KR20240074863A

KR20240074863A - 다중-재료 분할 스테이터

Info

Publication number: KR20240074863A
Application number: KR1020247015262A
Authority: KR
Inventors: 네이턴 아론하임; 제이딥 다스; 밍다 리우; 엠디 메흐디; 브랜든 트룹
Original assignee: 씨알에스 홀딩즈, 엘엘씨
Priority date: 2021-10-08
Filing date: 2022-10-04
Publication date: 2024-05-28
Also published as: US20230113876A1; WO2023060063A1; IL311919A; CA3232830A1

Abstract

본 발명은, 치형부 세그먼트와 인접하는 요크 세그먼트를 갖는 회전 기계용 스테이터로서, 상기 치형부 세그먼트는 고포화 유도 재료를 포함할 수 있고, 상기 요크 세그먼트는 저포화 유도 재료를 포함할 수 있으며, 상기 스테이터는 선택적으로 단일-재료 라미네이션 층과 다중-재료 라미네이션 층의 스택으로서 제공되는 것인 회전 기계용 스테이터를 제공한다.

Description

다중-재료 분할 스테이터

본 발명은 일반적으로 회전 기계를 위한 스테이터에 관한 것이다.

회전 전기 기계용으로 알려진 스테이터는, 통상적으로 연자성 재료의 적층된 라미네이션으로 제조된다. 스테이터는 대략적으로 2개의 영역으로: 링 형상인 요크, 및 상기 요크로부터 반경방향으로 연장되는 복수의 치형부로 나뉘어질 수 있다. 서로 다른 타입의 회전 전기 기계에서, 전기 기계가 작동 중일 때, 상기 치형부 및 상기 및 요크는 서로 다른 자속 밀도를 경험하는 것으로 인식되어 왔다. 보다 구체적으로, 상기 치형부는 일반적으로 요크 부분보다 상당히 더 높은 자속 밀도 하에 있다. 이러한 현상 때문에, 회전 전기 기계의 효율성 및 비용 효율성을 개선하기 위해, 상기한 구성요소를 서로 다른 자성 재료로 제조하는 것이 제안되었다.

비록 상기 다중-재료 개념이 인식되어 있지만, 당해 기술 분야는 상기한 구성요소를 제조하는 실용적인 방법을 제공하지 못 했다. 당해 기술 분야에서는, 현재 사용 중인 표준 연자성 재료와 비교하여, 성능에 관하여 유효성이 있고 그리고 가치 있는 비용 효익에 관하여 경제성이 있도록, 복수의 연자성 재료를 사용하기 위한, 상기한 구성요소의 기하학적 구조에 관하여는 어떠한 물리적 제약도 인지되어 있지 않다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 원통형 형상을 구비하고, 관통 연장되는 종축과 상기 종축에 수직인 평면에 있는 원형 단면을 갖는 스테이터 어셈블리가 제공될 수 있다. 상기 스테이터 어셈블리는 상기 원형 단면의 반경방향을 따라 연장되는 복수 개의 치형부 세그먼트를 포함할 수 있으며, 상기 복수 개의 치형부 세그먼트 각각은 상기 반경방향에 수직으로 측정되는 두께 t를 갖고, 상기 반경방향을 따라 측정되는 요크-세그먼트 깊이 d1을 갖는다. 상기 스테이터 어셈블리는 또한, 요크 세그먼트에서 상기 치형부 세그먼트에 인접하고 상기 치형부 세그먼트를 둘러싸는 복수 개의 요크 링 세그먼트를 포함할 수 있으며; 상기 복수 개의 요크 링 세그먼트는 상기 반경방향을 따라 측정되는 깊이 d를 가질 수 있고, 상기 d는 상기 요크-세그먼트 깊이 d1을 포함한다. d 대 t의 비는 1:2보다 클 수 있다. 상기 치형부 세그먼트는 고포화 유도를 갖는 연자성 합금으로 형성될 수 있고, 상기 요크 링 세그먼트는 상기 치형부 세그먼트보다 낮은 포화 유도를 갖는 연자성 합금으로 형성될 수 있다. 상기 스테이터 어셈블리는 1:2 내지 2:1의 d 대 t의 비를 가질 수 있고, 및/또는 d 대 t의 비는 0 내지 1:2일 수 있다. 대안적으로, d1 대 t의 비는 1:2 내지 2:1일 수 있다. 또한, d 대 t의 비는 2:1보다 클 수 있고, 및/또는 d1 대 t의 비는 0 내지 1:4 또는 1:4 내지 3:1일 수 있다. 또한, 상기 복수 개의 치형부 세그먼트는 각각, 상기 복수 개의 치형부 세그먼트와 상기 복수 개의 요크 링 세그먼트 사이의 접촉의 위치에 복수 개의 응력점을 포함할 수 있다.

다른 양태에서, 본 발명은 스테이터 어셈블리의 반경방향을 따라 연장되는 복수 개의 치형부 세그먼트, 및 상기 치형부 세그먼트에 인접하고 상기 치형부 세그먼트를 둘러싸는 복수 개의 요크 링 세그먼트를 포함하고, 상기 복수 개의 치형부 세그먼트는 각각, 상기 치형부 세그먼트와 상기 요크 링 세그먼트 사이의 접촉의 위치에 복수 개의 응력점을 포함하는 것인 스테이터 어셈블리를 제공할 수 있다.

더 나아가, 다른 양태에서, 본 발명은 스택의 제1 단부에서 그 반대편의 제2 단부의 순서로 (스택을 제공하기 위한) : 제1 단부 단일-재료 라미네이션 층, 복수 개의 다중-재료 라미네이션 층, 및 제2 단부 단일-재료 라미네이션 층을 포함하는 회전 기계를 위한 스테이터 스택 어셈블리를 제공할 수 있다. 복수 개의 핀이 상기 스택을 관통하여 연장될 수 있다. 상기 복수 개의 다중-재료 라미네이션 층은 복수 개의 스테이터 치형부 세그먼트 및 상기 스테이터 치형부 세그먼트에 인접해 있는 복수 개의 스테이터 요크 세그먼트를 포함할 수 있다. ⅰ) 상기 스테이터 치형부 세그먼트를 포함하는 상기 복수 개의 다중-재료 라미네이션 층을 함께 접합하기 위해 및/또는 ⅱ) 상기 스테이터 요크 세그먼트를 포함하는 상기 복수 개의 다중-재료 라미네이션 층을 함께 접합하기 위해 접착성 재료가 제공될 수 있다. 상기 스테이터 스택 어셈블리는, 상기 복수 개의 다중-재료 라미네이션 층 중의 선택된 제1 층에 있는 탭과, 상기 복수 개의 다중-재료 라미네이션 층 중의 선택된 제2 층에 있는 상보적인 디텐트를 포함할 수 있고, 상기 디텐트는 적어도 하나의 탭에 인접하고 적어도 하나의 탭과 정합 관계이다. 상기 선택된 제1 층은 상기 스테이터 치형부 세그먼트를 포함할 수 있고 또는 상기 스테이터 요크 세그먼트를 포함할 수 있다. 상기 스테이터 치형부 세그먼트는 고포화 유도를 갖는 연자성 합금으로 형성될 수 있고, 상기 스테이터 요크 세그먼트는 상기 스테이터 치형부 세그먼트보다 낮은 포화 유도를 갖는 연자성 합금으로 형성될 수 있다.

또 다른 양태에서, 본 발명은 이하의 단계를 포함하는 회전 전기 기계용 스테이터를 제조하는 방법을 제공할 수 있다:

a. 고포화 유도 시트/스트립 재료로부터 스테이터의 치형부 세그먼트를 위한 라미네이션을 스탬핑 또는 절단하는 단계;

b. 저포화 유도 시트/스트립 재료로부터 요크 세그먼트(들)를 위한 라미네이션을 스탬핑 또는 절단하는 단계;

c. 치형부 세그먼트 스택을 형성하기 위해 치형부 세그먼트 라미네이션을 적층하는 단계;

d. 소기의 자기적 특성 및 기계적 특성의 조합을 획득하기 위해 상기 치형부 세그먼트 스택을 열처리하는 단계;

e. 요크 세그먼트 스택을 형성하기 위해 요크 세그먼트 라미네이션을 적층하는 단계;

f. 접착성 재료로 상기 치형부 세그먼트 라미네이션을 접합하고 상기 접착성 재료를 경화하는 단계;

g. 접착성 재료로 요크 링 세그먼트 라미네이션을 접합하고 상기 접착성 재료를 경화하는 단계;

h. 접착성 재료로 상기 치형부 세그먼트 스택을 상기 요크 세그먼트 스택에 조립 및 접합하여 스테이터를 형성하는 단계; 및 그 후에

i. 조립된 스테이터를 열처리하여 상기 접착성 재료를 경화하는 단계.

단계 a.에서, 상기 고포화 유도 재료는 절연층으로 코팅될 수 있고, 또는 코팅되지 않을 수 있다. 단계 d.에서, 상기 고포화 유도 재료는 스트립으로서 또는 적층된 상태에서 열처리될 수 있다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 이하의 단계를 포함하는 회전 전기 기계용 스테이터를 제조하는 제2 방법이 제공된다.

a. 치형부 및 요크 부분을 포함하는 스테이터를 위한 라미네이션을 고포화 유도 시트/스트립 재료로부터 스탬핑 또는 절단하는 단계;

b. 저포화 유도 스테이터 시트/스트립 재료로부터 스테이터를 위한 라미네이션을 스탬핑 또는 절단하는 단계;

c. 고포화 유도 치형부 및 요크 부분과 저포화 유도 치형부 및 요크 부분을 소기의 스택 형상으로 상호 고정시키는 단계;

d. 조립된 라미네이션을 소기의 자기적 특성 및 기계적 특성의 조합을 획득하도록 열처리하는 단계.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 링-형상 요크 및 상기 요크로부터 반경방향으로 연장되는 복수의 치형부를 포함하는, 회전 전기 기계를 위한 스테이터로서, 치형부의 폭(t)과 링-형상 요크의 환형 폭(d)은, t가 d보다 작은(t < d) 관계가 있고, 스테이터 재료의 75 체적% 이하, 바람직하게는 20-75 체적%가 고포화 유도 재료이며, 그리고 스테이터 재료의 나머지는 치형부 재료의 포화 유도보다 낮은 포화 유도를 갖는 규소강 또는 그 밖의 연자성 합금과 같은 연자성 재료인 것인 회전 전기 기계를 위한 스테이터가 제공된다. 치형부에 있어서의 고포화 유도 재료의 각 라미네이션 두께는 0.05 ㎜ 내지 0.5 ㎜의 범위일 수 있고, 요크 재료 라미네이션 두께는 0.15 ㎜ 내지 0.5 ㎜의 범위일 수 있다.

본 발명의 이러한 양태의 다른 실시형태에서, 스테이터는 링-형상 세그먼트 및 상기 링-형상 세그먼트로부터 반경방향으로 연장되는 복수 개의 치형부 세그먼트를 포함할 수 있다. 상기 치형부 세그먼트는 전체 치형부, 치형부의 일부분, 또는 치형부와 요크의 일부분을 포함할 수 있다.

여기서 그리고 본 출원의 전체에 걸쳐, 용어 "고포화 유도"는 철-코발트 합금을 사용함으로써 제공될 수 있는 약 2 내지 2.4 테슬라(T)의 포화 자기 유도(Bsat)를 의미한다. 용어 "저포화 유도 재료"는 2 내지 4 중량%의 규소 함유 강 또는 철-코발트 합금 재료를 사용함으로써 제공될 수 있는 약 1.7 내지 2.1 테슬라(T)의 포화 자기 유도를 갖는 것으로 특징지어지는 재료를 의미한다.

전술한 개요 및 본 발명의 예시적인 실시형태에 대한 이하의 상세한 설명은, 첨부 도면과 함께 읽을 때, 더 이해될 수 있는데, 도면에서:
도 1은 알려진 기하학적 구조를 갖는 스테이터 스택을 위한 단일 라미네이션의 평면도를 개략적으로 예시하고;
도 2는 제2의 알려진 기하학적 구조를 갖는 스테이터 스택을 위한 분할형 라미네이션의 평면도를 개략적으로 예시하며;
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따라 제조된 스테이터 스택을 위한 분할형 라미네이션을 예시하고;
도 4는 다양한 단일 재료 및 다중-재료 설계를 갖는 도 3에 도시된 타입의 6-세그먼트 설계에 대한 예시적인 모터 응답을 예시하며;
도 5는 Si-강(M19) 및 Hiperco^®50 다중-재료 구조를 시뮬레이션하기 위해 사용된 모델로서, 예를 들어 도 3에 도시된 타입의 것과 같은, 본 발명에 따른 다중-재료 스택에 있어서의 유효 자속 흐름을 나타내는 모델을 예시하고;
도 6은 도 5의 모델에 사용되는 다양한 시나리오를 예시하며;
도 7-도 9는 2.5:1의 백-아이언:치형부에 대한 비를 갖는 다중-재료 구조의 자기 응답을 예시하고;
도 10-도 12는 1.25:1의 백-아이언:치형부의 비를 갖는 다중-재료 구조의 자기 응답을 예시하며;
도 13-도 15는 1:2의 백-아이언:치형부의 비를 갖는 다중-재료 구조의 자기 응답을 예시하는 것으로, 이러한 구조의 경우 자기적 특성이 크게 영향을 받는다는 것을 보여주고;
도 16 및 도 17은 본 발명에 따른 백-아이언 및 치형부의 예시적인 형태를 개략적으로 예시하며;
도 18-도 20은 퍼(fir) 타입 연결 디자인을 갖는 본 발명에 따른 다중-재료 스테이터의 예시적인 형태를 개략적으로 예시하고;
도 21은 도 26-도 28의 수동(좌측) 및 부하(우측) 조건의 구조에 있어서 스테이터 코어에서의 본-미세스(Von Mises) 응력 분포 윤곽의 시뮬레이션을 예시하며;
도 22a-도 22c는 본 발명에 따른 다중-재료 연결을 위한 핀 어셈블리의 예시적인 형태를 개략적으로 예시하는 것으로, 도 22a는 드론 모터 스테이터 스택을 도시하고, 도 22b는 EV 모터 스테이터 스택을 도시하며, 도 22c는 분할형 EV 모터 스테이터 스택을 도시하고; 및
도 23-도 26은 본 발명에 따른 스택 어셈블리의 예시적인 형태를 개략적으로 예시한다.

어느 한 양태에서, 본 발명에 따른 프로세스는, 전기 기계의 스테이터 부분을 제작하기 위해 2가지 서로 다른 연자성 재료를 이용함으로써, 전기 모터 또는 발전기와 같은 회전 전기 기계의 작동 성능을 개선하는 것에 관한 것일 수 있다. 본 발명의 이러한 양태와 관련하여, 상기 프로세스를 구성하는 단계들은, 스테이터의 기하학적 구조에 기초하여 선택될 수 있다.

전반에 걸쳐 유사한 요소들에 비슷하게 번호가 붙여져 있는 도면들을, 특히 도 3을 이제 참조해 보면, 스테이터(10)는 치형부(12) 및 백-아이언(요크) 섹션(14)을 포함한다. 여러 요크 섹션(14)은 스테이터(10)를 형성하기 위해 연결될 수 있다. 대안적으로, 스테이터(10)는 단 하나의 요크 섹션(도시 생략)으로 구성될 수 있다. 치형부(12)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 요크 섹션(14)에 있어서 중간에 배치될 수 있고, 또는 하나 이상의 치형부(12)는, 소요 형태에 따라, 요크(14) 상의 임의의 위치에 배치될 수 있다.

치형부(12)는 바람직하게는, 약 2-2.4 테슬라(T)의 고포화 유도(Bsat)에 의해 특징지어질 수 있는, 연자성 합금으로 제조될 수 있다. 적합한 자성 합금의 예는, 탄소, 니켈, 망간, 규소, 코발트, 바나듐, 크롬, 구리, 알루미늄 및 철의 일부 조합을 포함할 수 있다. 시판 자성 합금으로는 CARTECH^® Hiperco^®50A 합금, CARTECH^® Hiperco^®50 합금, CARTECH^® Hiperco^®27 합금, 및 CARTECH^® Hiperco^® 합금(미국 Carpenter Technology Corporation)이 있다. 요크 섹션(14)은, 약 1.7 내지 2.1 테슬라(T)의 포화 자기 유도를 갖는 것에 의해 특징지어지는, 자성 합금으로 제조될 수 있다. 요크 섹션(14)에 적합한 재료는 M19와 같은 규소철을 포함한다.

일 실시형태에서, 조립된 스테이터(10)의 치형부(12)는, 스테이터(10)의 체적의 적어도 약 20%를 구성할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 고포화 유도 자성 합금은 스테이터(10)의 치형부(12)에만 사용되는 반면, 요크 섹션(14)은 M19와 같은 규소철을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 치형부(12)는 스테이터의 체적의 30% 이상, 예컨대 최대 75% 이하를 구성할 수 있다. 후자의 배치 구성에서, 치형부(12)는 요크 섹션(14)의 부분들을 포함할 수 있다. 다시 말하자면, 고포화 유도 자성 합금은, 도 16에 도시된 바와 같이 치형부(12) 부근의 규소철 재료를 대체할 것이다.

일 실시형태에서, 본 발명의 스테이터(10)는 바람직하게는, 이하의 프로세스 단계들에 따라 제조될 수 있다. 제1 단계에서, 치형부(12) 세그먼트를 위한 라미네이션은, 시트 또는 스트립 형태의 고포화 유도를 갖는 연자성 합금으로부터 스탬핑 또는 절단된다. 라미네이션은 절연 코팅될 수 있고 또는 코팅되지 않을 수 있다. 이어서, 요크 섹션(14)을 위한 라미네이션은, 저포화 유도를 갖는 시트/스트립 재료로부터 스탬핑 또는 절단된다. 요크 섹션(14) 라미네이션은 완전한 링 또는 세그먼트로서 형성될 수 있다. 그 후에, 요크 섹션(14) 라미네이션은 요크 부분을 형성하기 위해 적층된다. 적층된 요크 섹션(14)을 포함하는 요크 부분은, 도 3에 도시된 바와 같이 링 세그먼트로서 형성될 수 있다.

치형부(12) 세그먼트 라미네이션은 톱니 부분을 형성하기 위해 적층된 후, 소기의 조합의 자기적 특성 및 기계적 특성을 획득하기 위해 열처리된다. 또한, 열처리된 라미네이션은 스택의 코어 손실 응답을 향상시키도록 절연 코팅될 수 있다. 치형부(12) 세그먼트 라미네이션은 에폭시와 같은, 접착성 재료로 함께 접합될 수 있고, 그 후에 이 접착성 재료는 접착성 재료에 대해 규정된 방식으로 경화된다. 예를 들어, 일부 접착제를 경화하는 것은, 경화 대상 디바이스를 히터 내에서 가열하는 것 또는 접착제를 특정 파장의 광에 노출시키는 것으로 달성될 수 있다.

Remisol Eb-548(오스트리아 비엔나 플로리드스도르프 소재, Rembrandtin)은 스테이터에 사용되는 스택 라미네이션들을 접합하기 위한 접착제의 예이다. 접착제 및/또는 접합 재료의 선택은, 적어도 그 접착 강도, 열 안정성, 물 및 화학 물질에 대한 저항성, 전기 절연 특성, 자기적 특성, 진동 제어 및 내충격성을 포함하는 다수의 인자를 기반으로 이루어지는 것이다. 요크 부분 라미네이션들은 에폭시와 같은 적절한 접착성 재료로 함께 접합될 수 있다. 대안적인 배치 구성에서, 요크 부분 라미네이션들은 상호 고정될 수 있다. 치형부 세그먼트와 요크 세그먼트(들)는 조립되고, 함께 접합, 억지 끼워맞춤, 리벳 결합, 또는 상호 고정될 수 있다.

본원의 발명자들은 또한, 특정 설계가 다중-재료에 적합한지를 이해하는 데 스테이터의 기하학적 구조가 중요한 인자임을 인식하였다. 특히, 본원의 발명자들은, 다중-재료 설계로부터 획득될 수 있는 이점들을 수용할 수 있을 정도로 백-아이언이 충분히 넓어야 한다는 결론을 내렸고, 백-아이언에 있어서의 고포화 유도 재료 체적이 또한 본 발명의 다중-재료 기반 스테이터 설계의 최적의 성능을 제어한다는 것을 발견하였다.

예를 들어, 앞서 소개된 설계 고려 사항들에 더하여, 본원의 발명자들은 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 통해 추가적인 구조적 형태를 그리고 이에 따른 특정 파라미터를 창출하였다(도 5-도 15 참조). 다중-재료 스테이터에 대한 설계 규칙을 이해하기 위해, 커스텀 설계로 시뮬레이션이 수행되었다. 도 5는 Si-강(M19) 및 Hiperco^®50 다중-재료 구조를 갖는 시뮬레이션 설계(210)로서, 도 3에 도시된 것과 같은 로터의 다중-재료 스택에 있어서 유효 자속 흐름을 나타내는 시뮬레이션 설계를 도시한다. 이 시뮬레이션 설계(210)에서, "Si-강" 백-아이언 요크(214)는 백-아이언 또는 요크(14)의 일부분을 나타내고, Hiperco^® 링(212) 및 바아(213)는 상기 자속 흐름에 대한 치형부(12) 및 요크(14)의 일부분의 기여를 나타낸다.

바아(213)의 폭을 링(212)과 백-아이언 요크(214) 양자 모두의 외경(OD) 및 내경(ID)과 함께, 도 6의 표에 열거된 바와 같이 각각의 재료에 대하여 달리 하여, 구조(210)의 자기 응답에 미치는 영향을 보여준다. 도 7-도 15는 예시적인 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 7-도 9의 경우, 시뮬레이션은 d:t 비=2.5:1을 위해 바아/치형부 폭 t=0.2", 백-아이언 요크 폭 d=0.5"을 사용하였다. 0.1" Hiperco^®50 백-아이언의 직경 폭에 대한 손실이 전부 Hiperco^®50인 것보다 ~25% 더 높다는 것을 알 수 있다. 상기 Hiperco^®50 직경 폭은 Hiperco^®50 요크 세그먼트 깊이 d1의 2배로서 정해지고 백-아이언 부분으로 연장되는 Hiperco^®50 구역을 나타낸다는 점에 주목해야 할 필요가 있다. 또한, 0.4" 및 0.75" 직경 폭의 경우 H50 백-아이언은 전부 Hiperco^®50인 백-아이언 형태에 가까웠다. 0.1" 직경 폭 Hiperco^®50 백-아이언은 또한 1.5-2T 유도에서 ~8-15% 더 적은 플럭스/전류를 생성하였고, 0.4" 및 0.75" 직경 폭 Hiperco^®50 백-아이언은 전부 Hiperco^®50인 백-아이언 형태에 가까웠다. 0.1" 직경 폭 Hiperco^®50 백-아이언은 2T 유도에 도달하기 위해 20% 더 큰 MMF를 필요로 하였다. 따라서, 2:1보다 큰 백-아이언:치형부 비(도 7~도 9)를 갖는 두꺼운 백-아이언(214)의 경우, 백-아이언 구역에 있어서의 Hiperco^®50의 존재와는 무관하게, 다중-재료 구조 vs 단일 재료 Hiperco^®50에 대해 손실 및 플럭스 밀도는 크게 영향을 받지 않았다.

더 낮은 백-아이언:치형부 비를 향해, 예를 들어 1.25:1(도 10-도 12)을 향해 감에 따라, Hiperco^®50 백-아이언 구역이 중요해진다. 도 10-도 12는 d:t 비=1.25:1을 위해 바아/치형부 폭 t=0.4", 백-아이언 요크 폭 d=0.5"을 사용한다. 도 10-도 12로부터 이하의 결론을 내린다:

0.1" 직경 폭 Hiperco^®50 백-아이언에 대한 손실은 0.75" 직경 폭 Hiperco^®50보다 ~25% 더 높았고, 0.4" 및 0.75" 직경 폭 Hiperco^®50 백-아이언 치수들은 서로 가까웠다:

0.1" 직경 폭 Hiperco^®50 백-아이언은 또한, 0.75" 직경 폭 Hiperco^®50에 비해, 1.5-2 T 유도에서 ~20-30% 더 적은 플럭스/전류를 생성하였다;

0.4" 직경 폭 Hiperco^®50 백-아이언 두께는 0.75" 직경 폭 Hiperco^®50 두께에 가까웠다;

0.1" 직경 폭 Hiperco^®50 백-아이언은 2T 유도에 도달하기 위해 20% 더 큰 MMF를 필요로 하였다;

1:8의 Hiperco^®50 백-아이언:치형부 비가 약 20-30% 더 낮은 성능을 초래할 것이다; 및

1:2의 Hiperco^®50 백-아이언:치형부 비가 거의 7-10% 더 낮은 성능을 초래할 수 있다.

따라서, Hiperco^®50 부분을 갖는 더 두꺼운 백-아이언이 더 나은 응답을 제공한다.

더 작은 백-아이언:치형부 비를 향해, 예를 들어 1:2(도 13-도 15)을 향해 더 이동해 감에 따라, 손실 및 플럭스 밀도가 크게 영향을 받게 되고, 다중-재료 구조는 어떠한 성능 이점도 제공할 수 없다. 도 13-도 15는 d:t=1:2을 위해 바아/치형부 폭 t=1", 백-아이언 요크 폭 d=0.5"을 사용한다. 도 15-도 15로부터, 0.1" 직경 폭 Hiperco^®50 백-아이언에 대한 손실이 전부 Hiperco^®50인 백-아이언 형태보다 ~5% 더 높았고; 0.4"(4x) 및 0.75"(2x) 직경 폭 Hiperco^®50 백-아이언도 또한 매우 높았으며; 0.1" 직경 폭 Hiperco^®50 백-아이언은 또한, 전부 Hiperco^®50인 백-아이언 형태, 1.5-2 T 유도에서 ~8-15% 더 적은 플럭스/전류를 생성하였고; 0.4" 및 0.75" 직경 폭 Hiperco^®50 백-아이언 설계가 중간에 있음이 관찰된다. 본 결론의 개요가 표 1에 제공된다.

[표 1]

표 1과 도 16, 도 17은 설계 가이드를 제공하고 어디에서 다중-재료가 유익할 수 있는가를 보여준다. 상기 설계 규칙은, 각각의 세그먼트가 연자성 재료를 갖는 하나 또는 복수의 치형부 또는 전체 스테이터 구조를 포함하는 비분할형 스테이터 스택과 분할형 스테이터 스택에 적용 가능할 것이라는 점에 주목해야 할 필요가 있다.

표 1에 나타내어진 바와 같이, 다중-재료 구조로부터 최대의 이익을 얻기 위해서는 요크 폭(d)이 치형부 폭(t)보다 크거나 유사하여야 하고, Hiperco^®50과 동일한 레벨의 성능을 얻기 위해서는 치형 톱니모양부의 수형부(요크-세그먼트 깊이 d1)가 치형부 폭(t)에 가까워야 한다(도 16-도 17).

억지 끼워맞춤을 이용한 "퍼(fir)" 타입 연결 디자인(조립 방안)

다른 양태에서, 본 발명은 도 18-도 20에 도시된 바와 같이 치형부(312)와 백-아이언 요크(314)를 갖는 다중-재료(예를 들어, Hiperco^®50+규소강) 스테이터 코어를 제공할 수 있다. 상기 퍼-타입 연결은, 치형부(312)와 요크(314) 사이의 접촉 영역이 증가되므로 기계적인 연결 부위에 더 나은 기계적 강도를 제공하는 복수의 응력점을 갖는다. (형상이 전나무를 연상시키므로, 용어 "퍼(fir)"가 사용된다.) 본 연구를 통해, 0.2 thou (0.0002") 간섭을 갖는 억지 끼워맞춤(도 20)이, 도 21의 시뮬레이션에 예시된 바와 같이, 수동 및 부하 조건에서 허용 가능한 응력을 야기한다는 것을 보여준다.

다중-재료 스택을 위한 핀 방법(조립 방안)

또 다른 양태에서, 본 발명은 스테이터 라미네이션을 고정하고 다중-재료 스테이터 스택을 제자리에 유지시키기 위해 하나 이상의 핀을 제공할 수 있다(도 22a-도 22c). 기계적인 연결 부위에 핀을 이용함으로써, Hiperco^®50 스택과 규소강 스택 사이에 무(無)접착제 계면 연결이 가능해질 수 있다. 이는 다중-재료 스테이터의 대량 생산을 개선하는 데 기여할 수 있을 뿐만 아니라 보다 나은 계면 자기 응답으로 인해 모터 응답을 개선할 수 있다.

드론 모터 스테이터 스택, EV 모터 스테이터 스택, 및 분할형 EV 모터 스테이터 스택에 대하여, 핀(410, 510, 610)을 이용한 예시적인 코어 어셈블리(400, 500, 600)의 실례가 도 22a-도 22c에 각각 도시되어 있다. 단일-재료 라미네이션 층(402/406, 502/506, 602/606)은 다중-재료 스택(400, 500, 600)의 양단부에 각각 사용될 수 있다. 이러한 단일 재료는 고유도 합금 또는 저유도 합금을 가질 수 있다. 또한, 이러한 단일 재료는 Hiperco^®50 및 Si 강 재료보다 높은 항복 강도 등과 같은 더 나은 기계적 특성을 가질 수 있다. 게다가, 이러한 단일 재료는 Hiperco^®50 또는 Si 강 스택에 사용된 것과 유사한 라미네이션 두께를 가질 수 있고 또는 1.1 내지 5배 더 두꺼울 수 있다. 핀(410, 510, 610)은 라미네이션 층(402/406, 502/506, 602/606)을 고정하는 데 사용될 수 있다. 다양한 코어 어셈블리(400, 500, 600)는, 상기 핀 방법이 서로 다른 크기를 갖는 모터들에 적용될 수 있음을 보여준다. 핀 직경이 작을수록 스택 성능에 영향을 덜 미치게 될 것이다.

이하의 표 2는 서로 다른 크기를 갖는 저탄소강 핀 연결을 이용한 다중-재료를 갖는 소형(80 ㎜) 코어에 대한 연구를 보여준다. 제1 열은 각각의 경우에 대한 핀 직경과 스테이터 치형부 사이의 비를 보여준다. 본 연구에 의하면, 스테이터 치형부 폭의 1/5 이하의 직경을 갖는 저탄소강 핀이 스택의 성능에 크게 영향을 미치지 않고, 비용 효율적이다. 핀 직경과 치형부 폭 사이의 비는 대형 코어의 경우보다 작을 수 있고, 이는 성능에 유익하다는 점에 주목해야 할 필요가 있다.

[표 2]

도 22c는 상기 핀 방법이 분할형 요크(608)를 갖는 대형 모터(600)에 대한 분할형 스택 설계에도 또한 사용될 수 있음을 보여준다. 핀 홀의 개수 및 위치는 스택의 기하학적 구조와 설계자의 선택에 의해 결정될 수 있다.

조립 방법의 조합

다른 양태에서, 본 발명은 스택 어셈블리(700, 710, 720, 730, 740, 750) 및 조립 방법의 몇몇 조합을 제공할 수 있다(도 23-도 26, 표 3). 예를 들어, Hiperco^® (FeCo) 스택(702)과 Si-강 스택(704)은 상호 고정될 수 있고(도 23), 또는 두 스택(712, 714) 모두가 접합될 수 있고(도 25), 또는 일부 스택(704)들은 상호 고정될 수 있고 나머지 스택(712)들은 접합될 수 있다(도 24, 도 26). 스택 어셈블리(700, 710, 720, 730, 740, 750)는 어셈블리를 유지하기 위해 Hiperco^®50 상판(701)과 바닥판(703) 그리고 관통 연장되는 핀(708)을 포함할 수 있다.

조립 이전에 스택이 코팅되어 있지 않다면, Hiperco^® (FeCo) 스택(702)에서의 치형부 세그먼트 라미네이션은 열처리되고 전기 절연층, 예를 들어 산화막으로 코팅될 수 있다. 상기 핀에 추가하여, 에폭시 접합 기술을 이용하여, 상호 고정된 Hiperco^® (FeCo) 스택(702)과 Si-강 스택(704) 또는 접합된 Hiperco^® (FeCo) 스택(702)과 Si-강 스택(704)이 함께 조립될 수 있다. 접합은 에폭시와 같은, 접착성 재료에 의해 제공될 수 있는데, 이 접착성 재료는 이후에 접착성 재료에 대해 규정된 방식으로 경화된다. 예를 들어, 일부 접착제를 경화하는 것은, 경화 대상 디바이스를 히터 내에서 가열하는 것 또는 접착제를 특정 파장의 광에 노출시키는 것으로 달성될 수 있다. 전술한 바와 같이, Remisol Eb-548은 스테이터에 사용되는 스택 라미네이션들을 접합하기 위한 접착제의 예이다. 접착제 및/또는 접합 재료의 선택은, 적어도 그 접착 강도, 열 안정성, 물 및 화학 물질에 대한 저항성, 전기 절연 특성, 자기적 특성, 진동 제어 및 내충격성을 포함하는 다수의 인자를 기반으로 이루어지는 것이다.

상호 고정은 탭(706)과 탭(706)을 수용하기 위한 디텐트(705)에 의해 제공될 수 있다(도 23, 도 24, 도 26). 상호 고정은 무접착제 스택을 가능하게 할 수 있고, 대규모에서 스택 생산 비용을 현저히 줄일 수 있다. 최적화된 스택 해결책을 안출하기 위해 상판(701) 및 바닥판(703)을 핀(708)과 함께 조합한 접합 및 상호 고정된 스택의 조합을 사용하는 것이 가능할 수 있다. 또한, 스택 구조를 더 견고하게 만들기 위해 하나 또는 복수의 상판(701) 및 바닥판(703)을 사용하는 것이 가능할 수 있다.

표 3은 표 3에 열거된 도면에 관하여 조립 방법 조합의 가능성을 예시힌다.

[표 3]

전술한 본 발명의 이점과 그 밖의 이점은 상기한 상세한 설명을 통해 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 넓은 발명적 개념에서 벗어나는 일 없이, 전술한 실시형태들에 대해 변형 또는 변경이 실시될 수 있음을 당업자라면 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은 본원에 기술된 특정 실시형태들에 제한되는 것이 아니라, 청구범위에 제시되는 바와 같은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 모든 변형 및 변경을 포함하도록 의도되어 있는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

원통형 형상을 구비하고, 관통 연장되는 종축과 상기 종축에 수직인 평면에 있는 원형 단면을 갖는 스테이터 어셈블리로서:
상기 원형 단면의 반경방향을 따라 연장되는 복수 개의 치형부 세그먼트, - 상기 복수 개의 치형부 세그먼트 각각은 상기 반경방향에 수직으로 측정되는 두께 t를 갖고, 상기 반경방향을 따라 측정되는 요크-세그먼트 깊이 d1을 가짐 - ;
요크 세그먼트에서 상기 치형부 세그먼트에 인접하고 상기 치형부 세그먼트를 둘러싸는 복수 개의 요크 링 세그먼트, - 상기 복수 개의 요크 링 세그먼트는 상기 반경방향을 따라 측정되는 깊이 d를 갖고, 상기 d는 상기 요크-세그먼트 깊이 d1을 포함함 - ,
를 포함하고, d 대 t의 비는 1:2보다 큰 것인 스테이터 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 치형부 세그먼트는 고포화 유도를 갖는 연자성 합금으로 형성되는 것인 스테이터 어셈블리.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 요크 링 세그먼트는 상기 치형부 세그먼트보다 낮은 포화 유도를 갖는 연자성 합금으로 형성되는 것인 스테이터 어셈블리.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, d 대 t의 비가 1:2 내지 2:1인 것인 스테이터 어셈블리.
제4항에 있어서, d1 대 t의 비가 0 내지 1:2인 것인 스테이터 어셈블리.
제4항에 있어서, d1 대 t의 비가 1:2 내지 2:1인 것인 스테이터 어셈블리.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, d 대 t의 비가 2:1보다 큰 것인 스테이터 어셈블리.
제7항에 있어서, d1 대 t의 비가 0 내지 1:4인 것인 스테이터 어셈블리.
제7항에 있어서, d1 대 t의 비가 1:4 내지 3:1인 것인 스테이터 어셈블리.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, d1 대 t의 비가 0 내지 1:2인 것인 스테이터 어셈블리.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, d1 대 t의 비가 1:2 내지 2:1인 것인 스테이터 어셈블리.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, d1 대 t의 비가 0 내지 1:4인 것인 스테이터 어셈블리.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, d1 대 t의 비가 1:4 내지 3:1인 것인 스테이터 어셈블리.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수 개의 치형부 세그먼트는 각각, 상기 복수 개의 치형부 세그먼트와 상기 복수 개의 요크 링 세그먼트 사이의 접촉의 위치에 복수 개의 응력점을 포함하는 것인 스테이터 어셈블리.
스테이터 어셈블리로서, 스테이터 어셈블리의 반경방향을 따라 연장되는 복수 개의 치형부 세그먼트, 및 상기 치형부 세그먼트에 인접하고 상기 치형부 세그먼트를 둘러싸는 복수 개의 요크 링 세그먼트를 포함하고, 상기 복수 개의 치형부 세그먼트는 각각, 상기 치형부 세그먼트와 상기 요크 링 세그먼트 사이의 접촉의 위치에 복수 개의 응력점을 포함하는 것인 스테이터 어셈블리.
회전 기계를 위한 스테이터 스택 어셈블리로서:
스택의 제1 단부에서 그 반대편의 제2 단부의 순서로, 스택을 제공하기 위한: 제1 단부 단일-재료 라미네이션 층, 복수 개의 다중-재료 라미네이션 층, 및 제2 단부 단일-재료 라미네이션 층; 및
상기 스택을 관통하여 연장되는 복수 개의 핀
을 포함하는 스테이터 스택 어셈블리.
제16항에 있어서, 상기 복수 개의 다중-재료 라미네이션 층은 복수 개의 스테이터 치형부 세그먼트 및 상기 스테이터 치형부 세그먼트에 인접해 있는 복수 개의 스테이터 요크 세그먼트를 포함하는 것인 스테이터 스택 어셈블리.
제17항에 있어서, ⅰ) 상기 스테이터 치형부 세그먼트를 포함하는 상기 복수 개의 다중-재료 라미네이션 층을 함께 접합하는 및/또는 ⅱ) 상기 스테이터 요크 세그먼트를 포함하는 상기 복수 개의 다중-재료 라미네이션 층을 함께 접합하는 접착성 재료를 포함하는 스테이터 스택 어셈블리.
제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수 개의 다중-재료 라미네이션 층 중의 선택된 제1 층에 있는 탭과, 상기 복수 개의 다중-재료 라미네이션 층 중의 선택된 제2 층에 있는 상보적인 디텐트를 포함하고, 상기 디텐트는 적어도 하나의 탭에 인접하고 적어도 하나의 탭과 정합 관계인 것인 스테이터 스택 어셈블리.
제19항에 있어서, 상기 선택된 제1 층은 상기 스테이터 치형부 세그먼트를 포함하는 것인 스테이터 스택 어셈블리.
제19항에 있어서, 상기 선택된 제1 층은 상기 스테이터 요크 세그먼트를 포함하는 것인 스테이터 스택 어셈블리.
제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스테이터 치형부 세그먼트는 고포화 유도를 갖는 연자성 합금으로 형성되는 것인 스테이터 스택 어셈블리.
제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스테이터 요크 세그먼트는 상기 스테이터 치형부 세그먼트보다 낮은 포화 유도를 갖는 연자성 합금으로 형성되는 것인 스테이터 스택 어셈블리.
제17항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀의 직경 대 상기 스테이터 치형부 세그먼트의 치형부의 폭(반경방향에 수직으로 측정)의 비는 바람직하게는 1:3, 더 바람직하게는 1:5, 그리고 가장 바람직하게는 1:8인 것인 스테이터 스택 어셈블리.