KR101654392B1 - 전기 기계 - 모듈러 - Google Patents

Abstract

전기 기계(100)는 고정자에 대한 회전자 축(120)에 대해 회전토록 장착되는 고정자(112)와 회전자(114a, b)를 포함한다. 영구 자석(124a, b)은 회전자에 의해 지지된다. 회전자는 출력부(190)를 갖는다.고정자는 자석과의 상호작용을 위해 고정자 바(116) 상에 감기는 코일(122)을 갖는다. 회전자는 고정자 바의 양 단부에 하나씩 배치되는 두 개의 스테이지(114a, b)를 갖고, 이때 상기 바와 회전자 스테이지 사이에 두 개의 에어 갭(126a, b)이 형성된다.환형 하우징(102, 142a, 146)은 고정자를 보유하고 장착한다. 베어링(164a, b)은 회전자와 고정자 사이에 위치하고, 회전자는 상기 회전자 축 주위가 중공되어 형성된다.
모터의 두 개의 중요한 자속 경로(30, 30')가 있다.첫번째 경로는 축(120)에 대하여 실질적으로 원주의 평면 상의 회로에서 인접한 코일들 사이를 지나간다. 두번째 경로(30')는 축방향 평면에 있고, 베어링 주위를 지나간다.
고정자 코일은 회전자 축 주위에 간격을 두고 구비되고 첫번째, 고정자의 고정자 반경(R1) 만큼만 회전자 축에 가까이 근접한다. 베어링은 두번째, 회전자 반경(r) 만큼만 회전자 축에 가까이 있는 회전자 표면 상에서 회전하는 롤링 요소를 포함하고, 이때 회전자 반경은 고정자 반경의 60%와 90% 사이이다.

Description

전기 기계 - 모듈러{ELECTRIC MACHINE - MODULAR}

본 발명은 고정자와 상기 고정자에서 회전을 위해 저널된 회전자를 포함하는 영구 자석 전기 기계에 관한 것이다. 상기 고정자에는 감기는 코일이 제공되고 상기 회전자에는 회전자와 고정자 사이의 에어 갭을 가로질러 상기 코일과 협력하는 영구 자석이 제공된다. 상기 기계는 모터 또는 발전기 중 하나일 수 있고 많은 실시예들 중에서 축방향 자속 기계이다. 특히, 요크가 없고 세그먼트형인 전기자 기계(이하, Y 기계라고 함)에 관한 것이다.

Woolmer와 McCullon[1]은 고정자에서 감소된 철분이 토크 밀도에서 향상을 가능케 하는 이점을 논하면서 Y 기계의 토폴로지를 설명하고 있다. 그것은 이상적으로 축방향으로 배치된(즉, 회전자의 회전축과 나란한) 고정자 주위에 원주방향으로 간격을 두고 구비되는 바의 둘레에 감겨있는 일련의 코일을 포함한다. 회전자는 고정자의 각 코일의 양 단부에 마주하는 영구 자석이 제공되는 디스크를 포함하는 두 개의 스테이지를 갖는다. 어떤 작동의 스테이지에서 자기 경로는: 첫번째 코일을 통과해 회전자의 첫번째 스테이지 상의 첫번째 자석 안쪽으로; 회전자의 백 아이런을 가로질러 첫번째 스테이지 상의 인접한 두번째 자석으로; 첫번째 코일에 인접한 고정자의 두번째 코일을 통과해; 첫번째 스테이지 상의 두번째 자석과 나란한 회전자의 두번째 스테이지 상의 첫번째 자석 안쪽으로; 두번째 스테이지의 백 아이런을 가로질러 두번째 스테이지 상의 두번째 자석으로 그리고 첫번째 스테이지 상의 첫번째 자석과 나란하게; 그리고 첫번째 코일을 통과해 회로가 완성된다.

일반적으로, 전기 기계가 갖는 하나의 어려움은 충분한 냉각을 제공하는 것이다. 이것은 상당한 열이 높은 토크에서 코일에 발생하고 적어도 확장된 기간의 시간 동안 사용될 수 있는 토크에서 종종 제한 요소인 높은 토크 밀도를 갖는 Y 기계가 갖는 특별한 문제이다.

일반적으로, 전기 기계가 갖는 다른 하나의 어려움은 코깅(cogging)에 의해 야기되는 토크 리플(torque ripple)이다. 다시 말해, 이것은 Y 기계가 갖는 특별한 문제인데, 왜냐하면 고정자 상의 인접한 코일들 사이뿐만 아니라 회전자 상의 인접한 자석들 사이에서, 분리된 코일은 겹쳐지지 않고, 사실 자성 분리에 의존하기 때문이다. 분명히, 이러한 문제는 고정자의 코일에 대비하여 회전자 상의 영구 자석을 다른 갯수로 제공함에 의해 어느 정도 감소되지만, 인접한 자석들 사이의 "코그(cog)"가 인접한 코일들 사이의 해당 "코그(cog)"와 결합할 때 자석들은 서로 나란하게 형성되므로 불가피한 토크 리플이 있다.

코일들과 영구 자석들 사이의 자기적 연결은 발전기의 경우 자석에 의하거나 또는 모터의 경우 코일 자체에 의해서 코일을 통해 발생되는 강한 자기장에 의존하고, 자기 회로의 투자율은 최대의 자속 밀도가 코일을 통과하는 것이 허용되기 위하여 가능한 한 작아야 한다. 이러한 목적을 위해, 높은 투자율의 코어나 바가 그 둘레에 코일이 감겨져 제공된다. 그러나, 바는 바람직하게는 적층되거나(laminated) 그렇지 않으면 바에서 와상 전류의 발생이 감소되도록 배치된다. 또한, 바는 바람직하게는 에어 갭으로 자속을 퍼지게 하고 그 안의 자속 밀도를 감소시키는 슈즈가 제공된다 - 에어 갭은 높은 자기 저항을 갖고 그것의 영역을 증가시키는 것은 그러한 자기 저항을 감소시키는데, 이것은 더 적은 영구 자석 소재가 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 그러한 재료의 양을 최소로 감소시키는 것이 바람직하다.

국제공개공보 WO-A-2006/066740은 내부에 고정자 코일을 장착하는 원통형 슬리브를 갖는 하우징을 포함하되 상기 슬리브는 중공되어 냉각 매체가 순환되는 Y 기계를 개시하고 있다. 그러나, 코일은 열을 고정자 하우징으로 운반하는 열 전도 물질 안에 내장되어 있다. 회전자는 하우징에 회전가능하게 저널(journal)된다. 고정자 바는, 국제공개공보 WO-A-03/094327와 같이, Y 기계를 또한 개시하는 GB-A-2379093을 참조하면 적층된(laminated) 것으로 나타나 있다.

미국특허 US-A-6720688은 회전자가 하우징 안에서 베어링 상에 지지되고 회전자를 지지하는(carrying) 회전자 샤프트가 연장되어 관통하는 고정자 하우징에 의해 형성되는 챔버 내부에서 유체를 순환시키는 베인 펌프(vane pump)로 기능하는 Y 기계를 개시하고 있다. 유체는 고정자 코일을 냉각시킨다. 미국특허 US-A-2005/0035676은 특히 차량 바퀴의 기어 없는 드라이브에 적용되는 다른 Y 기계를 개시하고 있다.

미국특허 US-A-2007/0046124는 회전자가 원주를 따라 2열로 배열되는 교번식 세그먼트의 영구 자석과 강자성 극편을 갖는 Y 기계를 개시하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서 그 목적 측면은, 고정자와 상기 고정자에서 회전을 위해 저널된 회전자를 포함하는 영구 자석 전기 기계로서, 상기 고정자에는 감기는 코일이 제공되고 상기 회전자에는 회전자와 고정자 사이의 에어 갭을 가로질러 상기 코일과 협력하는 영구 자석이 제공되며, 상기 기계는 모터 또는 발전기 중 하나일 수 있고 많은 실시예들 중에서 축방향 자속 기계, 특히 요크가 없고 세그먼트형인 전기자 기계를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 고정자에 대하여 회전자 축 주위를 회전토록 장착되는 고정자와 회전자, 회전자에 의해 지지되는(carried) 영구 자석, 회전자 상의 출력부(output), 회전자의 자석과의 상호 작용을 위해 고정자 바 상에 감기는 코일을 포함하는 고정자, 고정자 바의 양 단부에 하나씩 배치되는 두 개의 스테이지를 갖는 회전자, 바의 단부와 회전자 스테이지 사이의 두 개의 에어 갭, 고정자를 보유하고 장착하는 환형 하우징; 회전자와 고정자 사이의 베어링, 상기 회전자 축 주위가 중공된 회전자, 전달을 위해 회전자에 연결가능한 플랜지를 포함하는 상기 출구를 포함하는 샤프트가 없는 전기 기계가 제공된다. 따라서, 회전자는 그렇지 않으면 하우징 안에서 또는 하우징 상에서 지지되지 않는다. 샤프트가 없다는 것은 기계에 의해 회전가능하게 구동되는(또는 회전형 드라이브를 제공하는) 어떤 구성 요소가 상기 플랜지에 연결될 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 구성 요소는 샤프트를 포함할 수 있는데, 바람직하게는 공간을 절약하기 위해서 회전자의 범위 내에 배치될 수 있는 구성 요소를 포함한다. 또는, 그것은 샤프트에 각상으로(angularly) 가변형 드라이브를 제공토록 유니버셜 조인트 하우징 또는 스파이더 하우징을 포함할 수 있다. 그것은 가능한 출력(output power)을 두배로 하기 위해 다른 기계의 플랜지를 포함할 수 있다.

하나의 바람직한 실시예에서, 모터의 적어도 두 개의 중요한 자속 경로가 있는데, 첫번째 경로는 첫번째 고정자 바를 통과하고, 상기 에어 갭들 중 첫번째를 가로지르며, 회전자의 첫번째 스테이지 상의 첫번째 자석을 통과하여 상기 첫번째 스테이지의 백 아이런 안쪽으로 지나가고, 인접한 두번째 자석 안쪽으로 지나가며, 상기 첫번째 에어 갭을 가로질러 상기 첫번째에 인접한 두번째 고정자 바 안쪽으로 지나가고, 상기 두번째 에어 갭을 가로지르며, 상기 회전자의 두번째 스테이지 상의 세번째 자석을 통과하여 상기 두번째 스테이지의 백 아이런 안쪽으로 지나가고, 인접한 네번째 자석 안쪽으로 지나가며, 상기 두번째 에어 갭을 가로질러 다시 상기 첫번째 고정자 바 안쪽으로 지나가고; 두번째 경로는 상기 첫번째 고정자 바를 통과하고, 상기 첫번째 에어 갭을 가로질러 상기 첫번째 스테이지 상의 상기 첫번째 자석을 통과하여 상기 첫번째 스테이지의 백 아이런 안쪽으로 지나가며, 상기 첫번째 스테이지를 통과하여 상기 베어링 주위에서 상기 회전자의 상기 두번째 스테이지 안쪽으로 상기 두번째 스테이지의 백 아이런 안쪽으로 지나가고, 네번째 자석 안쪽으로 지나가며, 상기 두번째 에어 갭을 가로질러 다시 상기 첫번째 고정자 바 안쪽으로 지나간다.

이러한 자속 경로는 회전자가 상기 베어링을 통해 고정자 내부에 직접 장착된다면 가능하고, 충분히 큰 직경일 때 두번째 자속 경로는 충분히 짧아 코일과 자석에 대한 전체 자기 회로의 자기 저항은 감소된다. 또한, 이러한 방법으로 회전자를 장착하는 것은 회전자를 위치시키는 베어링과 고정자 코일과 상호작용(또는 발전기의 경우에 고정자 코일에 의해 반응이 일으켜짐)을 통해 회전자를 구동하는 자석 사이의 캔틸레버(cantilever)를 짧게 한다.

그러나, 다른 실시예에서:

고정자 코일은 회전자 축 주위에 간격을 두고 구비되고 상기 회전자 코일은 첫번째, 고정자의 고정자 반경(R1) 만큼만 회전자 축에 근접한다; 그리고

베어링은 두번째, 회전자 반경(r) 만큼만 회전자 축에 가까이 있는 회전자 표면 상에서 회전하는 롤링 요소를 포함하는데, 이때 회전자 반경은 고정자 반경의 60%와 90% 사이이다.

그렇게 큰 직경의 회전자 베이링, 중공된 회전자, 여러 개의 이점이 있는 흐름을 가져, 비교적 딱딱한(stiff) 회전자의 능력부터 시작하여 그에 따라 에어 갭은 접촉의 위험이 없도록 작게 형성될 수 있다. 또한, 회전자의 질량은 감소되어 효율성과 비용 절감을 이끌어 낼 수 있다.

바람직하게는, 롤링 요소가 회전하는 회전자의 표면은 회전자 플랜지의 전체 표면(integral surface)이다. 상기 회전자 플랜지의 전체 표면은 바람직하게는 경화되고 절대원추형(frusto-conical)으로 형성될 수 있으며, 상기 롤링 요소는 바늘(needle) 형태일 수 있다. 이 경우, 회전자 반경은 상기 회전자 축으로부터 바늘까지의 최소 거리이다.

고정자 코일은 반경 방향 길이(C1)를 가져 고정자 코일을 둘러싸는 가장 작은 원은 코일 반경(R2)을 갖는데 여기서 고정자 반경(R1)은 코일 반경(R2)의 50%와 80% 사이이다. 코일은 반경 방향 길이(C1=R2-R1)의 50%와 150% 사이인 원주상 길이(C2)를 갖는다.

바람직하게는, 출력부와 환형 하우징 사이의 전체 부하(load)는 고정자와 회전자 사이의 베어링을 통해 전달되어, 이에 따라 고정자 하우징에 대하여 회전자 또는 그의 출력부의 어떤 다른 장착도 제공되지 않는다. 이것은 출력부의 형태가 회전자, 고정자 및 고정자 하우징의 기본적인 배치를 방해하지 않으면서 시스템에 따라 변경될 수 있다는 이점을 갖는다. 여기서 사용되는 용어 "출력부(output)"는 모터에 대해서 적절하고 여기서는 출력부가 부하를 구동하는데 사용되는 데 반해, 발전기에 대해서는 적절하지 않고 그런 문맥에서 입력부로서 이해되어야 한다.

바람직하게는, 바는 회전자의 회전 축에 축방향으로 나란하고, 베어링은 상기 에어 갭을 교차하는 두 개의 방사형 평면 사이에 위치한다. 바람직하게는, 상기 교차는 방사형이다.

바람직하게는, 베어링은 고정자의 코일, 바 또는 슈즈를 교차하는 두 개의 방사형 평면 사이에 위치한다.

바람직하게는, 바와 코일은 에어 갭들 사이에서 연장되고 코일을 냉각하는 냉각 매체를 포함하는 챔버를 형성하는 고정자 하우징에 의해 둘러싸여진다.

상기 고정자 하우징은 두 개의 환형 플레이트와 두 개의 원통형 벽을 포함하되, 환형 플레이트는 챔버 내부에 바를 위치시키는 리세스(recess)를 포함한다. 바람직하게는, 고정자 하우징의 소재는 비자성 그리고 비전도성이다. 그러나, 분리된 환형 플레이트와 원통형 벽의 경우에는, 상기 원통형 벽은 바람직하게는 알루미늄으로 그리고 상기 환형 플레이트는 플라스틱 소재로 되어 있다. 바람직하게는, 상기 환형 플레이트는 바와 회전자 상의 자석 사이의 갭을 최소화하기 위해 바의 단부에서 얇게 형성된다. 바람직하게는, 상기 원통형 벽은 안쪽과 바깥쪽 벽으로 형성되고, 상기 바깥쪽 벽은 기계를 장착하는 수단을 갖고 상기 안쪽 벽은 상기 베어링을 장착한다.

바람직하게는, 회전자 스테이지 각각은, 바깥쪽 림(rim)에 상기 영구 자석이 장착되고 안쪽 림(rim)은 서로 연결되어 상기 베어링을 둘러싸는 환형 접시를 포함한다. 회전자 스테이지는 접시 모양으로 형성되어 방사상 평면(예를 들어 회전자의 회전 축에 수직하고 또한, 바람직하게는, 고정자 바에 수직한 평면)에서 그들의 강도를 증가시킨다.

바람직하게는, 바와 코일은 에어 갭들 사이에서 연장되고 코일을 냉각하는 냉각 매체를 포함하는 챔버를 형성하는 고정자 하우징에 의해 둘러싸여진다. 고정자 하우징은 상기 냉각 매체의 공급과 배수를 위한 포트를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 고정자 하우징은 두 개의 환형 플레이트와 두 개의 원통형 벽을 포함하되, 환형 플레이트는 챔버 내부에 바를 위치시키는 리세스(recess)를 포함한다.

고정자 하우징의 소재는 비자성 그리고 전기적으로 비전도성일 수 있다. 실제로, 그것은 열 절연성일 수 있고, 이 경우 고정자 하우징은 바람직하게는 상기 코일에서 발생하는 열로부터 자석을 절연한다.

그러나, 고정자 하우징은 바람직하게는 바와 회전자 상의 자석 사이의 갭을 최소화하기 위해 바의 단부에서 얇게 형성된다.

상기 원통형 벽은 알루미늄일 수 있고 상기 환형 플레이트는 플라스틱 소재이다. 그들은 안쪽과 바깥쪽 벽으로 형성될 수 있는데, 상기 바깥쪽 벽은 상기 환형 하우징을 포함하고 기계를 장착하는 수단을 가지며 상기 안쪽 벽은 상기 베어링을 장착한다.

바람직하게는, 상기 고정자 하우징은 상기 냉각 매체의 공급과 배수를 위한 포트를 포함한다. 냉각 유체는 기계의 하단 가까이의 입구를 통해 기계를 통과하여 상단 가까이의 출구 밖으로 펌핑될 수 있다. 그런데, 입구와 출구는 또한 서로 인접하게 위치될 수도 있다. 유체는 코일의 바깥쪽과 안쪽 반경 주위에서 흐르면서, 일부 유체는 또한 코일들 사이에서 흐른다. 바람직하게는, 냉각 유체가 코일과 고정자 하우징 사이에 배치되는 블록에 의해 복수의 경우에서 바깥쪽과 안쪽 반경 사이에서 앞뒤로 흐르게 되면서 유체는 코일들 사이로 강제된다. 코일들 사이에서 유체 흐름의 두번과 여덟번 사이의 이동이 있을 수 있다. 냉각 흐름은 이와 달리 분리될 수 있는데, 일부는 입구에서부터 코일의 안쪽 직경을 따라 흐르고, 나머지는 반대 방향으로 바깥쪽 직경에서 흐르며, 일부 유체는 또한 코일들 사이를 흐른다. 물론, 다른 흐름 경로가 형성될 수 있다.

바람직하게는, 회전자 스테이지 각각은, 바깥쪽 림(rim)에 상기 영구 자석이 장착되고 안쪽 림(rim)은 서로 연결되어 상기 베어링을 둘러싸는 환형 접시를 포함한다. 각각의 상기 안쪽 림은 상호 결합(mutual inter-engagement)을 위한 인터페이스를 가진 원통형 플랜지를 포함할 수 있다. 스페이서가 베어링 상의 예비하중(preload)을 조정하도록 상기 원통형 플랜지들 사이에 제공될 수 있다.

원통형 플랜지는 상기 회전자 축에 평행하게 배치되어 상기 회전자 스테이지들을 함께 클램핑하기 위한 파스너(fastener)를 수용하는 보스를 포함할 수 있다.

기계의 출력부는 디스크와 허브를 포함할 수 있다. 허브는 일정 속도 허브와 같은 것을 형성하는 어떤 편리한 드라이브 또는 단순히 스플라인 샤프트를 포함할 수 있다. 일부 응용에서는 삼각대 컵(tripod cup)이 제공될 수 있다. 편리하게는, 디스크는 상기 파스너에 의해 회전자의 상기 보스에 연결가능하다. 바람직하게는, 베어링은, 고정자 상의 플랜지의 양측에 하나씩, 두 개의 베어링을 포함하고, 이에 따라 고정자에 대한 회전자 스테이지의 축방향 위치가 결정된다.

상기 환형 하우징은 적어도 두 개의 그런 기계가 공통의 회전자 축을 공유하면서 서로 연결될 수 있게 하는 축방향 인터페이스를 갖는다. 연결된 기계의 회전자는 인접한 회전자들의 보스를 관통하는 파스너에 의해 상호연결되되, 스페이서가 그것들 사이에 배치된다. 이것은 더 큰 토크 용량 기계가 제공될 수 있게 한다.

기계의 노출된 단부는 바람직하게는 환형 하우징에 맞는 커버에 의해 밀폐되되, 커버 중 적어도 하나는 연장되어 만들어진 상기 출력부가 통과하는 중심 구멍을 갖는다.

기계가 모터인 경우 바람직하게는 적어도 두 개의 모터는 나란하게 연결되고, 그들 중 적어도 두 개는 독립된 회전자를 가지며, 각각에 그 자신의 출력부가 제공된다. 이 경우, 각각의 커버에 두 개의 출력부가 연장되어 관통하는 상기 중심 구멍이 제공된다. 사실, 본 발명의 측면에서 각각의 출력부로부터 차량의 다른 측면 상의 바퀴까지의 드라이브 샤프트를 가지면서 상기에서 정의한 모터를 포함하는 차량을 제공한다. 이 경우, 제공되는 회전자는 독립적이고, 어떤 차동(differential)을 필요로 하지 않는다.

다른 실시예에서, 영구 자석을 갖는 회전자와 그들 사이에 형성되는 에어 갭을 가로질러 자석과의 상호작용을 위해 고정자 바 상에 감기는 코일을 갖는 고정자를 포함하는 전기 기계가 제공되되, 회전자는 바의 양 단부에 하나씩 배치되는 두 개의 스테이지를 갖고, 바는 자속을 바를 통하여 각 스테이지 상의 상기 자석과 연결하는 각 바의 각 단부에서 슈즈를 가지며, 회전자의 동일 스테이지에 마주하는 인접한 슈즈는 그것들 사이에 높은 자기 저항의 슈즈 갭을 갖고, 회전자의 각각의 스테이지 상의 인접한 자석은 그것들 사이에 높은 자기 저항 자석 갭을 가지며, 슈즈와 자석 갭은 서로에 대해 비스듬히 놓여 있어 그것들은 회전자가 회전할 때 계속해서 결합되어 있다.

바람직하게는, 상기 두 개의 스테이지 중 첫벗째에 마주하는 각각의 코일의 일측 상의 슈즈는 상기 두 개의 스테이지 중 두번째에 마주하는 각각의 코일의 타측 상의 슈즈에 대하여 편향되고, 그것들을 지지하는(carry) 바의 양 단부에서 인접한 슈즈들 사이의 상기 슈즈 갭은 고정자에 대한 회전자의 다른 회전 위치에서 자석 갭을 가로지른다.

따라서, 제공된 바 상의 코일과 회전자 스테이지 상의 자석 쌍이 나란함에도 불구하고, 코일은 일 단부에서 다른 하나의 자석에 앞서 쌍의 첫번째 자석과 결합하기 시작한다. 바람직하게는, 이와 같이 편향되어 각 바의 각 단부에서 높은 자기 저항 갭의 자속의 방향으로 일직석이 아니다.

바람직하게는, 회전자의 회전 축에 대한 축 방향을 고려해 볼 때, 상기 슈즈는 네 개의 측면으로 형성되되, 안쪽과 바깥쪽 측면은 상기 회전 축을 중심으로 하는 원의 호 또는 접선이 되고 상기 다른 측면들은 슈즈의 선단과 후단의 엣지가 되는데, 여기서 상기 선단과 후단의 엣지는 상기 원들 중 하나의 현(chord)이면서, 각 현을 교차하는 그 원의 각 반경과 그 원은 각각의 현에 대해 동일한 같은 각을 이룬다.

또 다른 실시예에서는 회전자의 첫번째와 두번째 스테이지 상에 원주를 따라 이격되어 구비되는 영구 자석을 갖는 회전자와 상기 스테이지들 사이에 배치되고 회전자와 고정자 사이에 형성되는 에어 갭을 가로질러 자석과 자기 상호작용을 위해 고정자의 고정자 바 상에 감기는 코일을 갖는 고정자를 포함하는 축방향 자속 전기 기계가 제공되는데, 여기서 바는 자속을 바를 통해 각각의 스테이지 상의 상기 자석에 연결하는 각 바의 각 단부에 슈즈를 갖고, 고정자는 적어도 두 개의 환형 구성 요소로 형성되되, 각각은 연결된 슈즈의 링을 포함하고 하나는 그것들의 일부 또는 모든 바 또는 부품을 포함하며 다른 하나는 그것들의 어떤 남아있는 바 또는 부품을 포함하고, 환형 구성 요소 앞에 바 상에 배치되는 상기 코일은 서로 연결되어 상기 고정자의 구성을 완성한다.

바람직하게는, 환형 구성 요소는 동일하다. 바람직하게는, 각각은 각 바의 반을 포함하고 연결이 용이하도록 만들어진 인터페이스가 제공된다.

바람직하게는, 상기 인터페이스는 스터드와 소켓을 포함하는데, 여기서 하나의 구성 요소의 각각의 바 상의 스터드는 다른 하나의 구성 요소 상의 마주하는 바의 소켓에 결합한다.

바람직하게는, 높은 자기 저항의 갭은 각 구성 요소의 각각의 슈즈 사이에 제공되는데, 상기 갭은 상기 바들 사이에 얇은 두께의 환형 구성 요소를 포함한다.

또 다른 실시예에서는, 영구 자석을 포함하는 회전자와 그들 사이에 형성되는 에어 갭을 가로질러 자석과의 상호작용을 위해 고정자 바 상에 감기는 코일을 갖는 고정자를 포함하는 전기 기계가 제공되는데, 여기서 바는 자속을 바를 통해 상기 자석에 연결하는 슈즈를 갖고, 바와 슈즈는 서로 분리되어 형성되고 각각의 적어도 일부가 연철 입자를 주조(moulding)하여 형성되어 입자들이 자기 저항-평면을 가로질러 배치되는 짧은 크기를 가지며, 바와 슈즈가 조립되어 상기 바의 자기 저항-평면은 바의 길이방향 축에 평행하고 상기 슈즈의 자기저항-평면은 상기 길이방향 축을 가로지른다.

상기 자기 저항-평면을 가로지르는 나란한 짧은 크기의 입자들은 최소화된 자기 저항을 갖는 각각의 자기 저항-평면을 발생시킨다. 바람직하게는, 적어도 바의 상기 입자들은 하나의 길이방향 차원을 갖고 상기 입자들은 또한 나란하게 형성되어 그들의 길이방향 차원이 상기 자기 저항-평면에서 자기 저항-방향에 평행하여, 상기 바의 자기 저항-방향은 상기 바의 길이방향 축에 평행하다. 슈즈의 입자들이 하나의 길이방향 차원을 갖는다면, 바람직하게는 상기 자기 저항-방향은 바와 슈즈가 조립되었을 때 상기 길이방향 축에 대하여 방사형으로 형성된다.

상기 연철 입자의 주조는 상기 자기 저항-평면에 가로지르는 방향으로 연철 입자들을 사방으로 프레스하여 이루어질 수 있고 이에 따라 입자들은 평평해져 상기 짧은 크기를 만들어 낸다. 또는, 상기 주조는 이미 평평해진 입자들 또는 길게 형성된 입자들로 이루어질 수 있다. 길게 형성된 입자들은 주조에 앞서 자기장의 사용에 의해 나란하게 형성될 수 있다. 주조는 성형을 포함한다.

바람직하게는, 회전자는 바의 양 단부에 하나씩 배치되는 두 개의 스테이지를 갖고 슈즈는 각 바의 각 단부에 제공된다. 바람직하게는, 전기 기계는 축방향 자속 기계이고 바는 회전자 회전 축에 나란하게 배열된다.

바는 강자성 소재의 감겨있는 시트(rolled sheet)를 포함하되 롤의 축은 상기 길이방향 축에 평행하게 배열된다.시트 자체는 바람직하게는 바 안의 롤에 평행한 방향으로 생산시 감기고 이에 따라 소재의 알갱이들은 자속의 최종 방향을 향하게 즉 상기 길이방향 축에 평행하게 형성된다. 상기 롤은 성형된 연철 프레스-입자 코어 주위에 배치될 수 있고, 이에 따라 상기 길이방향 축에 수직한 바의 단면은 대략 사다리꼴이다. 또는, 상기 롤은 프레스된 연철 입자들의 환형으로 형성된 코어일 수 있고, 이에 따라 상기 길이방향 축에 수직한 바의 단면은 대략 사다리꼴이다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 앞서 말한 측면들의 일부 또는 모두(상호 배타적이지 않음)를 포함하는 전기 기계가 제공되는데, 그러한 결합들은 당업자에게 명백하다. 다음과 같은 구체적인 실시예들의 설명이 상기에서 언급한 다른 측면들을 포함하거나 배제할 수 있는 반면, 이것은 중요한 것으로 이해될 필요는 없다.

이와 같은 본 발명에 따른 전기 기계 모듈러에 의하면, 고정자와 상기 고정자에서 회전을 위해 저널된 회전자를 포함하는 영구 자석 전기 기계로서, 상기 고정자에는 감기는 코일이 제공되고 상기 회전자에는 회전자와 고정자 사이의 에어 갭을 가로질러 상기 코일과 협력하는 영구 자석이 제공되며, 상기 기계는 모터 또는 발전기 중 하나일 수 있고 많은 실시예들 중에서 축방향 자속 기계, 특히 요크가 없고 세그먼트형인 전기자 기계를 제공할 수 있다.

이하, 발명의 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명된다.
도 1은 주로(전용은 아님) 본 발명에 관련된 요크가 없고 세그먼트형인 전기자 기계의 개략도이다;
도 2는 도 1의 배치의 사시도이다;
도 3은 전기 기계의 고정자 하우징과 고정자의 분해 사시도이다;
도 4는 전기 기계의 고정자의 분해 사시도이다;
도 5a, b 및 c는 각각 단부도, 도 5a에서 라인 B-B에 대한 단면도 및 전기 기계의 고정자의 사시도이다;
도 6a, b, c 및 d는 각각 전기 기계의 실시예의 고정자 바와 슈즈의 분해 사시도, 전기 기계의 실시예의 바의 다른 실시예의 단부도, 전기 기계의 실시예의 바의 또 다른 실시예의 단부도 및 복합 고정자 바와 그에 따른 자속 경로의 사시도이다;
도 7, 8 및 9는 각각 본 발명의 방향을 따라 전기 기계의 절단 사시도, 절개도 및 단면도(뒤의 두 개의 도면은 도 7의 절단 면에서 보여짐)이다;
도 10 및 11a는 각각 도 9에서의 라인 10-10과 11-11 상에서의 단면도 및 절개도이다;
도 11b는 도 11a에 해당하는 개략도로서, 다른 냉각수 흐름 배열을 나타낸다;
도 12 및 13은 각각 도 9에서 화살표 XII와 XIII 각각의 방향에서의 측면도 및 단부도이다.

도 1에 요크가 없고 세그먼트형인 전기자 기계(10)가 간략하게 도시되어 있다. 기계(10)는 고정자(12)와 두 개의 회전자(14a, b)를 포함한다. 고정자(12)는 회전자(14a, b)의 회전 축(20)에 대해 원주를 따라 간격을 두고 형성되는 분리된 고정자 바(16)의 집합체이다. 각각의 바(16)는 회전 축(20)에 평행하게 배치되는 자신의 축(16a)를 갖는다. 그러나, 그것은 반드시 필수적인 것은 아니다. 축방향 자속형 기계에서, 축(16a)은 실제로 회전 축(20)에 평행하다. 그러나, 그것은 거기에 어떤 각도로 심지어 회전 축(20)에 대하여 방사상으로도 배치될 수 있다. 후술하는 설명은 축방향 자속 기계에 관한 것이나, 이것은 어떤 의미로 제한하는 것으로 이해되서는 안되고, 맥락이 허용하는 범위에서, 본 발명은 다른 경사(inclination)의 고정자 바(16)에 동등하게 적용된다.

각 고정자 바의 각 단부에 코일 스택(22)을 구속하는 물리적 목적을 돕는 슈즈(18a, b)가 제공되는데, 스택(22)이 바람직하게는 정사각형 단면(직사각형 단면도 가능함)의 절연 와이어이므로 높은 충전율을 얻을 수 있다. 코일(22)은 (모터의 경우) 코일에 전류를 공급하는 전기 회로(미도시)에 연결되어 코일에서 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장의 극들이 인접한 고정자 코일(22)에서 서로 반대쪽에 있게 된다.

두 개의 회전자(14a, b)는 사이에 고정자 코일(22)을 두고 서로 마주하는 영구 자석(24a, b)을 지지한다. 사실, 축방향 자속 기계에서, 회전자들과 그들의 자석은 방사상으로 배치되되, 고정자 바들이 기울어져 있는 경우에는 그들도 마찬가지이다. 두 개의 에어 갭(26a, b)은 각각의 슈즈와 자석 쌍들(18a/24a)(18b/24b) 사이에 배치된다. 동일 수의 코일과 자석이 회전 축(20) 주위에 이격되어 구비되고, 바람직하게는 다른 수의 코일과 자석이 구비되어 각각의 코일은 동시에 그리고 고정자에 대한 회전자의 동일한 회전 위치에서 당해 자석 쌍에 레지스트레이션(registration)되지 못하게 된다. 이것은 코깅을 감소시키는 것을 돕는다.

모터(본 발명이 특히 관계됨)에서 상기 언급한 전기 회로는 코일(22)에 전류를 공급함으로써 그들의 극성이 교대되어 코일이 다른 시간에서 다른 자석 쌍에 나란하게 되도록 돕고 이에 따라 회전자와 고정자 사이에 가해지는 토크를 발생시킨다. 회전자들(14a, b)은, 일반적으로 서로 연결되고(예컨대, 도시되지는 않았으나 축에 의함), 일반적으로 고정되는(예컨대, 도시되지는 않았으나 하우징에 고정됨) 고정자(12)에 대하여 축(20) 주위를 함께 회전한다. 상기 배치에 의해 제공되는 하나의 이점은 도 1에 도시되어 있는데, 이를 참조하면 자석 회로(30)는 두 개의 인접한 고정자 바(16)와 두 개의 자석 쌍(24a, b)에 의해 제공된다. 따라서, 각각의 코일(22)로부터 떨어져 마주하는 각각의 자석(24a, b)의 후면 사이에 자속을 연결토록 백 아이런(32a, b)이 각각의 회전자에 필요함에도 불구하고, 어떤 요크도 고정자(12)에 요구되지 않는다.

따라서, 모터의 경우에, 코일(22)의 적절한 전류공급에 의해, 회전자(14)는 축(20) 주위를 회전토록 자극될 수 있다. 물론, 발전기의 경우, 회전자(14a, b)의 회전은 회전자(14a, b)가 회전할 때 고정자 바에서 유도되는 변화하는 자속에 의해 고정자 코일(12)에서 전류를 유도한다.

그러나, 각각의 경우에서는 열이 코일(22)에서 발생되고 이러한 열이 제거되지 않으면 기계의 효율이 감소되며 그것의 용량이 제한된다. 이에 따라, 본 발명은 에어 갭(26a, b)을 통해 확장되고 냉각 매체가 공급되는 하우징 안에 고정자 코일(16)을 수용할 것을 제안한다.

도 3에 의하면, 실시예에서 고정자(12)는 고정자 코일이 플라스틱 소재의 클램쉘 하우징(claim shell housing)(42a, b) 사이에 위치되는 것으로 나타난다. 이러한 클램쉘 하우징은 외부 원통형 벽(44), 내부 원통형 벽(46) 및 환형의 방사상으로 배치된 벽(48)을 갖는다. 환형 벽(48)은 고정자 바(16)의 슈즈(18a, b)를 수용하고 고정자(12a)의 두 개의 클램쉘 하우징(42a, b)이 함께 조립될 때 고정자 코일 조립체(16, 22, 18a, b)를 위치시키는 것을 돕는 내부 포켓(50)을 포함한다. 클램쉘 하우징(42a, b)은 내측으로 코일(22)의 스페이스(52)가 그리고 또한 외측으로 코일(22)의 바깥쪽 둘레를 따라 스페이스(54)가 형성된다. 또한, 코일들 사이에 스페이스(56)가 있다.도 3에 도시되어 있지는 않지만, 조립된 때, 클램쉘 하우징(42a, b)에 냉각 매체(바람직하게는, 전기적으로 비전도의 액체)가 스페이스(52, 54, 56) 안으로 펌핑되어 코일들 주위를 순환하고 그것들을 냉각시키도록 하는 포트가 제공된다. 사실, 바람직하게는, [폴리카보네이트(polycarbonate)]와 같은 플라스틱 소재 또는 다른 낮은 열전도 소재로 만들어져, 코일에 의해 생성되고 슈즈(18a, b)로 전도되는 열은 하우징 안에 보유되어 특히 열에 민감한 자석(24a, b)에 전도되지 않는다. 또한, 본 발명에 따른 냉각 배치는 도 7 내지 13을 참조하여 아래에서 설명된다.

바람직한 배치는 상기에서 설명한 바와 같은 기계의 구성을 포함하고, 완성된 때, 스페이스(52, 54, 56)를 정착가능한 액체 수지 또는 랙커로 채워 코일(22)을 포함하여 그러한 스페이스의 모든 내부 표면을 젖게 한다. 수지가 모든 스페이스를 관통할 기회를 가지고 있었다면 그것이 기계로부터 배출되어 스페이스(52, 54, 56)에 의해 형성되는 챔버 내면에 수지에 의한 표면 코팅만 남기게 된다. 이 후, 수지는 경화되어 스페이스(52, 54, 56)를 코일(22)로부터 분리시키는 전기적 절연 층을 형성한다. 이러한 방법에 의해, 물은 냉각 매체로서 사용될 수 있다. 적합한 랙커는 당업자의 지식 범위 내에 있다.

다시 도 1 및 2를 참조하면, 자석(24a, b)과 코일(22)의 수가 동일하지 않더라도, 상기 배치의 본질적인 문제는 인접한 자석들 사이의 높은 자기 저항의 갭(25)이 고정자 코일 슈즈들(18a, b) 사이의 해당 갭(27)을 지나갈 때 발생하는 코깅 효과이다.

전기 기계를 위한 코일 코어가 종종 강소재의 라미네이션(lamination)으로 만들어진다는 것은 잘 알려져 있다. 강은 자기장의 훌륭한 전도체이다. 그것은 낮은 자기 저항 경로를 제공하므로 낮은 이력 현상(hysteresis) 손실을 갖는다. 그러나, 대부분의 강자성 소재가 갖는 문제는 그것들이 일반적으로 전기적 전도체도 된다는 것이다. 그러므로, 전기적 전도체를 통해 변화하는 자속은 와상 전류(eddy current)를 생성한다. 이는 절연체에 의해 분리되는 라미네이션을 이용하여 최소화되는데, 이때 절연은 바람직한 자속 방향에 평행하게 형성되어 가로지르는 전류가 최소화된다. 그러나, 새로운 기술은, 수지로 만들어진 절연체에 의해 함께 굳게 되면서, 절연체로 코팅되고 바람직한 형태(연자성체 분말- SMC)로 만들어지는 연철 입자를 사용하여 어느 정도 성공하고 있다. 고압 압축 과정이 구성 요소를 복잡한 형태로 만드는 데 사용되어, 우수한 형태 인자를 갖는 삼차원 자속 패턴을 만들어 낼 수 있고 높은 충전율의 와인딩이 사용될 수 있어, SMC 티스(teeth) 상에 바로 감겨지도록 한다.

도 4에 의하면, 전기 기계의 실시예의 고정자(12b)자가 도시되어 있다. 이것은 특히 낮은 비용의 배치에서 고정자의 적절한 배치이다. 그것은 두 개의 바람직하게는 동일한 구성 요소(75a, b)로부터 형성되는 일체형(integral) 고정자 바(16')를 갖는다. 각각의 구성 요소는 직립의 바-부품들(78)을 갖는 환형체(76)이다. 바-부품들은 마주하는 인터페이스(81) 상에 교체가능한 스터드(80)와 포켓(82)을 가짐으로써, 서로 마주하여 향하게 된 때, 스터드(80)가 다른 하나의 구성 요소의 포켓(82)에 끼워져 두 개의 동일한 구성 요소(75a, b)가 서로 정합될 수 있다. 두 개의 구성 요소는 서로 접착제로 붙일 수 있다. 그러나, 조립하게 전에, 미리 감겨진 코일(22)(도 2에서 고체의 링으로 간략하게 도시되어 있음)은 하나의 구성 요소(75a, b) 위에 위치되어, 함께 연결된 때 구성 요소(75a, b)와 코일(22)이 고정자(12b)의 자성 부품들의 조립체를 완성한다.

도 4에 도시된 배치의 이점은, 고정자의 양 측면 상에서 환형체와 마주하는 자석에, 인접한 고정자 코일들 사이의 에어 갭이 절대 제공되지 않는다는 것이다. 이에 따라, 상기에서 언급한 코깅의 본질적인 문제는 제거되거나 적어도 감소될 수 있다 - 자석들은 회전자 위치의 함수로써 거의 일정할 수 있는 지속적인 자기 저항을 보인다. 그러나, 인접한 코일들 사이의 자기 연결은 방해받을 수 있는데, 이는 그러한 단락이 자속 경로에 발생되고 모터의 효율을 감소시키기 때문이다. 이에, 환형체(76)는 각각의 바 부품(78) 사이(84)에서 얇게 형성되어 자기 단락의 기회가 감소된다. 그러나, 각각의 고정자 코일 사이에 높은 자기 저항의 갭(84)을 제공함으로써 완전한 환형체(76)의 안티-코깅(anti-cogging) 효과를 경감시킨다. 이에 따라, 모터의 부드러운 작동과 그것의 효율 사이에서 균형이 만들어진다. 그럼에도 불구하고, 코깅이 모터 효율의 심각한 악화없이 상당한 정도로 최소화되는 최적의 위치가 있다. 본 실시예의 이점은 제조의 잠재적인 비용이 낮다는 것이다.

구성 요소(75a, b)는 바람직하게는 각각이 하나의 금형에서 프레스되는 SMC 소재로 구성된다. 그러나, 또한 그들 형태의 단순성은 그들이 감겨진 라미네이션(회전 축(20)에 감기는 축을 가짐)의 하나의 환형체로 제조되는 것을 허용하는데, 이때 인접하는 바 부품들(78) 사이의 슬롯(83)은 와이어 커터로 잘려져 형성된다. 마지막으로, 본 발명의 이점은 도 2 및 3을 참조하여 상기에서 설명한 배치를 이용함으로써 이루어질 수 있는데, 여기서 슈즈(18)와 바(16)는 하나의 환형체로 구성되는 것이 아니고 각각 독립적으로 구성된다. 이 경우, 슈즈들은 그들이 모터에 배치되었을 때 서로 접촉하고 이에 따라 코깅을 감소시킬 수 있는 크기로 형성된다.

도 5a 및 b에, 기계의 효율에 영향을 주지 않으면서 또한 코깅을 감소시키는 고정자(12)의 다른 배치가 도시되어 있다. 여기서, 각각의 고정자 바(16)에 그 자신의 슈즈(18)가 제공되어 그들 사이에 자기 저항을 가진 에어 갭(27a)이 형성된다. 일반적으로, 이것은 상기 언급한 코깅 효과를 발생시킨다. 그러나, 여기서, 에어 갭(27a)은 방사방향에 대하여 각도 α1로 편향되어 형성되는데, 이때 적어도 슈즈의 일측(18j)은 이러한 각도로 편향되고, 문제의 반경은 슈즈의 하단 코너(18g)를 지나간다. 슈즈의 타측(18h)은, 에어 갭(27a)의 폭에 따른 정도에 의해, α1과 다르게 α2로 편향되어 형성된다. 그럼에도 불구하고, α1과 α2의 평균값은 45˚ 사이인데, 바람직하게는 도시된 극 조각들의 개수에 따라 약 10˚이다. 고정자 바(16)는 상기에서 설명한 실시예에서와 같이 라운드진 코너를 갖는 사다리꼴 형태로 형성되고, 코일(22)도 마찬가지로 바(16)에 의해 형성되는 코어의 둘레를 따라 사다리꼴 형태로 형성된다. 그들은 회전 축(20)에 대하여 대칭되게 배치된다. 이것은 반대쪽 코너(18d, f)에서 코일(22)이 슈즈(18)의 말단을 넘어 확장되는 것을 의미한다. 그러나, 적어도 바깥쪽 모서리(18e)에서, 슈즈는 인접한 슈즈의 코일(22)에 약간 겹친다. 후행(trailing) 코너(18g)는 적어도 그 자신의 고정자 바(16)의 코일(22)에 겹친다.

도 5의 오른쪽에, 고정자(12c)의 반대 측면 상에 있는 에어 갭(27'a)이 점선으로 도시되어, 그것의 슈즈의 하단 코너(18'g)가 완전히 보여질 수 있다. 따라서, 두 개의 에어 갭(27a, 27'a)은 작은 다이아몬드 형태의 부분(27b)에서만 축 방향으로 겹쳐지는 것을 볼 수 있다. 회전자들 상의 자석들 사이의 높은 자기 저항 갭(25)이 방사상으로 형성된다면, 슈즈를 편향되게 형성하는 효과는 특정 고정자 코일의 관점에서 하나의 자석으로부터 다른 하나로의 전도가 갭들이 모두 방사상으로 형성된 때보다 고정자에 대한 회전자의 회전의 더 넓은 호 모양으로 퍼져 나간다.

물론, 자석 갭(25)을 편향되게 형성하는 것이 동일하게 가능하여 같은 효과를 얻을 수 있다. 즉, 슈즈 갭들(27)은 그것들이 도 1 내지 3을 참조하여 상기에서 설명한 실시예에서와 같이 방사상으로 형성될 수 있는데, 이때 자석 갭들은 각각의 회전자(14a, b)에 대하여 반대로 경사지게 형성된다. 또한, 경사진 고정자 슈즈들과 회전자 자석들 모두의 결합체가 배치될 수도 있다. 그러나, 자석을 성형하는 것이 비싼 반면, 고정자 슈즈는 바람직하게도 쉽게 성형되는 프레스되는 부품이다. 어떤 경우에는, 각도 β(두 개의 슈즈 갭(27a, 27'a)의 둘레 경계들 사이에서 대하는 각도임)로 도시된 전도의 호 모양은 대략 α1과 α2의 합과 동일하다. 물론, 하나의 자석으로부터 다른 하나로의 전도는 어떤 부분에 토크 감소를 나타내고 이에 따라 이것을 퍼지게 하는 것이 전도들 사이에서 토크를 집중시키는 필연적인 효과를 갖기 때문에, 잡아야 하는 균형이 있다.

또한, 슈즈(18)가 슈즈의 전체 둘레를 따라 18k에서 외관상 각지게 형성된다는 점에 유의해야 한다. 이것은 자속이 슈즈(18)의 평면에서 자석(24a, b)을 향하도록 포커싱하는 것을 돕는다.

사실, 본 발명의 측면에서, 자속의 방향으로 고정자 바와 슈즈의 소재의 자기 저항을 최소화시키는 문제는 도 6a 내지 d의 배치에서 다루어진다. 즉, SMC 소재는 도 4를 참조하여 상기에서 설명한 바와 같이 매우 적합하지만, 코팅된 연철 입자는 와상 전류를 감소시킬 수 있고 일반적으로 모든 방향으로 낮은 자기 저항을 갖는 반면, 그것들이 최선이 아닌, 다시 말해 가능한 한 최소화된 자기 저항을 갖고, 이때 자기 저항은 적어도 라미네이션의 평면 또는 방향으로, 여전히 라미네이션의 영역에 있다는 점에 유의해야 한다.

이러한 점에서, 본 발명은 고정자 바(16)과 슈즈(18)의 구성에서 그러한 입자를 이용하되, 낮은 자기 저항, 바람직하게는 그런 입자들에 의해 일반적으로 제공되는 것보다 낮은 자기 저항의 바람직한 방향 또는 적어도 면을 갖도록 그것들을 배치하는 것을 제안한다. 바(16)의 경우, 이러한 바람직한 방향은 축(16a)에 평행한 평면에 있다. 슈즈(18)의 경우, 최소화된 자기 저항은 바람직하게는 길이방향 축(16a)에 수직한 평면에 배치된다. 이것은, 도 6a에 도시된 바와 같이 기본이 바(16)와 슈즈(18)의 분리된 구성과 이후 그들의 조립체임에도 불구하고, 여러 방법으로 제공될 수 있다.

따라서, 도 6a의 바(16)는 라운드지고, 절연체로 코팅되며, 연철 입자로 제조된다. 이러한 입자들은 주형에 놓여지기 전에 먼저 디스크와 같은 구성 요소로 평평하게 만들어지고 마지막에 같이 프레스된다. 주형은 입자들의 프레스 방향, 그리고 프레스 전의 초기 분포가 입자들의 주된 면적이 축(16a)에 평행한 평면에 놓이게 하도록 배치된다. 이것은, 주형에서 본질적으로 라운드진 입자들로 시작하여 그것들을 축(16a)에 수직한 방향으로 함께 프레스함으로써, 비록 부분적 만이라도 가장 편리하게 이루어진다. 예를 들어, 화살표 A 방향으로 상방으로 프레스하는 것은 A 방향에 수직한 평면상에서 입자들을 평평하게 만들 뿐만 아니라 그것들을 화살표 B 방향으로 퍼지게 하는 경향이 있다.

그러나, 이상적으로 입자들은 길어지고 장축이 축(16a)에 평행하도록 주형에 배치된다. 이것은 입자들을 정렬하는 자기장을 이용하여 이루어질 수 있다. 그러한 경우, 구성 요소에 대한 최소화된 자속의 라인은 축(16a)에 평행한 평면이 아니라 실제로 그 특정한 방향으로 형성된다.

한편, 슈즈(18)는 바람직하게는 축(16a)에 평행한 방향으로 라운드진 입자들을 프레스함으로써 제조되어, 압축 과정 동안, 그것들은 축(16a)에 수직한 평면상에서 측면으로 퍼져나간다. 슈즈(18)와 바(16)이 함께 조립되면, 도 6d에 나타난 자속 화살표로부터 나타나는 바와 같이, 자속은 최소화된 자기 저항을 갖고서 길이방향 축(16a) 방향으로 바(16)를 통하여 이동할 수 있고, 바의 단부(16d)로부터 축(16) 방향으로 바(16)의 양쪽에서 나와 에어 갭(26a, b)으로 바로 들어갈 수 있는데, 또한 슈즈 둘레(18c) 안쪽에 수직하게 형성된다.

바람직한 배치에서, 고정자 바(16)는 또한 최소화된 자기 저항의 편향을 개선할 수 있는 라미네이션 롤을 포함한다. 따라서, 도 6b에서 절연 코팅된 강소재의 롤(90)은 형성되기 위해서 그 축이 바(16b)의 (궁극적인) 축(16a)에 평행하도록 주형(미도시)에 배치된다. 그리고 나서, 주형은 라미네이션 롤 주위에 프레스되고 압축되는 입자들로 채워져 입자들의 최소화된 자기 저항의 평면이 축(16a)에 평행하게 된다. 그것들은 롤(90)을 둘러싸고 바에 바람직한 사다리꼴 모양의 단면을 제공한다.

다른 구성은 축(16a)에 평행한 최소화된 자기 저항의 평면을 적어도 하나 갖는 프레스된 연철 입자들로 이루어진 사다리꼴 모양의 코어(92)를 형성하는 것이다. 그리고 나서, 라미네이션 롤(94)은 코어(92) 주위에 감기고 이에 따라 바람직한 외부의 단면 형태를 갖는 고정자 바(16c)가 형성된다.

도 6b 및 c 각각의 바(16b, c) 모두는 축(16a)에 평행한 최소화된 자기 저항의 바람직한 방향을 갖는다. 프레스되고 연철 입자들로 형성되는 칼라(collar)(18c)는 축(16a)에 수직한 최소화된 자기 저항 평면을 갖는다. 조립된 때, 바와 칼라는 극히 낮은 자기 저항을 갖고 방향상 최적화된 고정자 코어를 형성하게 된다.

또한, 본 발명은 모터(100)의 상세한 구성을 도시하고 있는 도 7 내지 13을 참조하여 설명된다. 또한, 모터가 설명되는 때, 상기 원리들이 또한 발전기에 바로 적용된다는 점이 이해되어야 한다. 사실, 모터(100)는 두 개의 모터 슬라이스(100a, b)가 함께 볼트결합된 것이다. 각각의 모터 슬라이스(100a, b)는 방사상 평면의 단부 면(104a, b)을 가는 관 모양의 하우징(102a, b)을 갖고, 이에 따라 여러 개의 하우징(102)이 하우징(102a, b) 둘레에 배치되는 보스를 관통하는 볼트와 너트(106)에 의해 단부에서 단부로 서로 볼트결합될 수 있다. 사실, 모터(100)는 예를 들어 보스(108)를 장착 플랜지로 사용하여 차량에 장착될 수 있다. 함께 볼트 결합되어 복합 모터(100)가 형성됨에도 불구하고, 각각의 모터 슬라이스(100a, b)는 후술하는 바와 같이 서로 독립적이어서 모터 관리 시스템에 의해 요구되는 대로 그 자신의 속도와 토크로 구동될 수 있는데, 여기서 모터 관리 시스템은 더 설명되지는 않는다. 그러나, 또한 후술하는 바와 같이, 모터 슬라이스(102a, b)는 하나의 출력 드라이브에 연결될 수 있고, 이에 따라 가능한 출력 토크를 두 배가 되게 한다. 사실, 함께 적층될 수 있는 모터 슬라이스의 개수에는 제한이 없다.

따라서, 각각의 모터 슬라이스(100a, b)는 슈즈(118a, b)를 갖는 고정자 바(116) 상에 장착되는 복수의 고정자 코일(122)을 갖는 고정자(112)를 갖는다. 코일들(122)은 도 10에 도시된 바와 같이 회전자 축(120) 주위에 원주방향으로 간격을 두고 형성되고 도 10의 모터 안에는 고정자 코일(122), 고정자 바(116) 및 고정자 코일 슈즈(118a, b)가 있다. 각각의 고정자 코일 슈즈(118a, b)는 환형의 비전기적 전도성(an annular non-electrically conducting), 비자기성 클램쉘 하우징(142a, b)의 포켓(150)에 수용된다. 클램쉘 하우징은 그 외부 둘레(143a, b)를 따라 모터 하우징(102a, b)의 내부 플랜지(144a, b)에 고정된다.

환형의 클램쉘 하우징(142a, b)의 내부 엣지(145a, b)는 기본적으로 관 모양의 내부 고정자 하우징(146)의 플랜지(147a, b)에 장착된다. 내부 고정자 하우징 구성 요소(146)는 클램쉘 하우징(142a, b)과 모터 하우징(102)과 함께 고정자 코일이 배치되는 환형의 챔버(152)를 완성한다는 것을 주의해야 한다.

도 11에 의하면, 모터 하우징(102)에 냉각 매체를 위한 입구가 제공되는 포트 보스(port boss)(154)가 제공된다. 챔버(152) 내부에서 장벽(158)은 챔버(152)를 두 개의 평행한 환형의 통로(152a, b)로 나누기 위해 첫번째 코일들과 하우징(102, 146) 사이에 배치된다. 각각에는 입구 포트(156)의 그들 자신 각각의 브랜치(156a, b)가 제공된다. 평행한 통로(152a, b)는 그 사이에 갭(155)이 있는 코일(122)에 의해 분리된다. 따라서, 통로(152a, b)에서 순환하는 냉각 매체는 코일(122)의 전체 둘레의 주위에서 가로지르면서 순환할 수 있다. 모터 주위에서 순환을 완료한 후에(반대 흐름 방향으로는, 갭들(155)을 통해 그리고 그들 사이에서 난류가 발생되는 것에 주의해야 함) 냉각 매체는 출구(160a, b)를 의해 포트 보스(154)를 나가게 된다. 그것들은 포트(160)에서 만나고(도 9 참조) 냉각 매체를 그것이 온 곳으로부터 펌프와 열교환기(미도시)로 돌려보낸다. 대안이 되는 접근 방법들이 상당히 가능하다:

1) 냉각 유체는 기계의 하단 가까이에 입구를 상단 가까이에 출구를 갖는 기계를 통과하여 바로 펌핑된다. 유체는 코일의 바깥쪽과 안쪽 반경 주위에서 흐르되, 또한 일부 유체는 코일들 사이에서 흐른다. 이것은 시행하는 가장 간단한 냉각 경로이지만, 아마도 가장 적게 효과적이다;

2) 냉각 유체는, 2 내지 8의 유체의 이동이 고정자 하우징의 내부 및 외부 반경 사이의 변화(transition)가 있는 경우, 바깥쪽과 안쪽 반경 사이에서 이동하면서(코일들과 고정자 하우징(102, 146) 사이에 배치되는 블록에 의해) 유체가 일반적으로 기계의 가장 뜨거운 코일들 사이로 들어가도록 강제됨에 따라, 모터 주위에서 강제로 지그재그로 나가게 된다;

3) 냉각 흐름은 분리되어(상기 설명한 바와 같음), 일부 흐름은 코일의 내경 주위에 흐르고 나머지 흐름은 외경에서 반대 방향으로 흐른다. 또한, 일부 유체 흐름은 코일들 사이에서도 발생한다; 그리고

4) 특히 바람직한 배치에서, 냉각 흐름은 도 11b에서 도시된 바와 같은데, 여기서 하나의 입구(156')와 하나의 출구(160')는 블록(158a)(도시되지 않음)이 입구와 출구 사이에서 코일(122a)의 양 측면 상에 형성되도록 제공된다. 블록들(158b)은 코일들(122b, c)의 바깥쪽에 첫번째 블록(158b1)과 마지막 블록(158b2)이 그리고 그 사이에서 코일(122d)의 안쪽에 적어도 하나의 블록(158c)(도시되지 않음)이 기계의 둘레를 따라 주기적으로 배치된다. 이러한 배치에 의해 흐름은 입구(156)에서 들어와 기계의 바깥쪽을 따라가기 시작하다가, 첫번째 블록(158b1)에 의해 방향을 바꿔 사이에 있는 코일들(122d) 중 다른 것들 사이에서 챔버(152)의 안쪽으로 이동한다. 거기서부터, 흐름은 기계의 둘레를 따라 순환을 계속하다가 블록(158c)에 의해 강제로 챔버의 바깥쪽으로 다시 이동하게 된다. 또한, 기계의 둘레를 따라 가다가, 블록(158b2)에 의해 다시 안쪽으로 이동하게 되고, 최종적으로 출구(160)를 통해 기계로부터 나가기 위해, 블록(158a)에 의해 마지막으로 다시 바깥쪽으로 이동하게 된다. 도 11b에서, 네번의 이동이 있다. 그러나, 어떤 짝수개의 이동이 가능하거나, 또는 입구와 출구가 기계의 바깥쪽에 하나가 배치되고(도시) 안쪽에 다른 하나가 배치되는(미도시) 경우에는 홀수개도 가능하다.

도 8 및 9에 의하면, 내부 고정자 하우징(146)은 양측에 베어링(164a, b)이 배치되는 중앙 내부 플랜지(162)를 갖는다. 베어링(164a, b)은 회전자(114a, b)를 장착한다. 회전자는 내부 플랜지들(166a, b)을 가로질러 서로 연결된다. 이것들은 관 형태이고 두 개의 회전자(114a, b)를 서로 연결하는 너트와 볼트(170)를 수용하도록 이격되어 형성되는 보스(168)가 제공된다. 즉, 회전자(114a, b)는 사실상 단일의 일체형 구조이다. 원통형의 플랜지(166a, b)로부터 연장되어 자석(124a, b)이 장착되는 환형 연장부분(174a, b)에서 끝나는 접시 모양의 날개(172a, b)가 형성된다. 사실, 환형 연장부분(174a, b)에 바람직하게는 자석을 수용하여 그것들을 단단히 위치시키는 포켓(176)이 제공된다.

자석들(124a, b)과 클램쉘 하우징(142a, b) 사이에 에어 갭들(126a, b)이 있다. 모터 기술에서 잘 알려진 바와 같이, 에어 갭은 자기 회로의 자기 저항을 감소시키기 위해 가능한 한 작아야 한다. 그러나, 도 7 내지 13을 참조하여 설명한 모터의 배치는 매우 좁은 에어 갭이 모터(100a, b)의 조립체에 수용되어야 하는 몇 가지의 제조 공차에 의해서 제작되도록 허용한다.베이링들(164a, b)은 공전(lost motion)의 중요한 소스를 나타내기 때문에 회전자들은 베어링들에 프리-스트레스가 적용되도록 개조되는데, 이때 프리-스트레스는 그것들 사이에 배치되는 스페이서(180)에 의해 제한된다. 물론, 스페이서의 축방향 크기는 꼭 맞도록 연마될 수 있다. 그러나, 베어링 외에는 공차가 계속 쌓이고 큰 에어 갭을 필요로 하는 각각의 다른 구성 요소는 거의 없다. 물론, 하나의 그런 구성 요소는 고정자(112) 자체인데, 이때 그 안에 포함되는 클램쉘 하우징에 의해 형성되는 벽의 존재에도 불구하고, 클램쉘 하우징(142a, b)의 크기 뿐만 아니라 내부 고정자 하우징(146)의 플랜지(147a, b)와 이에 대응하는 플랜지(144a, b)의 크기는 가능한 한 가장 작은 에어 갭(126a, b)을 보장하는 데에 중요하다. 게다가, 회전자에서 약간의 스트레스는 고정자(112)에 의해 수용되어야 하는 비틀림(즉, 회전 축(120)에 대하여 또는 그 방향으로의 선형의 스트레스에서)을 일으킬 것이 분명하다. 그러나, 챔버(152)에 놓여 있는 일련의 고정자 바들과 슈즈들에 안쪽 하우징(146)을 축방향으로 극히 안전하게 만들기 위하여 챔버(152) 안쪽에 중요한 대각의 보강재가 제공된다.

또한, 회전자(114)를 고정자(112)에 직접 장착하는 개념은 두 개 더 유익한 효과를 갖는다. 첫번째는 자석들(124)과 코일들(122)이 회전 축(120)으로부터 가능한 한 멀리 배치되어 코일들과 자석들 사이에 작용하는 자기 변형력이 회전 축에 대하여 최대의 토크로 바뀌도록 요구하는 모터 설계의 일반적인 원칙과 관계가 있다. 그러나, 이것은 고정자에 대한 회전자의 고정이 자석들/코일들의 반경보다 훨씬 적지 않은 거리에 있다면 회전자는 그 거리를 넘어서는 매우 단단해야 한다는 것을 의미한다. 회전자를 고정자 상에 직접 장착함으로써 그 거리는 감소되고 이에 따라 회전자는 그렇게 단단하게 형성될 필요가 없다.또한, 에어 갭은 더 작게 형성될 수 있다. 두번째로, 관 모양의 바디(166) 안쪽에서 변형된 접시 모양의 환형체(172)를 이용하여 회전자를 연결함으로써, 자속에 대해 뒤따르는 리턴 경로(30')(도 8 참조)가 만들어진다. 적어도, 이것은 회전자가 강자성 소재로 만들어지는 경우이다. 이러한 추가적인 자속 경로는 자속이 그 자신을 자석들 사이의 플랜지들(174)에서 원주 방향으로 제한하는 요구 사항을 감소시키되 또한 각각의 자석-코일-자석 회로에 대한 다른 리턴 경로를 허용하기 때문에 유리하다. 이에 따라, 자기 회로의 전체 자기 저항은 감소된다.

자석으로 인해 각각의 회전자에 적용되는 축 력은 중요한 것으로 인식되어야 하고, 여기서 그것은 에어 갭이 감소될 때 증가하고 회전자마다 대략 7500N일 수 있다. 이러한 결과에 따라, 회전자의 축방향 지지는 매우 중요하고 따라서 고정자와 회전자 사이의 베어링(들)에 이러한 힘으로 강하고 안정적인 반력이 제공될 필요가 있다. 회전자가 고정자의 양 측면 상에 완벽하게 위치된다면, 순전한 축 력이 제로이나, 이것을 달성하기 위해서는 꼭 맞는 구조 공차와 딱딱한 베이링 조립체가 요구된다. 그러나, 여기서 설명한 바와 같이 회전자를 고정자 안쪽에 직접 장착함으로써, 그러한 정확성은 적정한 비용 내에서 달성될 수 있다.베어링들이 축방향으로 설치되고 위치되는 플랜지(162)는 이러한 점에서 중요하다.

사실, 도 8 및 11을 참조하면, 본 발명의 하나의 측면에 따라 기계의 실시예의 어떤 기하학적 특징이 있다. 상기한 바와 같이 코일(112)은 외부 반경(R2)을 갖는다. 그에 의해 코일 전체를 둘러싸는 가장 작은 원의 반경이 의미된다. 마찬가지로, 그것들은 내부 반경(R1)을 갖는데, 이는 대응되게 코일 전체의 범위 내에 맞는 가장 큰 원의 반경이다. 코일들은 회전자 축(120) 주위에 원형으로 분명하게 배치되지만, 그것이 절대적으로 요구되는 것은 아니다. 그러나, 여기서 베어링들의 롤링 요소들의 가장 안쪽의 부분에 바로 닿는 원의 반경인, 베어링(164a, b)의 반경(r)은 가능한 한 크게 구비되고 바람직하게는 아래 수식에 의해 고정자 반경(R1)에 관계된다.

r=k1*R1

여기서, k1은 값이 0.5과 0.9 사이이다.

사실, 코일들은 반경 방향 길이(C1)와 원주상 길이(C2)를 갖고, 여기서 아래와 같은 관계가 있다.

C1=R2-R1

원주상 길이는 어떤 것도 될 수 있지만, 회전 축(120)을 중심으로 인접한 코일들 사이의 중심 대 중심의 호로서 정의된다. 그러나, 하나의 편리한 모터는 다음과 같은 관계를 갖는다:

R1=k2*R2; 및

C1=k3*C2

여기서, k2는 0.5와 0.8 사이이고 k3는 0.75와 2.0 사이이다.

사실, 관계는 다음과 같이 더 얻어질 수 있다:

r=k*R2, 여기서

k=k1*k2

k는 바람직하게는 0.3과 0.6 사이의 값을 갖고, 하나의 적절한 배치에서 약 0.45일 수 있다.

베어링들(164a, b)은 그들 자신의 레이스(race)를 갖는 볼 베어링으로 나타나 있지만, 설계는 베어링 표면이 내부 고정자 하우징(146)과 원통형 플랜지(166)의 각각의 절대원추형(frusto-conical) 또는 원통형 표면에 형성되고, 테이퍼 롤러 베어링에 대해서는 케이지(cage)에 한정되어 그것들 사이에 배치되는 것을 허용한다. 이것은 결과적으로 훨씬 더 꼭 맞는 공차가 달성되게 할 수 있다.상기에서 언급한 바와 같이, 회전자 구성 요소들은 강과 같은 강자성 소재로 구성되고 주조 또는 단조 그리고 필요에 따라 가공될 수 있다. 그러나, 내부 고정자 하우징(146), 그리고 사실 모터 하우징(102)은 알루미늄(합금)과 같은 비자성 소재로 편리하게 주조된다. 그러나, 알루미늄 조차도 경화된 베어링 표면을 가질 수 있다. 이 경우, 플랜지(162)는 사용되지 않는다. 어떤 경우에도, 본 설계는 에어 갭이 대략 1.0mm(±0.1mm)로 최소의 제조 비용으로 유지되도록 할 수 있다.

상기에서 언급한 바와 같이, 두 개의 모터(100a, b)는 독립적이다.회전자들(114)은 서로 연결되지 않는다. 그러나, 그것들은 그것들 사이에 적절한 스페이서를 배치하고, 볼트(170)를 연장하여 두 개의 회전자를 관통하도록 함으로써 분명히 연결될 수 있다. 사실, 모터들이 연속적으로 추가되는 것을 더 방해하는 것이 아무것도 없으므로, 세 개 또는 그 이상의 모터들이 일렬로 사용될 수 있다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 복합 모터의 측면은 모터 하우징(102)의 내부-원통형 연장부(120c, d)의 내측에 압입되어 끼워 맞춰지는 커버(178)에 의해 밀폐된다. 커버는 접시 모양으로 프레스되고 고정하는 다른 방법이 편리할 수 있음에도 불구하고 내부-원통형 연장부(102c, d) 내측에 압입되어 끼워 맞춰진다. 그것들은 모터 출력부(190)가 연장되어 관통되는 중심 구멍을 갖는다.

출력부(190)는 어떤 적합한 구성 요소를 포함하고 샤프트일 수 있다. 여기서, 그것은 세 개의 잎 모양의 요크(three-lobed yoke)를 갖는 샤프트(미도시)의 수용을 위한 삼각대-컵(tripod-cup)(192)을 포함하는 스탠다드 드라이브 허브로서 보여진다. 밀폐부(미도시)는 모터(100)의 내부 환경을 격리시키기 위해 일반적으로 커버(178)와 허브(190) 사이에 배치된다. 허브(190)는 환형 디스크(194)에 의해 회전자(114)에 연결된다. 디스크(194)는 볼트(170)와 너트에 의해 회전자에 고정되고, 허브(190)의 구멍(196)에 끼워지는 볼트(미도시)에 의해 허브(190)에 고정된다. 사실, 고정자에 회전자를 직접 장착한다는 점에서 모터 설계의 어떤 장애도 없도록 할 수 있는 출력 구성들이 가능하다. 따라서, 샤프트가 없는 토폴로지(topology)는 넓고 다양한 출력 구성을 가능하게 하는데, 아래와 같은 구성을 포함한다:

ㆍ 자동차의 "일정 속도"(CV) 조인트 하우징;

ㆍ 스플라인 샤프트(수 또는 암); 및

ㆍ 구멍 패턴을 가진 플랫 드라이브 플레이트

도 7 내지 13에 도시된 모터(100)가 특히 의도되는 하나의 응용에서, 모터는 두 개의 차량 바퀴를 구동하도록 배치된다. 다른 모터는 다중-축(multi-axle)을 가진 차량에서 다른 쌍의 바퀴를 구동하도록 배치될 수 있다. 모터는, 드라이브 샤프트가 두 개의 드라이브 허브(190a, b)의 각각으로부터 연장되어, 본질적으로 바퀴들 사이에 중심으로 배치된다. 각각의 모터-슬라이스는 일정한 토크로 독립적으로 구동될 수 있기 때문에, 어떤 차동(differential)을 위한 필요조건도 없을 것이다. 이러한 배치에서 기계는 모터와 발전기로서, 특히 하이브리드 차량에서 작동할 수 있는데, 적어도 회생제동(regenerative braking)을 사용할 때 분명히 작동할 수 있다.

상기 설명으로부터 명백히 드러나는 바와 같이, 커버(178)는 단순히 먼지 차단부이고 기계(100)의 내부 구성 요소들을 보호한다. 그것들은 구조적 역할을 거의 갖고 있지 않다. (기계가 배치되는 차량과 같은) 고정물과 출력부 사이의 구조적 연결은 다음과 같다. 고정물은 모터 하우징에 연결된다. 모터 하우징은 구조적으로 고정자를 장착한다. 고정자는 구조적으로, 또한 회전가능하게, 회전자를 장착한다. 회전자는 구조적으로, 모터 하우징에 의해 구조적으로 지지될 수 밖에 없는 출력부를, 장착한다. 여기서, "구조적"이란 용어는 장착이 문제의 구성 요소를 위한 주요 또는 유일한 장착이라는 의미로서 사용되고 있다. 많은 알려진 시나리오에서, 예를 들어, 하우징은 고정자를 장착하고 또한 회전자를 (회전가능하게) 장착한다. 그러므로, 고정자가 회전자를 장착한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 그러한 장착은 부수적인 것일 뿐이고 여기서 문제의 구성 요소의 실질적 독점 중개를 통한 구조적 장착으로서 의미하는 것은 아니다. 물론, 그러한 점에서, 커버(178)와 허브(190) 사이에 배치되는 밀폐부는 허브를 커버 상에 장착하지 않고, 구조적으로 독립적으로 두며, 그리고 회전자와 고정자의 중개를 통해 하우징에서 허브의 근본적인 구조적 장착을 방해하지 않는다.

회전 축으로부터 어느 정도 떨어져서 회전자를 고정자에 직접 장착함으로써 상당한 빈 공간이 회전자 내부에 형성된다는 것은 알 수 있다. 응용에 의해, 이것은 기어박스, 특히 유성 기어박스를 모터 내부에 배치하는 기회를 제공한다. 어느 정도까지는, 본 설계의 기계를 가진 많은 환경에서, 코일을 관리하는 데 필요한 전자기술은 기계가 넓은 범위의 속도에 걸쳐 실질적으로 일정한 최대 토크(실질적으로 냉각 제한에만 종속됨)로 작동하게 할 수 있기 때문에, 기어박스는 필요하지 않는데, 예를 들어 3000rpm을 초과하는 회전 속도로 모터 슬라이스 당 500Nm의 토크가 가능하다. 그럼에도 불구하고, 이러한 옵션은 명백하게 사용가능하다.

또한, 이러한 배치는 기계들을 일렬로 상호연결하는 것을 가능하게 하는 이점을 갖는데, 왜냐하면 일반적으로 회전자가 하우징에 고정된 베어링에 지지되는 경우와 같이 하우징 안에서 회전자의 저널 배치를 방해하는 필요조건이 없기 때문이다. 분명히, 고정자가 어디서 시작하고 그것이 고정되는 하우징이 어디서 끝나는지에 대해 약간의 논의가 있다. 실제로, 본 발명은 모터 용어로 다음과 같은 옵션들의 비배타적인 리스트를 제공한다:

(a) 스플라인 출력부를 가진 하나의 500Nm 슬라이스;

(b) 자동차 적용을 위해 각각 그들 자신의 CV형 출력부를 가진, 독립적으로 제어되는 두 개의 500Nm 슬라이스들;

(c) 잠재적으로 (높은 퍼포먼스) 자동차 적용을 위해, 각각의 쌍이 CV형 출력부를 가진, 두 쌍으로 묶인(쌍 당 1000Nm) 네 개의 슬라이스들;

(d) 2000Nm를 제공토록 서로 단단히 고정된 네 개의 슬라이스들;

도 8을 참조하면, 스페이서 슬리브(169)에 의해 이격됨에도 불구하고, 나란한 보스들을 통과해 연장되는 볼트(170)에 의해 상호연결되는 회전자들(114a, b) 때문에 도면의 아랫쪽 반과 위쪽 반은 다르다. 사실, 앞서 설명한 바와 같이, 어떠한 차동(differential)도 필요로 하지 않는다면, 출력부가 두 개가 아닐 이유는 없으나, 도 8의 아랫쪽 반에서는, 왼쪽 커버(178')는 완전히 밀폐되고, 왼쪽 회전자(114a)는 그것에 연결되는 디스크(194)와 허브(190)를 갖지 않는다. 대신, 드라이브는 오른쪽 회전자(114b)에 연결되는 하나의 허브(190)와 디스크(197)에(또는 로부터) 형성된다. 실제로, 네 개의 슬라이스 모터(미도시)는 도 8에서 왼쪽 방향으로 모터의 추가를 계속함으로써 간단하게 만들어질 수 있다. 또한, 듀얼 드라이브의 네 개의 슬라이스 모터는 도 8의 아랫쪽 반에서 배치를 미러링하고, 이는 계속되는 커버(178')를 제거하며, 각 쌍의 환형 하우징(102)을 서로 연결함으로써 간단하게 얻어질 수 있다.

주의해야 할 다른 요소는 슬라이스가 반드시 그 이상의 모터 슬라이스(100a, b)가 되어야 할 필요는 없다 - 그것은 다른 토크-속도 균형을 제공하는 분리된 기어박스 슬라이스일 수도 있다. 그러므로, 상기의 예 (a)에서, 슬라이스는 예를 들어 4:1의 비율로 회전 속도를 낮추는 주전원의 기어박스에 추가될 수 있다. 이것은 최대 출력 속도를 감소시킬 것이나 반대로 매우 가벼운 무게의 조립체에서 2000Nm 토크(500Nm x 4)를 제공할 것이다. 물론, 이러한 수치는 회전자 당 18개의 고정자 극과 20개의 자석을 사용하는 도 7 내지 13에서 도시된 토폴로지에 적용된다. 그러나, 다른 옵션이 300Nm 이하 그리고 1000Nm 이상에서, 양(either) 방향으로, 가능함은 물론이다.

도 7 내지 13의 모터(100)는 도 4 내지 6을 참조하여 상기에서 설명한 실시예들의 특징들 없이 나타내지지만, 그러한 특징들은 필요에 따라 유리하게 포함될 수 있다. 물론, 도 4 및 5를 참조하여 설명한 실시예들은 상호 배타적이다.

본 명세서의 상세한 설명과 청구항을 통해, 단어 "구성하다(comprise)"와 "포함하다(contain)"와 그들의 변형은 "포함하되 제한되지 않는(including but not limited to)"을 의미하고, 그것들은 다른 모이어티(moiety), 첨가물(additive), 구성 요소(component), 완전체(integer) 또는 단계(step)를 배제하려는 것이 아니다(그리고 배제하지 않는다). 본 명세서의 상세한 설명과 청구항을 통해, 문맥이 달리 요구하지 않는 한 단수형은 복수형을 포함한다. 특히, 명확하지 않은 글이 사용되는 곳에서는, 문맥이 달리 요구하지 않는 한, 명세서는 단수 뿐만 아니라 복수를 고려한 것으로서 이해되어야 한다.

발명의 특정 측면, 실시예 또는 예와 함께 설명된 특성(feature), 완전체(integer), 특징(characteristic), 복합체(compound), 화학적 모이어티(chemical moiety) 또는 그룹(group)은 어떤 다른 측면으로도 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서(수반하는 청구항, 초록 및 도면을 포함)에서 개시된 모든 특징들, 그리고(또는) 이렇게 개시된 어떤 방법 또는 프로세스의 모든 단계들은, 그런 특징들 그리고(또는) 단계들의 적어도 일부가 상호 배타적인 조합을 제외하고는, 어떤 조합으로도 조합될 수 있다. 발명은 상기한 실시예들의 상세한 설명으로 제한되지 않는다. 발명은 본 명세서(수반하는 청구항, 초록 및 도면을 포함)에서 개시된 특징들의 어떤 새로운 것, 또는 어떤 새로운 조합으로 확장되거나, 이렇게 개시된 방법 또는 프로세스의 단계들의 어떤 새로운 건 또는 어떤 새로운 조합으로 확장된다.

독자의 주의는 본 출원과 관련하여 본 명세서와 함께 또는 그 전에 제출되고 본 명세서에 대한 공개 조사에서 공개되는 모든 논문들과 문서들로 안내되고, 이러한 논문들과 문서들의 내용은 여기서 참조로서 결합된다.

　

참조

[1] TJ Woolmer and MD McCulloch “Analysis of the Yokeless and Segmented Armature Machine”, International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC), 3-5 May 2007

10 ... 전기자 기계 12 ... 고정자
14a, b ... 회전자 16 ... 고정자 바
22 ... 코일 24a, b ... 영구 자석
26a, b ... 에어 갭 42a, b ... 클램쉘 하우징
50 ... 포켓

Claims (36)

1. 고정자에 대하여 회전자 축 주위를 회전토록 마운트되는 고정자와 회전자,
   상기 회전자에 의해 지지되는 영구 자석, 상기 회전자 상의 출력부, 상기 회전자의 자석과의 상호 작용을 위해 고정자 바에 감기는 코일을 포함하는 상기 고정자, 상기 고정자 바들의 양 단부에 하나씩 배치되는 두 개의 스테이지를 갖는 상기 회전자, 상기 바들의 단부들과 상기 회전자 스테이지들 사이의 두 개의 에어 갭과, 상기 고정자를 보유하고 장착하는 환형 하우징;
   상기 회전자와 고정자 사이의 베어링, 상기 회전자 축 주위가 비어 있는 회전자, 상기 회전자로 또는 회전자로부터 회전력을 전달하기 위해 플랜지가 상기 회전자에 연결가능하게 하는 플랜지 연결 수단을 포함하는 상기 출력부를 포함하고,
   상기 출력부와 상기 환형 하우징 사이의 전체 부하(load)는 상기 고정자와 회전자 사이의 베어링을 통해 전달되어, 상기 고정자 하우징에 대하여 상기 회전자 또는 그의 출력부의 어떤 다른 장착도 제공되지 않고,
   상기 회전자 스테이지들 각각은, 바깥쪽 림(rim)에 상기 영구 자석이 장착되고 안쪽 림(rim)은 서로 연결되어 상기 베어링을 둘러싸는 환형 접시를 포함하는 전기 기계.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전기 기계는 적어도 두 개의 중요한 자속 경로가 있는데,
   첫번째 자속 경로는 첫번째 고정자 바를 통과하고, 상기 에어 갭들 중 첫번째를 가로지르며, 상기 회전자의 첫번째 스테이지 상의 첫번째 자석을 통과하여 상기 첫번째 스테이지의 백 아이런 안쪽으로 지나가고, 인접한 두번째 자석 안쪽으로 지나가며, 상기 첫번째 에어 갭을 가로질러 상기 첫번째 고정자 바아에 인접한 두번째 고정자 바 안쪽으로 지나가고, 상기 두번째 에어 갭을 가로지르며, 상기 회전자의 두번째 스테이지 상의 세번째 자석을 통과하여 상기 회전자의 두번째 스테이지의 백 아이런 안쪽으로 지나가고, 인접한 네번째 자석 안쪽으로 지나가며, 상기 두번째 에어 갭을 가로질러 다시 상기 첫번째 고정자 바 안쪽으로 지나가고;
   두번째 자속 경로는 상기 첫번째 고정자 바를 통과하고, 상기 첫번째 에어 갭을 가로질러 상기 회전자의 첫번째 스테이지 상의 상기 첫번째 자석을 통과하여 상기 첫번째 스테이지의 백 아이런 안쪽으로 지나가며, 상기 첫번째 스테이지를 통과하여 상기 베어링 주위에서 상기 회전자의 상기 두번째 스테이지 안쪽으로 상기 회전자의 두번째 스테이지의 백 아이런 안쪽으로 지나가고, 네번째 자석 안쪽으로 지나가며, 상기 두번째 에어 갭을 가로질러 다시 상기 첫번째 고정자 바 안쪽으로 지나가는 전기 기계.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 고정자 코일은 상기 회전자 축 주위에 간격을 두고 구비되고 상기 고정자 코일은 첫번째, 상기 고정자의 고정자 반경(R1)보다 더 가깝지 않게 상기 회전자 축에 근접하며;
   상기 베어링은 두번째, 회전자 반경(r)보다 상기 회전자 축에 더 가깝지 않은 상기 회전자의 표면 상에서 회전하는 롤링 요소를 포함하되, 회전자 반경은 상기 고정자 반경의 60%와 90% 사이인 전기 기계.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   롤링 요소가 회전하는 회전자의 표면은 회전자 플랜지의 전체 표면(integral surface)인 전기 기계.
5. 제4항에 있어서,
   상기 회전자 플랜지의 상기 전체 표면이 경화된 전기 기계.
6. 제4항에 있어서,
   상기 표면은 절대원추형(frusto-conical)이고, 상기 롤링 요소는 바늘(needle)인 전기 기계.
7. 제6항에 있어서,
   회전자 반경은 상기 회전자 축으로부터 바늘의 최소 거리인 전기 기계.
8. 제3항에 있어서,
   상기 고정자 코일은 반경 방향 길이(C1)를 가져 상기 고정자 코일을 둘러싸는 가장 작은 원은 코일 반경(R2)를 갖고, 여기서 상기 고정자 반경(R1)이 상기 코일 반경(R2)의 50%와 80% 사이인 전기 기계.
9. 제8항에 있어서,
   상기 코일은 반경 방향 길이(C1=R2-R1)의 50%와 150% 사이인 원주상 길이(C2)를 갖는 전기 기계.
10. 삭제
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 바는 상기 회전자의 회전 축에 축방향으로 나란하고, 상기 베어링은 상기 에어 갭을 교차하는 두 개의 방사형 평면들 사이에 있는 전기 기계.
12. 제11항에 있어서,
    상기 에어 갭은 방사상으로 연장하고 있는 전기 기계.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베어링이 상기 고정자의 코일 바 또는 슈즈와 교차하는 두 개의 방사형 평면들 사이에 있는 전기 기계.
14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베어링이 상기 고정자의 코일을 교차하는 두 개의 방사형 평면들 사이에 있는 전기 기계.
15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 바와 코일이 상기 에어 갭들 사이에서 연장되고 상기 코일을 냉각시키는 냉각 매체를 포함하는 챔버를 형성하는 고정자 하우징에 의해 둘러싸여지는 전기 기계.
16. 제15항에 있어서,
    상기 고정자 하우징은 두 개의 환형 플레이트와 두 개의 원통형 벽을 포함하되, 상기 환형 플레이트는 상기 챔버 내부에 상기 바를 위치시키는 리세스(recess)를 포함하는 전기 기계.
17. 제15항에 있어서,
    상기 고정자 하우징의 소재가 비자성과 전기적으로 비전도성인 전기 기계.
18. 제15항에 있어서,
    상기 에어 갭에서 상기 고정자 하우징의 소재가 열 절연성인 전기 기계.
19. 제15항에 있어서,
    상기 고정자 하우징은 상기 바와 상기 회전자 상의 자석 사이의 상기 갭을 최소화하기 위해 상기 바의 단부에서 얇게 형성되는 전기 기계.
20. 제16항에 있어서,
    상기 원통형 벽은 알루미늄으로 상기 환형 플레이트는 플라스틱 소재로 형성되는 전기 기계.
21. 제16항에 있어서,
    상기 원통형 벽은 안쪽과 바깥쪽 벽으로 형성되되, 상기 바깥쪽 벽은 상기 환형 하우징을 포함하고 기계를 장착하는 수단을 가지며 상기 안쪽 벽은 상기 베어링을 장착하는 전기 기계.
22. 삭제
23. 제22항에 있어서,
    상기 각각의 안쪽 림은 상호 결합(mutual inter-engagement)을 위한 인터페이스를 가진 원통형 플랜지를 포함하는 전기 기계.
24. 제23항에 있어서,
    상기 베어링 상의 예비하중(preload)을 조정하도록 상기 원통형 플랜지들 사이에 스페이서를 더 포함하는 전기 기계.
25. 제23항에 있어서,
    상기 원통형 플랜지는 상기 회전자 축에 평행하게 배치되어 상기 회전자 스테이지들을 함께 클램핑하기 위한 파스너(fastener)를 수용하는 보스를 포함하는 전기 기계.
26. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 플랜지 연결 수단은 상기 플랜지의 연결용 파스너를 포함하는 상기 회전자의 환형의 방사상 면을 포함하는 전기 기계.
27. 제26항에 있어서,
    상기 플랜지는 디스크와 허브를 포함하는 전기 기계.
28. 제25항에 있어서,
    환형 접시는 상기 파스너에 의해 상기 회전자의 상기 보스에 연결가능한 전기 기계.
29. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베어링은, 상기 고정자 상의 플랜지의 양 측면 상에 하나씩, 두 개의 베어링을 포함하고, 이에 따라 상기 고정자에 대한 상기 회전자 스테이지의 축방향 위치가 결정되는 전기 기계.
30. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 환형 하우징은 적어도 두 개의 상기 전기 기계가 공통의 회전자 축을 공유하면서 서로 연결될 수 있게 하는 축방향 인터페이스를 포함하는 전기 기계.
31. 제29항에 있어서,
    상기 원통형 플랜지는 회전자 스테이지들을 함께 클램핑하기 위한 파스너(fastener)를 수용하도록 상기 회전자 축에 평행하게 배치된 보스를 포함하고, 그리고 상기 연결된 기계의 상기 회전자는 인접한 회전자들의 보스들을 관통하는 파스너에 의해 상호연결되되, 스페이서가 그들 사이에 배치되는 전기 기계.
32. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기계의 노출된 단부는 상기 환형 하우징 상에 맞는 커버에 의해 밀폐되되, 커버 중 적어도 하나는 연장되어 만들어진 상기 출력부가 통과하는 중심 구멍을 갖는 전기 기계.
33. 제1항 또는 제2항에 따른 전기 기계는 모터.
34. 제33항에 있어서,
    베어링은, 고정자 상의 플랜지의 양측에 하나씩, 두 개의 베어링을 포함하고, 이에 따라 고정자에 대한 회전자 스테이지의 축방향 위치가 결정되며, 그리고 적어도 두 개의 모터는 나란하게 연결되고, 그들 중 적어도 두 개는 독립된 회전자를 갖고, 각각에 그 자신의 출력부가 제공되는 모터.
35. 제33항에 있어서,
    연결된 기계의 회전자는 인접한 회전자들의 보스를 관통하는 파스너에 의해 상호연결되되, 스페이서가 그들 사이에 배치되고, 그리고 각각의 커버에 상기 두 개의 출력부가 연장되어 통과하는 상기 중심 구멍이 제공되는 모터.
36. 제34항에 있어서,
    모터와, 각각의 출력부로부터 차량의 다른 측면 상의 바퀴까지의 드라이브 샤프트를 포함하는 차량.
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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