KR102317325B1

KR102317325B1 - 전기 기계

Info

Publication number: KR102317325B1
Application number: KR1020207002702A
Authority: KR
Inventors: 그레체고르츠 에크윈스키
Original assignee: 이큐에로 에스피.제트 오.오.
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2021-10-26
Also published as: AU2017424910B2; US11258342B2; CN110999049A; PL422393A1; EA038528B1; US20200259405A1; WO2019022624A1; EP3659245A1; KR20200029495A; CA3067531A1; JP2020534770A; CA3067531C; AU2017424910A1; BR112020001667A2; EA202090113A1; PL233865B1

Abstract

전기 기계는 베어링 판을 포함하는 스테이터와 전류를 전도하는 권선 및 로터로 이루어진다. 스테이터는 복합 재료 내에 매립되고 전체 각도의 일부를 구성하는 각도 스팬의 링 세그먼트를 형성하는 권선 세그먼트(20)로 형상화된, 전류를 전도하는 권선을 포함하고, 이 세그먼트의 총 다중도는 전체 각도, 즉 180도, 120도, 90도 등을 제공하며, 세그먼트(20)는 로터의 외부 디스크(8)와 내부 디스크(9) 사이에 삽입되고 1 GPa를 초과하는 강도의 섬유로 보강된 비자성 복합재(16) 및 (18)로 제조되고, 자극(15)은 적어도 하나의 영구 자석으로 이루어지는 내부 디스크(9)의 축방향을 향해 매립되고 자화된다. 극은 내부 디스크(8) 및 외부 디스크(9) 구조의 비자성 복합 재료(16) 및 (18)로 이루어진 간격을 두고 서로 분리되고, 각각의 외부 디스크(8) 및 내부 디스크(9)는, 1 GPa를 초과하는 강도의 섬유로 보강된 비자성 복합 재료로 제조되고, 디스크의 원통형 표면 상에 수지와 함께 섬유를 권취함으로써 형성된 외부 보강 링(13) 및 (17)을 원주 상에 각각 갖고, 로터의 외부 디스크(8)(제1 및 마지막)는 강자성 재료로 제조된 자기 회로를 폐쇄하는 링(14)을 갖는다.

Description

전기 기계

본 발명은 전기 에너지를 회전 기계 에너지로 변환하는 모터 모드에서 또는 회전 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기 모드에서 작동할 수 있는 전기 기계에 관한 것이다.

최초의 전기 모터를 창안한 이래로, 제작자는 이전 해결책의 결함을 제거하거나 감소시키도록 설계된 더 새로운 구조를 창안하려고 시도해 왔다. 제작자들은 다수의 모터 특성, 즉, 일반적으로 50% 내지 95% 범위인 각 구동 장치에 대해 정의될 수 있는 엔진 성능과 같은 모든 구동 장치에 대해 유사한 일반적인 특성, 및 전력, 분당 회전수, 중량 또는 생산 비용과 같이 일부 경우에 몇백배 만큼 상이한 특이적 특성들을 식별할 수 있다. 최근에, 전기를 사용하여 모든 활동을 돕는 것 뿐만 아니라 전기의 사용 방법이 점점 중요해지고 있고, 즉 브러시보다는 진공 청소기로 바닥을 청소하는 것이 당연히 선호되며, 한 동안은 진공 청소기에 저전력이지만 흡입 용량이 높은 고효율 모터가 장착되는 것이 중요해졌다. 이는 한때 대수롭지 않고 때로는 심지어 무시할만한 구동 파라미터를 인식하고 있었기 때문이다. 이들 특성들은, 예를 들어 에너지 효율성, 작업 문화(예를 들어, 저소음 작동, 전자기 간섭 감소) 및 재활용성을 포함한다.

본 특허의 목적은 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 데에 있어서 매우 높은 성능을 나타내는 전기 모터를 제공하는데 있다. 이 모터는 발전기로도 작동할 수 있다. 효율성이 매우 높은 전기 구동 장치는 현재 다음과 같이 식별될 수 있도록 시작되지만 아직 너무 명확하지는 않은 많은 매우 유리한 특성을 갖는다.

A: 에너지 효율. 99%의 높은 효율은 1%의 매우 작은 에너지 손실을 의미한다. 1000 W의 기계 동력의 모터는 현재와 같은 1100 W 또는 1300 W 대신에 1010 W - 1015 W의 전력을 소비한다. 그러한 모터를 대량으로 사용하면 전기를 크게 절약할 수 있다.

B: 재정 절약. 모터 구동 장치를 산업적으로 사용하는 경우, 에너지 효율은 디바이스에 공급되는 에너지의 작은 손실로부터 기인하여 소유자에게 큰 재정 절약을 가져온다.

C: 콤팩트한 크기. 모터 구동 장치 내부의 작은 에너지 손실은 더 낮은 열 복사를 의미하고, 결과적으로 모터 구동 장치가 내부 열 방출로 인해 과열되지 않기 때문에 현재 훨씬 더 큰 디바이스에 필적하는 전력을 갖는 비교적 작은 구동 장치를 구성하는 것이 가능하다.

D: 높은 동역학. 고출력 및 소형 구동 장치는, 작은 크기로 인해 관성 모멘트가 감소되고 비교적 높은 출력이 높은 토크를 생성하기 때문에 탁월하게 높은 동역학을 특징으로 한다. 이는, 예를 들어 로봇 공학과 같은 용례에서 매우 바람직한 큰 가속을 달성하는 것이 가능함을 의미한다.

E: 저렴한 가격. 콤팩트한 경량 모터 - 시장에서 현존하는 해결책과 비교하여 - 는 더 적은 원료를 필요로 하며 생산에서 문제가 적다. 80 kg 대신 12 kg 중량의 모터로 조립 작업을 수행하는 것이 더 용이하다. 이 모든 것이 구동 장치의 보다 낮은 생산 비용으로 바뀐다.

현재, 다양한 전기 모터가 사용되며, 모터 선택의 주요 기준은 작업의 유형 및 특성이다. 에어 컨디셔닝 팬에는 상이한 구동 장치가 사용되며 로봇 아암의 위치를 조작하기 위해 상이한 구동 장치가 사용된다. 결국, 구동 장치 선택의 최종 기준은 항상 경제, 즉 구동 장치의 구매, 설치 및 작동 비용이다. 모든 유형의 전기 구동 장치 및 대부분의 용례에서, 성능이 개선되고 그 활용도가 더 빈번한 더 많은 설계를 주목할 수 있다. 손실없이 작동하는 전기 구동 장치를 발견할 때까지 추세는 계속될 것이다.

현재의 기술 발전 상태에서, 모터 구동 장치에서 다음과 같은 에너지 손실 출처를 관찰할 수 있다.

A. 모터 코일 권선에서 열 방출 형태의 손실. 이들 손실은 비-제로 저항의 도체에서 전기 유동으로부터 발생한다. 코일 권선의 저항에 의해 발생된 전력 손실은 제2 전력에 대한 전류량과 코일 권선의 저항의 곱과 수치적으로 동일하다(P_strat = R * I²(P_strat[W], R[Ohm], I[A])). 권선의 전류 밀도를 감소시키고 권선의 저항을 감소시킴으로써 이들 손실을 상당히 감소시킬 수 있다. 전류 밀도의 감소는 모터에 의해 발생된 토크를 감소시키므로, 유용한 모터 전력을 얻기 위해서는 모터의 기계 동력이 구동 토크의 값을 곱한 회전 속도와 동일하므로 모터 회전 속도를 증가시켜야 한다(P_mech = ∞ * M_nap(P_mech[W], co[Rad/s], M_nap[NiTi])). 권선 저항의 감소는 권선이 제조되는 재료를 변경함으로써 - 이는 은의 저항이 훨씬 더 값비싼 구리보다 사소하게 낮기 때문에 비경제적임 - 또는 권선의 단면을 증가시키고(두껍게) 권선의 길이를 감소시킴으로써 획득될 수 있다. 모터 회전 속도의 증가는 권선에 인가되는 전압을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 고전적으로 설계된 모터에서, 그러한 변화로 인해 돌입 전류 및 모터 속도가 크게 증가된다. 시동 시에, 그러한 모터는, 권선에서 순환하는 전류의 값이 권선의 저항 및 권선에 인가되는 전압의 인자이기 때문에, 권선의 소손(burning-out)으로 인해 손상될 수 있다. 모터를 시동하면, 모터 속도가 증가함에 따라, 권선의 전류는, 코일에서 발생된 교번 자기장의 결과로서 권선의 인덕턴스 및 권선에서의 역전압의 발생으로 인해 감소된다. 모터 권선 저항 감소의 부정적인 영향은 전류를 제어하는 외부 전자 시스템을 사용하여 감소될 수 있다. 이들 해결책은 서보 구동 장치 제어기가 모터에 안전한 값을 초과하지 않도록 권선에서 순환하는 전기를 영구적으로 시험하는 서보 구동 장치에 적용된다. 이들 구동 장치는 비교적 높은 동력 출력 및 높은 동역학으로 매우 효율적이고 콤팩트하다. 이는 주로 MOSFET 트랜지스터의 개발, 전도 저항의 감소, 및 고효율 구동 장치 전력 시스템을 생성하게 하는 시프트 시간의 단축 덕분이다.

B. 코일의 자기 회로 코어에서 손실. 대부분의 모터에서, 권선은 실리콘 시트 또는 다른 재료의 배치(batch)로 이루어진 모터 자기 회로의 코어 또는 코어들과 공조한다. 이는 2개의 주요한 역할을 한다: (1) 기계적으로 권선 위치를 결정하고 적절한 방식으로 자기장의 유동을 지향시킨다. 불행하게도, 권선에 의해 발생된 가변 자기장은 지속적으로 코어를 재자화하여 전력 손실을 초래한다. 코어 온도는 단순히 자기 도메인의 지속적인 재배치로 인해 상승한다. 자기 코어를 제거함으로써 이 유형의 전력 손실을 제거할 수 있다. 그러한 모터는 수년간 공지되어 왔으며 코어리스 또는 아이언리스 DC 모터라고 명명된다. 이들 모터는 MaxonMotor(라인: Maxon RE 모터), Faulhaber 또는 Portescap(Brush DC Coreless Motor 28DT12)에 의해 제조된다. 이 유형의 구동 장치는 클래식 모터에 적용될 뿐만 아니라, 하드 디스크 구동 장치(hard disk drive)(HDD)의 아암이 또한 코어리스 구동 장치를 갖는다. 에폭시 수지 내에 매립된 권선 코일로 구축된 프레임은 한 쌍의 네오디뮴 자석에 의해 생성된 자기장에서 움직이다. 오늘날, 이는 그러한 디바이스의 생산자 사이에서 널리 퍼진 해결책이다. 이 설계는 높은 동력학 및 효율을 특징으로 한다.

코어리스(아이언리스) DC 구동 장치의 다른 예는 스피커의 다이아프램 구동 장치일 수 있다. 링 자석에 의해 생성된 자기장에는, 이동하는 스피커 다이아프램에 접착되는 매우 가벼운 코일이 있다. 이전에 나타낸 바와 같이, 구동 장치의 매우 높은 동역학을 관찰할 수 있다.

C. 기계 정류자의 손실. 소위 스위치 기반의 기계 정류는 주로 흑연과 구리로 제조된 브러시를 사용하여 기계의 로터 상에 위치된 정류자의 요소에 전류를 공급하는 것을 기초로 하는데, 로터에는 로터 권선의 개별 코일이 연결되어 있다. 브러시-정류자 연결부에서 저항으로 인해, 전기 에너지의 손실 뿐만 아니라 전기 회로의 기계적 맞물림 및 맞물림 해제로부터 기인한 스파크가 관찰된다. 다른 모터 설계를 적용하여, 즉 권선을 스테이터에 그리고 자석을 모터 로터 상에 배치하고 전자 정류자를 사용하여 권선 코일의 전류를 변경함으로써 그러한 손실을 제거할 수 있다. 이 유형의 스위칭은 비접촉식 스위칭으로 명명되고 모터 내부에서 문제가 되는 요소를 제거하는 것 외에 전체 구동 장치의 신뢰성을 개선시킨다.

D. 자기 여기 회로를 전기적으로 생성할 필요성으로부터 발생하는 손실. 일부 모터 설계, 예를 들어 단상 범용 AC 모터는 모터 로터 상의 코일에 의해 생성된 자기장과 반응하는 여기 자속을 생성하는 권선 코일이 끼워져 있다. 이 해결책은 오늘날 가정용 장비, 믹서기, 진공 청소기 등에 널리 적용된다. 모터에 전력을 공급하는 교류는 브러시 및 정류자에 의해 로터에 공급된다. 이는 스테이터에서 교번 자기장이 생성될 수 있게 한다. 따라서, 영구 자석은 스테이터에서 자기장 여기 공급원으로서 사용되지 않고 대신에 모터 로터와 동일한 공급원으로부터 공급되는 전자석 권선 코일로서 사용된다. 이것이 광범위한 해결책이지만, 이 유형의 모터는 비효율적이다. 이 문제는 모터 설계, 여기 자속을 생성하기 위한 영구 자석, 예를 들어 네오디뮴 자석의 사용 및 전자 정류자를 변경함으로써 제거될 수 있다. 이러한 개념으로 인해, 모터 권선에서 생성된 손실은 여기 필드와 상호 작용하는 권선에서만 발생하며, 영구 자석에 의해 생성될 때 여기 필드의 생성에서는 손실이 발생하지 않는다.

특허 문헌 US6163097호는 유사한 설계를 개시하고 있다. 그러나, 아래의 문제에 주의를 기울여야 한다;

A. 특허 개시내용에서, 디스크는 교대로 다극 자화되는 모놀리식 링 자석 형태의 영구 자석을 포함하는데, 이는 기술적인 문제를 초래하고 선택성을 감소시키거나, 또는 심지어는 후속 로터 디스크에서 개별 자극들 사이의 자기장의 분포를 방해한다.

B. 본 개시내용에서, 디스크는 교대로 다극 자화되는 모놀리식 링 자석으로서 영구 자석을 포함하는데, 이는 회전 운동 동안 파손에 대한 디스크의 내구성을 저하시킨다. 저자는, 예를 들어 로터의 최대 속도의 증가에 기여할 유리 섬유로 제조된 외부 링의 적용에 의해 디스크의 구조적 보강을 제공하지 않는다.

C. 본 개시내용은 매우 낮은 저항의 구리 시트, 로드 또는 프로파일로 제조된 링 시스템 형태의 권선 패키지를 제공한다. 시스템은 디바이스를 설치하는 동안 매우 불편하다. 시스템은 로터 디스크와 스테이터 권선이 순서대로 설치되는 것을 요구한다. 더욱이, 스테이터 권선의 매우 낮은 저항 및 로터 디스크 상의 많은 자극은 권선 전력 공급원의 고주파수 변화를 필요로 한다. 저자에 의해 적용된 권선에서 발생하는 표피 효과는 시스템의 효율을 감소시키고 출력의 저하를 초래한다. 이 유형의 장치에서, 소위 스트랜드 구리로 명명되는 멀티코어 도체로 제조된 권선을 사용하는 것이 적용 가능하다. 0.4 mm 미만의 매우 작은 직경을 갖는 많은 코어, 예를 들어 200개의 코어는 권선의 전체 단면에서 균일한 전류 유동을 야기하는 표피 효과를 제거한다.

문헌 US5619087호은 상기 해결책의 대부분을 포함하는 설계를 개시하고 있다. 그러나, 아래의 문제에 주의를 기울여야 한다;

A. 본 개시내용에서, 디스크는 영구 자석의 교번 자극을 포함하는데, 각각의 그러한 자극은, 사이에 접촉이 없고 설계에 의한 자석이 자기장의 상이한 유도를 갖는, 비교적 작은 크기의 많은 자석으로 구성된다. 이는 작동 중에 진동을 감소시키고 증가된 회전 속도에서 내구성을 개선시키기 위한 것이다. 이는 자극의 활성 단면을 감소시킨다. 이 유형의 모터는 그 유용성을 제한하는 제한된 구동 토크를 생성할 수 있다.

B. 본 개시내용에서, 디스크는 영구 자석으로 이루어진 자극을 교대로 포함하며, 자극의 선은 모터의 전방판(베어링)에 고정된 자기적으로 연성 금속 시트로 제조된 정적 링 내에 잠금된다. 이는, 자기 회로를 폐쇄하는 링 재료의 지속적인 과자화(over-magnetizing)가 전체 시스템의 효율을 감소시키기 때문에 바람직하지 않다.

본 명세서에서 청구된 발명은 작동 중에 최소 에너지 손실을 갖는 전기 기계를 설계하는 것이다.

전기 기계는 전류를 전도하는 권선 베어링 판을 포함하는 스테이터, 로터와 상기 로터의 외부 디스크 및 내부 디스크로 이루어지고, 자극이 적어도 하나의 영구 자석으로 이루어진 내부 디스크의 축방향을 향해 매립되어 자화되고, 세그먼트가 상기 로터의 외부 디스크와 내부 디스크 사이에 삽입된다. 스테이터는 1 GPa 초과의 인장 강도를 갖는 섬유로 보강된 비자성 복합재에 매립되고 전체 각도의 일부인 각도 스팬의 링 섹션을 구성하는 평탄한 세그먼트 형태로 형상화된, 전류를 전도하는 권선을 포함하는데, 그러한 섹션의 총 다중도는 전체 각도, 즉 180도, 120도, 90도 등을 초래한다. 상기 전기 기계는, 상기 외부 디스크와 상기 내부 디스크는 1GPa를 초과하는 인장 강도의 섬유에 의해 보강된 비자성 복합재로 제조되고, 극들은 디스크 구조의 비자성 복합 재료로 형성된 간격에 의해 분리되는 것을 특징으로 한다. 게다가, 각각의 외부 및 내부 디스크는 1 GPa를 초과하는 인장 강도의 섬유로 보강된 비자성 복합 재료로 형성된 외부 보강 링을 원주 상에 갖고; 링은 디스크의 원통형 표면 상에 섬유와 수지를 권취하여 제조된다. 링은 원심력의 작용의 결과로서 파열되지 않도록 디스크를 기계적으로 보강한다. 외부 로터 디스크(제1 및 마지막 디스크)는 자기 회로를 폐쇄하는 강자성 물질로 제조된 링을 추가로 갖기 때문에 내부 디스크와 상이하다. 자극은 입방형 형상, 즉 디스크 평면에서 직사각형 형상을 가질 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다. 극은 사다리꼴 형상을 가질 수도 있는데, 사다리꼴의 더 짧은 밑변은 디스크 축측 또는 링 섹션의 형상에 위치된다. 가교부가 디스크의 내부 부분을 외부 링과 연결하여 디스크를 보강하기 때문에 높은 모터 속도에서 디스크의 강도에 큰 영향을 미치는 극들 사이의 적절한 가교부 두께를 보장하면서 극이 디스크의 비교적 큰 표면을 점유하는 것이 중요하다.

바람직하게는, 기계는 기계의 샤프트 상에 영구적으로 고정된 각도 위치 센서 코딩 디스크로 이루어지고, 기계의 디스크 및 모터의 스테이터에 부착되는 센서 코딩 디스크와 공조하는 감광성 요소 또는 자극 센서와 함께 회전하는, 샤프트 회전 각도를 측정하는 센서를 포함한다.

게다가, 바람직하게는 1 GPa를 초과하는 인장 강도의 섬유로 보강된 비자성 복합재는 에폭시 수지계 복합재이다.

바람직하게는, 샤프트 회전 각도 측정 센서는 단일 디스크 상의 자극의 수보다 높은 해상도를 나타낸다.

바람직하게는, 로터 디스크는 냉각 공기를 허용하고 자극을 갖는 영역과 로터 샤프트 사이의 디스크 표면에 수직으로 형성된 구멍 뿐만 아니라 냉각 공기를 권선에 공급하여 모터 권선 세그먼트가 위치되는 곳에서 공기가 언급된 구멍으로부터 디스크 사이의 공간으로 통과하게 하여 작동 중에 권선을 냉각시키는 구멍을 갖는다.

바람직하게는, 권선 세그먼트는 다수의 디스크들 사이의 공간을 채우는 권선 패킷으로 결합된다.

바람직하게는, 하우징은 기계의 내부 부품을 냉각하는 공기가 공급 및 추출되는 공압 호스용 후방 베어링 판에 2개의 커넥터를 갖는다.

본 발명의 주 사항은 도면에 제시되어 있다.
도 1은 주 기계의 단면도이고,
도 1a는 외부 공기 냉각용 구멍이 있는 주 기계의 단면도이며,
도 2는 로터의 단면도이고,
도 3은 외부 디스크의 도면과 A-A 선을 따라서 취한 그의 단면을 나타내며,
도 4는 내부 디스크의 도면을 나타내고,
도 5는 권선 세그먼트 패킷의 도면이며,
도 6은 권선 세그먼트의 도면이고,
도 7은 단일 권선 위상의 도면이며,
도 8은 단일 자석으로 제조된 자극의 다양한 형상의 도면이다.

실시예 1

228 mm의 외경 및 246 mm의 길이의 전기 기계는 측면 커버(3)가 있는 스테이터, 모터 샤프트(7)의 전방 베어링(4)이 안착된 전방 베어링 판(1), 모터 샤프트(7)의 후방 베어링(5)이 안착된 후방 베어링 판(2), 유리-에폭시 복합재 내에 매립되고 120도의 링 섹션을 구성하는 4 mm 두께의 권선 세그먼트(20)로 형상화된, 전류 전도용 권선으로 이루어진다. 권선의 3상은 세그먼트 내에 있고 에폭시 복합재(24) 내에 매립되며: 상 A(21), 상 B(22) 및 상 C(23)는 60 x 0.1 mm의 멀티코어 스트랜드 구리로 제조된다. 권선(20)의 45개의 세그먼트는 권선 세그먼트 패킷 프레임(19) 내의 각 패킷에 대해 15개의 세그먼트를 갖는 3개의 권선 세그먼트 패킷(6)으로 분할된다. 이들 패킷은 로터 디스크 사이에 삽입된다. 로터는 모터 샤프트(7), 2개의 외부 디스크(8) 및 6 mm 두께의 유리-에폭시 복합체로 제조된 14개의 내부 디스크(9)로 이루어지고, 내부 디스크(16)의 본체 및 외부 디스크(18)의 본체를 구성하는데, 24개의 자극(15)은 매립되고, 내부 디스크(9)의 축방향을 향해 자화되며, 각각 30 mm x 10 mm x 6 mm 치수의 하나의 입방형 네오디뮴 자석으로 이루어지고, 6 mm의 치수를 따라 자성 물질 N42로 자화되었다. 외경이 183 mm인 외부 디스크(8), 및 외부 디스크(9)는 각각 보강 외부 링(13 및 17)으로 보강되고, 디스크의 원통형 표면 둘레에 수지와 함께 유리 섬유를 권취하여 형성된 유리-에폭시 복합체로 제조되는 반면, 로터의 외부 디스크(8)(제1 및 마지막 디스크)는 또한 자기적 연강으로 제조된 자기 회로를 폐쇄하는 링(14)을 갖는다. 자극을 갖는 모든 로터 디스크는 모터 샤프트(7)에 관하여 회전에 대해 치수적으로 보호되고 그 위치 내에서 일측면으로부터 모터 샤프트(7) 상에 베어링 표면에 의해 그리고 로터 디스크를 고정하는 너트(11)에 의해 타측면 상에 축방향으로 유지된다. 외부 디스크(8)와 내부 디스크(9)는 모두 직경이 10 mm인 구조적 구멍(25)을 갖고, 간극에 작동 중에 냉각 공기를 제공하여 원심력의 결과로서 권선 섹션(20) 둘레의 공간으로 강제되는 냉각 공기를 권선에 공급한다. 모터 샤프트 회전 각도 측정 센서(7)는, 기계 샤프트 상에 영구적으로 고정된 코딩 디스크(12), 및 센서 코딩 디스크(12)와 공조하는 감광성 센서(10)로 이루어지며, 모터 샤프트(7)의 1 회전 당 해상도 360 펄스로 모터 스테이터에 영구적으로 고정된다.

모터 모드에서 작동하는 외부 제어기로부터 공급된 기계는 400 V와 동일한 전압 하에 공급될 때 101.72 kW의 기계 동력을 생성하였다. 전류는 256 A이었고 21,080 rpm의 회전 속도에서 토크는 46.08 Nm에 도달하였다. 이 모드에서 기계의 효율은 99.34% ± 0.05%이었다.

발전기 모드에서, 100 kW 전력에서 매우 유사한 회전 속도 및 구동 토크를 갖는 기계는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 99.42% ± 0.05%에 해당하는 효율을 달성하였다. 프로토타입에 의해 얻어진 결과는 전술한 용액의 적용의 권고성, 0.6% 수준의 사소한 손실을 확인하고, 초기 목표인 고출력을 생성하고 작은 치수를 잔존시키는 전기 기계의 구성을 허용하였다.

실시예 2

실시예 1에서 언급된 전기 기계는 사다리꼴 형상(28)의 단일 네오디뮴 자석 형태의 자극(15)을 사용하여 제조되었으며, 사다리꼴의 더 짧은 밑변은 디스크 축측에 위치 설정된다. 각각의 자석(28)의 치수는 사다리꼴의 더 긴 밑변: 12 mm, 사다리꼴의 더 짧은 밑변: 8 mm, 사다리꼴의 높이: 39 mm, 극의 두께: 6 mm이었다. 이러한 치수에 따라 극이 자화되고 자성 물질 N42가 되었다. 전술한 자극(15)은 14개의 내부 디스크(9) 뿐만 아니라 2개의 외부 디스크(8) 모두에 적용되었다.

앞서 언급한 바와 같이, 모터 모드에서 작동하는 외부 제어기로부터 공급된 기계는 400 V와 동일한 전압이 공급될 때 101.85 kW의 기계 동력을 생성하였다. 전류는 256 A이었고, 21,020 rpm의 회전 속도에서 획득된 토크는 46.27 Nm이었다. 이 모드에서 기계의 효율은 99.46% ± 0.05%이었다.

발전기 모드에서, 100 kW 전력에서 매우 유사한 회전 속도 및 구동 토크를 갖는 기계는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 99.53% ± 0.05%에 해당하는 효율을 달성하였다. 보다 높은 효율은 기계 작동에 관하여 자극(15)을 재성형하는 긍정적인 효과를 확인시켜 준다.

실시예 3

실시예 1에 설명된 전기 기계는, 링의 보다 작은 반경이 디스크 축측에 위치 설정된 링 섹션(29) 형상의 단일 네오디뮴 자석의 자극(15)을 사용하여 구성되었다. 각각의 자석(29)의 치수는 외부 반경: 83 mm, 내부 반경: 53 mm, 링의 각도 스팬: 9°, 및 극의 두께: 6 mm이었다. 이 치수에 따라 극이 자화되고 자성 물질 N42가 되었다. 자극(15)은 14개의 내부 디스크(9) 뿐만 아니라 2개의 외부 디스크(8) 모두에 적용되었다.

앞서 언급한 바와 같이, 모터 모드에서 작동하는 외부 제어기로부터 공급된 기계는 400 V와 동일한 전압이 공급될 때 101.91 kW의 기계 동력을 생성하였다. 전류는 256 A이었고 19,930 rpm의 회전 속도에서 토크는 48 Nm에 도달하였다. 이 모드에서 기계의 효율은 99.52% ± 0.05%이었다.

발전기 모드에서, 100 kW 전력에서 매우 유사한 회전 속도 및 구동 토크를 갖는 기계는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 99.53% ± 0.05%에 해당하는 효율을 달성하였다. 실시예 2에서와 같이, 보다 높은 효율은 기계 작동에 관하여 자극(15)을 재성형하는 긍정적인 효과를 확인시켜 준다.

실시예 4

실시예 3에 언급된 바와 같은 전기 기계는 후방 베어링 판(2)에 추가 구멍(30 및 31)을 갖도록 제조되었다. 100 kW의 전력으로 작동할 때, 기계 내부 온도는 실시예 3에서보다 12°C 더 낮은 것으로 측정되었다. 25°C의 온도 및 분당 30 리터의 출력으로 공기가 공급될 때 68°C의 온도는 56°C로 떨어졌다. 기계 내부의 온도가 감소되면 향후 샤프트의 기계적 동력이 증가하게 된다.

Claims

베어링 판을 갖는 스테이터, 전류를 전도하는 권선, 로터와 상기 로터의 외부 디스크(8) 및 내부 디스크(9)로 이루어지는 전기 기계에 있어서, 자극(15)이 적어도 하나의 영구 자석으로 이루어진 내부 디스크(9)의 축방향을 향해 매립되어 자화되고, 권선 세그먼트(20)가 상기 로터의 외부 디스크(8)와 내부 디스크(9) 사이에 삽입되고,
상기 스테이터는, 복합 재료 내에 매립되고 전체 각도 내에서 각도 스팬 범위를 갖는 링의 섹션을 형성하는 권선 세그먼트(20)로 형상화된, 전류를 전도하는 권선을 포함하며,
상기 섹션의 총 다중도는 전체 각도로서 180도, 120도 또는 90도를 제공하고,
상기 외부 디스크(8)는 1 GPa를 초과하는 강도의 섬유로 보강된 비자성 복합재(16)로 제조되고, 상기 내부 디스크(9)는 1 GPa를 초과하는 강도의 섬유로 보강된 비자성 복합재(18)로 제조되며, 상기 자극(15)은 내부 디스크(9) 및 외부 디스크(8) 구조의 비자성 복합 재료(16 및 18)에 의해 형성된 간격으로 서로 분리되고,
각각의 외부 디스크(8) 및 내부 디스크(9)는, 외부 보강 링(13 및 17)을 원주 상에 각각 구비하고 1 GPa를 초과하는 강도의 섬유로 보강된 비자성 복합 재료(16 및 18)로 제조되고 디스크의 원통형 표면 상에 수지와 함께 섬유를 권취함으로써 형성되며, 로터의 외부 디스크(8)는 강자성 재료로 제조된 자기 회로를 폐쇄하는 링(14)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
제1항에 있어서,
상기 로터가 포함하는 모터 샤프트(7)의 회전 각도 측정 센서는, 기계의 샤프트 상에 영구적으로 고정되어 모터 샤프트(7)와 함께 회전하는 센서 코딩 디스크(12), 및 모터의 스테이터에 영구적으로 부착된, 센서 코딩 디스크(12)와 공조하는 감광성 요소 또는 자극 센서(10)로 이루어지는, 전기 기계.
제2항에 있어서,
상기 모터 샤프트(7) 회전 각도 측정 센서는 외부 디스크(8) 또는 내부 디스크(9)의 단일 디스크 상의 자극(15)의 수보다 높은 해상도를 갖는, 전기 기계.
제1항에 있어서,
1 GPa를 초과하는 인장 강도의 섬유로 보강된 비자성 복합재(16 및 18)는 에폭시 수지계인, 전기 기계.
제1항에 있어서,
상기 로터의 외부 디스크(8) 및 내부 디스크(9)는 자극(15)을 갖는 영역과 로터의 모터 샤프트(7) 사이에서 디스크의 표면에 수직으로 형성된 구멍(25) 뿐만 아니라 냉각 공기를 상기 구멍(25)으로부터 권선으로 안내하는 간격(26)을 포함하는, 전기 기계.
제1항에 있어서,
상기 권선 세그먼트(20)는 권선 세그먼트(20)의 패킷(6)에 연결되고, 로터의 다수의 디스크인 외부 디스크(8) 및 내부 디스크(9) 사이의 공간을 채우는, 전기 기계.
제1항에 있어서,
상기 권선은 연선 도체로 이루어지는, 전기 기계.
제1항에 있어서,
상기 자극(15)은 그 반경방향의 치수가 디스크의 평면에서 반경방향에 수직으로 치수를 초과하는, 전기 기계.
제1항에 있어서,
상기 외부 디스크(8) 및 내부 디스크(9)의 자극(15)을 형성하는 데에 사용되는 영구 자석은 네오디뮴을 함유하는, 전기 기계.
제1항에 있어서,
상기 자극(15)은 외부 디스크(8) 및 내부 디스크(9)의 평면에서 직사각형 형상을 갖는, 전기 기계.
제1항에 있어서,
상기 자극(15)은 외부 디스크(8) 및 내부 디스크(9)의 평면에서 이등변 사다리꼴 형상을 가지며, 사다리꼴의 보다 짧은 밑변은 디스크 축을 향해 배향되는, 전기 기계.
제1항에 있어서,
상기 자극(15)은 외부 디스크(8) 및 내부 디스크(9)의 평면에서 링 세그먼트의 형상을 갖는, 전기 기계.
제1항에 있어서,
기계의 내부 부품을 냉각하는 공기가 공급되고 추출되는 공압 호스용 후방 베어링 판에 2개의 커넥터(30 및 31)가 위치하는, 전기 기계.