전기 동력 기계용 회전자 고정자 구조체 document_id A220623038030

분수 및 서브 분수 마력 모터용의 일반적인 고정자 및 회전자 구조체에서, 영구 자석은, 자석 및 전류 발생 플럭스에 대한 자기 귀환 경로를 제공하는 강자성 고정자 구조와 동일한 평면에서 일반적으로 회전하는 회전자 조립체와 종종 일체를 이룬다. 고정자 부재 구조체의 자극 영역 주위에 감겨진 코일 권선에 전류가 흐르면, 암페어 턴 (Ampere Turn, AT) 발생 플럭스라고도 하는 전류 발생 플럭스가 발생된다. 그러나, 이들 및 다른 전기 모터의 통상의 기능적 고정자 및 회전자 구조체는 하기에 설명될 바와 같이 몇몇 단점을 가진다. 도 1 은 일반적인 고정자 및 회전자 구조체의 예가 사용된 일반적인 전기 모터를 나타낸다. 전기 모터 (100) 는 고정자 구조 (104), 자성 허브 (106) 및 샤프트 (102) 로 이루어진 원통형 모터이다. 모터 (100) 의 회전자 구조는 하나 이상의 영구 자석 (110) 을 포함하며, 이 자석 전체는 고정자 구조체 (104) 내에서의 회전을 위하여 자성 허브 (106) 를 통하여 샤프트 (102) 에 부착되어 있다. 고정자 구조체 (104) 일반적으로 필드 폴 (118) 을 포함하며, 이 필드 폴은 각각의 필드 폴 (118) 을 중심으로 감겨진 코일 권취부 (112, 오직 하나만 도시됨) 를 각각 가진다. 고정자 구조체 (104) 는, 제조 동안에, 고정자 필드 폴 (118) 을 중심으로 코일 와이어를 권취하기 위한 와이어 통로를 제공하기 위해서 일부가 사용되어지는 슬롯 (108) 을 포함한다. 또한, 슬롯 (108) 은 인접 필드 폴 (118) 간에 자기를 분리시킨다. 고정자 구조체 (104) 는 자기 귀환 경로 (116) 의 일부로서 외주 플럭스를 전달시키는 세그먼트 (119) 를 포함한다. 대부분의 경우에, 고정자 구조체 (104) 는, 등방성 (예컨대, 비방향성 (non-grain oriented)) 이며, 투자성재로 형성된 적층체 (114) 로 이루어진다. 영구 자석 발생 플럭스 및 AT 발생 플럭스가 존재하는 많은 자기 귀환 경로 중의 하나인 자기 귀환 경로 (116) 는, 외주 플럭스 전달 세그멘트 (119) 에서 약간 아치형으로 나타나 있고, 또한 상기 필드 폴 영역 (118) 내로의 비교적 급격한 선회부를 포함한다. 전기 모터 (100) 를 포함하는 일반적인 전기 모터의 일 단점은, 일 회전자 자극 (110) 으로부터 생성되어 자기 귀환 경로 (116) 을 경유하여 다른 회전자 자극 (110) 으로 횡단하는 플럭스에 대한 자기 회로를 완료하기 위한 비교적 긴 길이를 필요로 한다는 점이다. 또한, 바람직하게 자기 플럭스를 전달시키는 자기 귀환 경로 (116) 는 직선이 아니다. 도시된 바와 같이, 자기 귀환 경로 (116) 에는 상기 고정자 경로에 두 개의 90°의 선회부가 형성되어 있다. 자기 귀환 경로 (116) 는 일단 필드 폴 영역 (118) 으로부터 외주 플럭스 전달 세그멘트 (119) 로 선회한 후에, 다른 필드 폴 영역 (118) 으로 재차 선회한다. 이러한 양 선회부는 플럭스를 효과적으로 전달하기 위한 차선책이다. 실행시에, 자기 귀환 경로 (116) 에는 필드 폴 사이에서 상기 플럭스를 전달시키는 데 필요한 다른 물질 즉, "백 아이언 (back iron)" 을 필요로 한다. 따라서, 자기 복귀 경로 (116) 는 종래의 전기 모터에 중량 및 크기가 더해져, 상기 모터를 제조하는 재료의 가격뿐만 아니라 모터 형성 요인이 증가하게 된다. 종래의 전기 모터의 다른 단점은 필드 폴 (118) 및 외주 플럭스 전달 세그멘트 (119) 의 고정자 영역을 통과하는 플럭스 밀도를 최적화시켜, 플럭스 전달 폴의 자기이력 (hysteresis) 을 줄이기 위해서 이방성 물질을 효과적으로 사용할 수 없다는 점이다. 특히, 외주 플럭스 전달 세그멘트 (119) 는 자기이력 손실 (또는 "아이언 손실 (iron losses)") 을 감소시키는 상기 이방성 재료의 사용을 제한시키는 비곡선 귀환 경로를 포함한다. 자기이력에는 그 자화를 유지시키려는 자성재의 경향이 있다. "자기이력 손실" 은 상기 고정자 영역을 구성하는 자성재를 자화 및 감자 (demagnetize) 시키는데 요구되는 에너지이며, 자기이력 손실은 자성재의 양이 증가할수록 증가한다. 자기 귀환 경로 (116) 가 90°이상의 하나 이상의 선회부를 가짐에 따라, 외주 플럭스 전달 세그멘트 (119) 의 자기 귀환 경로 (116) 가 적층체 (114) 의 배향 방향을 횡단할 수 있기 때문에, 방향성 물질과 같은 이방성 물질을 사용하여 자기이력 손실을 효과적으로 감소시킬 수 없다. 예컨대, 방향 (120) 이 적층체 (114) 에 대한 결정립의 배향을 나타낸다면, 자기 귀환 경로 (116) 의 적어도 두 부분은 상기 결정립의 방향 (120) 을 가로지르게 되어, 고정자 외주 플럭스 전달 세그멘트 (119) 의 이들 부분들의 플럭스 밀도 용량이 저하되게 된다. 따라서, 상기 플럭스 경로는 일반적으로 직선이 아닌 곡선이며, 이는 이방성 물질을 사용하여 제공되는 이점을 제한시키기 때문에, 일반적으로 이방성 물질은 고정자 구조체 (104) 와 유사한 구조체에는 사용되지 못한다. 종래의 전기 모터의 다른 단점은 자기 귀환 경로 (116) 의 길이가 비교적 길다는 점이다. 모터 정류 주파수를 증가시키는 것과 같이 하여 자기장을 변경시키면, 유도된 자기장의 반대 방향으로 상기 적층체 (114) 에서 와전류가 성장하게 된다. 와전류는 파워 손실을 일으키며, 이 파워 손실은 자기 플럭스가 바뀌는 멱함수의 비에 대한 비례하고, 적용된 적층체 볼륨에 대략 비례한다. 일반적으로 사용된 전기 모터의 다른 단점은 "코깅 (cogging)" 또는 디텐트 토크 (detent torque) 를 감소시키기 위한 특정 기술을 포함하며, 이 특정 기술은 다양한 형태의 전기 모터 형상에 적절히 적용될 수 없다는 것이다. 코깅은 원만한 회전 운동이 아닌 "불규칙 (jerking)" 운동을 일으키는 불균형 각 토크이다. 일반적으로 이러한 효과는 저속일 때 가장 현저하며, 필드 폴 (118) 이 자석 폴에 대하여 상이한 각 위치에 있을 때에, 상기 효과는 하중에 추가 및 감쇄 토크를 제공한다. 또한, 본래의 회전 가속 및 감속은 인지가능한 진동을 초래한다. 다른 형태의 전기 모터에서, 자극은 회전자 샤프트를 중심으로 하는 비교적 큰 직경 (또는 이 회전자 샤프트로부터 반경 방향) 으로 위치되어 있다. 이들 자극을 발생시키는 영구 자석뿐만 아니라 이들 자극은 일반적으로 상기 샤프트를 중심으로 이 샤프트와 동축으로 배치되어 있으며, 인접 자극은 극성이 반대이다. 전기자 디스크는 일반적으로 따로 떨어져 영구 자석을 지지하며, 비단일체 자석이 상기 회전자 샤프트와 수직한 평면에 있다. 이와 같은 구조체는 전기 모터 형상에 근거하여 설계되어 있다. 이에 따르면, 자극과 회전자 샤프트 사이의 반경 방향 거리를 증가시켜 출력 토크를 증가시킨다. 따라서, 회전축으로부터 공기 틈까지의 토크 아암 거리가 증가되도록, 이러한 형태의 전기 모터의 자극은 상기 회전자 샤프트로부터의 보다 큰 거리로 증가되어 위치되어 있어, 출력 토크가 증가되게 된다. 이러한 방법의 단점은, 보다 큰 토크 아암 거리를 형성하기 위해서, 자기 플럭스 귀환 경로에 사용되는 비교적 큰 모터 구조체를 형성하는데 추가 물질이 요구된다는 점이다. 일반적으로 이러한 자기 플럭스 귀환 경로는 일반적으로 본래 우회하는 비교적 큰 플럭스 경로가 완성되도록 "백 아이언" 을 사용하여 형성된다. 자기 회로가 완성되도록 백 아이언이 추가됨으로써, 상기 자기 플럭스가 통과하는 상기 자성재 체적은 증가되며, 이는 바람직하지 않게 자기이력 및 와전류 손실을 증가시키는 경향을 보이며, 이 자기이력 손실과 와전류 손실을 총칭하여 "코어 손실 (core losses)" 이라 한다. 또한, 자기 회로를 완성하기 위해서 백 아이언을 추가하면, 상기 자기 플럭스 경로의 길이가 증가하여, 코어 손실이 악화된다. 이러한 형태의 모터에 대한 다른 단점은, 상기 자극이 상기 샤프트로부터 더 멀리 배치될 수 록 상기 모터 체적이 커진다는 것이며, 이는 이러한 형태의 모터에 대한 활용가능한 용도 및 사용을 제한시킨다. "백 아이언" 이란, 다른 개방 자기회로를 완성하는데 종종 사용되는 물리적 구조체 (또한, 물리적 구조체를 형성하는 물질임) 를 설명하는데 일반적으로 사용되는 용어이다. 일 투자성 필드 폴로부터 다른 투자성 필드 폴로 자기 플럭스를 전달 또는 일 영구자석의 자극으로부터 다른 영구자석의 자극으로 플럭스를 전달하거나 또는 이 양방에서와 같이, 일 자기회로 요소로부터 다른 자기회로 요소로 자기 플럭스를 오직 전달하는데 일반적으로 백 아이언 구조체가 사용된다. 또한, 일반적으로 "백 아이언" 은 하나 이상의 코일과 같은 관련 암페어 턴 발생 요소를 수용하기 위해서 형성되지는 않는다. 상기의 관점에서, 전기 모터 및 발전기에서의 상기 언급된 단점을 최소화하는 회전자-고정자 구조체를 제공하여, 출력 토크 및 유닛 크기 또는 유닛 중량당 또는 이 모두에 대한 효율뿐만 아니라 제조 및/또는 작동 동안에 공급분을 보존할 수 있게 하는 것이 바람직하다.