KR102633232B1 - 축방향 자속 기계의 자석-고정자 갭을 제어하기 위한 프리와프형 회전자 - Google Patents

축방향 자속 기계의 자석-고정자 갭을 제어하기 위한 프리와프형 회전자 Download PDF

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Abstract

축방향 자속 모터 또는 발전기에 사용하기 위한 조립체는 회전자 판과 자석 을 포함하고, 자석은 자석의 자화 방향에 직교하는 표면을 갖는다. 회전자 판은 회 전 축선을 중심으로 회전자 샤프트와 결합하도록 구성되고, 자석은 회전자 판에 부 착된다. 회전자 판과 자석은, 회전자 판과 자석이 다른 모든 자계 발생 구성요소로부터 분리되어 있다면, 표면 상의 제1 지점을 인터셉트하고 회전축에 수직인 제1 면과 표면 상의 제2 지점을 인터셉트하고 회전축에 수직인 제2 면 사이의 거리가 실질적으로 0보다 크도록 구성 및 배치된다.

Description

축방향 자속 기계의 자석-고정자 갭을 제어하기 위한 프리와프형 회전자
관련 출원
본 출원은, (A) 미국 특허출원 제15/983,985호(출원일: 2018년 5월 18일, 발명의 명칭: Pre-Warped Rotors for Control of Magnet-Stator Gap in Axial Flux Machines), (B) 미국 가특허 출원 제62/515,251호(출원일: 2017년 6월 5일, 발명의 명칭: Pre-Warped Rotors for Control of Magnet-Stator Gap in Axial Flux Machines), 및 (C) 미국 가특허 출원 제62/515,256호(출원일: 2017년 6월 5일, 발명의 명칭: AIR CIRCULATION IN AXIAL FLUX MACHINES) 각각에 대한 우선권을 주장한다. 이들 우선권 각각의 전문은 모든 면에서 본 명세서에 참고로 원용된다.
축방향 자속 모터 및 발전기는, 일반적으로 자속을 생성하는 한 쌍의 대향 자석들 사이에 형성된 갭에 위치설정된 고정자, 및 자석들을 지지하며 자석들이 고정자에 대하여 일제히 회전할 수 있게 하는 회전자를 사용한다. 이러한 축방향 자속 모터 또는 발전기(100)의 예가 도 1과 도 2에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 모터 또는 발전기(100)는 고정자(104)의 양측에 위치설정된 한 쌍의 환형 자석(102a, 102b)을 포함한다. 자석(102a, 102b)은 샤프트(108)에 고정 부착된 회전자 판(106a, 106b)에 의해 각각 지지된다. 자석(102a, 102b), 고정자(104), 및 회전자 판(106a, 106b)은 모두 케이스(110) 내에 포함된다. 고정자(104)의 주변부는 케이스(110)의 두 개 부분(110a, 110b) 사이에 부착되므로, 고정자(104)는 케이스(110)에 대해 고정된 상태를 유지한다.
자석(102a, 102b), 회전자 판(106a, 106b), 및 샤프트(108)는, 고정자(104) 및 케이스(110)에 대해 회전할 수 있는 "회전자 조립체"를 함께 형성한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 회전자 판(106a)의 상부와 케이스 상측 절반부(110a)의 내면 사이의 약간의 간극(112a)과 회전자 판(106a)의 하부와 케이스 하측 절반부(110b)의 내면 사이의 약간의 간극(112b)은, 회전자 조립체가 케이스(110)에 대하여 회전할 수 있게 한다. 유사하게, (회전자 판(106a)의 노출된 하부와 고정자(104)의 상부 사이뿐만 아니라) 자석(102a)의 하부와 고정자(104)의 상부 사이의 약간의 간극(114a)과 (회전자 판(106b)의 노출된 상부와 고정자(104)의 하부 사이뿐만 아니라) 자석(102b)의 상부와 고정자(104)의 하부 사이의 약간의 간극(114b)은, 회전자 조립체가 고정자(104)에 대하여 회전할 수 있게 한다. 샤프트(108)와 케이스(110) 사이의 지지 베어링(116a, 116b)은, 회전자 조립체가 고정자(104) 및 케이스(110)에 대해 제어되는 방식으로 자유롭게 회전할 수 있게 한다.
일부 실시형태에서, 축방향 자속 모터 또는 발전기에 사용하기 위한 조립체는 회전자 판과 자석을 포함하고, 자석은 자석의 자화 방향에 직교하는 표면을 갖는다. 회전자 판은 회전축(axis of rotation)을 중심으로 회전하는 회전자 샤프트와 결합(engage)하도록 구성되고, 자석은 회전자 판에 부착된다. 회전자 판과 자석은, 회전자 판과 자석이 다른 모든 자계 발생 구성요소로부터 분리되어 있다면, 표면 상의 제1 지점을 인터셉트(intercept)하고 회전축에 수직인 제1 면과 표면 상의 제2 지점을 인터셉트하고 회전축에 수직인 제2 면 사이의 거리가 실질적으로 0보다 크도록 구성 및 배치된다.
일부 실시형태에서, 축방향 자속 모터 또는 발전기에 사용하기 위한 조립체를 형성하는 방법은 자석을 회전자 판에 부착하는 단계를 포함하고, 자석은 제1 자석의 자화 방향에 직교하는 표면을 갖는다. 회전자 판은, 회전축을 중심으로 회전하는 회전자 샤프트와 결합하도록 구성되고, 자석이 회전자 판에 부착된 후에, 표면 상의 제1 지점을 인터셉트하고 회전축에 수직인 제1 면과 표면 상의 제2 지점을 인터셉트하고 회전축에 수직인 제2 면 사이의 거리가 실질적으로 0보다 크도록 구성된다.
도 1은 축방향 자속 모터 또는 발전기의 절개 사시도;
도 2는 도 1에 도시된 축방향 자속 모터 또는 발전기의 절개 측면도;
도 3은 도 1과 도 2에 도시된 것과 같은 축방향 자속 모터 또는 발전기의 일부의 절개 측면도를 과장된 갭 및 회전자 편향과 함께 도시한 도면;
도 4는 본 명세서에 개시하는 바와 같이 프리와프형(pre-warped) 회전자 요소의 일례를 사용하는 축방향 자속 모터 또는 발전기의 절개 측면도;
도 5a는 도 4에 도시된 모터 또는 발전기의 구성요소에 추가하여 제어기를 포함하는 시스템의 사시도;
도 5b는 도 5a에 도시된 시스템의 확대도;
도 6은 본 명세서에 개시하는 바와 같이 프리와프형 회전자 요소를 형성할 수 있도록 테이퍼 영역을 갖는 회전자 판의 일례의 절개 측면도;
도 7은 본 명세서에 개시하는 바와 같이 프리와프형 회전자 요소의 일례의 절개 측면도;
도 8은 도 6에 도시된 것과 같은 회전자 판의 일례의 평면도;
도 9는 일부 실시형태에서 사용될 수 있는 환형 자석의 평면도;
도 10은, 한 쌍의 프리와프형 회전자 요소들의 절개 측면도를 도시하며, 회전자 요소들이 회전자 조립체에 통합될 때 회전자 요소들이 원하는 구성으로 어떻게 굽혀질 수 있는지를 예시함;
도 11은, 도 7에 도시된 바와 같이 프리와프형 회전자 요소를 포함하는 모터 또는 발전기 조립체의 일례의 절개 측면도를 각 자석들 사이의 과장된 갭과 함께 도시한 도면;
도 12는 본 명세서에 개시하는 바와 같은 프리와프형 회전자 요소를 포함하는 모터 또는 발전기 조립체의 다른 일례의 절개 측면도;
도 13은 본 명세서에 기술되는 바와 같이 구성된 프리와프형 회전자 요소의 상부를 도시하는 사진; 및
도 14는 도 13에 도시된 프리와프형 회전자 요소의 측면의 사진.
미국 특허 제7,109,625호("625 특허")를 비롯한 여러 특허에 의해 기술되고 전문이 본 명세서에 참고로 원용되는 축방향 자속 모터 및 발전기는, 남극과 북극이 교번하는 자화된 자석들 사이에 개재된 대략 평면인 인쇄 회로 기판 고정자 조립체를 특징으로 한다. 이들 자석은, 기계적 하중(또는 발전기용 소스)에 연결되도록 "백-아이언"(back-irons)을 통해 샤프트에 부착된다. 이러한 백-아이언은, 자속 복귀 경로를 제공하며, 예를 들어, 도 1과 도 2에 도시된 회전자 판(106a, 106b)에 대응할 수 있다. 갭의 자속 밀도는 두 개의 자석 사이의 간격에 크게 좌우된다. 갭이 작을수록 동일한 자속 밀도에 대하여 더욱 작고 가벼운 자석을 사용할 수 있다. 고정자로부터 양측의 자석까지의 0.02인치인 작은 갭 크기가 사용되었다. 본 발명자는, 자석들이 이러한 구성으로 배치되는 경우, 원형 회전자 요소들이 자석들 간의 자기 인력으로 인해 굽혀진다는 점을 인식하고 이해하였다. 이러한 굽힘은, 자석의 외경에서 갭 크기를 감소시키며, 다른 곳은 치수 변화로 인해 이미 마찰되기 쉬운 영역이다. 이로 인해 모터 작동 중 자석-고정자 접촉이 발생할 수 있다.
축방향 자속 모터 또는 발전기의 전체 질량 또는 두께에 추가하지 않고서 축방향 자속 모터 또는 발전기에서 회전자와 고정자 사이의 일정한 갭을 유지하기 위한 장치 및 기술을 개시한다. 일부 구현예에서, 회전자 판들(예를 들어, 백-아이언) 상의 기계가공된 표면은, 조립되는 경우 자석들의 힘이 회전자 판들을 원하는 갭을 발생시키는 위치로 굽히도록 프리와프형 상태를 달성하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 원형의 원뿔형 테이퍼는 이전에 편평한 회전자 판 표면의 표면 상으로 기계가공될 수 있으며, 이에 따라 모터 또는 발전기에 조립되어 자력에 의해 작용하는 경우 실질적으로 평행한 상태 또는 다른 원하는 상태로 굽혀지는 와프형 표면을 생성할 수 있다. 대안으로, 테이퍼형 회전자 판들은, 회전자 판들을 원하는 테이퍼형 구성으로 성형함으로써 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 축방향 자속 모터 또는 발전기에서의 자석들 사이의 갭은 기계에서 중요한 설계 파라미터일 수 있다. 고정자의 주어진 전류 밀도에 대해 생성될 수 있는 토크의 양은 갭의 자계에 비례한다. 이러한 갭의 크기는 자계의 강도에 큰 영향을 줄 수 있으므로, 일반적으로 갭 크기를 가능한 많이 줄이는 것이 바람직하다. 이는, 갭 크기가 감소됨에 따라 동일한 자계 증가가 회전자 판에 더욱 큰 힘을 가하여 그 판의 굽힘을 유발한다는 점에서 문제가 있다. 도 3은, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 간략화된 축방향 자속 모터 또는 발전기의 일부의 절단 측면도를 도시하고 있지만, 갭의 크기와 편향의 양은 문제의 본질을 예시하도록 과장된 것이다. 회전자-고정자 간극을 가능한 많이 줄이려고 하는 기계에서, 이러한 유형의 굽힘은 일정하지 않은 자계 강도와 심지어 고정자 상의 자석의 마찰을 초래할 수 있다. 이러한 마찰은, 고정자를 손상시킬 수 있고, 긁는 잡음이 들리게 할 수 있고, 효율을 떨어뜨릴 수 있다.
종래의 해결책들은, 갭의 크기를 증가시키거나 회전자 판의 굽힘 강도를 증가시키는 것이었다. 이러한 각 해결책은 바람직하지 않은 결과를 초래한다. 전술한 이유로, 종래의 제1 해결책, 즉, 갭 크기를 증가시키는 것은 주어진 자석 크기에 대하여 자계 강도의 감소를 초래한다. 종래의 제2 해결책, 즉, 회전자의 굽힘 강도를 증가시키는 것은, 기계의 전체 질량을 증가시키고 바람직한 슬림한 폼 팩터를 감소시키는 회전자의 두께 증가를 필요로 한다. 또한, 이는 더욱 복잡한 제조 공정을 필요로 할 수 있어서, 전체 비용이 추가될 수 있다. 도 2에 도시된 모터 또는 발전기(100)에서, 예를 들어, 각 회전자 판(106a, 106b)에는, 림(rim)(115), 및 회전자 판(106a, 106b)의 중심 근처에서 두께가 증가된 영역(118)이 제공된다. 이러한 방법들은, 여전히 폭이 감소하는 갭을 반경의 함수로서 다루어, 불균일한 갭의 문제 점보다는 증상에 대처하고 있다.
도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 일부 축방향 자속 기계에서, 베어링(116a, 116b)은, 회전자 판(106a, 106b) 및 부착된 자석(102a, 102b)을 지지하는 데 이용된다. 이들 베어링(116a, 116b)은, 고정자(104)를 그 주변부에서 클램핑하여 함께 제공되는 케이스 부품(110a, 110b)에 의해 각각 지지된다. 회전자-고정자 정렬은 베어링(116a, 116b)에 대한 샤프트(108)의 정렬에 의해 결정된다. 베어링(116a, 116b)은 일정량의 반경방향 런아웃을 가지며, 이는 베어링이 마모됨에 따라 증가한다. 또한, 케이스(110)의 공차로 인해 두 개의 베어링(116a, 116b) 사이에 어느 정도의 오정렬이 종종 있을 수 있다. 이러한 설계는 통상적이므로, 얇은 모터 또는 발전기에 조립되는 경우, 런아웃 및 오정렬의 영향이 고정자-자석 갭의 외경에서 확대되며 위에서 언급한 마찰을 야기할 수 있다. 본 개시 내용은, 적어도 일부 실시형태에서, 자계의 감소 또는 질량의 증가 없이 이러한 문제를 직접 해결하는 방법을 제공한다.
도 4는 본 개시 내용에 따라 프리와프형 회전자 요소를 포함하는 모터 또는 발전기(400)의 예시적인 실시형태의 절개 측면도이다. 알 수 있는 바와 같이, 모터 또는 발전기(400)는, 도 1과 도 2에 도시된 모터 또는 발전기(100)와 공통되는 여러 구성요소를 갖고, 또한, 몇 가지 현저한 차이점도 갖는다. 두 개의 설계 간의 한 가지 차이점은 모터 또는 발전기(400)에서의 허브(422)의 구성에 관한 것이다. 도시한 바와 같이, 허브(422)는 회전자 판(406a, 406b)과 샤프트(408)를 함께 묶는 데 사용될 수 있으며, 이때, 핀(424a, 424b)은 회전자 판(406a, 406b)을 서로뿐만 아니라 허브(422)에 대해서도 인덱싱하는 데 사용되며, 핀(426)은 허브(422)를 샤프트(408)에 인덱싱하는 데 사용된다. 또한, (더욱 상세히 후술하는 바와 같이) 조립 전에 회전자 요소들을 프리와프형으로 되게 함으로써, 모터 또는 발전기(400)의 회전자 판(406a, 406b)이 모터 또는 발전기(100)의 회전자 판(106a, 106b)보다 부피가 덜하고 및/또는 덜 복잡할 수 있으며, 이에 따라 모터 또는 발전기(400)가 더욱 슬림한 폼 팩터를 달성할 수 있게 하고 및/또는 제조를 덜 어렵게 하며 및/또는 제조 비용이 덜 들 수 있게 한다. 도 4에 도시된 예시적인 실시형태에서, 예를 들어, 회전자 판(406a, 406b)은, 도 2에 도시된 회전자 판(106a, 106b)의 중심 근처에서 두께가 증가된 영역(118) 또는 림(115)을 포함하지 않는다.
본 명세서에서 기술하는 바와 같이 프리와프형 회전자 요소들을 포함하는 조립체는, '625 특허에 기술된 축방향 자속 모터/발전기를 포함하는 임의의 공지된 또는 미래에 개발되는 모터 또는 발전기 및 미국 특허번호 제9,673,684호 및 미국 특허번호 제9,800,109호에 기술된 모터 및 발전기에서 사용될 수 있으며, 이들 문헌 각각의 전체 내용은 본 명세서에 참고로 원용된다.
도 5a는, 도 4에 도시된 것과 같은 모터 또는 발전기 조립체(420)에 추가하여 제어기(532)를 포함하는 시스템(500)의 일례를 도시한다. 모터 또는 발전기 조립체(420)의 구성요소들 및 이러한 구성요소들이 조립될 수 있는 방식을 도시하는 확대도가 도 5b에 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 고정자(104)는, 회전자 판(406a, 406b)에 각각 부착된 자석(102a, 102b)을 각각 포함하는 두 개의 프리와프형 회전자 요소(534a, 534b) 사이의 갭에 배치될 수 있다. 자석(102a, 102b)에서의 자극들의 패턴도 도 5b의 확대도에서 명백하다. 나사 또는 다른 파스너(528)는 회전자 요소(534a, 534b)를 허브(422)에 고정하는 데 사용될 수 있고, 핀(424a, 424b, 426)은 전술한 바와 같이 회전자 요소 및 샤프트를 인덱싱하는 데 사용될 수 있다.
예시된 실시형태에서, 전기 연결부(530)는 고정자(104)의 외경에서 취해지고, 고정자는 외측 주변부에서 프레임 또는 케이스에 장착된다. 다른 유용한 구성인 "아웃러너"(out-runner) 구성은, 고정자(104)를 내경에 장착하고, 내경에 전기 연결부(530)를 만들고, 샤프트(408)를 회전자 절반을 분리하는 환형 링(도시되지 않음)으로 대체하는 것을 포함한다. 참조번호 102a 또는 102b 중 하나의 자석만을 갖는 시스템을 구성하거나 연속적인 자석 조립체들 사이에 여러 개의 고정자를 삽입할 수도 있다. 와이어(530)는, 또한, 고정자 상에 장착된 홀 효과 센서 또는 유사한 센서(이제 도시되어 있음)의 판독에 기초하여 회전자의 위치에 관한 정보를 전달할 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 인코더(도시되지 않음)가 샤프트(408)에 부착되어 위치 정보를 제어기(532)에 제공할 수 있다.
도 5a와 도 5b의 시스템(500)은, 제어기(532)의 동작 및 샤프트(408)에 연결된 구성요소에 따라 모터 또는 발전기로서 기능할 수 있다. 모터 시스템으로서, 제어기(532)는, 샤프트(408)에 연결된 자석(102a, 102b)으로부터 발생하는 갭에서의 자속으로 인해 고정자(104)의 전류가 샤프트(408) 둘레에 토크를 생성하도록 스위치를 동작시킬 수 있다. 제어기(532)의 설계에 따라, 간극 및/또는 회전자의 위치에서의 자속을 측정하거나 추정하여 스위치를 동작시켜 샤프트(408)에서의 토크 출력을 달성할 수 있다. 발전기 시스템으로서, 샤프트(408)에 연결된 기계적 회전 동력원은 고정자의 단자에서 전압 파형을 생성한다. 이러한 전압은, 부하에 직접 인가될 수 있고, 또는 제어기(532) 내의 3상(또는 다상) 정류기로 정류될 수 있다. 정류기 구현은, 예를 들어, 발전기 모드에서 다이오드를 사용하여 "자체 정류"될 수 있고, 또는 모터 제어기의 제어형 스위치를 사용하여 구성될 수 있지만, 샤프트 토크가 기계적인 소스에 의해 제공되는 토크에 대향하도록 동작될 수 있고, 기계적 에너지는 전기 에너지로 변환된다. 따라서, 도 5a의 동일한 구성은, 제어기(532)가 어떻게 동작되는지에 따라, 발전기 및 모터 모두로서 기능할 수 있다. 또한, 일부 실시형태에서, 제어기(532)는, 스위칭 효과를 완화하고, 와이어(530)로부터의 EMI/RFI를 감소시키며, 손실을 감소시키며, 제어기(532)에 공급되거나 제어기로부터 전달되는 전력에 추가적인 유연성을 제공하는 필터 구성요소를 포함할 수 있다.
도 6과 도 7은, 회전자 판(406b)과 자석(102b)을 포함하는 프리와프형 회전자 요소(534b)를 형성하기 위한 예시적인 방법을 도시한다. 고정자가 배치되는 갭의 타측에 위치하는 프리와프형 회전자 요소(534a)를 형성하도록 유사한 기술을 이용할 수 있다(예를 들어, 도 10 내지 도 12 참조). 조립 동안 자석(102a, 102b)을 회전자 판(406a, 406b)에 정렬시키는 기술의 예는, 예를 들어, 미국 특허번호 제9,673,688호에 개시되어 있으며, 이 문헌의 전체 내용은 본 명세서에 참고로 원용된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 회전자 판(406b)은, 회전자 샤프트의 회전축(602)에 수직인 면에 대해 테이퍼형 표면 영역(604) 및 이러한 면에 평행한 대략 평평한 표면을 갖는 중심 영역(606)을 포함하도록 형성될 수 있다. 테이퍼형 표면 영역(604)과 중심 영역(606)을 포함하는 회전자 판(406b)의 평면도가 도 8에 도시되어 있다. 회전자 판(406b)은, 핀(424a, 424b)을 수용하기 위한 구멍(802), 나사(528)를 수용하기 위한 구멍(804), 및 샤프트(408)를 수용하기 위한 구멍(806)을 모두 중앙 영역(606) 내에 추가로 포함할 수 있다. 테이퍼형 표면 영역(604)은 많은 형태 중 임의의 것을 취할 수 있으며, 본 발명은 임의의 특정 구성 또는 유형의 테이퍼로 제한되지 않는다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 회전자 판(406)의 상측 부분은 우측 원뿔 절두체의 형상이며, 중심 영역(606)의 상부는 절두체의 상측 베이스를 형성한다. 그러나, 다른 구성이 가능하고 고려될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 자석(102b)은 테이퍼형 표면 영역(604)의 적어도 일부와 접촉하도록 회전자 판(406b)의 상측 표면에 부착될 수 있다. 도시된 실시형태에서, 자석(102b)은 실질적으로 모든 테이퍼형(예를 들어, 원뿔형) 영역(604)을 덮는 환 형상을 갖는다. 환형 자석(102b)의 평면도가 도 9에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 자석(102b)의 원형 구멍(902)은 중심 지점(904)으로부터 측정된 반경(R1)을 가지며, 자석(102b)의 원형 외주(906)는 반경(R2)을 갖는다. 도 7에 도시된 바와 같이 환형 자석(102b)을 테이퍼형 영역(604)에 부착함으로써, 자석(102b)이 원뿔형 테이퍼형 영역(604)의 형상을 뒤틀어 원뿔형 테이퍼형 영역의 형상에 적어도 부분적으로 일치하게 된다. 자석의 이러한 뒤틀림은 회전자 판(406b)의 몸체에 응력을 가하고 몸체를 뒤튼다.
도 7에 도시된 바와 같이, 표면 영역(604)의 테이퍼의 정도는, 자석의 하측 표면(720)과 접촉하는 회전자 판(406b)의 표면 상의 두 개의 지점(702, 704)을 식별하고, 제1 지점(702) 및 제2 지점(704)과 각각 인터셉트하며 회전축(602)에 수직인 두 개의 면(706, 708) 사이의 거리(D1)를 결정함으로써, 측정될 수 있다. 도시된 예에서, 원뿔형 테이퍼형 영역(604)과 접촉하는 자석의 하측 표면은 자석(102b)의 자화 방향에 직교한다. 일부 실시형태에서, 거리(D1)가 실질적으로 0보다 큰 두 개의 자석 접촉 지점(702, 704)을 (자석의 내경(R1)과 외경(R2)에서 또는 다른 곳에서) 찾을 수 있다. 이 문맥에서 "실질적으로"라는 용어는, 허용 가능한 공차 내에서의 가공 및/또는 재료 결함으로 인한 약간의 변동을 배제하고자 하는 것이다. 일부 구현예에서, 거리(D1)는, 예를 들어, 0.003인치 초과, 0.01인치 초과, 또는 심지어 0.02인치 초과일 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 일부 실시형태에서는, 거리(D1) 대 두 개 지점 사이의 거리 및/또는 자석의 내경(R1)과 외경(R2) 사이의 차에 대한 비율이 실질적으로 0보다 크게 되는 두 개의 자석 접촉 지점(702, 704)을 찾을 수 있다. 일부 구현예에서, 이러한 비율은, 예를 들어, 0.002초과, 0.005초과, 또는 심지어 0.01초과일 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 일부 실시형태에서, 자석(102b)과 접촉하는 회전자 판(106b)의 표면 상의 적어도 하나의 지점(710)을 찾을 수 있고, 이때 그 표면으로부터 멀어지면서 뻗어나가고 표면에 수직인 직선(712)은, 실질적으로 90도 미만인, 회전축(602)에 수직인 면과의 각도(α1)를 형성한다. 일부 구현예에서, 각도(α1)는, 예를 들어, 89.9도 미만, 89.7도 미만, 또는 심지어 89.5도 미만일 수 있다. 지점(710)은, 자석(102b)의 내경(R1), 자석(102b)의 외경(R2), 또는 이들 두 개의 반경 사이의 소정의 지점에 위치할 수 있다.
추가로 또는 대안으로, 도 7에 또한 도시된 바와 같이, 자석(102b)의 테이퍼의 정도는, 회전자 판(406b)에 부착되는 경우, 자석(102b)의 자화 방향에 직교하는 자석(102b)의 표면, 예컨대 도 7에 도시된 자석(102b)의 상측 표면(718) 상의 두 개의 지점(714, 716)을 식별하고, 회전축(602)에 수직이며 제1 지점(714)과 제2 지점(716)을 각각 인터셉트하는 두 개의 면(726, 728) 사이의 거리(D2)를 결정함으로써, 측정될 수 있다. 도시된 예에서, 원뿔형 테이퍼 영역(604)과 접촉하는 자석의 하측 표면(720)은 또한 자석(102b)의 자화 방향에 직교한다. 일부 실시형태에서는, 거리(D2)가 실질적으로 0보다 큰 두 개의 자석 표면 지점(714, 716)을 (자석의 내경(R1)과 외경(R2)에서 또는 다른 곳에서) 찾을 수 있다. 일부 구현예에서, 거리(D2)는, 예를 들어, 0.002인치 초과, 0.005인치 초과, 또는 심지어 0.01인치 초과일 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 일부 실시형태에서는, 거리(D2) 대 두 개의 지점 사이의 거리 및/또는 자석의 내경(R1)과 외경(R2) 사이의 거리에 대한 비율이 실질적으로 0보다 크게 되는 두 개의 자석 표면 지점(714, 716)을 찾을 수 있다. 일부 구현예에서, 이러한 비율은, 예를 들어, 0.002초과, 0.005초과, 또는 심지어 0.01초과일 수 있다.
도 7에 또한 도시된 바와 같이, 일부 실시형태에서, 자석(102b)의 자화 방향에 직교인 자석(102b)의 표면, 예를 들어, 상측 표면(718) 상에서 적어도 하나의 지점(722)을 찾을 수 있고, 이때, 자석의 표면으로부터 멀어지면서 뻗어나가고 자석의 표면에 수직인 직선(724)이, 실질적으로 90도 미만인, 회전축(602)에 수직인 면과의 각도(α2)를 형성한다. 일부 구현예에서, 각도(α2)는, 예를 들어, 89.9도 미만, 89.7도 미만, 또는 심지어 89.5도 미만일 수 있다. 지점(722)은, 자석(102b)의 내경(R1), 자석(102b)의 외경(R2), 또는 이들 두 개 반경 사이의 소정의 지점에 위치할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 두 개의 회전자 요소(534a, 534b)가 샤프트(408) 및 허브(422)(도 10에 도시되지 않음)에 부착되는 경우, 자석(102a, 102b)의 자속은, 회전자 요소들(534a, 534b)의 단부들이 서로를 향해 이동하도록 회전자 요소들(534a, 534b)이 뒤틀리게 하는 인력을 자석들 사이의 갭(1002)에 발생시킨다. 도 10의 점선은, 회전 요소들(534a, 534b)이 도 4, 도 5a, 및 도 5b에 도시된 바와 같이 모터 또는 발전기에 조립된 후에 어떻게 형상화될 수 있는지를 도시한다. 일부 실시형태에서, 회전자 요소들(534a, 534b)은, 서로 대면하는 두 개의 자석(102a, 102b)의 표면이 조립된 모터 또는 발전기(400)에서 실질적으로 평행하고 이에 따라 갭(1002)의 폭을 전체에 걸쳐 실질적으로 균일하게 하도록, 조립 전에 프리와프된다. 다른 구현예에서, 회전자 요소들(534a, 534b)은, 약간 "오버와프"될 수 있어서, 일단 조립되면, 반경의 함수로서 증가하는 테이퍼가 얻어진다. 이는 큰 반경에서 갭을 감소시키는 바람직하지 않은 효과를 가질 수 있지만, 작은 평균 갭 폭(G)을 사용할 수 있게 하며, 이에 따라 평균 자계 강도를 증가시키고 자석(102a, 102b)의 외경에서의 간극을 유지한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 자석(102b)의 외경(R2)에 위치하는 지점(1004)을 식별하고, 조립시 회전축(602)과 일치하는 방향으로 지점이 이동하는 거리(D3)를 결정함으로써, 조립시 회전자 요소(534b)가 겪는 와프의 양을 측정할 수 있다. 거리(D3)는, 예를 들어, 회전축(602)에 수직이면서 지점(1004)을 인터셉트하는 면을 식별하고, 이러한 면이 회전자 요소(534b)에 있거나 근처에 있는 지점을 인터셉트하며 회전축(602)에 또한 수직인 다른 면에 대해 이동하는 거리를 결정함으로써, 측정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 거리(D3)는 0.001인치 초과, 또는 0.005인치 초과, 또는 심지어 0.01인치 초과이다. 추가로 또는 대안으로, 일부 실시형태에서, 거리(D3) 대 갭(1002)의 평균 폭(G)의 비율은 0.01초과, 0.05초과, 또는 심지어 0.1초과이다. 추가로 또는 대안으로, 거리(D3) 대 자석(102b)과 고정자(104)의 표면 사이의 평균 간극 거리(도 10에 도시되지 않음)의 비율은 0.25, 0.5, 또는 심지어 1초과일 수 있다. 이에 따라, 일부 실시형태에서, 회전자 요소(534b)는 평균 자석/고정자 간극 거리 이상으로 편향될 수 있다.
도 10과 함께 도 7을 참조해 볼 때, 일부 실시형태에서, 회전자 요소들(534a, 534b)은, 각 회전자 요소에 대하여, 회전자 요소들(534a, 534b)이 샤프트(408)에 부착되어 도 10에 도시된 바와 같이 편향되는 경우 다음에 따르는 값들, 즉, (1) 면들(706, 708) 사이의 거리(D1), (2) 거리(D1) 대 지점들(702, 704) 사이의 거리 및/또는 자석의 내경(R1)과 외경(R2) 사이의 거리의 비율, (3) 면들(726, 728) 사이의 거리(D2), 및 (4) 거리(D2) 대 지점들(714, 716) 사이의 거리 및/또는 자석의 내경(R1)과 외경(R2) 사이의 거리의 비율 중 하나 이상이 50% 이상 감소될 수 있도록 구성 및 배치될 수 있다는 점을 이해해야 한다.
도 11은 자석들(102a, 102b) 사이의 갭이 과장된 모터 또는 발전기 조립체(420)를 도시하며, 여기서 회전자 요소들(534a, 534b)은, 조립시, 서로 대면하는 두 개의 자석(102a, 102b)의 표면(1102, 1104)이 실질적으로 평행하도록 조립 전에 프리와프되었다.
도 12는 전체에 걸쳐 더욱 균일한 폭을 각각 갖는 프리와프형 회전자 판들(406a, 406b)이 사용되는 모터 또는 발전기 조립체(420)를 도시한다. 이러한 구현예에서, 자석들(102a, 102b)이 부착되는 테이퍼형 표면 각각은 도 6 및 도 7에 도시된 예와 유사한 형상을 가질 수 있지만, 회전자 판들(406a, 406b)의 두께는 반경 방향으로 실질적으로 일정할 수 있다. 다른 실시형태에서는, 모터 또는 발전기(400)의 성능을 최대화하기 위해 회전자 판(406a, 406b)의 자기 저항을 최적화하는 것과 같은 다양한 이유로 인해 다른 방식으로 회전자 판(406a, 406b)의 두께를 가변하면서 프리와프를 이용할 수 있다.
본 명세서에 기술된 프리와프 기술의 사용은 전술하고 도시한 바와 같은 링 자석으로 제한되지 않는다. 이러한 기술은, 예를 들어, 세그먼트화된 자석들을 이용하는 방법에도 적용될 수 있으며, 이때 각 회전자 요소는 다수의 자석을 포함하며, 각 자석은 단일 자극을 형성한다. 축방향 자속 기계에서의 이러한 설계는 일반적인 것이며 동일한 편향 문제를 겪는다. 원뿔형 테이퍼가 있는 원형 회전자 판을 사용할 수 있고, 또는 각 자석을 개별적으로 테이퍼링된 자신의 자체 포켓 내에 배치할 수 있으며, 이때, 모터 또는 발전기에 조립되는 경우, 갭 크기는 외경에서 감소되지 않는다. 이 경우, 예를 들어, 단일 원뿔형 표면이 아닌 평평한 표면이 구현될 수 있다.
도 13과 도 14는 본 명세서에서 설명한 바와 같이 조립되고 구성된 회전자 요소(534)의 사진이다. 도시된 예에서, 테이퍼의 양(즉, 도 7과 관련하여 설명된 값 D1)은, 외경에서 평면으로부터의 겨우 0.005인치의 편차가 있는 매우 작은 값이며, 이는 화상에서 감지할 수 없다. 이러한 경우 유한 요소 분석(FEA)을 통합한 컴퓨터 모델을 사용하여 자기 인력의 세기와 이에 따른 회전자 요소(435)의 굽힘을 결정하였다. 생성된 편향은 0.002인치로 계산되었다. 베어링(116a, 116b)의 소정의 반경방향 런아웃 및 오정렬을 허용하도록 추가 0.003인치의 테이퍼를 추가하였다. 본 명세서에서 기계가공된 지그를 사용하여, 회전자를 모터 또는 발전기(400)에서 발생할 수 있는 반대방향으로 0.005인치 편향된 상태로 굽혔다. 이 상태에서, 회전자 판(406)의 자석 베어링 표면을, 지그로부터 분해될 때 원하는 테이퍼를 갖도록 평평하게 기계가공하였다. 이어서, 평평한 링 자석(102)을 회전자 판(406) 상에 조립하였다. 회전자 판(406)이 자석(102)에 근접하였을 때, 자기 인력에 의해 자석(406)이 회전자 판(406)의 편향된 형상을 갖게 하였다. 강철에 비해 자석의 탄성률이 훨씬 낮기 때문에, 회전자 판(406)은 크게 편향되지 않았으며, 자석에 유도된 응력이 항복 응력보다 훨씬 낮았다.
상기 예에서와 같이, FEA와 같은 컴퓨터 기반 방법은, 자계로 인한 회전자 판(406)에 작용하는 힘 및 결과적인 편향 프로파일을 정확하게 결정하는 데 사용될 수 있다. 전형적으로, 두께가 일정한 회전자의 단순한 기하학적 구조는, 자석 장착 영역에서 선형 편향 곡선을 반경 함수로서 초래하여, 전술한 예에서 알 수 있는 바와 같이 원하는 테이퍼를 반경의 선형 함수로 되게 한다. 이 테이퍼는 일부 재료가 제거될 때 회전자 판(406)의 굽힘 강도를 감소시킨다. 변화하는 특성을 고려하기 위해 반복적 방법을 사용할 수 있지만, 테이퍼는, 이러한 반복적 방법이 필요하지 않을 정도로 약간 작게 만들어질 수 있다. 컴퓨터 모델에 의해, 다양한 재료의 단순하고 복잡한 형상에 대한 굽힘 양을 예측할 수 있다.
전술한 기계가공 지그는, 평평한 면을 단순히 기계가공하는 기계 도구를 사용하여 테이퍼를 회전자 상에 기계가공하는 반복가능하고 예측가능한 방법을 제공한다. 미래의 테이퍼형 회전자는, 특히 비선형 테이퍼가 필요한 경우 다른 방법으로 생성될 수 있다. 최신 도구에 의해, 정확한 설계를 개발할 수 있고 축방향 자속 기계의 최적화 공정의 일부로서 사용될 수 있는 복잡한 기하학적 구조를 기계가공할 수 있다.
본 명세서에 기술된 유형의 테이퍼형 회전자 요소들은, 모터를 구동하는 데 사용되었으며, 축방향 자속 기계에서 자석-고정자 갭의 크기를 제어하는 반복가능하고 효과적인 방법으로서 입증되었다. 측정 결과, 도 13과 도 14에 도시된 것과 같이 제조된 회전자 요소에서의 테이퍼가 정확함을 나타내며, 조립체에서 자석(102)이 회전자 판(406)에 부착된 경우 테이퍼와 정렬되는 것을 확인하였다.
이와 같이 본 발명의 적어도 일 실시형태의 여러 양태를 설명하였지만, 통상의 기술자에게는 다양한 변경, 수정, 및 개선이 용이하게 발생한다는 점을 이해해야 한다. 이러한 변경, 수정, 및 개선은 본 개시 내용의 일부로 의도된 것이며 본 발명의 사상 및 범위 내에 있도록 의도된 것이다. 이에 따라, 전술한 설명 및 도면은 단지 예일 뿐이다.
본 발명의 다양한 양태는, 단독으로, 조합하여, 또는 전술한 실시형태들에서 구체적으로 논의되지 않은 다양한 구성으로 사용될 수 있으며, 따라서 본 명세서에서 전술한 설명 또는 도면에 예시된 구성요소들의 세부 사항 및 구성으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 일 실시형태에서 설명된 양태들은 다른 실시형태들에서 설명된 양태들과 임의의 방식으로 결합될 수 있다.
또한, 본 발명은, 예가 제공된 방법으로서 실시될 수 있다. 방법의 일부로서 수행되는 동작들은 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 이에 따라, 예시적인 실시형태들에서 순차적인 동작들로서 도시되어 있더라도, 일부 동작들을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 도시된 것과는 다른 순서로 동작들이 수행되는 실시형태들이 구성될 수 있다.
청구항 요소를 수정하기 위해 청구항에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어를 사용하는 것은. 그 자체로, 하나의 청구항 요소가 다른 청구항 요소 또는 방법의 동작들이 수행되는 시간적 순서에 대한 어떠한 우선순위, 선행, 또는 순서를 내포하지 않지만, 소정의 명칭을 갖는 하나의 청구 요소를 동일한 명칭을 갖는(그러나 서수 용어를 사용하는) 다른 요소와 구별하여 청구 요소들을 구별하기 위한 라벨로서 사용되는 것일 뿐이다.
또한, 본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 설명의 목적으로 사용된 것이며 제한적인 것으로 간주해서는 안 된다. 본 명세서에서 "포함하는"(including), "포함하는"(comprising), 또는 "갖는", "함유하는", "포함하는"(involving), 및 그 변형의 사용은, 이후에 열거되는 항목들과 그 등가물, 및 추가 항목들을 포함하고자 하는 것이다.

Claims (30)

  1. 축방향 자속 기계로서,
    회전축(axis of rotation)을 중심으로 회전하는 회전자 샤프트;
    상기 회전자 샤프트와 결합된(engaged) 제1 회전자 판;
    상기 제1 회전자 판에 부착된 제1 자석으로서, 상기 제1 자석은 상기 제1 자석의 자화 방향과 직교하는 제1 표면을 갖는, 상기 제1 자석
    을 포함하되, 상기 제1 회전자 판과 상기 제1 자석은, 상기 제1 회전자 판과 상기 제1 자석이 상기 축방향 자속 기계에 통합되기 전 상태에서, (A)상기 제1 표면 상의 제1 지점을 인터셉트하며 상기 회전축에 수직인 제1 면과 (B)상기 제1 표면 상의 제2 지점을 인터셉트하며 상기 회전축에 수직인 제2 면 사이의 거리가 0보다 크도록 구성 및 배치되되, 상기 제1 및 제2 지점은 상기 제1 표면 상에서 상이한 지점에 위치하고,
    상기 축방향 자속 기계는,
    상기 회전자 샤프트와 결합된 제2 회전자 판; 및
    상기 제1 자석과 제2 자석 사이의 갭 내에 제1 자속이 생성되도록 상기 제2 회전자 판에 부착된 상기 제2 자석
    을 더 포함하되, 상기 제1 및 제2 회전자 판은, 상기 제1 자속으로 인해 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 거리가 0으로 되도록 위치설정되고,
    상기 축방향 자속 기계는 상기 갭 내에 배치된 고정자를 더 포함하되,
    상기 고정자는, 상기 제1 자속과 상호작용하여 상기 회전자 샤프트, 상기 제1 회전자 판 및 상기 제1 자석이 일제히 회전하게 하는 제2 자속을 선택적으로 생성하도록 구성된, 축방향 자속 기계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 자석이 부착되는 상기 제1 회전자 판의 부분은 우측 원뿔 절두체의 형상인, 축방향 자속 기계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 자석은 교번 자극을 갖는 링 자석을 포함하는, 축방향 자속 기계.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 자석은, 상기 회전축을 중심으로 각자의 각도 위치에서 상기 제1 회전자 판 상에 배치된 복수의 개별 자석 중 하나인, 축방향 자속 기계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 회전자 판은 제1 재료로 제조된 것이고;
    상기 복수의 개별 자석은, 상기 제1 재료와는 다른 제2 재료를 사용하여 분리되고 위치되는, 축방향 자속 기계.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 지점은 상기 회전축으로부터 상기 제1 지점보다 더 먼 반경방향 거리에 있고,
    상기 제1 및 제2 지점은 제1 및 제2 위치에서 각각 상기 제1 회전자 판의 제2 표면과 접촉하고,
    상기 제1 회전자 판과 상기 제1 자석은, 또한, 상기 제1 회전자 판과 상기 제1 자석이 상기 축방향 자속 기계에 통합되기 전 상태에서, 상기 제2 위치에서 상기 제2 표면으로부터 멀어지면서 뻗어나가고 상기 제2 표면에 수직인 직선이 상기 제1 면을 인터셉트하도록 구성 및 배치된, 축방향 자속 기계.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 회전자 판과 상기 제1 자석은, 또한, 상기 제1 회전자 판과 상기 제1 자석이 상기 축방향 자속 기계에 통합되기 전 상태에서, 상기 직선과 상기 제1 면 사이의 각도가 90도 미만이도록 구성 및 배치된, 축방향 자속 기계.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 지점은 상기 회전축으로부터 상기 제1 지점보다 더 먼 반경방향 거리에 있고;
    상기 제1 및 제2 지점은 제1 및 제2 위치에서 각각 상기 제1 회전자 판의 제2 표면과 접촉하고;
    상기 제1 회전자 판과 상기 제1 자석은, 또한, 상기 제1 회전자 판과 상기 제1 자석이 상기 축방향 자속 기계에 통합되기 전 상태에서,
    상기 제2 위치에서 상기 제2 표면으로부터 멀어지면서 뻗어나가고 상기 제2 표면에 수직인 직선이 상기 제1 면을 인터셉트하도록 구성 및 배치된, 축방향 자속 기계.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 회전자 판, 상기 제1 자석, 상기 고정자, 상기 제2 회전자 판, 상기 제2 자석, 및 상기 회전자 샤프트의 일부를 적어도 부분적으로 밀폐하는 케이스를 더 포함하되,
    상기 제1 회전자 판, 상기 제1 자석, 상기 제2 회전자 판, 상기 제2 자석 및 상기 회전자 샤프트는 상기 케이스에 대하여 이동가능하고,
    상기 고정자는 상기 케이스에 대하여 고정된, 축방향 자속 기계.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 회전자 판, 상기 제1 자석, 상기 제2 회전자 판 및 상기 제2 자석은, 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 거리와 상기 제1 지점과 상기 제2 지점 사이의 거리의 비율이 제1 값이도록 구성 및 배치되고;
    상기 제1 회전자 판과 상기 제1 자석은, 또한, 상기 제1 회전자 판과 상기 제1 자석이 상기 축방향 자속 기계에 통합되기 전 상태에서, 상기 제1 및 제2 면 사이의 거리와 상기 제1 및 제2 지점 사이의 거리의 비율이 상기 제1 값의 적어도 두 배인 제2 값이도록 구성 및 배치된, 축방향 자속 기계.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 자석은 상기 제1 지점에 배치된 내측 에지를 갖고;
    상기 제1 자석은, 상기 내측 에지의 반대측이면서 상기 제2 지점에 배치된 외측 에지를 갖고;
    상기 제1 회전자 판과 상기 제1 자석은, 또한, 상기 제1 회전자 판과 상기 제1 자석이 상기 축방향 자속 기계에 통합되기 전 상태에서, 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 거리와 상기 제1 지점과 상기 제2 지점 사이의 거리의 비율이 0.002를 초과하도록 구성 및 배치된, 축방향 자속 기계.
  12. 축방향 자속 기계를 형성하는 방법으로서,
    제1 자석을 제1 회전자 판에 부착하는 단계로서, 상기 제1 자석은 상기 제1 자석의 자화 방향에 직교하는 제1 표면을 갖는, 상기 부착하는 단계; 및 상기 제1 회전자 판을, 회전축을 중심으로 회전하는 회전자 샤프트와 결합시키는 단계를 포함하되, 상기 제1 자석이 상기 제1 회전자 판에 부착된 후에, (A)상기 제1 표면 상의 제1 지점을 인터셉트하며 상기 회전축에 수직인 제1 면과 (B)상기 제1 표면 상의 제2 지점을 인터셉트하며 상기 회전축에 수직인 제2 면 사이의 거리가 0보다 크도록 구성되되, 상기 제1 및 제2 지점은 상기 제1 표면 상에서 상이한 지점에 위치하고,
    상기 방법은, 제2 회전자 판을 회전자 샤프트와 결합시키는 단계를 더 포함하되, 상기 제2 회전자 판에 제2 자석이 부착되고, 상기 제1 자석과 상기 제2 자석 사이의 갭 내에 제1 자속이 생성되고,
    상기 제1 회전자 판과 상기 제2 회전자 판은, 상기 제1 자속으로 인해 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 거리가 0으로 되도록 상기 회전자 샤프트와 결합되고,
    상기 방법은 상기 갭 내에 고정자가 배치되도록 상기 제2 회전자 판을 상기 회전자 샤프트와 결합시키는 단계를 더 포함하되, 상기 고정자는 상기 제1 자속과 상호작용하여 상기 회전자 샤프트, 상기 제1 회전자 판 및 상기 제1 자석이 일제히 회전하게 하는 제2 자속을 선택적으로 생성하도록 구성된, 축방향 자속 기계를 형성하는 방법.
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