KR20150032719A - 신규한 장치 - Google Patents

Abstract

모듈형 극 기계의 고정자를 위한 고정자 코어 구성요소로서, 모듈형 극 기계는 고정자 및 회전자를 포함하고, 고정자 및 회전자는 고정자와 회전자 사이의 자속 교류를 위해 회전자와 고정자의 각각의 경계면들 사이에 공기 갭을 형성하고, 고정자 코어 구성요소는 환형 부분을 포함하며 이 환형 부분으로부터 복수의 치형부들이 반경 방향으로 회전자를 향하여 연장하고, 치형부들은 환형 부분의 원주를 따라 배열되고, 각각의 치형부는 공기 갭을 대면하는 경계면을 갖고 이 공기 갭을 통하여 고정자와 회전자 사이에서 자속이 교류하는 것을 허용하도록 구성되며, 각각의 치형부의 경계면은 치형부의 원주 방향으로 치형부 폭을 형성하고; 고정자 코어 구성요소는 적어도 제 1 치형부 폭을 갖는 치형부들의 제 1 하위 세트 및 제 1 치형부 폭과는 상이한 제 2 치형부 폭을 갖는 치형부들의 제 2 하위 세트를 포함한다.

Description

신규한 장치 {NEW DIVICE}

본 발명은 일반적으로 모듈형 극 기계(pole machine)들에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 이러한 모듈형 극 기계용 고정자에 관한 것이다.

수년에 걸쳐, 모듈형 극 기계들과 같은 전기 기계 디자인들은 더욱더 관심을 끌고 있다. 이러한 기계들의 원리들을 사용하는 전기 기계들은 약 1890년대 초에 W.M. Mordey 에 의해 그리고 1910년에 Alexandersson 및 Fessenden 에 의해 개시되었다. 증가하는 관심에 대한 가장 중요한 이유들 중 하나는 디자인이 예컨대 유도 기계들, 스위치형 저항 기계들 및 심지어 영구 자석 브러시리스 기계(permanent magnet brushless machine)들에 대해 매우 높은 토크 출력을 가능하게 한다는 것이다. 또한, 이러한 기계들은 코일이 종종 제작하기 쉽다는 점에서 유리하다. 하지만, 디자인의 단점들 중 하나는 이들이 통상적으로 제작하는데 비교적 비싸다는 것이다.

모듈형 극 전기 기계들의 고정자들은 일반적으로 연질의 자기 코어 구조물에 의해 형성되는 다수의 치형부들을 자기적으로 이송하는 중앙 단일 코일을 사용한다. 코일은 때때로 또한 권선으로서 지칭된다. 연자성 코어는 코일 주위에 형성되는 반면 다른 일반적인 전기 기계 구조물들은 코어 구성요소의 치형부 주위에 형성되는 코일을 사용한다. 모듈형 극 기계 위상(topology)의 예들은 때때로 예컨대 클로-폴-(Claw-pole-), 크로-피트-(Crow-feet-), 룬델-(Lundell-), 또는 횡단 플럭스 기계들(Transverse Flux Machines; TFM)로서 인지된다. 매립된 자석들을 구비한 모듈형 극 기계는 회전자 폴 피스들에 의해 분리되는 복수의 영구 자석들을 포함하는 능동 회전자 구조물을 포함한다.

WO2007/024184는 실질적으로 원형이며 복수의 치형부들을 포함하는 제 1 고정자 코어 구성요소, 실질적으로 원형이며 복수의 치형부들을 포함하는 제 2 고정자 코어 구성요소, 제 1 및 제 2 원형 고정자 코어 구성요소 사이에 배열되는 코일, 및 복수의 영구 자석들을 포함하는 회전자를 포함하는 전기 회전 기계를 개시한다. 제 1 고정자 코어 구성요소, 제 2 고정자 코어 구성요소, 코일 및 회전자는 공통의 기하학적 축선을 둘러싸며, 제 1 고정자 코어 구성요소 및 제 2 고정자 코어 구성요소의 복수의 치형부들은 회전자를 향하여 돌출하도록 배열된다. 부가적으로 제 2 고정자 코어 구성요소의 치형부들은 제 1 고정자 코어 구성요소의 치형부들에 대하여 원주방향으로 변위되고, 회전자의 영구 자석들은 연자성 재료로 만들어지는 축방향으로 연장하는 폴 피스들에 의해 서로로부터 원주 방향으로 분리된다.

제조 및 조립이 비교적 비싸지 않은 모듈형 극 기계를 제공하는 것이 일반적으로 바람직하다. 이하의 : 높은 구조적 안정성, 낮은 자기 저항, 효율적인 플럭스 경로 안내, 낮은 중량, 작은 크기, 높은 체적 비중 성능 등의 하나 또는 그 초과와 같은 좋은 성능 파라미터들을 갖는 이러한 기계를 제공하는 것이 더 바람직하다. 이러한 기계를 위한 구성요소들을 제공하는 것이 더 바람직하다.

전기 기계들에서 발생하는 하나의 바람직하지 않은 효과는 소위 코깅 토크(cogging torque), 즉 회전자의 영구 자석들과 고정자의 철 사이의 상호 작용으로 인한 토크이다. 이는 또한 디텐트(detent) 또는 "노-커런트(no-current)" 토크로서 공지된다. MPM의 코깅 토크는 치형 가공된 철 구조물과 영구 자석들의 상호 작용에 의해 발생된다. 영구 자석들은 플럭스가 가능한 최저 저항 경로 주위로 유동하는 방식으로 정렬하려고 한다. 코깅 토크는 기계의 성능에 해로울 수 있고 이는 원치않는 진동 및 소음을 유도할 수 있다. 따라서, 코깅 토크의 감소는 종종 바람직하다. 예컨대, 기계가 풍차에서 발전기로서 사용된다면 코깅 토크는 발전기가 매우 낮은 풍속에서 회전하는 것을 가능하게 하기 위해 낮아야만 한다. 최대 약 50 내지 100Nm인, 더 작은 모터들의 경우, 코깅 토크는 손으로 모터를 회전시킴으로써 쉽게 알아차릴 수 있다.

모듈형 극 기계(MPM)의 맥락에서, 코깅 토크의 크기는 매우 다양한 요인들에 의존한다. 코깅 토크를 감소시키기 위한 몇몇의 공지된 수단들이 존재하지만, 코깅 감소는 종종 기계의 비용을 증가시키는데, 이는 디자인이 더 복잡해질 것이기 때문이다. 비용 및 복잡성을 부가하는 방법들의 예들은 회전자 및/또는 고정자를 기울이는 것이다. 기계 복잡성 및/또는 비용의 증가를 피하면서 모듈형 극 기계의 코깅을 감소시키는 것이 따라서 바람직하다. 효율적으로 그리고 저비용으로 제작될 수 있는 기계를 제공하는 것이 또한 바람직하다.

또한, 많은 분야들에서 토크 리플(torque ripple)을 감소시키기 위해 역기전력(역 EMF)의 고조파 성분을 감소시키는 것이 바람직하다. 결과적으로, 코깅 토크의 감소 및/또는 역 EMF의 바람직하지 않은 고조파 성분의 감소를 가능하게 하는 메커니즘을 제공하는 것이 바람직하다.

제 1 양태에 따르면, 모듈형 극 기계의 고정자를 위한 고정자 코어 구성요소가 본원에 개시되며, 모듈형 극 기계는 고정자 및 회전자를 포함하고, 고정자 및 회전자는 고정자와 회전자 사이의 자속 교류를 위해 회전자와 고정자의 각각의 경계면들 사이에 공기 갭을 형성하며, 고정자 코어 구성요소는 환형 부분을 포함하며 이 환형 부분으로부터 복수의 치형부들이 반경 방향으로 회전자를 향하여 연장하고, 치형부들은 환형 부분의 원주를 따라 배열되고, 각각의 치형부는 공기 갭을 대면하는 경계면을 갖고 이 공기 갭을 통하여 고정자와 회전자 사이에서 자속이 교류하는 것을 허용하도록 구성되며, 각각의 치형부의 경계면은 치형부의 원주 방향으로 치형부 폭(span)을 형성하고; 고정자 코어 구성요소는 적어도 제 1 치형부 폭을 갖는 치형부들의 제 1 하위 세트 및 제 1 치형부 폭과는 상이한 제 2 치형부 폭을 갖는 치형부들의 제 2 하위 세트를 포함한다.

그리하여, 기계의 코깅 토크의 현저한 감소를 가능하게 하는 모듈형 극 기계(MPM)의 치형부 배열의 실시예들이 본원에 개시된다. 기계의 치형부들이 모두 동일한 크기 및 폭을 갖는 종래의 치형부 스타일을 사용하기보다는, 본 방법은 상이한 폭들을 갖는 치형부들의 조합을 사용한다. 발명자들은 상이한 치형부 폭들의 조합이 대항 기전력("역 EMF")의 고조파 성분을 비교적 낮게 유지하면서 코깅 토크가 감소되는 것을 가능하게 하는 것을 깨달았다.

고정자 구성요소들의 균일하지 않은 치형부 폭은 결과적인 기계의 제작 비용 또는 복잡성을 현저하게 증가시키지 않으면서 만들어질 수 있다. 또한, 회전자의 수정이 요구되지 않는다.

발명자들은 모듈형 극 기계의 치형부 폭이 코깅 토크에 영향을 미치기 위해 변할 때, 일부 치형부 폭들이 회전자의 위치에 대하여 코깅 토크의 파형들의 특정 고조파들을 감소시키는 것을 또한 발견하였다. 또한, 치형부 폭이 변경되고 고조파들이 감소될 때, 각각의 고조파들의 상(phase)들이 또한 변경되며, 즉 코깅 토크의 유효 방향이 역전될 수 있는 것이 발견되었다. 따라서, 영향력 있는 코깅 토크 고조파들의 상들이 역전되는 치형부 폭들의 조합이 이러한 고조파들의 소거 및 그리하여 전체적으로 감소된 코깅 토크를 유도한다. 이러한 방법은 기계의 역 EMF 파형의 고조파들의 효과를 감소시키기 위해 동일한 방식으로 또한 사용될 수 있다. 역 EMF의 특정한 고조파들은 또한 치형부 폭의 변경에 의한 상을 변경하고, 그리하여 치형부 폭이 이러한 고조파들을 소거하는데 사용될 수 있다.

결과적으로, 일부 실시예들에서, 제 1 및 제 2 하위 세트들의 치형부 폭들은 단지 제 1 치형부 폭의 치형부들만을 갖는 고정자에 대한 역 EMF 또는 코깅 토크 중 하나 이상의 하나 또는 그 초과의 미리 정해진 고조파들이 단지 제 2 치형부 폭의 치형부들만을 갖는 고정자에 대한 역 EMF 또는 코깅 토크 중 하나 이상의 대응하는 하나 또는 그 초과의 미리 정해진 고조파들에 대하여 대부분이 위상 반전(out of phase)되는 것을 야기하도록 선택된다. 특정한 기계 디자인들에서, 일부 고조파들은 예컨대 다중 상 기계의 상이한 상들의 효과로 인해 소거될 수 있는 것이 이해될 것이다. 그럼에도불구하고, 전체적인 기계 디자인과 관계없이, 코깅 토크 및/또는 역 EMF 파형들의 하나 또는 그 초과의 고조파들은 남아있고 따라서 본원에 설명된 것과 같이 변하는 치형부 폭에 의해 감소되거나 심지어 없어지는 것이 여전히 바람직한 주된 고조파들로서 간주될 수 있다.

일부 실시예들에서, 치형부들의 제 1 하위 세트는 원주의 제 1 세그먼트를 따라 배열되고 치형부들의 제 2 하위 세트는 제 1 세그먼트와는 상이한 원주의 제 2 세그먼트를 따라 배열된다. 특히, 환형 고정자 코어 구성요소는 복수의 겹치지 않는 세그먼트들로 분할되며 각각의 세그먼트 내의 모든 치형부들은 동일한 치형부 폭을 갖고 상이한 세그먼트들 내의 치형부들은 상이한 치형부 폭을 갖는다. 일 실시예에서, 고정자 코어 구성요소는 2개의 이러한 세그먼트들로 분할된다. 치형부들의 이러한 배열은, 예컨대 유한 요소 모델링을 사용하여 코깅 토크 및/또는 역 EMF의 더 효율적인 시뮬레이션을 가능하게 하고, 결과적으로 각각의 하위 세트 내의 치형부들의 개수들 및 치형부 폭들의 더 신뢰할 수 있는 선택을 가능하게 한다.

일부 실시예들에서, 제 1 및 제 2 하위 세트들의 각각의 치형부들은 예컨대 교번 패턴으로 고정자 코어 구성요소의 전체 원주를 따라 분산되고: 일부 실시예들에서, 교번 패턴은 전체 원주를 따라 균일할 수 있다. 예컨대 하나의 하위 세트의 각각의 치형부는 이웃하는 다른 하위 세트의 2개의 치형부들을 가질 수 있거나, 패턴이 다른 방식으로는 주기적일 수 있으며, 예컨대 하나의 하위 세트의 2개의 치형부들이 다른 하위 세트의 단일 치형부와 교번할 수 있다. 다른 실시예들에서, 교번 패턴은 원주를 따라 변경될 수 있다. 특히, 제 1 및 제 2 하위 세트들이 상이한 개수의 치형부들을 포함하는 실시예들에서, 교번 패턴은 균일하지 않을 수 있고, 예컨대 다른 하위 세트보다 하위 세트들 중 하나가 치형부들이 더 많은 원주의 세그먼트가 있을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 원주를 따른 각각의 하위 세트의 치형부들의 균일한, 또는 적어도 대략 균일한 분산은 원주를 따른 힘들의 더 균일한 분산을 초래할 것이다.

일부 실시예들에서, 각각의 하위 세트들의 치형부 폭들은 이들이 코깅 토크에 상이한 특징들을 야기하도록, 예컨대 각각의 치형부 폭들에 대한 코킹 토크가 역전된 극성들을 갖도록 선택된다. 일 실시예에서, 치형부들의 제 1 하위 세트는 140°보다 더 큰 치형부 폭을 갖고 치형부들의 제 2 하위 세트는 140°보다 더 작은 치형부 폭을 갖는다. 예컨대, 제 1 하위 세트의 치형부들은 110° 내지 135° 사이, 예컨대 120°와 같은 115° 내지 130° 사이의 치형부 폭을 가질 수 있는 반면 제 2 하위 세트의 치형부들은 145° 내지 180° 사이, 예컨대 170°와 같은 150° 내지 175° 사이의 치형부 폭을 가질 수 있다. 여기서 그리고 이후에, 달리 명백하게 언급되지 않는다면, 각도들은 전기 각도들로 표현될 것이며, 즉 360°는 완전한 전기 사이클 동안 회전자의 회전에 대응한다. 전기 각도들은 자기 극들의 쌍들의 개수에 의해 나누어지는 기계적 각도들과 동등하다.

일부 실시예들에서 제 1 하위 세트 및 제 2 하위 세트는 동일한 개수의 치형부들을 포함하지만, 다른 실시예들에서, 치형부들의 제 1 하위 세트는 치형부들의 제 2 하위 세트와 상이한 개수의 치형부들을 포함한다. 특히, 제 1 및 제 2 하위 세트들에 포함될 각각의 치형부들의 개수는 각각, 제 1 치형부 폭의 치형부들만을 갖는 고정자의 그리고 제 2 치형부 폭의 치형부들만을 갖는 고정자의 코깅 토크 및 역 EMF 중 하나 이상의 하나 또는 그 초과의 고조파들의 크기를 기반으로 하여 결정될 수 있다. 특히, 제 1 치형부 폭에 대한 하나 또는 그 초과의 고조파들의 크기가 제 2 치형부 폭에 대한 대응 크기보다 더 클 때, 제 2 치형부 폭을 갖는 치형부들의 개수는 제 1 치형부 폭을 갖는 치형부들의 개수보다 더 크게 선택될 수 있다.

일반적으로, 제 1 및 제 2 치형부 폭들의 크기 및 제 1 및 제 2 하위 세트들의 각각의 치형부들의 개수들은, 예컨대 각각의 치형부들의 개수들에 의해 평가되는 대응 고조파들의 총합이 감소되거나 또는 심지어 최소화되도록 치형부 폭들 및 치형부들의 개수들을 선택함으로써, 단지 제 1 치형부 폭의 치형부들만을 갖는 고정자에 대한 코깅 토크 및 역 EMF 중 하나 이상의 하나 또는 그 초과의 미리 정해진 고조파들이 단지 제 2 치형부 폭의 치형부들만을 갖는 고정자에 대한 코깅 토크 또는 역 EMF 중 하나 이상의 대응하는 하나 또는 그 초과의 미리 정해진 고조파들을 대부분 소거하는 것을 야기하도록 선택될 수 있다. 각각의 고조파들의 크기 및/또는 이들의 평가된 총합은 이들의 진폭, 이들의 에너지 성분으로서 및/또는 파형의 크기의 다른 적절한 측정에 의해 판정될 수 있다.

고정자 코어 구성요소가 2개 초과의 치형부들의 하위 세트들을 포함할 수 있고 각각의 하위 세트는 치형부들의 각각의 개수를 포함하고 치형부들의 각각의 하위 세트는 다른 하위 세트들의 치형부 폭들과는 상이한 각각의 치형부 폭을 갖는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 고정자 코어 구성요소는 2, 3, 4, 5 또는 심지어 더 많은 하위 세트들을 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 치형부들의 적어도 일부는 이들이 이들 각각의 이웃하는 치형부들에 대해 상이한 피치 거리들을 갖도록, 예컨대 일 측 상의 이들의 이웃하는 치형부에 대해 대향하는 측 상의 이들의 이웃하는 치형부에 대한 것보다 더 큰 피치 거리를 갖도록 위치된다. 발명자들은 균일하지 않은 치형부 폭들과 치형부들 사이의 가변적인 피치 거리들의 조합이 코깅 토크 및/또는 역 EMF의 추가의 감소를 가능하게 하는 것을 발견하였다. 2개의 치형부들 사이의 피치 거리는 중심들 사이의 또는 치형부들의 대응 측벽들 사이의 각도 거리로서, 예컨대 각각의 치형부의 각각의 후단 측벽들 사이의 또는 각각의 치형부의 각각의 선단 측벽들 사이의 거리로서 측정될 수 있다.

일부 실시예들에서, 고정자 코어 구성요소는 동일한 상의 치형부들의 세트들 중 다른 하나를 포함하는 다른 고정자 코어 구성요소로부터의/구성요소로의 대부분의 축방향 플럭스 경로를 제공하는 요크(yoke) 부분을 더 포함한다. 환형 부분 및 요크 부분은 각각의 고정자 코어 구성요소들의 이웃하는 치형부들(동작 방향으로 서로에 대하여 변위되는) 사이에 플럭스 경로를 제공한다. 요크 부분은 예컨대 플랜지, 예컨대 환형 플랜지로서 형성될 수 있으며 환형 고정자 코어 부분으로부터 축방향으로 돌출한다.

일부 실시예들에서, 각각의 치형부는 각각 이웃하는 치형부를 각각 대면하는 선단 및 후단 측벽, 경계면 그리고 선단 및 후단 측벽들과 경계면을 연결하는 각각의 선단 및 후단 에지들을 형성하는 측벽들을 각각 포함하고, 치형부의 치형부 폭은 선단 및 후단 에지들 사이의 거리로서 정의된다. 일부 실시예들에서, 경계면은 실질적으로 회전자로부터 일정한 거리를 갖는다. 치형부 폭은 경계면의 원주 범위로서 정의될 수 있다. 치형부의 경계면의 원주 범위가 축방향으로 따라 변화하는 실시예들에서, 치형부 폭은 치형부의 축방향 너비를 초과하는 평균을 갖는 원주 범위로서 정의될 수 있다. 대안적으로는, 치형부 폭은 치형부의 선단 및 후단 측면들 사이의 각도로서 형성될 수 있다. 본 설명의 목적을 위해, 치형부 폭의 동일한 측정이 모든 치형부들에 대하여 사용되는 한 치형부 폭의 상이한 측정들이 이용될 수 있다.

본 발명은 상기 설명된 고정자 코어 구성요소 및 이하의, 고정자, 모듈형 극 기계 및/또는 대응 장치들, 방법들 및/또는 제품들을 포함하는 상이한 양태들에 관한 것이며, 이들 각각은 상기 언급된 양태들 중 하나 또는 그 초과와 관련하여 설명된 이익들 및 이점들의 하나 또는 그 초과를 산출하고, 각각 첨부된 청구항들에 개시되고/되거나 다른 양태들의 하나 또는 그 초과와 관련하여 설명된 실시예들에 대응하는 하나 또는 그 초과의 실시예들을 갖는다.

특히, 모듈형 극 기계의 고정자의 실시예들이 본원에 개시되며, 모듈형 극 기계는 고정자 및 회전자를 포함하고, 고정자 및 회전자는 고정자와 회전자 사이의 자속 교류를 위해 회전자와 고정자의 각각의 경계면들 사이에 공기 갭을 형성하며, 고정자는 하나 이상의 환형 부분을 포함하는 고정자 코어를 포함하며 이 환형 부분으로부터 복수의 치형부들이 반경 방향으로 회전자를 향하여 연장하고, 치형부들은 환형 부분의 원주를 따라 배열되고, 각각의 치형부는 공기 갭을 대면하는 경계면을 갖고 이 공기 갭을 통하여 고정자와 회전자 사이에서 자속이 교류하는 것을 허용하도록 구성되며, 각각의 치형부의 경계면은 치형부의 원주 방향으로 치형부 폭을 형성하고; 고정자 코어는 적어도 제 1 치형부 폭을 갖는 치형부들의 제 1 하위 세트 및 제 1 치형부 폭과는 상이한 제 2 치형부 폭을 갖는 치형부들의 제 2 하위 세트를 포함한다.

고정자 코어는 단일 구성요소로서 또는 다중 구성요소들로서 제작될 수 있다. 고정자는 환형 코어 뒷면(back)을 포함할 수 있으며 이로부터 치형부들의 각각의 원주 열(row)들이 반경 방향으로 돌출하고, 치형부들의 하나, 일부 또는 각각의 열(들)은, 서로 상이한 각각 제 1 및 제 2 치형부 폭들을 갖는 치형부들의 제 1 및 제 2 하위 세트를 포함한다. 일부 실시예들에서, 고정자 코어는 본원에 설명된 것과 같은 둘 또는 그 초과의 고정자 코어 구성요소들을 포함한다. 고정자의 실시예들은 고정자 코어와 동축으로 배열되고 치형부들의 열들 중 2개 사이에 축방향으로 배열되는 코일을 포함한다. 다중 상 기계들에서, 고정자 코어는 2개 초과의 치형부들의 열들 및 하나 초과의 코일을 포함하고, 이들은 치형부들의 각각의 열들 사이에 각각 축방향으로 끼워진다.

또 다른 양태에 따르면, 상기 및 이후에 설명된 것과 같은 고정자를 포함하는 모듈형 극 기계의 실시예들이 본원에 개시된다. 일부 실시예들에서, 모듈형 극 기계는 TFM 기계이다. TFM 위상은 종래의 기계들에 대하여 복수의 이점들을 갖는 모듈형 극 기계의 예이다. 단일 측 반경방향의 플럭스 고정자에서, 단상 코일이 공기 갭에 평행하게 배열되고 대략 U 형상 요크 구성요소는 코일을 에워싸며 공기 갭을 대면하는 치형부들의 주된 2개의 평행한 열들을 노출한다. 일부 실시예들에서, 모듈형 극 기계는 2개의 외부 상들 및 하나 또는 그 초과의 중앙 상들을 갖는 다중 상 기계이다. 다중 상 배열들은 축방향으로 적층된, 즉 회전자의 동작의 방향에 수직인 자기적으로 분리된 단상 유닛들을 포함한다. 상들은 그 후 회전자의 위치와 관계없이 작업을 매끄럽게 하고 대략 균등한 힘 또는 토크를 발생하기 위해 3 상 배열에 대하여 전기적으로 및 자기적으로, 통상적으로 120°만큼 옮겨진다. 일부 실시예들에서, 치형부들은 공기 갭과 환형 부분 사이에 대부분 반경방향의 플럭스 경로를 제공하는 반면, 환형 부분은 동일한 고정자의 다른 유사한 고정자 코어 구성요소 또는 고정자 상의 환형 부분으로/부분으로부터의 축방향 플럭스 경로에 의해 치형부들로/치형부들로부터 반경방향의 플럭스 경로를 연결하는 대부분 원주방향 플럭스 경로를 제공한다.

모듈형 극 기계의 실시예들에서, 고정자는 축방향으로 나란히 배열되는 복수의 상들을 포함하는 다중 상 고정자이며, 고정자는 치형부들의 복수의 세트들을 포함하고, 각각의 세트의 치형부들은 원주 방향을 따라 분산되고, 치형부들의 복수의 세트들은 2개의 주변 세트들 및 상기 주변 세트들 사이에 축방향으로 배열되는 복수의 내부 세트들을 포함하고; 내부 세트들의 치형부들은 주변 세트들의 치형부들보다 축방향으로 더 넓고 2개의 이웃하는 상들에 의해 공유되는 공통 자속 경로를 제공한다. 각각의 세트들의 치형부들은 다른 세트들의 치형부들에 대한 동작 방향으로 변위되어 배열된다. 치형부들의 세트들 중 하나 이상은 각각의 치형부 폭들을 갖는 치형부들의 적어도 제 1 및 제 2 하위 세트를 포함한다.

모듈형 극 기계의 실시예들에서, 회전자는 회전자 극 피스들에 의해 원주 방향으로 서로로부터 분리되는 복수의 영구 자석들을 포함한다. 회전자 극 피스들은, 축방향으로 기다란 로드들, 예컨대 직선형 로드들로서 형성될 수 있다. 복수의 영구 자석들은 원주 방향을 따라 매 두 번째 자석이 자성 방향이 역전되도록 배열될 수 있다. 이에 의해 각각의 개별 회전자 극 피스는 단지 동일한 극성을 나타내는 자석들과 상호 대면한다. 일반적으로, 영구 자석들은 또한 축방향으로 기다란 로드들일 수 있고; 로드들은 공기 갭의 축방향 범위를 가로질러 연장할 수 있다.

일부 실시예들에서, 고정자는 : 실질적으로 환형이고 복수의 치형부들을 포함하는 제 1 고정자 코어 구성요소, 실질적으로 환형이고 복수의 치형부들을 포함하는 제 2 고정자 코어 구성요소, 제 1 및 제 2 원형 고정자 코어 구성요소들 사이에 배열되는 코일을 포함하며, 상기 제 1 고정자 코어 구성요소, 제 2 고정자 코어 구성요소, 코일 및 회전자는 회전자의 길이방향 축선에 의해 형성되는 공통 기하학적 축선을 둘러싸고, , 제 1 고정자 코어 구성요소 및 제 2 고정자 코어 구성요소의 복수의 치형부들은 회전자를 향하여 돌출하도록 배열되고; 제 2 고정자 코어 구성요소의 치형부들은 제 1 고정자 코어 구성요소의 치형부들에 대하여 원주방향으로 변위된다. 2개의 고정자 코어 구성요소들의 치형부들은 따라서 치형부들의 각각의 원주방향인 열들을 형성할 수 있고 열들은 고정자의 코일에 의해 축방향으로 이격되고 분리되며, 코일은 치형부들의 열들 사이에 원주방향으로 연장하는 갭에 수용된다.

본원에 설명된 고정자 및/또는 고정자 코어 구성요소의 실시예들은 코깅 토크 및 역 EMF의 고조파 성분 중 하나 또는 모두의 감소를 가능하게 하면서 효율적으로 제작될 수 있다. 특히, 본원에 설명된 고정자 코어 구성요소들의 실시예들은 분말 야금(P/M) 제조 방법들에 의한 제조에 아주 적절하다. 따라서, 일부 실시예들에서, 고정자, 고정자 코어 구성요소 및/또는 회전자의 극 피스들은 연자성 분말과 같은 연자성 재료로 만들어지고, 이에 의해 모듈형 극 기계의 구성요소들의 제작을 간소화하고 효율적인 자속 집중을 제공하며, 연자성 재료의 효과적인 3차원 플럭스 경로들의 이점을 이용하여 예컨대 회전 기계의 반경방향의, 축방향의 및 원주방향 플럭스 경로 구성요소들을 가능하게 한다.

연자성 분말은 예컨대 연자성 철 분말 또는 Co 또는 Ni을 함유하는 분말이거나 이들의 일부들을 함유하는 합금들일 수 있다. 연자성 분말은 실질적으로 순수한 물 원자화된 철 분말 또는 전기 절연재에 의해 코팅된 불규칙한 형상의 입자들을 갖는 스폰지 철 분말일 수 있다. 이러한 맥락에서 용어 "실질적으로 순수한"은 분말이 실질적으로 포함물이 없어야 하고 불순물(O, C 및 N)들의 양이 최소로 유지되어야 하는 것을 의미한다. 평균 입자 크기들은 일반적으로 300㎛ 미만 그리고 10㎛ 초과이다.

하지만, 연자성 특성들이 충분하고 이 분말이 금형 압축(die compaction)에 적절한 한은 임의의 연자성 금속 분말 또는 금속 합금 분말이 사용될 수 있다.

분말 입자들의 전기 절연재는 무기 재료로 만들어진다. 절연 산소- 및 인 함유 배리어를 갖는 본질적으로는 순수한 철로 이루어지는 베이스 분말의 입자들에 관한 US 6348265(인용에 의해 본원에 포함됨)에 개시된 타입의 절연재가 특별히 적절하다. 절연된 입자들을 갖는 분말들은 스웨덴, Hoganas AB 로부터 이용 가능한 Somaloy® 500, Somaloy® 550 또는 Somaloy® 700 으로서 이용 가능하다.

극 피스들, 고정자 및/또는 고정자 코어 구성요소들의 성형은 따라서 소위 성형 다이(shaped die)를 사용하는 공구와 같은 적절한 압축 공구로 연자성 분말로부터 극 피스 또는 고정자 코어 구성요소를 압축함으로써 효율적으로 이행될 수 있다.

공기 갭이 통상적으로는 공기로 채워지는 것이 이해된다. 하지만, 당업자는 공기 갭이 공기 외의 다른 가스로 채워질 수 있는 것을 이해할 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 설명의 목적을 위해, 고정자와 회전자 사이의 갭은 어떤 가스에 의해 갭이 채워지는지와 관계없이 공기 갭으로 지칭될 것이다.

본 발명의 상기 및/또는 부가적인 목적들, 특징들 및 이점들은, 첨부된 도면들을 참조하여 이후의 본 발명의 실시예들의 예시적이고 비제한적인 상세한 설명에 의해 더 설명될 것이다.

도 1은 단상 모듈형 극 기계의 실시예를 도시한다.
도 2는 모듈형 극 기계용 고정자의 예의 개략도를 도시한다.
도 3은 각각 하나의 원주방향 코일을 유지하는, 고정자 구성요소 쌍들의 3개의 세트들을 갖는 고정자를 포함하는 3 상 모듈형 극 기계를 도시한다.
도 4는 모듈형 극 기계의 회전자 및 고정자의 예의 일부의 확대도를 도시한다.
도 5는 고정자 코어 구성요소의 예의 측면도를 도시한다.
도 6은 모듈형 극 기계의 각각의 예들의 코깅 토크를 예시하는 그래프들을 도시한다.
도 7은 이웃하는 치형부들 사이의 피치 거리가 변화하는 고정자를 예시한다.
도 8은 조합된 상들을 갖는 3 상 모듈형 극 기계의 예의 고정자(10) 및 회전자(12)를 도시한다.

이후의 설명에서, 본 발명이 어떻게 실행될 수 있는지를 예시에 의해 도시하는 첨부된 도면들이 참조된다.

도 1은 모듈형 극 기계의 예를 예시한다. 특히, 도 1은 단상의 능동 부분들, 예컨대 1 상 기계 또는 다중 상 기계의 상을 도시한다. 도 1의 a)는 고정자(10) 및 회전자(30)를 포함하는 기계의 능동 부분들의 사시도를 도시한다. 도 1의 b)는 기계의 부분의 확대도를 도시한다. 도 2는 도 1의 모듈형 극 기계의 고정자(10)의 예를 예시한다. 특히, 도 2의 a)는 2개의 고정자 코어 구성요소(14, 16)들 및 코일(20)을 예시하는 고정자(10)의 분해도를 도시한다. 도 2의 b)는 고정자(10)의 절단도(cut-view)를 도시한다.

기계는 연자성 고정자 코어 구조물에 의해 형성되는 다중 치형부(102)를 자기적으로 이송하는 중앙 단일 코일(20)을 포함하는 고정자(10)를 포함한다. 다른 일반적인 전기 기계 구조물들에서 코일은 고정자 코어의 개별 치형부들 주위에 형성되는 반면, 도 1의 고정자의 코일(20)은 고정자 코어의 치형부들 사이에 끼워진다. 더 구체적으로는 도 1 및 도 2의 모듈형 극 기계는 복수의 치형부(102)들을 각각 포함하고 실질적으로 환형인 2개의 고정자 코어 구성요소(14, 16)들, 제 1 및 제 2 환형 고정자 코어 구성요소들 사이에 배열되는 코일(20), 및 복수의 영구 자석(22)들을 포함하는 회전자(30)를 포함한다. 또한, 고정자 코어 구성요소(14, 16)들, 코일(20) 및 회전자(30)는 공통 기하학적 축선을 둘러싸고, 2개의 고정자 코어 구성요소(14, 16)들의 복수의 치형부(102)들은 폐쇄 회로 플럭스 경로를 형성하기 위해 회전자(30)를 향하여 돌출하도록 배열된다. 2개의 고정자 코어 구성요소(14, 16)들의 고정자 치형부들은 서로에 대하여 원주방향으로 변위된다.

각각의 고정자 코어 구성요소는 2개의 고정자 코어 구성요소들의 원주방향으로 변위된 치형부들 사이에 축방향 플럭스 경로를 제공하는 요크 구성요소 또는 플럭스 브리지(flux bridge)를 형성하는 원주 플랜지(18) 및 환형 부분(261)을 포함한다. 각각의 고정자 코어 구성요소(14, 16)는 환형 부분(261)의 반경방향의 내부 에지(160)에 의해 형성되는 중앙의, 실질적으로 원형 개구를 갖는 환형 디스크로서 형성될 수 있다. 내부 에지(160)와 치형부(102)들 사이의 환형 부분(261)은 코일(20)을 수용하는 원주 공동의 측벽 및 플럭스 경로를 제공한다. 원주 플랜지(18)는 내부 에지에 또는 그 근처에 위치된다. 조립된 고정자에서 원주 플랜지(18)는 고정자 코어 구성요소의 내부 측에, 즉 코일(20) 및 다른 고정자 코어 구성요소를 대면하는 측에 배열된다.

도 1 및 도 2의 기계에서, 고정자 치형부들은 고정자를 에워싸는 회전자를 향하여 반경방향으로 외향 방향으로 돌출한다. 하지만, 고정자는 회전자에 대하여 외부에 동일하게 잘 위치될 수 있고, 이 경우에 고정자 치형부들은 반경방향 내측으로 연장하고, 즉 본원에 설명된 회전자 및 고정자의 실시예들은 내부 및 외부 회전자 기계들에 사용될 수 있다.

능동 회전자 구조물(30)은 짝수의 세그먼트(22, 24)들로 건설되고, 세그먼트들의 개수의 절반 - 또한 회전자 극 피스(24)들이라고 불림 - 은 연자성 재료로 만들어지고 세그먼트들의 개수의 다른 절반은 영구 자기 재료(22)로 만들어진다. 이러한 세그먼트들은 개별 구성요소들로서 제조될 수 있다. 영구 자석(22)들은 영구 자석들의 자성 방향들이 실질적으로 원주방향이도록, 즉 N극 및 S극이 각각 실질적으로 원주 방향을 대면하도록 배열된다. 또한, 원주방향으로 카운트되는 매 2번째 영구 자석(22)은 그의 자성 방향이 그의 이웃하는 영구 자석들에 대하여 대향 방향이도록 배열된다. 기계 구조물의 연자성 극 피스(24)들의 자기 기능은 완전히 3차원이고 각각의 연자성 극 피스(24)는 모든 3개의 공간 방향들에서 높은 자기 도자성(permeability)을 가지고 변하는 자속을 효율적으로 운반하는 것을 가능하게 한다.

회전자(30) 및 고정자(10)의 이러한 디자인은 영구 자석(22)들로부터의 플럭스 집중을 가능하게 하는 이점을 가져서 고정자(10)의 치형부를 대면하는 회전자(30)의 표면은 이웃하는 영구 자석(22)들 모두로부터 대면하는 치형부의 표면으로의 전체 자속을 나타낼 수 있다. 플럭스 집중은 치형부를 대면하는 영역에 의해 분할되는 각각의 극 피스(24)를 대면하는 영구 자석(22)들의 면적의 함수로서 볼 수 있다. 특히, 치형부들의 원주방향 변위로 인해, 극 피스를 대면하는 치형부는 단지 극 피스의 축방향 범위를 부분적으로 가로질러서 연장하는 능동 공기 갭을 초래한다. 그럼에도 불구하고, 영구 자석들의 전체 축방향 범위로부터의 자속은 능동 공기 갭을 향하여 극 피스에서 축방향으로 그리고 반경방향으로 배향된다. 각각의 극 피스(24)의 이러한 자속 집중 특성들은 약하고 저비용 영구 자석들을 회전자의 영구 자석(22)들로서 사용하는 것을 가능하게 하고 매우 높은 공기 갭 플럭스 밀도들을 달성하는 것을 가능하게 한다. 플럭스 집중은 효과적인 3차원 플럭스 경로들을 가능하게 하는 자기 분말로 만들어지는 극 피스에 의해 용이하게 될 수 있다. 또한, 디자인이 대응하는 타입들의 기계들에서보다 더 효율적인 자석들의 사용을 또한 가능하게 한다.

고정자(10)는 각각 복수의 치형부(102)들을 포함하는 2개의 동일한 고정자 코어 구성요소(14, 16)들을 포함하지만; 대안적인 실시예들에서, 고정자는 상이한 형상들을 갖는 고정자 코어 구성요소들로 조립될 수 있다. 각각의 고정자 코어 구성요소는 프레스 공구로 하나의 피스로 압축되는 연자성 분말로 만들어진다. 고정자 코어 구성요소들이 동일한 형상들을 가질 때, 이들은 동일한 공구로 프레스될 수 있다. 2개의 고정자 코어 구성요소들이 그 후 제 2 작업에서 결합되고, 반경방향으로 연장하는 고정자 코어 치형부들과 고정자 코어를 함께 형성하며, 하나의 고정자 코어 구성요소의 치형부들은 다른 고정자 코어 구성요소의 치형부들에 대하여 축방향으로 그리고 원주방향으로 변위된다.

치형부(102)들의 각각은 공기 갭을 대면하는 경계면(262)을 갖는다. 기계의 작업 동안, 자속은 공기 갭을 통하여 경계면(262)을 통하여 그리고 회전자의 극 피스의 대응 경계면을 통하여 교류된다. 경계면(262)은 원주 방향으로, 즉 회전자의 동작 방향을 따라 에지(263)들에 의해 범위가 정해진다. 에지(263)들은 경계면(262)을 이웃하는 치형부들을 대면하는 치형부의 각각의 측면(266)들과 연결한다.

도 2의 a)에 예시된 것과 같이, 코일(20)은 전류를 코일에 제공하기 위해 2개의 연결 와이어(221)들을 갖는다. 연결 와이어들은 상이한 원주 및/또는 반경방향 위치들에서 코일에 연결될 수 있다. 고정자 코어 구성요소(14, 16)들에는 각각의 고정자 코어 구성요소의 내부 측을 따라 반경방향으로 연장하는 와이어 채널(231)을 형성하는 기다란 리세스가 제공되어 와이어들 중 하나 이상이 코일을 따라 반경방향으로 이송되고, 모든 와이어들이 실질적으로 동일한 위치에서 코일로부터 축방향으로 멀어지도록 이송되는 것을 가능하게 한다. 도 2의 a)의 예에서, 고정자 코어 구성요소에는, 플랜지(18)의 부분으로서, 다른 고정자 구성요소의 와이어 채널에 부분적으로 삽입되도록 형상을 갖고 크기를 갖는 인덱싱 돌출부(232)가 또한 제공되어 조립 동안 서로에 대한 고정자 코어 구성요소들 모두의 적절한 정렬을 용이하게 한다. 하지만, 고정자 코어 구성요소들의 다른 실시예들에는 와이어 채널들이 제공되지 않거나 상이한 와이어 채널들이 제공되고/되거나 인덱싱 피쳐들이 없거나 상이한 인덱싱 피쳐들이 제공될 수 있는 것이 이해될 것이다.

단상 고정자(10)는 도 1 및 도 2에 예시된 것과 같은 단상 기계의 고정자로서, 및/또는 다중 상 기계의 하나의 상으로서, 예컨대 도 3의 기계의 고정자 상(10a 내지 10c)들 중 하나로서 사용될 수 있다.

특히, 도 3의 a)는 3 상 모듈형 극 기계의 예를 예시하는 반면, 도 3의 b)는 도 3의 a)의 기계의 고정자의 예를 도시한다. 기계는 고정자(10) 및 회전자(30)를 포함한다. 고정자(10)는 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 것과 같은 3개의 고정자 상 구성요소(10a, 10b, 10c)들을 각각 갖는다. 특히, 각각의 고정자 상 구성요소는 각각의 고정자 구성요소 쌍(14a, 16a; 14b, 16b; 및 14c, 16c)을 각각 포함하고, 이들은 각각 하나의 원주 코일(20a 내지 20c)을 각각 유지한다.

그리하여, 도 1 및 도 2의 예에서와 같이, 도 3의 각각의 전기 모듈형 극 기계 고정자 상 구성요소(10a 내지 10c)는 연자성 코어 구조물에 의해 형성되는 다중 치형부(102)들을 자기적으로 이송하는 중앙 코일(20a 내지 20c), 예컨대 단일 코일을 포함한다. 더 구체적으로는, 도시된 전기 모듈형 극 기계의 각각의 고정자 상(10a 내지 10c)은 각각 복수의 치형부(102)들을 포함하고 실질적으로 환형인 2개의 고정자 코어 구성요소(14)들, 제 1 및 제 2 원형 고정자 코어 구성요소들 사이에 배열되는 코일(20)을 포함한다. 또한, 각각의 고정자 상의 고정자 코어 구성요소(14)들 및 코일(20)은 공통 축선을 둘러싸고, 고정자 코어 구성요소(14)들의 복수의 치형부(102)들은 반경방향으로 외향으로 돌출하도록 배열된다. 도 3의 예에서, 회전자(30)는 고정자(10)와 동축으로 그리고 고정자를 둘러싸며 배열되어 회전자와 고정자의 복수의 치형부(102)들 사이에 공기 갭을 형성한다. 회전자는 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 것과 같이 교번하는 영구 자석(22)들과 극 피스(24)들로서 제공될 수 있지만, 모든 고정자 상 구성요소들을 가로질러서 축방향으로 연장하고, 즉 모든 3개의 상들의 역할을 하는 단일 회전자 구조물이 제공된다. 하지만 다른 실시예들에서 회전자는 서로로부터 축방향 연장부로 배열되는 3개의 별개의 원통형 회전자들로서 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또 다른 실시예들에서 회전자 구성요소들, 예컨대 영구 자석(22)들의 일부 또는 전부는, 단지 단상의 축방향 연장부를 각각 갖는 일련의 더 짧은 구성요소들로서 제공될 수 있다.

도 1 내지 도 3과 관련하여 설명된 고정자의 실시예들은 소위 클로(claw)들이 없는 치형부들을 갖는다. 하지만, 작은 클로들이 공구 비용을 증가시키지 않고 여전히 모터 성능을 개선하면서 부가될 수 있다.

도 3의 고정자의 상들은 별개의 고정자 코어 구성요소들로 이루어진다. 하지만, 대안적인 실시예들에서, 예컨대 그 전체 내용이 인용에 의해 본원에 포함되는 WO 2011/033106에 설명된 것과 같이, 이웃하는 상들의 고정자 코어는 동일한 구성요소로 조합될 수 있다.

도 4는 모듈형 극 기계의 회전자 및 고정자의 예의 일부의 확대도를 도시한다. 특히, 도 4는 2개의 고정자 코어 구성요소들 중 하나의 이웃하는 2개의 치형부(102a)들, 뿐만 아니라 동일한 고정자 코어 또는 동일한 고정자 코어 상의 2개의 고정자 코어 구성요소들 중 다른 하나의 치형부(102b)를 예시한다. 도 4는 회전자(30)의 일부를 또한 도시한다. 회전자는 영구 자석(22)들 및 극 피스(24)들을 포함한다. 각각의 치형부는 치형부의 각각의 측벽(266)들 및 경계면(262) 사이의 에지(263)에 의해 원주 방향으로 범위가 정해지는 경계면(262)을 갖는다. 경계면의 원주 범위는 치형부의 치형부 폭(St)을 형성한다. 치형부 폭은 길이로서, 예컨대 ㎜로 표현될 수 있다. 대안적으로는, 도 4에 예시된 것과 같이, 치형부 폭은 편의적으로는 전기 각도들로, 즉 완전한 전기 사이클에 대응하는 각도에 대한 각도로서 표현될 수 있다. 완전한 전기 사이클은 도 4에 예시된 것과 같이 360°에 대응한다. 치형부 폭과 유사하게, 원주 방향으로의 각각의 극 피스(24)들의 범위는 극 폭(Sp)을 형성한다.

치형부 폭 대 극 폭의 비(ratio)는 동일한 자석 두께(즉, 영구 자석(22)들의 원주 범위) 및, 그리하여 극 폭을 일정하게 유지하면서 치형부 폭을 변경함으로써 변경될 수 있다. 치형부 폭을 변경하는 것은 자석 두께를 변경하는 것과는 달리, 기본적인 역 EMF의 크기에 적은 영향을 갖고, 그리하여 고조파를 조정하는 더욱더 예측 가능한 방식이다.

도 4는, 본원에서 치형부들의 각각의 중심들 사이의 거리로서 측정된, 치형부(102a)들 사이의 피치 거리(P)를 또한 예시한다. 대안적으로, 피치는 치형부(102a)들의 동일한 방향을 대면하는 각각의 측면들 사이의 거리로서 측정될 수 있다.

도 5는 고정자 코어 구성요소의 예의 측면도를 도시한다. 도 5의 고정자 코어 구성요소는, 치형부(102-1, 102-2)들이 반경방향으로 외향으로 연장하게 되는 환형 부분(261)을 포함한다는 점에서 도 1 및 도 2에 도시된 고정자 코어 구성요소들과 유사하다. 치형부들은 환형 부분(261)의 외부 원주 주위에 분산된다. 환형 부분(261)은 제 1 세그먼트(261-1) 및 제 2 세그먼트(261-2)를 포함하며 이들은 함께 완전한 링을 형성한다. 제 1 및 제 2 세그먼트들 사이의 경계는 도 5에 파선(501)에 의해 예시된다. 제 1 세그먼트(261-1)로부터 연장하는 치형부(102-1)들은 제 1 치형부 폭을 갖는 반면, 제 2 세그먼트(261-2)의 치형부(102-2)들은 상이한 제 2 치형부 폭을 갖는다. 도 5의 예에서, 제 1 세그먼트(261-1)로부터 연장하는 치형부(102-1)들의 하위 세트보다 제 2 세그먼트(261-2)로부터 연장하는 치형부(102-2)의 하위 세트에 더 적은 치형부들이 있다.

도 6은 본원에 설명된 것과 같은 모듈형 극 기계의 예의 유한 요소 시뮬레이션들로부터의 결과들을 도시한다. 특히, 도 6은 도 3의 기계와 유사하지만 48개의 극들 및 상이한 치형부 폭들을 갖는 3 상 기계에 대한 전기 각도인 회전자 각도의 함수로서 코깅 토크를 Nm로 도시한다. 곡선(601)은 120°의 균일한 치형부 폭을 갖는 기계에 대한 코깅 토크를 도시하지만, 곡선(602)은 170°의 균일한 치형부 폭에 대한 코깅 토크를 도시한다. 마지막으로, 곡선(603)은 170°의 치형부 폭을 갖는 14개의 치형부들과 120°의 치형부 폭을 갖는 10개의 치형부들을 갖는 기계에 대한 코깅 토크를 도시한다.

도 6에서 볼 수 있는 것과 같이, 120°의 치형부 폭(곡선(601)) 및 170°의 치형부 폭(곡선(602))에 대한 2개의 코깅 토크들은 서로 역상(antiphase)이다. 그리하여, 기계의 코깅 토크가 총합이 모두 24개의 치형부들로 이루어질 때, 2개의 치형부 폭들의 조합이 코깅 토크를 소거한다. 결과적으로, 도 6에서 볼 수 있는 것과 같이, 변화하는 치형부 폭(곡선(603))을 갖는 기계의 코깅 토크는 현저하게 감소된다.

발명자는 상이한 치형부 폭들의 조합이 기계의 역 EMF 파형의 고조파들의 효과를 또한 감소시키는 것을 또한 발견하였다. 역 EMF의 특정한 고조파들은 또한 치형부 폭의 변경들에 의해 상을 변경하고, 그리하여 치형부 폭은 이러한 고조파들을 소거하는데 사용될 수 있다.

치형부 폭의 크기는 연속적인 값이기 때문에, 그리고 상이한 치형부 폭들의 하위 세트들의 수 및 각각의 하위 세트의 치형부들의 수가 변할 수 있기 때문에, 실제로 치형부 폭들의 방대한 개수의 가능한 조합들이 있고, 주어진 기계 디자인에 대하여, 당업자는 코깅 토크, 고조파 성분을 감소시키기 위해 또는 이들 2개 사이의 최고의 절충을 위해 최적의 조합을 발견하는 것이 가능할 것이다. 특히, 기계의 디자인 동안, 상이한 치형부 폭들의 효과들은 유한 요소 분석의 공지된 기술들을 사용하여 시뮬레이션될 수 있다.

상이한 치형부 폭들을 갖는 것은 몇몇 상황들에서, 상이한 치형부 폭들 사이의 힘들의 변동이 낮더라도, 기계에 불균형한 힘들을 유도할 수 있다. 하지만, 특별한 디자인에 대하여 힘들의 차이가 높아진다면 각각의 치형부 폭을 갖는 치형부들이 힘들을 소거하기 위해 기계의 주변 주위에 분산될 수 있다.

도 7은 이웃하는 치형부들 사이의 피치 거리가 변화하는 고정자의 고정자 코어 구성요소(14)를 예시하며, 방법이 또한 피칭으로서 참조된다. 특히, 각각의 치형부(102b)는 그의 우측 이웃하는 치형부(102c)에 대한 피치 거리(PR)와는 상이한 그의 좌측 이웃하는 치형부(102a)에 대한 상이한 피치 거리(PL)를 갖는다. 하지만, 다음에 이웃하는 치형부들의 우측 및 좌측으로의 거리는 모든 치형부들에 대하여 일정하고 균일하며, 즉 총합 PL + PR = 360°는 각각의 치형부들에 대하여 동일하다.

변화하는 치형부 폭 및 변화하는 피치 거리의 조합이 코깅 토크 및 역 EMF의 고조파 성분의 추가의 감소를 제공하는 것이 밝혀졌다.

치형부 폭 및 치형부들의 피칭을 변경하는 것 모두는 도 3에 도시된 기계와 유사한 3 상 기계의 유한 요소 분석에 의해 연구되었다. 이러한 분석은 양쪽의 방법들이 역 EMF의 고조파 성분과 코깅 토크를 감소시키는 것을 도시하였다. 표 1은 변화하는 치형부 폭과 피칭의 일부 조합들을 요약한 것이다.

모든 피칭된 상황들은 역 EMF 파형들의 전체 고조파 함유율(total harmonic distortion; THD)을 감소시키고; 3 상 기계의 내부 상은 파형이 제거하려고 하는 이 실시예의 피칭인 더 높은 7배수차 고조파 성분을 가질 때 가장 영향을 받았다.

치형부 폭을 변경하는 것은 또한 THD에 영향을 미치지만 또한 코깅 토크를 현저하게 감소시킬 수 있다. 주어진 기계 디자인에 대하여, 해결책들의 최적의 조합이 따라서 결정될 수 있다. 하지만, 고조파 성분에 초점을 맞추거나 코깅 토크에 초점을 맞추는 것은 완전하게 특정 용도일 것이다.

	변경 전(130도)	폭들의 조합	피치됨(130도 폭)	피치됨(150도 폭)	폭1들이 피치되고 조합됨
기본 EMF에서 강하	0%	1.80%	4.59%	8.34%	7.04%
피크 코깅(Nㆍm)	3.69	0.44	1.95	0.79	0.55
외부 상 THD	2.85%	2.97%	1.70%	1.84%	1.90%
내부 상 THD	6.51%	5.16%	2.34%	3.73%	3.55%

표 1 : 3 상 모듈형 극 기계의 특성들에 대한 고정자 변경들의 영향의 요약 - THD는 연구 하의 특정 기계의 성형 결선(star connection)으로 인해 3배수차 고조파(triplen)들이 무시되는 처음 8개의 고조파들에 대한 것이다.

제 1 컬럼은 일정한 피치 및 일정한 치형부 폭을 갖는 기계에 대한 결과들을 도시한다. 제 2 컬럼은 변화하는 치형부 폭들 하지만 일정한 피치를 갖는 기계에 대한 대응 결과들을 도시한다. 제 3 및 제 4 컬럼들은 변화하는 피치(역 EMF의 7배수차 고조파를 제거하기 위한 것임)를 갖지만 각각 일정한 치형부 폭들에 대한 기계에 대한 결과들을 도시하며, 마지막 컬럼은 치형부 폭과 피치 모두가 변화된 기계에 대한 결과들을 도시한다. 마지막 컬럼의 폭들의 조합은 10개의 170°의 치형부들, 4개의 150°의 치형부들 및 10개의 140°의 치형부들이었다.

3 상 기계의 내부 상은 모든 경우들에서 여전히 더 높은 THD를 보여주는데, 이는 일반적으로 내부 상의 5배수차 고조파 성분을 증가시키는 치형부 폭들로 인한 것으로 발견되었다. 5배수차 및 7배수차 고조파 모두를 억제할 것이며 THD의 개선을 보여줄 수 있는 6배수차 고조파를 감소시키도록 피칭하는 것이 더 유용할 수 있다.

모듈형 극 기계가 낮은 코깅 토크를 또한 가지면서, 고조파 성분이 낮은 역 EMF를 갖는 것을 가능하게 하는 방법들이 따라서 설명되었다.

도 8은 조합된 상들을 갖는 3 상 모듈형 극 기계의 예의 고정자(10) 및 회전자(12)를 도시한다. '를 갖는 참조 부호들은 제 1 상의 특징을 나타내고, "는 제 2 상의 특징을 나타내며, '''는 제 3 상의 특징을 나타낸다. 고정자(10)는 3개의 상들을 포함하며, 각각의 상은 코일(20), 제 1 고정자 코어 구성요소(14) 및 제 2 고정자 코어 구성요소(16)를 포함한다. 고정자(10)를 에워싸는 하나의 회전자(12)가 도시된다. 회전자(12)는 영구 자석(22)들 및 전체 고정자(10)를 따라 연장하는 회전자 극 섹션(24)들을 포함한다. 고정자가 그 위에 장착되는 축이 제공될 수 있다(도시되지 않음). 각각의 고정자 코어 구성요소(14, 16)는 본질적으로는 형상의 원형이고 고정자 코어 뒷면 섹션(29) 그리고 고정자 코어 뒷면 섹션으로부터 연장하는 복수의 반경방향으로 연장하는 치형부들을 포함한다. 치형부들은 회전자(12)와 폐쇄 회로 플럭스 경로를 형성하기 위해 회전자(12)를 향하여 외향으로 연장하도록 배열된다. 환형 고정자 코어 부분(29)은 원주 방향으로 치형부들을 연결한다. 고정자 코어 구성요소들은 환형 고정자 코어 부분(29)으로부터 이웃하는 고정자 코어 구성요소를 향하여 축방향으로 연장하여 축방향 플럭스 브리지를 제공하는 요크 섹션(23)을 더 포함한다.

상(1)의 제 2 고정자 코어 구성요소(16') 및 상(2)의 제 1 고정자 코어 구성요소(14")는 하나의 유닛으로서, 즉 조합된 고정자 코어 구성요소로서 배열되며, 이에 의해 상(1) 및 상(2)은 고정자 코어 구성요소를 공유한다. 따라서 조합된 상 유닛의 치형부(27)들은 상(1)과 상(2) 사이에서 공유되도록 배열되고, 이에 의해 상(2)의 제 1 고정자 섹션(14")의 치형부들의 세트와 상(1)의 제 2 고정자 코어 구성요소(16')의 치형부들의 세트는 하나의 유닛으로서 형성된다.

조합된 상 유닛의 치형부(28)들은 상(2)과 상(3) 사이에서 공유되도록 배열되고, 이에 의해 상(3)의 제 1 고정자 섹션(14''')의 치형부들의 세트와 상(2)의 제 2 고정자 코어 구성요소(16")의 치형부들의 세트는 하나의 유닛으로서 형성된다.

고정자(10)의 각각의 단부에서의 치형부(26)들은 2개의 상들 사이에서 공유되지 않으며, 따라서 치형부(26')들은 단지 상(1)에만 속하고 치형부(26''')들은 단지 상(3)에만 속한다. 또한, 주변 상(1 및 3)들의 치형부(26' 및 26''')들은 각각 치형부(26' 및 26''')들의 주변 에지들 사이에서 축방향으로 연장하는 고정자의 능동 공기 갭 영역의 축방향 범위를 형성한다. 영구 자석(22)들 및 극 섹션(24)들은 전체 능동 공기 갭 영역을 가로질러 축방향으로, 즉 회전자를 대면하는 치형부(26' 및 26''')들의 표면들의 축방향 외부 에지들 사이에서 연장한다.

치형부(26', 27, 28 및 26''')들의 각각의 세트의 치형부들은 각각 본원에 설명된 것과 같이 원주 방향으로 각각의 치형부 폭들을 갖는 치형부들의 둘 또는 그 초과의 하위 세트들로서 배열될 수 있다. 부가적으로, 치형부들 사이의 피치는 변화할 수 있다. 대안적으로, 상 유닛들의 단지 하나 또는 일부의 피치 및/또는 치형부 폭들은 변화할 수 있다.

일부 실시예들이 상세하게 설명되고 도시되었지만, 본 발명은 이들로 제한되지 않으며, 또한 이후의 청구항들에 정의된 요지의 범주 내에서 다른 방식들로 실현될 수 있다. 특히, 다른 실시예들이 활용될 수 있으며, 구조적 및 기능적 변경들이 본 발명의 범주로부터 이탈함이 없이 이루어질 수 있는 것이 이해된다.

본원에 개시된 본 발명의 실시예들은 전기 자전거 또는 다른 전기 구동식 차량, 특히 경량 차량을 위한 직접 휠 구동 모터를 위해 사용될 수 있다. 이러한 적용들은 높은 토크, 비교적 낮은 속도 및 낮은 비용에 대한 요구들을 부과한다. 이러한 요구들은 본원에 설명된 것과 같은 모터에 의해 충족될 수 있다.

몇몇 수단들을 열거하는 장치 청구항들에서, 이러한 수단들 중 몇몇은 하드웨어의 하나 및 동일한 아이템에 의해 실현될 수 있다. 단지 특정한 수단들이 서로 상이한 종속 청구항들에서 인용되거나 상이한 실시예들에서 설명된다는 사실은 이러한 수단들의 조합이 유리하게 하는데 사용될 수 없는 것을 나타내지 않는다.

용어 "포함하는/포함"은 본 명세서에서 사용될 때 언급된 특징들, 숫자들, 단계들 또는 구성요소들의 존재를 명시하기 위해 사용되지만 하나 또는 그 초과의 다른 특징들, 숫자들, 단계들, 구성요소들 또는 이들의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하지 않는 것이 강조되어야 한다.

Claims (15)

1. 모듈형 극 기계의 고정자를 위한 고정자 코어 구성요소로서, 상기 모듈형 극 기계는 고정자 및 회전자를 포함하고, 상기 고정자 및 회전자는 고정자와 회전자 사이의 자속 교류를 위해 회전자와 고정자의 각각의 경계면들 사이에 공기 갭을 형성하는, 고정자 코어 구성요소로서,
   상기 고정자 코어 구성요소는 환형 부분을 포함하며 이 환형 부분으로부터 복수의 치형부들이 반경 방향으로 회전자를 향하여 연장하고, 상기 치형부들은 환형 부분의 원주를 따라 배열되고, 각각의 치형부는 공기 갭을 대면하는 경계면을 갖고 이 공기 갭을 통하여 고정자와 회전자 사이에서 자속이 교류하는 것을 허용하도록 구성되며, 각각의 치형부의 경계면은 치형부의 원주 방향으로 치형부 폭을 형성하고; 상기 고정자 코어 구성요소는 적어도 제 1 치형부 폭을 갖는 치형부들의 제 1 하위 세트 및 제 1 치형부 폭과는 상이한 제 2 치형부 폭을 갖는 치형부들의 제 2 하위 세트를 포함하는,
   고정자 코어 구성요소.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 치형부들의 제 1 하위 세트는 교번 패턴으로 배열되는,
   고정자 코어 구성요소.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 치형부들 중 적어도 일부는 이들이 이들의 각각의 이웃하는 치형부들에 대한 상이한 피치 거리들을 갖도록 위치되는,
   고정자 코어 구성요소.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 치형부 폭들은 상이한 코깅 토크 파형들을 야기하도록 선택되는,
   고정자 코어 구성요소.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 치형부들의 제 1 하위 세트는 치형부들의 제 2 하위 세트와 상이한 개수의 치형부들을 포함하는,
   고정자 코어 구성요소.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고정자 코어 구성요소는 연자성 분말로 만들어지는,
   고정자 코어 구성요소.
   
7. 모듈형 극 기계를 위한 고정자로서, 상기 모듈형 극 기계는 고정자 및 회전자를 포함하고, 상기 고정자 및 회전자는 고정자와 회전자 사이의 자속 교류를 위해 회전자와 고정자의 각각의 경계면들 사이에 공기 갭을 형성하는, 고정자로서,
   상기 고정자 코어 구성요소는 하나 이상의 환형 부분을 포함하며 이 환형 부분으로부터 복수의 치형부들이 반경 방향으로 회전자를 향하여 연장하고, 상기 치형부들은 환형 부분의 원주를 따라 배열되고, 각각의 치형부는 공기 갭을 대면하는 경계면을 갖고 이 공기 갭을 통하여 고정자와 회전자 사이에서 자속이 교류하는 것을 허용하도록 구성되며, 각각의 치형부의 경계면은 치형부의 원주 방향으로 치형부 폭을 형성하고; 상기 고정자 코어는 적어도 제 1 치형부 폭을 갖는 치형부들의 제 1 하위 세트 및 제 1 치형부 폭과는 상이한 제 2 치형부 폭을 갖는 치형부들의 제 2 하위 세트를 포함하는,
   고정자.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 고정자 코어는, 축방향으로 나란히 배열되고 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 것과 같은 2개의 고정자 코어 구성요소들을 포함하고, 상기 고정자 코어 구성요소들의 치형부들은 원주 방향으로 서로에 대하여 변위되는,
   고정자.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 고정자 코어 구성요소들 사이에 배열되는 코일을 포함하는,
   고정자.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 치형부들의 각각은 베이스 부분 및 코일을 향하여 치형부로부터 연장하는 클로 부분을 포함하고, 상기 클로 부분은 경계면을 형성하는,
    고정자.
    
11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 같은 고정자, 회전자 및 상기 고정자와 회전자 사이의 자속 교류를 위해 회전자와 고정자의 각각의 경계면들 사이의 공기 갭을 포함하는 모듈형 극 기계로서,
    상기 회전자는 동작 방향으로 고정자에 대하여 이동하도록 구성되는,
    모듈형 극 기계.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 회전자는 고정자의 고정자 자기장과 상호 작용하기 위해 회전자 자기장을 발생하도록 구성되고, 상기 회전자는 회전자 자기장을 발생하도록 상기 회전자의 원주 방향으로 자화된 복수의 영구 자석들을 포함하고, 영구 자석들은 상기 영구 자석들에 의해 발생되는 회전자 자기장을 적어도 반경방향으로 그리고 축방향으로 배향하기 위해 축방향으로 연장하는 회전자 극 피스들에 의해 회전자의 원주 방향으로 서로로부터 분리되는,
    모듈형 극 기계.
    
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 고정자 및/또는 회전자는 축방향으로 플럭스 경로 구성요소를 포함하는 3차원(3D) 플럭스 경로를 제공하는,
    모듈형 극 기계.
    
14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모듈형 극 기계는 2개의 외부 상들 및 하나 또는 그 초과의 중앙 상들을 갖는 다중 상 기계인,
    모듈형 극 기계.
    
15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자 극 피스들은 원주 방향으로 극 폭을 각각 갖고 상기 치형부들의 제 1 하위 세트는 극 폭보다 더 큰 치형부 폭을 갖고 상기 치형부들의 제 2 하위 세트는 극 폭보다 더 작은 치형부 폭을 갖는,
    모듈형 극 기계.

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