구들(apertures) 또는 보어 홀들(bore holes)(601)에 삽입된다. 상기 개구들은, 도 9에 도시된 것과 같은, 원통형 지지 구조(600)에 형성될 수도 있다. 상기 지지 구조는 그안의 영구 자석 세그먼트들의 삽입을 위한 정밀한 개구들(precision apertures)(601)을 갖는 스탬프된 박판들로 제조될 수 있다. 상기 적층된 박판들은 상대적으로 낮은 비용으로도 0.01 mm 정도의 정밀도로 제조될 수 있다. 이 박판들의 물질은 비자성일 수 있으며, 예컨대, 대개 비교적 높은 강도, 낮은 밀도 지지 구조를 제공하기 위해 티타늄을 포함할 수 있다.

[079] 모터의 여기(excitation) 동안, 자속-유도 자기 세그먼트들의 예시된 동심의 배열들에서의 개별적인 자석들은 작용하는 로렌쯔 힘들(Lorentz forces)에 반응하여 원통형 지지 구조들내에서 그들의 위치들의 회전을 부여할 수 있는 토크들을 경험한다. 상기 회전들은, 예컨대, 도 10에 도시된 타원형 단면을 갖는 자석들을 사용함으로써, 방지될 수 있으며, 상기 지지 구조의 개구들은 작용하는 로렌쯔 힘들 하에 상기 막대형 자기 세그먼트들을 잠그는 형태들을 갖는다. 선택적으로, 상기 막대형 자석들은, 임의의 회전 또는 축상 운동을 방지하기 위해, 예컨대, 적절한 에폭시에 의해, 상기 지지 구조에 화학적으로 결합되며, 또는 단면으로 원형일 수도 있는, 장변들의 표면들은 상기 지지 구조에서의 맞춰지는 열쇠 구멍에서 서로 맞물리는 키를 포함할 수도 있다.

[080] 설명된 실시예들의 특징은 상기 배열들이, 가장 높은 유용한 품질(grade)(예컨대, N52)의 NdFeB 를 포함하는, 임의의 유용한 영구 자석 물질로 제조될 수 있는 형태의 개별적인 자석들을 포함할 수도 있다는 점이다. 영구 자석 제조 및 자화 공정들의 추가적인 개발은 필요하지 않다. 공극에서의 아주 큰 자속 밀도 B_R(방정식 3 참조)를 요구하는 가장 높은 전력 및 토크 밀도들을 갖는 응용분야들에 대해, 초전도 2극 코일들이 자기 성분들로서 사용될 수 있다. 2개의 고리들의 모든 코일들이 직렬로 될 수 있는 경우에, 또는 원한다면, 외부 고리에서의 전류는 내부 고리에서의 전류와는 다를 수 있다.

[081] 도 11의 부분적인 도면에서의 복수의 보어 홀들(bore holes)에서의 하나에 대해 도시된, 축 방향에서의 상당한 세그먼트 길이를 갖는 배열들을 요구하는 구성들에 대해, 영구 자석들(400)의 다수의 개별적인 써브세그먼트들이 박판화된 지지 구조(401)에서의 각각의 보어 홀 내에 양단간으로(end-to-end) 삽입될 수 있다. 다수의 자석들을 동일한 개구에 위치시키기 위해 반발력(反撥力)(repulsive forces)이 극복될 필요는 없으며, 동일한 개구에 양단간으로 삽입된 상기 자석들은 함께 결합될 필요는 없다.

[082] 이격(離隔)된 자기 성분들의 설명된 개별적인 배열들이 개별적인 삼각형의 조각들로 형성된 종래의 할바흐 배열들에 대비하여 상당히 더욱 높은 기계적인 견고성(robustness)을 갖도록 기대되므로, 높은 RPM 에서 동작하는 전기 기계들에 대해 아주 적합하다. 종래의 할바흐 배열들은 함께 접착된 그리고 전형적으로 섬유 유리 에폭시로 포장된 불안정한 물질의 세그먼트들로 구성된다.

[083] 종래의 할바흐 배열와 비교될 때, 설명된 개별적인 자속-유도 자석 조립체의 제조는 보다 경제적인 공정이며, 그에 의해 자속이 작은 공극에 재유도된다. 특히, 상기 조립체에서의 모든 막대형 자기 세그먼트들은 동일할 수 있다. 긴 축상 길이들을 갖는 자기 세그먼트들이 더욱 짧은 개별적인 자석들로 조립된다면, 선별 공정(sorting process)이 고리 내의 모든 막대들이 동일한 자장들을 갖는 것을 보장하기 위해 적용될 수 있다. 영구 자석들의 제조에서, 자석간의 수 %의 잔류 장(場)에서의 변화들이 전형적으로 발견된다. 모든 자석들을 측정하고 선별함으로써, 막대들간의 장(場) 강도들에서의 변화들이 최소화될 수 있음으로써, 상기 기계의 토크 리플(torque ripple)을 회피할 수 있다.

[084] 임의의 크기의 그리고 공극에서의 가장 높은 자속 밀도를 갖는 경제적인 개별적인 자속-유도 자기 조립체들의 제조상의 실현 가능성은 미국특허 3,378,710호에 설명된 것과 같은 자기 기어 박스들에 아주 적합한 이 기술을 가능하게 한다.

[085] 도 12는 자속-채널링된 자기 조립체들을 포함하는 1쌍의 동심의 원통형 배열들(500 및 502)에서의 개별적인, 이격(離隔)된, 막대형 자기 세그먼트들(505)의 다른 하나의 실시예를 도식적으로 예시한다. 다수의 강자성(强磁性)(ferromagnetic) 세그먼트들(504)을 포함하는, 제3 고리(503)는 2개의 자속-채널링 자석 배열 고리들 사이의 갭(gap)에 위치된다. 상기 예시된 실시예는 영구 자석들을 포함하는 2개의 고리들(500 및 502) 및 강자성 세그먼트들(503)을 갖는 삽입된 고리를 포함한다. 상기 2개의 고리들은 자속 채널링 조립체들이다.

[086] 도 12는 상기 2개의 배열들의 공통 대칭축에 대한 횡단면을 따른 단면도이다. 각각의 원통형 배열에서의 성분들(505)은 이전의 도면들(도 8 및 도 10)에서처럼 2개의 가상의 동심의 원통면들중 하나를 따라 연장되어 있다. 상기 공통축 주위의 상기 배열들중 하나의 회전 동안, 다른 고리들에서의 자석들(505) 및 강자성 세그먼트들(504)이 서로 접근함에 따라, 상기 다른 성분들은 서로 흡인 또는 반발하며, 2개의 회전 가능한 고리들상의 기계적인 기어들의 맞물리는 톱니(meshing teeth)와 기능적으로 유사한 성질들을 나타낸다. 자기 성분들의 배열들이 종래의 기계적인 기어의 것과 유사한 운동 비(比)를 제공하지만, 상기 자기 기어들은 서로 접촉하지 않고서도 동작한다. 그러므로 그것들은 상호 작용하는/맞물리는 표면들의 기계적인 마모(mechanical wear)에 영향을 받지 않으며 잡음도 생성하지 않는다. 상기 기어들은 손상없이도 미끄러질 수도 있다. 자기 성분들의 내부 및 외부 배열들상의 동일한 수의 폴 쌍들(pole pairs)에 의해, 상기 시스템은 허용 가능한 최대 토크 전달(torque transfer)을 갖는 종래의 클러치처럼 동작한다. 부분적으로는, 종래의 조립체들은 죔쇠를 요구하고 공극에서의 동일한 높은 자속 밀도를 산출하지 않기 때문에, 상기 개별적인 자속-유도 자석 조립체들은 종래의 북(北)-남(南) 자석 조립체들에 비해 유리한 기어 시스템을 제공한다. 본 발명은 높은 토크 전달 밀도(torque transfer density)를 갖는 비용면에서 경제적인 자기 기어 시스템을 제공한다.

[087] 상기 자기 기어링(magnetic gearing)은 동기식 전기 기계들의 설명된 실시예들과 결합될 수 있다. 아주 낮은 RPM, 즉, 20 미만의 RPM, 을 갖는 풍력 발전기의 경우에, 상기 자기 기어들은 풍력-구동 프로펠러에 연결될 수 있지만, 자기 기어들의 사용으로, 발전기는 상당히 높은 RPM에 의해 구동될 수 있다. 전기 기계들의 힘은 상기 RPM에 비례하기 때문에, 상기 발전기의 크기는 그에 따라 감소될 수 있으며, 상기 발전기의 증가된 출력 주파수는 필요한 정류(整流)(rectification)를 가능하게 한다. 풍력 발전기들에서의 기계적인 기어 박스들은 전체 시스템의 가장 짧은 평균 고장 시간격(平均故障時間隔)을 갖는 성분을 구성하는 것으로 발견되어져 왔기 때문에, 고유 미끄러짐 능력(intrinsic slippage capability)을 갖는 자기 기어는 신뢰성을 상당히 개선시킨다.

[088] 본 발명은 상기 기술을 제한된 응용분야들에 제약한 제약 없이도 자속 채널링의 사용을 가능하게 한다.

[089] 도 2b는 완전한 할바흐(Halbach) 배열의 2개의 자기 폴들(magnetic poles)을 예시하며 여기서 각각의 폴은 4개의 성분들(121)로 구성된다. 상기 배열의 각각의 삼각형의 성분(121)은 다른 자화 방향(magnetization orientation)을 갖는다. 영구 자석의 장(場) 강도는 상기 자석의 형태에 의존하며 상기 장(場)은 공기 대신 근처의 강자성 물질의 존재에 강하게 의존한다. 상기 조립된 삼각형 세그먼트들에 대해 필드 라인들(field lines)은 공기에 비해 강자성 물질의 더욱 낮은 자기(磁氣) 저항에 근거하여 세그먼트간에 채널링된다. 한편, 만일 동일한 삼각형 성분이 공기중에 있다면, 그 필드 라인들중 일부는 그 성분 자체를 통해 복귀함으로써, 외부에서 측정될 수 있는 장(field)을 감소시킨다. 임의의 자화 방향들을 갖는 삼각형 조각들(121)은 그들의 자화 방향에 대한 대칭 구조를 갖지 않는다. 이러한 파괴된 대칭성 때문에, 도 2b에 도시된 다른 자화 방향들을 갖는 접촉하지 않는 조각들은 그들의 내부 및 외부 자속 밀도들에서의 상당한 차이를 보여줄 것이다. 결과적으로, 도 2b에 도시된 다른 자화 방향들을 갖는 접촉하지 않는 조각들은 동일한 최대 장(場) 강도를 보여주지는 않을 것이다. 그러나, 만일 할바흐 배열의 모든 삼각형 성분들이 동일한 잔류 장(場) B_rem으로 자화되고, 도 2B에 도시된 것과 같이 서로 접촉한다면, 상기 조립된 시스템은 방정식 1 및 방정식 2에 의해 주어진 이상적인 장(場) 구성에 대한 아주 양호한 접근방법일 수 있다.

[090] 일 실시예에서, 회전식 기계에서의 사용을 위한 배열은 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들을 포함한다. 상기 배열에서의 배치(placement) 이전과 같이, 상기 세그먼트들이 이격될 때, 각각의 세그먼트들은 동일한 최대 장(場) 강도를 갖는 폴(pole)을 포함한다. 상기 세그먼트들이 (i) 그 배열을 따라 회전된 장(場)들을 갖도록 원주형 배열에 연속으로 형성될 때, 그리고 (ii) 상기 장(場)들이 서로 상호 작용하기 위해 각각의 세그먼트가 상기 배열을 따라 다음의 세그먼트에 충분히 근접하게 연속으로 위치되도록 형성될 때, 자속 채널링이 초래될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들중, 발생하는 자속 채널링에 대해 상기 세그먼트들은 서로 물리적으로 접촉할 수도 있거나 또는 상기 배열에서 서로 인접한 세그먼트들 사이의 장(場)들이 상호 작용하여 자속 채널링을 초래하도록 충분히 근접하게 이격(離隔)될 수도 있다.

091] 발명은 특정 실시예들을 참조하여 설명되어져 왔지만, 이 기술분야에서의 통상의 기술자는 다양한 변형들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서도 이루어질 수도 있고, 등가물들이 그 성분들과 대체될 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 회전자 102 : 고정자
103 : 죔쇠(back iron) 104 : 회전축

Claims

프레임;
제1 회전자 및 고정자 권선;
을 포함하고,
상기 제1 회전자 및 상기 고정자 권선중 각각은 프레임을 따른 방향으로 연장되어 있는 중심축 주위에서 다른 것에 대해 동축이고, 상기 고정자는 상기 프레임에 고정적으로 부착되며 상기 제1 회전자는 상기 프레임 및 상기 고정자 권선에 대한 회전을 위해 상기 프레임에 부착되고, 상기 제1 회전자 및 상기 고정자 권선은 각각 상기 중심축을 따라 연장되어 있는 원주 방향의 표면을 갖으며, 상기 제1 회전자는 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하고, 각각의 세그먼트는:
(i) 그 폭에 대해 길쭉한 길이를 갖고, 상기 중심축과 평행한 방향으로 그 장변(major side)을 따라 연장되어 있고,
(ii) 최대 장(場) 강도 방향 및 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하는 유사한 특징적인 장(場) 분포를 갖는 폴(pole)을 포함하며,
(iii) 횡단면에서 미리 결정된 형태를 갖는 표면을 갖고, 상기 최대 장(場) 강도 방향은 그로부터 외측으로 향하며, 상기 표면 주위로 상기 세그먼트는 상기 중심축 주위에 원주 방향으로 위치한 유사한 자기 세그먼트들의 제1 배열에서 고정된 배치(placement) 이전에 회전 가능하고,
(iv) 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들의 장변들에 평행한 방향으로 연장되어 있는 그 장변과 고정적으로 배열되어 있으며,
(v) 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들과 결합하여, 상기 중심축을 향하는 내측 및 상기 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 향하는 외측을 갖는 자기 세그먼트들의 상기 제1 원주형 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 중심축을 따라 연장되어 있고, 및
(vi) 다른 세그먼트들로부터의 장(場)들을 부가적으로 결합 또는 감소시킴으로써 상기 제1 원주형 배열 구조 주위에 순(純) 장(場) 강도들(net field strengths)을 부여하기 위해 1개 이상의 다른 세그먼트들과 충분히 근접하게 위치되고, 증가된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 하나에 초래되는 반면, 감소된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 다른 하나에 초래되는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들의 상기 장변들은 원통형의 형태 또는 타원형의 형태여서 횡단면에서의 미리 정해진 형태가 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제1항에 있어서,상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들의 장변들은 축상으로 대칭인 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 제1 배열에서의 모든 자기 세그먼트들은 오로지 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들로 구성되는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 제1 배열에서의 모든 세그먼트들은 2극 자석들인 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제1항에 있어서, 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열은 자장(磁場) 패턴들의 회전 가능하게 편이된 각도 방향들(angular orientations)을 포함하는 성분들의 시퀀스를 제공하도록 구성되며, 상기 시퀀스를 따라, 상기 개별적인 자기 세그먼트들의 다른 것들중 필드 폴들의 각도 방향들은 상기 중심축에 수직인 방향으로 상기 시퀀스에서 위치의 함수로서 회전됨으로써, 최대 필드 강도 방향들에서의 회전들을 포함하여, 상기 필드 폴들의 각도 방향들에서의 일련의 회전들을 제공하는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제6항에 있어서, 상기 배열의 내측 또는 외측중 다른 하나에서의 상기 감소된 자장 강도에 대한 상기 배열의 내측 또는 외측중 하나에서의 상기 증가된 자장 강도는 상기 필드 폴들의 각도 방향들에서의 회전들의 상기 시퀀스로부터 기인하는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제6항에 있어서, 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열은 자장(磁場) 패턴들의 각도 방향들에서의 회전성 편이들의 상기 시퀀스에 구성되며, 상기 시퀀스에서의 다른 자기 세그먼트들중, 그리고 자기 세그먼트들의 상기 제1 원주형 배열이 상기 중심축 주위로 회전할 때, 상기 증가된 자장 강도와 연관된 필드 성분(field component)은 주로 토크 생성을 위해 상기 고정자 권선의 필드 성분과 상호 작용하는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제2항에 있어서, 상기 제1 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, 상기 n 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이(rotational shift)에 의해 특징지어지는 동기식 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 제1 배열이 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, n 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트보다 적은 수의 세그먼트들중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이(rotational shift)에 의해 특징지어지는 동기식 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 제1 배열에서의 자기 세그먼트들의 장변들은 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 제1 배열에서의 자기 세그먼트들의 장변들은 서로 접촉되는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제1항 또는 제20항에 있어서, 상기 고정자 권선은 내부 고정자 권선 거리 Wi 및 외부 고정자 권선 거리 Wo 사이에 연장되어 있고, 각각의 고정자 권선 거리 Wi 및 Wo 는 상기 중심축으로부터 측정되며,
상기 제1 회전자는 내부 거리 IRi 및 외부 거리 IRo 사이에 연장되어 있는 내부 회전자, IR이고, 각각의 거리 IRi 및 IRo는 상기 중심축으로부터 측정되며, 여기서 IRo< Wi이고,
상기 기계는, 상기 내부 회전자, IR에 대한 외부 회전자로서 위치된, 그리고 상기 프레임 및 상기 고정자 권선에 대한 회전을 위해 상기 프레임에 부착된, 외부 회전자, OR를 추가로 포함하며, 상기 제2 회전자, OR는 외부 회전자 내부 거리 ORi 및 외부 회전자 외부 거리 ORo 사이에 연장되어 있고, 각각의 거리 ORi 및 ORo 는 상기 중심축으로부터 측정되며, 상기 외부 회전자, OR는 상기 중심축을 따라 연장되어 있는 원주형 또는 원통형 표면을 갖고,
상기 외부 회전자, OR는 제2 복수의 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하며, 특징적인 필드 패턴을 갖는 상기 제2 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 각각의 세그먼트는:
(i) 서로에 대해 공간적으로 평행한 방향들에서 고정적으로 배열되고,
(ii) 제2 원주형 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 축을 따라 연장되어 있으며,
(iii) 제2 안정화 구조에 위치 가능하고, 및
(iv) 토크 생성을 위해 상기 고정자 권선과 상호 작용하기 위해 상기 중심축 주위로 회전 가능한 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제13항에 있어서, 자기 세그먼트들의 상기 제2 배열은 자장(磁場) 패턴들의 회전식 편이 각도 방향들을 포함하는 성분들의 시퀀스를 제공하도록 구성될 수도 있으며, 필드 패턴들의 상기 각도 방향들은 다른 자기 성분들중에서 상기 중심축에 대해 수직인 방향들에서 회전하는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제14항에 있어서, 상기 필드 패턴들의 공간적인 회전은, 상기 제2 배열의 내측 또는 외측 중 하나에 증가된 자장 강도를 제공하는 반면, 상기 제2 배열의 내측 또는 외측 중 다른 하나에 감소된 자장 강도를 제공하는 방식으로, 상기 자속을 구성하는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제13항에 있어서, 상기 제1 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, 상기 n 개의 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 상기 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 상기 다음의 성분의 상기 필드 패턴의 상기 각도 방향에 대해 상기 각도 방향에서의 회전식 편이에 의해 특징지어지는 동기식 전기 기계.
제16항에 있어서, 상기 제2 배열은 m 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, 상기 m 개의 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 상기 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 상기 다음의 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대해 상기 각도 방향에서의 회전식 편이에 의해 특징지어지는 동기식 전기 기계.
제13항에 있어서, 상기 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, 상기 n 개의 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트보다 적은 수의 세그먼트들중의 상기 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 상기 다음의 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대해 상기 각도 방향에서의 회전식 편이에 의해 특징지어지는 동기식 전기 기계.
제20항에 있어서, 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들의 아무 것도 동일한 자화된 성분들로서 형성된 다음, 상기 동일한 성분들로부터 다른 형태들로 형성되거나 기계 가공된 다음, 상기 최대 장(場) 강도 방향이 상기 성분 형태들 주위에서 위치의 함수로서 변하는 일련의 다르게 형성된 성분들로서 순서화되지 않는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
프레임;
제1 회전자 및 고정자 권선;
을 포함하고,
상기 제1 회전자 및 상기 고정자 권선 중 각각은 상기 프레임을 따른 방향으로 연장되어 있는 중심축 주위에서 다른 것에 대해 동축이고, 상기 고정자 권선은 상기 프레임에 고정적으로 부착되며 상기 제1 회전자는 상기 프레임 및 상기 고정자 권선에 대한 회전을 위해 상기 프레임에 부착되고, 상기 제1 회전자 및 상기 고정자 권선은 각각 상기 중심축을 따라 연장되어 있는 원주 방향의 표면을 갖으며, 상기 제1 회전자는 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하고, 각각의 세그먼트는:
(i) 그 폭에 대해 길쭉한 길이를 갖고, 상기 중심에 평행한 방향으로 그 장변(major side)을 따라 연장되어 있고,
(ii) 최대 장(場) 강도 방향 및 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하는 유사한 특징적인 장(場) 분포를 갖는 폴(pole)을 포함하며,
(iii) 횡단면에서 미리 결정된 형태를 갖는 표면을 갖고, 상기 최대 장(場) 강도 방향은 그로부터 외측으로 향하며, 상기 표면 주위로 상기 세그먼트는 상기 중심축 주위에 원주 방향으로 위치한 유사한 자기 세그먼트들의 제1 배열에서 고정된 배치(placement) 이전에 회전 가능하고,
(iv) 상기 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들의 장변들에 평행한 방향으로 연장되어 있는 그 장변과 고정적으로 배열되어 있으며,
(v) 유사한 특징적인 최대 장(場) 강도 방향을 갖는 폴(pole)을 포함하고,
(vi) 제1 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들과 결합하여, 유사한 자기 세그먼트들의 상기 제1 원주형 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 중심축과 평행한 방향으로 연장되어 위치되며, 상기 배열은 상기 시퀀스에서의 위치의 함수로서 서로에 대해 회전된 자기 세그먼트들의 상기 폴들(poles)을 갖는 시퀀스로 구성되고, 이것은 상기 자기 세그먼트들중 상기 필드 폴들의 각도 방향들에서의 편이들을 초래하는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제20항에 있어서, 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들의 장변들은 원통형 또는 타원형이어서 횡단면에서의 상기 미리 결정된 형태가 원통형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제20항에 있어서, 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들중 각각의 세그먼트의 각각의 장변은 축상으로 대칭인 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제20항에 있어서, 상기 제1 배열은 단지 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 개별적인 자기 세그먼트들로 구성되는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제20항에 있어서, 상기 제1 배열에서의 모든 세그먼트들은 2극 자석들인 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제20항에 있어서, 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다수의 세그먼트들이 삼각형 형상의 성분들이 아니며 상기 최대 필드 강도 방향이 상기 성분 형태들 주위의 위치의 함수로서 변하는 비대칭적 형태의 성분들로 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제20항에 있어서, 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다수의 세그먼트들은 자화후 비대칭적으로 형성된 성분들로 형성되지 않아 상기 최대 필드 강도 방향이 상기 형성된 성분들 중 다른 것들 주위에서 위치의 함수로서 변하될 수 있는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제20항에 있어서, 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 상기 세그먼트들중 아무 것도 자화된 다음, 형성되거나 기계 가공된 다음, 일련의 성분들로서 순서화되지 않으며, 그들 중에서 상기 최대 필드 강도 방향이 상기 성분 형태들 주위에서 위치의 함수로서 변하는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제20항에 있어서, 자기 세그먼트들의 상기 제1 원주형 배열은 상기 축을 향하는 내측 및 상기 축으로부터 멀어지는 방향으로 향하는 외측을 갖고, 증가된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 하나에 초래되는 반면, 감소된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 다른 하나에 초래되는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제28항에 있어서, 자기 세그먼트들의 상기 제1 원주형 배열이 상기 중심축 주위로 회전할 때, 상기 증가된 자장 강도를 나타내는 상기 배열의 측면상의 상기 장(場)은 주로 토크 생성을 위한 상기 고정자 권선의 장(場)들과 상호 작용하는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제20항에 있어서, 상기 편이들은 상기 증가된 자장 강도를 초래하는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제28항에 있어서, 그안에 일련의 개구들을 갖고 원통형 평면을 따라 형성된 지지 구조를 추가로 포함하며, 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 각각의 세그먼트는 그 편이들을 제공하기 위해 상기 개구들 중 하나내에 회전 가능하게 위치되는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제31항에 있어서, 상기 지지 구조는 서로에 대해 결합된 일련의 스탬프된 박판들(stamped laminations)을 포함하며 상기 박판들은 비자성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제20항에 있어서, 상기 고정자 권선은 내부 고정자 권선 거리 Wi 및 외부 고정자 권선 거리 Wo 사이에서 연장되어 있고, 각각의 고정자 권선 거리 Wi 및 Wo는 상기 중심축으로부터 측정되며,
상기 제1 회전자는 내부 거리 IRi 및 외부 거리 IRo 사이에서 연장되어 있는 내부 회전자, IR이며, 각각의 거리 IRi 및 IRo 는 상기 중심축으로부터 측정되며, 여기서 IRo<Wi이고,
상기 기계는, 상기 내부 회전자, IR에 대한 외부 회전자로서 위치된, 그리고 상기 프레임 및 상기 고정자 권선에 대한 회전을 위해 상기 프레임에 부착된, 외부 회전자, OR를 추가로 포함하며, 상기 제2 회전자, OR는 외부 회전자 내부 거리 ORi 및 외부 회전자 외부 거리 ORo 사이에 연장되어 있고, 각각의 거리 ORi 및 ORo는 상기 중심축으로부터 측정되며, 상기 외부 회전자, OR는 상기 중심축을 따라 연장되어 있는 원주형 또는 원통형 표면을 갖고,
상기 외부 회전자, OR는 제2 복수의 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하며, 특징적인 필드 패턴을 갖는 상기 제2 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 각각의 세그먼트는:
(i) 서로에 대해 공간적으로 평행한 방향들에서 고정적으로 배열되고,
(ii) 제2 원주형 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 축을 따라 연장되어 있으며,
(iii) 제2 안정화 구조에 위치 가능하고, 및
(iv) 토크 생성을 위해 상기 고정자 권선과 상호 작용하기 위해 상기 중심축 주위로 회전 가능한 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제33항에 있어서, 자기 세그먼트들의 상기 제2 배열은 자장(磁場) 패턴들의 회전식 편이 각도 방향들을 포함하는 성분들의 시퀀스를 제공하도록 구성되며, 필드 패턴들의 상기 각도 방향들은 상기 중심축에 수직인 방향으로 다른 자기 성분들중에서 회전하는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제34항에 있어서, 상기 필드 패턴들의 상기 공간적인 회전은, 상기 배열의 내측 또는 외측중 하나에 증가된 자기 필드 강도를 제공하는 반면, 상기 배열의 내측 또는 외측중 다른 하나에 감소된 자기 필드 강도를 제공하는 방식으로 상기 자속을 구성하는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제33항에 있어서, 상기 제1 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며 상기 n 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 상기 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 상기 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이(rotational shift)에 의해 특징지어지는 동기식 전기 기계.
제36항에 있어서, 상기 제2 배열은 m 개의 자기 세그먼트들을 포함하며 상기 m 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 상기 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 상기 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어지는 동기식 전기 기계.
제33항에 있어서, 상기 제2 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, 상기 n 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트보다 적은 수의 세그먼트들중의 상기 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 상기 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어지는 동기식 전기 기계.
제1항에 있어서, 상기 제1 회전자의 상기 제1 배열에서의 상기 제1 복수의 자기 세그먼트들로부터 방사상으로 내측으로 위치되며 상기 제1 회전자와 동축인, 자속 유도 내부 죔쇠를 추가로 포함하며, 상기 고정자의 권선들은 상기 제1 회전자 및 상기 내부 죔쇠 사이의 공극을 따라 연장되도록 상기 제1 회전자 및 상기 내부 죔쇠 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제1 회전자 및 고정자 권선을 프레임 주위에 부착하는 단계를 포함하며,
상기 제1 회전자 및 상기 고정자 권선중 각각은 상기 프레임을 따른 방향으로 연장되어 있는 중심축 주위에서 다른 것에 대해 동축이며, 상기 고정자 권선은 상기 프레임에 고정적으로 부착되고 상기 제1 회전자는 상기 프레임 및 상기 고정자 권선에 대한 회전을 위해 상기 프레임에 부착되며, 상기 제1 회전자 및 상기 고정자 권선은 각각 상기 중심축을 따라 연장되어 있는 원주형 표면을 갖도록 형성되고, 상기 제1 회전자는 제1 배열에 구성된 최소한 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들로 형성되며, 각각의 세그먼트는:
(i) 그 폭에 대해 길쭉한 길이를 갖고, 상기 중심축과 평행한 방향으로 장변(major side)을 따라 연장되어 있고,
(ii) 최대 장(場) 강도 방향 및 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하는 유사한 특징적인 장(場) 분포를 갖는 폴(pole)을 포함하며,
(iii) 횡단면에서 미리 결정된 형태를 갖는 표면을 갖고, 상기 최대 장(場) 강도 방향은 그로부터 외측으로 향하며, 상기 표면 주위로 상기 세그먼트는 상기 중심축 주위에 원주 방향으로 위치한 유사한 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열에서 상기 세그먼트의 고정된 배치 이전에 축상으로 회전 가능하고, 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열은 상기 중심축을 향햐는 내측 및 상기 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 향하는 외측을 갖고,
(iv) 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들의 장변들이 연장되어 있는 방향들에 평행한 방향으로 연장되어 있는 그 장변과 고정적으로 배열되어 있으며, 및
(v) 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들과 결합하여, 유사한 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 중심축과 평행한 방향으로 연장되어 위치되며, 상기 제1 배열은 상기 제1 시퀀스에서 위치의 함수로서 서로에 대해 회전된 상기 자기 세그먼트들의 필드 폴들(poles)을 갖는 제1 순서 시퀀스로서 구성되고, 이것은 상기 제1 시퀀스에서의 상기 자기 세그먼트들중 상기 필드 폴들(poles)의 각도 방향들에서의 편이들을 초래하며, 상기 편이들은 상기 제1 배열의 일측에 증가된 자장 강도를 초래하는 반면, 상기 제1 배열의 타측에 더욱 낮은 자장 강도를 초래하는 것을 특징으로 하는 동기식 기계의 조립방법.
최소한 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하며 중심축을 따라 연장되어 있는 최소한 제1 배열 구조;
를 포함하고,
상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 각각의 세그먼트는:
(i) 그 폭에 대해 길쭉한 길이를 갖고, 상기 중심축과 평행한 방향으로 그 장변(major side)을 따라 연장되어 있고,
(ii) 최대 장(場) 강도 방향 및 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하는 유사한 특징적인 장(場) 분포를 갖는 폴(pole)을 포함하며,
(iii) 횡단면에서 미리 결정된 형태를 갖는 표면을 갖고, 상기 최대 장(場) 강도 방향은 그로부터 외측으로 향하며, 상기 표면 주위로 상기 세그먼트는 상기 중심축 주위에 원주 방향으로 위치한 유사한 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열에서 상기 세그먼트의 고정된 배치 이전에 축상으로 회전 가능하고,
(iv) 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들의 장변들이 연장되어 있는 방향들에 평행한 방향으로 연장되어 있는 그 장변과 고정적으로 배열되어 있으며, 및
(v) 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들과 결합하여, 자기 세그먼트들의 상기 제1 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 중심축과 평행한 방향으로 연장되어 위치되며, 상기 제1 배열은 상기 제1 시퀀스에서의 위치의 함수로서 서로에 대해 회전된 상기 자기 세그먼트들의 필드 폴들(poles)을 갖는 제1 순서 시퀀스로서 구성되고, 이것은 상기 제1 시퀀스에서의 상기 자기 세그먼트들중 상기 필드 폴들의 각도 방향들에서의 편이들을 초래하는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제41항에 있어서, 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 세그먼트들은 다른 세그먼트들로부터의 장(場)들을 부가적으로 결합 또는 감소시킴으로써 상기 제1 배열 구조 주위에 순(純) 장(場) 강도들(net field strengths)을 부여하기 위해 1개 이상의 다른 세그먼트들과 접촉하여, 또는 충분히 근접하게, 위치되고, 증가된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 하나에 초래되는 반면, 감소된 자장(磁場) 강도는 상기 배열의 내측 또는 외측 중 다른 하나에 초래되는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제41항에 있어서, 상기 자기 세그먼트들은 순서 시퀀스에 위치하며, 상기 자기 세그먼트들은 상기 세그먼트들 중의 특징적인 최대 장 강도 방향의 위치들을 순차적으로 변이시킴으로써 상기 배열의 일측에 상기 증가된 최대 장 강도를 초래하기 위해 다른 자기 세그먼트들에 대해 축상으로 회전되는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제41항에 있어서, 추가적으로 지지 구조를 포함하며,
상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들중 상기 자기 세그먼트들은 상기 중심축에 대해 그리고 서로에 대해 고정된 위치들을 점유하며,
상기 필드 폴들중 상기 특징적인 최대 장 강도 방향들의 위치들에서의 상대적인 편이들이 고정되는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제44항에 있어서, 상기 지지 구조는 상기 자기 세그먼트들이 위치되는 일련의 채널들 또는 홈들(grooves)을 포함하는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제45항에 있어서, 상기 자기 세그먼트들 및 상기 채널들 또는 홈들은 필드 오리엔테이션(field orientation)에서의 상대적인 편이들을 제자리에 고정시키기 위해 세그먼트들의 회전 위치들을 제자리에 고정시키는 보상적인 형태들 또는 특징들을 갖는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제41항에 있어서, 내부에 형성된 그리고 상기 중심축을 따라 형성된, 일련의 개구들을 갖는 자기 구조를 추가로 포함하며, 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 개별적인 자기 세그먼트들은 상기 배열을 따라 상기 편이들을 순차적으로 제공하기 위해 상기 개구들내에서 축상으로 회전되고 위치되는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제47항에 있어서, 상기 지지 구조는 서로에 대해 결합된 일련의 스탬프된 박판들(stamped laminations)을 포함하며, 상기 박판들은 비자기 물질을 포함하는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제41항에 있어서, 최소한 제2 복수의 유사한 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하고, 상기 중심축을 따라 연장되어 있는 제2 배열 구조를 추가적으로 포함하며, 상기 제2 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 각각의 세그먼트는:
(i) 그 폭에 대해 길쭉한 길이를 갖고, 상기 중심축과 평행한 방향으로 그 장변(major side)을 따라 연장되어 있고,
(ii) 최대 장(場) 강도 방향 및 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하는 유사한 특징적인 장(場) 분포를 갖는 폴(pole)을 포함하며,
(iii) 횡단면에서 미리 결정된 형태를 갖는 표면을 갖고, 상기 최대 장(場) 강도 방향은 그로부터 외측으로 향하며, 상기 표면 주위로 상기 세그먼트는 상기 중심축 주위에 원주 방향으로 위치한 유사한 자기 세그먼트들의 상기 제2 배열에서 상기 세그먼트의 고정된 배치 이전에 축상으로 회전 가능하고,
(iv) 상기 제1 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들의 장변들이 연장되어 있는 방향들에 평행한 방향으로 연장되어 있는 그 장변과 고정적으로 배열되어 있으며, 및
(v) 상기 제2 복수의 개별적인 자기 세그먼트들에서의 다른 세그먼트들과 결합하여, 유사한 자기 세그먼트들의 상기 제2 배열을 종합적으로 형성하기 위해 상기 중심축과 평행한 방향으로 연장되도록 위치하고, 상기 제2 배열은 상기 제2 시퀀스에서의 위치의 함수로서 서로에 대해 회전된 상기 자기 세그먼트들의 필드 폴들(field poles)을 갖는 제2 순서 시퀀스로서 구성되고, 이것은 상기 제2 시퀀스에서의 자기 세그먼트들중 상기 필드 폴들의 각도 방향들에서의 편차들을 초래하는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제49항에 있어서, 자기 세그먼트들의 상기 제2 배열은 자장(磁場) 패턴들의 회전식 편이 각도 방향들을 포함하는 성분들의 시퀀스를 제공하도록 구성되며, 필드 패턴들의 상기 각도 방향들은 상기 중심축에 수직인 방향으로 다른 자기 성분들중에서 회전하는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제41항에 있어서, 상기 필드 패턴들의 공간적인 회전은, 상기 제1 배열의 내측 또는 외측중 하나에 증가된 자기 필드 강도를 제공하는 반면, 상기 제1 배열의 내측 또는 외측중 다른 하나에 감소된 자기 필드 강도를 제공, 하는 방식으로 상기 자속을 구성하는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제41항에 있어서, 상기 제1 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, 상기 n 개의 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어지는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 자기 시스템.
제49항에 있어서, 상기 제2 배열은 m 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, 상기 m 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트중의 상기 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 상기 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어지는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 자기 시스템.
제41항에 있어서, 상기 제1 배열은 n 개의 자기 세그먼트들을 포함하며, 상기 n 개의 자기 세그먼트들중 모든 하나의 세그먼트보다 적은 수의 세그먼트들중의 상기 필드 패턴은 상기 시퀀스에서의 다음 성분의 상기 필드 패턴의 상기 각도 방향에 대한 상기 각도 방향에서의 회전성 편이에 의해 특징지어지는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 자기 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 회전자의 상기 제1 배열에서의 상기 제1 복수의 자기 세그먼트들로부터 방사상으로 외측으로 위치되며 상기 제1 회전자와 동축인 죔쇠를 추가로 포함하며, 상기 고정자의 권선들은, 공극(空隙)(air gap)에서의 향상된 방사상의 자속 밀도를 생성하기 위해, 상기 제1 회전자 및 상기 죔쇠 사이에서 상기 공극을 따라 연장되어 있는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제55항에 있어서, 상기 죔쇠는 상기 죔쇠에 발생하는 자화를 야기시키는 변하는 장(場)의 존재를 회피, 감소 또는 제거하기 위해 상기 회전자와 동시에 회전하도록 기계적으로 결합되는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
제39항에 있어서, 상기 자속 유도 내부 죔쇠는 상기 죔쇠에 발생하는 자화를 야기시키는 변하는 장(場)의 존재를 회피, 감소 또는 제거하기 위해 상기 회전자와 동시에 회전하도록 기계적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 동기식 전기 기계.
제49항에 있어서, 상기 제1 배열 및 상기 제2 배열 사이에서 각각에 대해 동축상으로 정렬되어 위치된 강자성 세그먼트들을 포함하는 원주형 배열을 포함하는, 회전식 기계 또는 기어 박스에서의 사용에 적합한 것을 특징으로 하는 자기 시스템.
복수의 개별적인 자기 세그먼트들을 포함하고,
상기 배열에서의 배치 이전과 같이, 상기 세그먼트들의 개별적인 세그먼트들이 강자성 물질의 영향으로부터 이격(離隔)될 때, 각각의 세그먼트는 동일한 최대 장(場) 강도를 포함하며,
각각의 세그먼트는 필드 오리엔테이션(field orientation)에서의 변화들을 갖는 원주형 배열을 따라 시퀀스에 위치되며, 그것에 의해 각각의 세그먼트의 장(場)은 상기 시퀀스에서의 다음의 세그먼트의 장(場)에 대해 공간적으로 회전되고, 및
각각의 세그먼트는 상기 장(場)들이 서로 상호 작용하고 자속 채널링을 초래하는 것을 가능하게 하기 위해 상기 시퀀스에서의 다음의 세그먼트에 충분히 근접하게 위치되는, 동기식 전기 기계 또는 자기 기어 박스에 사용을 위한 것을 특징으로 하는 자기 배열.
제59항에 있어서, 각각의 세그먼트는 상호 작용이 자속 채널링을 초래하는 상기 배열에서의 서로 인접한 세그먼트들간의 상기 장(場)들의 상호 작용을 위해 상기 시퀀스에서의 다음의 세그먼트와 물리적으로 접촉하는, 동기식 전기 기계 또는 자기 기어 박스에 사용을 위한 것을 특징으로 하는 자기 배열.
제59항에 있어서, 상기 배열에서 서로 인접하여 이격된 세그먼트간의 상기 장(場)들이 자속 채널링을 초래하도록 상호 작용하는 상기 시퀀스에서 각각의 세그먼트는 다음의 세그먼트로부터 이격되어 있지만, 다음의 세그먼트에 충분히 근접하여 있는, 동기식 전기 기계 또는 자기 기어 박스에 사용을 위한 자기 배열.