전동식 기계를 위한 필드 폴 부재 및 이를 형성하기 위한 방법 document_id A220623108346

분수형 마력 모터(fractional horsepower motor) 및 서브-분수형 마력 모터(sub-fractional horsepower motor)를 위한 종래의 스테이터(stator) 및 로터(rotor) 구조물에서, 영구 자석은, 통상적으로 자석에 대한 자기 귀환 경로(magnetic return path) 및 전류에 의해 발생되는 플럭스(flux)를 제공하는 강자성 스테이터 구조물과 동일한 평면에서 회전하는 로터 조립체로 일체-구성되는 것이 일반적이다. 스테이터 부재 구조물의 폴 영역 주변을 감싸는 코일 권선에 전류를 통과시킴으로써, 전류에 의해 발생되는 플럭스(또한, 암페어 횟수(AT: ampere turn)에 의해 발생되는 플럭스라고 일컬어짐)가 발생된다. 기능하는 동안, 이들 전기 모터와 그 밖의 다른 모터의 종래의 스테이터 및 로터 구조물은, 다음에서 설명될 몇 가지 단점을 갖는다. 도 1A는 일반적으로 사용되는 스테이터 및 로터 구조물을 예로 든 종래의 전기 모터를 도시한다. 전기 모터(100)는 스테이터 구조물(104)과, 자성 허브(magnetic hub, 106)와, 샤프트(102)로 구성된 원통형의 모터이다. 모터(100)의 로터 구조물은 하나 이상의 영구 자석(110)을 포함하며, 상기 하나 이상의 영구 자석(110) 모두는, 스테이터 구조물(104) 내에서의 회전을 위해 자성 허브(106)를 통해 샤프트(102)로 부착되어 있다. 스테이터 구조물(104)은 통상적으로 각각 코일 권선(112)을 갖는 필드 폴(118)(하나만 도시되었음)을 포함하며, 이때 상기 코일 권선(112)은 각각의 필드 폴(118)을 중심으로 감겨 있다. 스테이터 구조물(104)은, 제조 동안, 스테이터 필드 폴(118)을 중심으로 코일 와이어를 감기 위한 와이어 통로를 제공하기 위한 부분으로 사용되는 슬롯(108)을 포함한다. 또한 슬롯(108)은 이웃하는 필드 폴(118) 간의 자성 분리(magnetic separation)를 제공한다. 스테이터 구조물(104)은 주변 플럭스 운반 조각(119)을 자기 귀환 경로(116)의 부분으로서 포함한다. 많은 경우에서, 스테이터 구조물(104)은, 등방성(가령, 무방향성(non-grain oriented))의, 투자성 물질로 형성되는 것이 일반적인 박판(lamination, 114)으로 구성되어 있다. 영구 자석에 의해 발생되는 플럭스 및 AT에 의해 발생되는 플럭스가 존재하는 다수의 자기 귀환 경로 중 하나인 자기 귀환 경로(116)는 주변 플럭스 운반 조각(119)에서 약간 휘어지는 것처럼 보이지만, 필드 폴 영역(118)으로 비교적 급격하게 휘어지는 것을 포함한다. 전기 모터(100)를 포함하는 종래의 전기 모터의 한 가지 단점은, 자기 귀환 경로(116)는 하나의 로터 자석 극(110)으로부터 발산되어, 자기 귀환 경로(116)를 가로질러서, 나머지 로터 자석 극(110)으로 향하는 플럭스에 대한 자기 회로(magnetic circuit)를 완성하기 위해 비교적 긴 길이를 필요로 한다는 것이다. 덧붙이자면, 자기 귀환 경로(116)는 자성 플럭스를 운반하기에 더 바람직한 직선이 아니다. 도시된 바와 같이, 자기 귀환 경로(116)는 스테이터 경로에서 29도의 휘어짐을 갖는다. 자기 귀환 경로(116)는 한 번 필드 폴 영역(118)으로부터 주변 플럭스-운반 조각(119)으로 휘어지고, 그 후, 주변 플럭스 운반 조각(119)에서 나머지 필드 폴 영역(118)으로 다시 휘어진다. 이러한 휘어짐 모두는 플럭스를 효과적으로 운반하기에 덜 적합하다. 구현되는 바와 같이, 필드 폴들 간의 이러한 플럭스를 운반하기에 필요한 그 밖의 다른 경우보다, 자기 회전 경로(116)는 더 많은 물질, 즉 “백-아이언(back-iron)"을 필요로 한다. 결과적으로, 자기 귀환 경로(116)는 종래의 전기 모터에 중량과 부피를 추가시키며, 이로 인해서, 모터의 폼 팩터뿐 아니라 이러한 모터를 제조하기 위한 물질 비용도 증가하게 된다. 종래의 전기 모터의 또 다른 단점은, 플럭스-운반 극에서, 가령, 필드 폴(118) 전체에서, 그리고 주변 플러그 운반 조각(119)의 스테이터 영역에서 플럭스 밀도(flux density)를 최적화하고, 히스테리시스 손실을 감소시키기 위해, 박판(114)이 이방성 물질을 효과적으로 사용하지 않는다는 것이다. 특히, 주변 플럭스-운반 조각(119)은 직선이 아닌 플럭스 경로를 포함하며, 이로 인해서, 히스테리시스 손실(또는 “아이언 손실(iron losses)”)을 감소하기 위한 이러한 이방성 물질의 사용이 제한된다. 히스테리시스는 자기 물질이 자신의 자성을 유지하려고 하는 경향이다. “히스테리시스 손실”은 스테이터 영역을 구성하는 자기 물질을 자화(magnetize) 및 소자화(demagnetize)하기 위해 요구되는 에너지이며, 이때, 자기 물질의 양이 증가할수록 히스테리시스 손실은 증가한다. 자기 귀환 경로(116)는 90도 이상의 하나 이상의 휘어짐을 갖기 때문에, 이방성 물질의 사용, 예를 들어, 방향성(grain-oriented) 물질의 사용이 히스테리시스 손실을 효과적으로 감소시키지 못하는데, 왜냐하면, 주변 플럭스-운반 조각(119)에서의 자기 귀환 경로(116)는 박판(114)의 지향 방향을 가로지를 것이기 때문이다. 예를 들어, 방향(120)이 박판(114)에 대한 그레인(grain)의 배향을 나타내는 경우, 자기 귀환 경로(116)의 둘 이상의 부분이 상기 그레인의 방향(120)을 가로지르며, 이로 인해서, 스테이터의 주변 플럭스-운반 조각(119)의 상기 부분의 플럭스 밀도 수용력이 후퇴된다. 따라서 일반적으로 이방성 물질은 스테이터 구조(104)와 유사한 구조로 구현되지 않아 왔는데, 왜냐하면 일반적으로 플럭스 경로는 직선형보다는 곡선형이고, 이는 이러한 물질을 사용함으로써 제공되는 이점을 제한하기 때문이다. 종래의 전기 모터의 또 다른 단점은, 자기 귀환 경로(116)의 비교적 긴 길이이다. 자기장을 변화시키는 것, 예를 들어, 모터 커뮤테이션 주파수(motor commutation frequency)에서 전개되는 자기장의 변화에 의해, 박판(114)에서, 자기장의 반대 방향으로 에디 전류(eddy current)가 전개될 수 있다. 에디 전류는 자속이 변하는 속도(rate)의 거듭 제곱 함수에 대략적으로 비례하고, 영향 받는 박판 물질의 체적에 대략적으로 비례하는 전력 손실을 초래한다. 흔하게 사용되는 전기 모터의 그 밖의 다른 단점은, 다양한 타입의 전기 모터 디자인을 갖는 적용예에 대하여 잘 맞지 않는 “코깅(cogging)”, 즉 디텐트 토크(detent torque)를 감소시키기 위한 특수 기술을 구현해야 한다는 것이다. 코깅은 불균일한 각 토크(angular torque)이며, 매끄러운 회전 움직임이 아니라 “급격한(jerking)” 움직임을 초래한다. 이 효과는 일반적으로 낮은 속력에서 가장 명백하며, 필드 폴(118)이 자석 극에 대하여 다른 각 위치에 존재할 때, 부하(load)에 가산 토크 및 감산 토크를 적용시킨다. 덧붙이자면, 내재적인 회전 가속 및 감속에 의해, 들리는 진동이 초래된다. 도 1B는 흔하게 사용되는 스테이터 및 로터 구조물의 예로서 전기 모터의 또 다른 타입으로서 축 모터(axial motor)를 도시한다. 상기 종래의 축 모터의 기하학적 형태는, 그 밖의 다른 일반적인 모터(예를 들어, 방사형 모터(radial motor)) 기술의 단점을 극복하기 위해 사용된다. 그러나 축 모터가 방사 형태와 관련된 종래의 디자인 신조에 따라 설계될 때, 축 모터가 사용될 수 있는 적용예의 개수를 제한하는 내재적 한계가 발생할 수 있다. 마찬가지로, 축 모터의 용도는 비교적 특수화된 적소로 제한되어 왔다. 덧붙이자면, 축 모터는 세로방향(longitudinal)의 필드 폴의 어레이로 구성되며, 이때, 필드 폴은 각각의 단부에서, 수직방향(perpendicular)의 필드 폴 페이스(field pole face)를 갖는다. 도 1B에서 도시되는 바와 같이, 일반적으로 상기 수직방향 필드 폴 페이스는 자석의 단일, 또는 이중 회전 평면 조립체를 마주보도록 위치된다. 축 모터(121)는 스테이터 조립체(126)로서 세로방향 필드 폴의 어레이를 포함하는 것으로 나타나며, 이때, 상기 스테이터 조립체(126)는 전방 자석 디스크(124)와 후방 자석 디스크(128) 상에 장착되는 2개의 자석의 회전 평면 조립체(131) 사이에 위치한다. 도시되는 바와 같이, 모터 샤프트를 지지하기 위한 베어링을 포함하는 전방 커버 플레이트(122)와 후방 커버 플레이트(130)가 위치한다. 스테이터 조립체(126)의 필드 폴은, 회전 자석(131)과 일정한 에어 갭을 유지하도록 마주보는 수직방향 필드 폴 페이스를 갖는 강철 박판의 조립체로 만들어진다. 종래의 축 모터는 에어 갭 영역과 마주볼 수 있는 고정된 개수의, 또는 고정된 영역의 폴 페이스를 가지며, 따라서 자석의 상대 강도(relative strength)로 제한되는 토크를 생산할 수 있다. 이는 높은 토크의 모터를 만들기 위해, 일반적으로 높은 강도(따라서, 높은 비용)의 자석이 필요함을 의미한다. 이러한 사실은, 다른 것들 사이에서, 축 모터 설계안의 매력을 감소시킨다. 이러한 것을 고려하여, 필드 폴(field pole) 부재를, 전기 모터 및 발전기에서의 앞서 언급된 단점을 감소시키는 구조로서 제공하는 것, 그리고 예를 들어, 단위 크기, 또는 단위 중량 당 출력 토크 및 효율을 증가시키는 것, 그리고 뿐만 아니라, 제조, 또는 작업 동안 자원을 보전하는 것이 바람직할 것이다.