KR101065613B1

KR101065613B1 - 선형 및 회전형 전기기기 구조

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Publication number: KR101065613B1
Application number: KR1020090031785A
Authority: KR
Inventors: 정시욱; 강도현; 우병철; 김지원; 이지영; 문승렬
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2011-09-20
Anticipated expiration: 2029-04-13
Also published as: EP2242167A3; US8593019B2; EP2242167B1; EP2988401A1; EP2242167A2; US20100259112A1; KR20100113290A; EP2988401B1

Abstract

본 발명은 선형, 회전형 전기기기의 구조에 관한 것으로, 전기적으로 180도 위상각 차이를 가지는 한 쌍의 권선을 채용한 모듈형 이동자 구조를 적용하여 자속의 경로를 단축하여 종래 자속역전식 전기기기보다 체적을 줄일 수 있는 것을 특징으로 한다. 특히 종래의 동일 극성 영구자석을 사용하는 자속역전식의 전기기기 구조의 경우 상기 모듈형 이동자 구조를 적용하면 부하역기전력 불평형을 저감하는 효과가 있다. 모듈형 이동자 구조는 응용시스템의 필요에 따라 다양한 형태로 변형이 가능하며 이동자 또는 고정자 철심에 소정의 스큐를 적용하면 힘의 맥동 저감이 가능한 전기기기를 구성할 수 있다. 또한 선형전기기기에 있어서 모듈형 이동자철심에 회전이 가능하는 힌지(hinge) 구조를 적용한 경우 직선과 곡선 주행이 가능한 형태로의 변형도 가능하다. 본 발명에서 제안한 형태를 회전형전기기기로 확장할 경우 종래 전기기기보다 극수를 증가시키는 것이 용이하여 저속 고토크 직접구동용 회전형전기기기를 구성할 수 있다.

자속역전식전기기기, 선형전기기기, 회전형전기기기, 자속집중기, 돌출치형, 내전, 외전, 이동자, 고정자, 회전자, 곡선운동, 박형냉각기구

Description

선형 및 회전형 전기기기 구조{Linear and rotary electric machine structure}

본 발명은 선형 및 회전형 전기기기의 구조에 관한 것으로, 모듈형 이동자철심 구조를 적용하여 자속경로를 단축하여 종래 자속역전식 전기기기보다 체적을 줄이는 것이 가능하고 부하역기전력의 불평형을 저감하는 효과가 있는 전기기기 형태를 제공한다. 또한, 제안한 형태를 응용한 다양한 변형 형태와 모듈형 이동자 철심에 회전이 가능한 힌지(hinge) 구조를 적용하여 직선 및 곡선 주행이 가능한 선형전기기기와 제안한 선형 전기기기를 회전형으로 확장한 회전형 전기기기에 관한 것이다.

종래의 선형 전기기기는 영구자석 선형동기전동기(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor)로 대표되며 정밀위치제어용으로 널리 사용되고 있다. 그러나, 종래 영구자석 선형동기전동기는 고정자에 영구자석이 위치하는 형태를 취하고 있어서, 이동 거리가 길어짐에 따라 영구자석 사용량이 증가하여 비용의 증가가 불가피하며, 이동자의 입구와 출구의 단부에서 발생하는 단부효과로 인해 추력 및 수직력의 맥동을 발생시키는 단점이 있다. 아울러 고정자에 부착된 영구자석의 누설자 속이 주변에 미치는 영향으로 인해 일부 응용에서는 적용이 제한되기도 한다. 저속 고토크 직접구동용 회전형전동기의 경우 많은 극수를 사용하게 되는데 이러한 경우 종래 전기기기의 구조적인 이유로 인해 극수를 증가시키는데 어려움이 있으며, 토크 맥동의 저감을 위해 스큐(skew)를 적용하는 것도 용이하지 않은 구조이다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고정자에 영구자석을 사용하지 않고 영구자석이 이동자철심에 부착되는 형태를 취하고 있어서 영구자석 재료비 절감이 가능한 선형전기기기 및 회전형 전기기기를 제공한다.

또한, 전기적으로 180도 위상 차이가 나는 한 쌍의 권선을 구비하는 모듈형 이동자 구조를 통해 기존에 알려진 자속역전 전기기기보다 자속의 경로를 단축하여 전체적인 부피를 저감할 수 있어서 단위 체적당 추력을 향상시킬 수 있는 선형 또는 회전형 전기기기를 제공한다.

또한, 모듈형 이동자 구조를 적용할 경우 동일 극성의 영구자석을 사용하는 형태에서 발생하는 부하역기전력 불평형을 저감할 수 있고, 아울러 모듈형 이동자 구조에 회전이 가능한 힌지(hinge) 구조를 적용할 경우 직선과 곡선 주행이 가능한 선형 전기기기의 구성도 가능하여 다양한 응용시스템에 적용하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에서 제시하는 구조를 회전형전기기기로 확장하면 전기기기의 극수를 증가시키는 것이 용이하며, 전술한 모듈형 이동자 구조를 적용할 수 있어서 동일 극성의 영구자석을 사용하는 형태에서 발생하는 부하역기전력 불평형력을 저 감할 수 있어서 직접구동용 저속 고토크 회전형전기기기의 구현이 가능하다.

또한, 본 발명에서 제시하는 선형 또는 회전형 전기기기의 경우 고정자 및 이동자(또는 회전자)가 모두 적층철심으로 구성이 가능하여 스큐를 적용하기가 용이한 구조이며, 이를 통한 힘의 맥동 저감이 가능하여 저소음/저진동, 고정밀 위치제어 운전이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 이동자 구조는 이동자돌출치형 및 영구자석의 수와 배치를 다양하게 변경하는 것이 가능하며, 자속집중기 구조의 적용시 공극 자속밀도를 증가시켜 추력과 토크를 증가시키는 것이 가능하다.

또한, 이동자를 구성함에 있어서 이동자에 적어도 1개 이상의 박형 냉각기구를 포함하여 응용시스템의 필요에 따라 냉각성능을 향상시키는 것이 가능하다. 상기 박형냉각기구가 공냉식인 경우에는 박형냉각기구의 토출구에서 토출되는 공기를 이용하여 고정자와 이동자를 동시에 냉각할 수 있으며, 토출 공기압을 이용하여 고정자와 이동자 사이 공극에 있는 이물질을 외부로 제거하는 것도 가능하다. 동일한 방법의 박형냉각기구를 회전형전기기기에도 적용하여 동일한 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 고정자를 양측으로 배치하거나 하나의 고정자를 중심으로 동일한 개수의 이동자를 대향하게 부착하여 이동자와 고정자간의 흡인력을 상쇄시키는 구조로도 구성할 수 있어서 응용시스템의 필요에 따라 다양한 형태로의 전기기기를 제공할 수 있다.

본 발명의 주요 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 선형전기기기는, 전기적으로 위상 차이가 나는 한 쌍의 권선을 구비한 것을 특징으로 하는 모듈형 이동자 구조를 취하며 이를 통해 자속의 경로를 단축하여 전체 부피를 줄이고 부하역기전력의 불평형을 저감할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 이동자가 고정자에 대향하여 선형 또는 곡선 운동하고, 이동자치형 단부는 복수의 이동자돌출치형을 가지고 이동자돌출치형의 좌우에 각각 배치되는 영구자석을 포함한다. 상기 이동자돌출치형을 선택적으로 영구자석으로 대치하는 것이 가능하여 다양한 형태로 변형이 가능하다.

상기 이동자는 운동 방향으로 같은 간격으로 배치되는 3의 배수의 모듈형 이동자들을 포함할 수 있고, 상기 이동자의 치형들 각각은 단부가 운동 방향으로 상기 영구자석의 극간격의 정수배 길이일 수 있다.

상기 선형전기기기의 이동자는 이동자철심과 함께 적층형식으로 조립되는 박형 냉각기구를 포함하여 냉각효과와 함께 경우에 따라서는 공극에 존재하는 이물질 제거 또는 공극으로 유입되는 이물질을 배출하는 효과를 얻을 수 있다. 상기 박형 냉각기구는 후술하는 회전형전기기기의 고정자와 함께 적층형식으로 조립하여 동일한 효과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 상기 박형 냉각기구는 종래의 전기기기에도 적용하여 동일한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 전기기기에서 동일 극성의 영구자석만으로 이동자를 구성할 경우에 대해 착자되지 않은 영구자석을 소정위치에 부착하고 나머지 구성들이 완성된 이후에 착자시켜 제작하는 것이 가능하다.

상기 고정자 치형과 상기 이동자 치형이 서로 일정 스큐 형태로 대향하도록 상기 고정자 또는 상기 이동자의 철심들이 적층될 수 있다.

상기 고정자는 상기 이동자의 운동을 위한 곡선 경로를 포함할 수 있다.

이동자 철심은 회전이 가능한 힌지를 구비하거나 이동자철심이 1개 이상의 힌지를 구비한 구조물에 부착될 수 있고, 이에 따라 곡면을 가진 고정자와 대향하여 운동할 때 상기 이동자가 상기 힌지를 통하여 해당 곡률을 가지도록 구부려져 곡선주행이 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일면에 따른 회전형 전기기기는, 상기 선형 전기기기의 모듈형 이동자 구조를 적용한 것으로 이 경우 선형 전기기기의 모듈형 이동자가 회전형 전기기기의 모듈형 고정자에 해당되고 고정자는 회전자에 해당된다.

본 발명의 또 다른 일면에 따른 회전형전기기기는, 회전자가 모듈형 고정자에 대향하여 원주 방향으로 내전하거나 외전하고, 고정자 치형의 단부는 적어도 하나의 고정자 돌출치형 좌우에 각각 배치된 동일 극성의 고정자영구자석을 포함하거나 복수의 고정자 돌출치형들 사이마다 동일 극성의 고정자영구자석을 포함한다. 상기 모듈형 고정자는 원주 방향으로 같은 간격으로 배치되는 3의 배수의 모듈형 고정자들을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일면에 따른 회전형전기기기는, 회전자가 모듈형 고정자에 대향하여 원주 방향으로 내전하거나 외전하고, 모듈형 고정자치형의 단부는 복수의 고정자영구자석을 포함한다. 상기 모듈형 고정자는 원주 방향으로 같은 간격으로 배치되는 3의 배수의 모듈형 고정자 치형들을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일면에 따른 회전형 전기기기는, 회전자가 모듈형 고정자에 대향하여 원주 방향으로 내전하거나 외전하고, 상기 회전자의 단부가 원주 방향으로 반복되는 회전자치형들 사이마다 동일 극성의 회전자영구자석을 포함한다. 이때 대향하는 고정자는 원주 방향으로 같은 간격으로 배치되는 3의 배수의 모듈형 고정자들을 포함할 수 있으며, 각각의 고정자치형의 단부에는 복수의 고정자돌출치형을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일면에 따른 회전형전기기기는, 회전자가 고정자에 대향하여 원주 방향으로 내전하거나 외전하고, 상기 회전자의 단부가 원주 방향으로 반복되는 회전자 치형들 사이마다 동일 극성의 고정자영구자석을 포함한다. 이때 대향하는 고정자는 원주 방향으로 같은 간격으로 배치되는 3의 배수의 고정자 치형을 포함할 수 있으며, 각각의 고정자 치형의 단부에는 복수의 고정자 돌출치형을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일면에 따른 회전형전기기기는 전술한 구조를 축방향 공극을 가지도록 구현하는 것이 가능하며, 이 경우 축방향공극 전기기기를 축방향으로 여러 개를 배열하여 동일한 축에 복수의 회전형전기기기를 구비하는 것이 가능하고, 회전자의 양측에 축방향으로 대향하게 고정자를 배치하거나 또는 고정자의 양측에 축방향으로 대향하게 회전자를 배치하여 자기흡인력을 상쇄시키는 구조로도 변형이 가능하다.

상기 고정자치형과 상기 회전자치형이 서로 일정 스큐 형태로 대향하도록 상기 고정자 또는 상기 회전자의 철심들이 적층될 수 있다.

상기 전기기기의 경우 3상을 기준으로 설명하였으나, 3상이 아닌 n상을 가지는 구조에 대해서도 구현이 가능한 구조이며, n상을 가지는 전기기기의 경우에는 상기 구조에 의한 배치 간격인 α가 전기적으로 120도가 아닌 전기적으로 180/n도가 되며, 모듈형 이동자/고정자 치형 또는 이동자/고정자 치형의 수는 n의 배수로 구성될 수 있다. 예를 들면, 5상 전기기기의 경우 α가 전기적으로 36도가 되며 상기 치형의 개수는 5의 배수로 하는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 일면에 따른 전기기기는, 고정자와 상기 고정자에 대향하여 운동하고 전기적으로 위상차 60도 간격 만큼 이격되어 배치된 적어도 2개 이상의 복수의 이동자들을 포함하고, 상기 복수의 이동자들은 각각이 3의 배수의 이동자 치형들의 주위에 각각 감긴 코일들에 의하여 형성된 상권선들을 가지며, 인접하는 이동자 치형들의 상기 상권선들 간에는 120도 위상 차이를 가지도록 권선되며, 상기 고정자의 치형 단부 또는 상기 복수의 이동자들의 이동자 치형 단부에, 적어도 하나 이상의 돌기 좌우로 적어도 하나 이상의 영구자석을 가지거나, 극성이 반대로 엇갈려 배치된 복수의 영구자석들을 가질 수 있다.

상기 복수의 이동자들은, 전기적으로 위상차 60도 간격 만큼 이격되어 배치된 제 1 이동자 및 제2 이동자를 포함하고, 상기 제 1 이동자의 3의 배수의 이동자 치형들에 권선한 상권선들의 위상이, 인접하는 상권선의 위상 간에 120도 차이가 있는 U,V,W 상으로 이루어지고, 상기 제 2 이동자의 3의 배수의 이동자 치형들에 권선한 상권선들의 위상이, 인접하는 상권선의 위상 간에 120도 차이가 있는 /U,/V,/W 상(여기서, /U는 U와 180도 위상 차이,/V는 V와 180도 위상 차이, /W는 W 와 180도 위상 차이)으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 또 다른 일면에 따른 전기기기는, 고정자와 상기 고정자에 대향하여 운동하고 3의 배수의 이동자 치형들을 가진 이동자를 포함하고, 상기 3의 배수의 이동자 치형들에는 인접하는 이동자 치형들 사이에 60도 위상 차이를 가지도록 권선된 상권선들을 가지며, 상기 고정자의 치형 단부 또는 상기 이동자 치형들의 단부에, 적어도 하나 이상의 돌기 좌우로 적어도 하나 이상의 영구자석을 가지거나, 극성이 반대로 엇갈려 배치된 복수의 영구자석들을 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 일면에 따른 전기기기는, 고정자와 상기 고정자에 대향하여 내전 또는 외전하고 3의 배수의 이동자 치형들을 가진 회전자를 포함하고, 상기 3의 배수의 이동자 치형들에는 인접하는 이동자 치형들 사이에 60도 위상 차이를 가지도록 권선된 상권선들을 가지며, 상기 고정자의 치형 단부 또는 상기 이동자 치형들의 단부에, 적어도 하나 이상의 돌기 좌우로 적어도 하나 이상의 영구자석을 가지거나, 극성이 반대로 엇갈려 배치된 복수의 영구자석들을 가질 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 선형 전기기기의 경우, 고정자에 영구자석을 사용하지 않고 이동자에 영구자석이 부착되는 형태이므로 영구자석의 사용량을 줄여 제조비용을 절감할 수 있으며, 모듈형 이동자 구조를 통해 체적을 줄이고 부하역기전력의 불평형을 저감할 수 있다. 이동자 또는 고정자의 양측식 배치를 통해 흡인력을 상쇄시키는 형태로 구성이 가능하며, 모듈형 이동자에 회전이 가능한 힌지 구조를 채택할 경우 직선부와 곡선부를 가지는 고정자와 조합하여 직선 및 곡선 운전이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 선형 전기기기에서는, 이동자 치형의 이동자돌출치형의 수와 배치 영구자석의 수와 착자방향을 조합하여 다양한 형태로 변형이 가능하여 응용시스템의 다양한 필요에 맞도록 실시할 수 있다.

본 발명에 따른 회전형 전기기기에서는, 전술한 선형 전기기기의 구조를 동일하게 적용하는 것이 가능하고, 구조적으로 극수를 증가시키는 것이 용이하여 저속 직접구동용 회전형 전기기기의 구성이 가능하게 된다. 또한 응용의 필요에 따라 축방향공극을 가지는 회전형전기기기로 구성도 가능하게 된다.

본 발명에 따른 선형 또는 회전형 전기기기는, 위와 같은 저소음/저진동, 고정밀, 고추력 운동이 확보되므로, 저속 직접구동 또는 정밀위치제어가 요구되는 분야나, 차량의 휠을 직접 구동하는 분야 등 뿐만 아니라, 압축기, 가공기, 산업용 전기기기 등 선형 또는 회전 운동이 요구되는 다양한 응용기기에 사용될 수 있다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니며, 발명의 실시예들 간의 상호조합에 의한 확장이 가능하다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

본 발명에서 설명하는 전기기기는 전기 에너지를 운동 에너지로 또는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환기기를 의미하므로, 전동기, 구동기 및 발전기를 포함하며 직선, 회전 또는 직선과 회전의 조합의 운동에 의한 전술한 에너지 변환을 구현하는 전기기기를 의미한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선형 전기기기의 전체 구조와 모듈형 이동자 배치를 설명하기 위한 도면이다. 도 1(a)는 모듈형 이동자 구조를 나타내고 있으며, 각각의 이동자 모듈이 기계적으로 분리되어 있는 구조이다. 도 1(b)는 모듈형 이동자 구조에서 각각의 이동자 모듈이 기계적으로 결합되어 일체화된 구조이다. 도 1(c) 및 1(d)는 상기 모듈형 이동자 구조에서 바상(bar phase, /U, /V, /W)의 위치를 변경한 것을 도시하고 있다. 도 1(d)에서 이동자 모듈들 Mover1과 Mover2의 배치 간격 γ는 전기적으로 60도 위상 차이가 된다. 도 1(d)의 경우 동일한 이동자철심을 사용하는 이동자 모듈들 Mover1과 Mover2가 기계적으로 분리되어 있는 경우이나 도 1(a) 및 1(b)에서 설명한 것과 같이 기계적으로 결합되는 것도 가능하다.

도 1(a)를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 선형 전기기기는 'n'자 형태의 이동자 철심(1), 2개의 이동자치형(1a), 이동자영구자석(1b), 이동자돌출치형(1c) 및 이동자상권선(1d)을 포함하는 모듈형 이동자, 고정자 철심(2) 및 고정자 치형(2a)을 포함한다. 고정자 철심(2)의 단부에 고정자 치형(2a)이 일정 간격으로 형성되고, 모듈형 이동자의 2개의 이동자치형(1a)의 각 단부에 배치한 이동자영구자석(1b) 사이로 이동자돌출치형(1c)이 일정 간격으로 형성된다.

도 1(a)에서 이동자 영구자석의 극간격을 τ_p로 할 때 고정자 치형(2a)은 2τ_p간격으로 배치되고 이동자치형(1a)은 β간격으로 배치되고, 이를 통해 2개의 이 동자치형(1a)과 조립되어 있는 권선(1d)은 각 모듈형 이동자에서 전기적으로 180도 간격(예를 들어, 권선 방향이 반대로 하거나, 또는 같은 권선 방향을 가지는 권선에 대해 이웃하는 권선의 시작선과 끝선을 결선하여 이웃하는 권선에서의 전류의 방향이 반대가 되게하는 방식)이 되어 모듈형 이동자들 3개에서 각상의 배치가 (U, /U), (V, /V), (W, /W)(여기서, /는 180도 위상각 차이를 나타냄)와 같이 된다. 각각의 모듈형 이동자는 α간격으로 배치되며 이를 통해 모듈형 이동자간의 위상차는 서로 전기적으로 120도 간격(예를 들어, U-V 사이, V-W 사이, W-U 사이)이 된다.

도 1(b)는 도 1(a)의 모듈형 이동자 3개 모두를 기계적으로 결합하여 일체화한 형태이며, 도 1(a)의 모듈형 이동자 3개를 분리한 구조와 동일한 효과를 얻을 수 있는 구조이다.

도 1(c)는 모듈형 이동자의 상배치를 도 1(b)와 달리하여 6개의 이동자치형들(1a)에 배치된 권선(1d)의 각 상이 (U, /V, W, /U, V, /W)와 같이 되며, 이에 따라 이동자치형들(1a) 간의 이격이 없는 경우에 각각의 이동자치형(1a)은 60 도 간격이 되는 구조이다. 도 1(c)의 구조는 도 1(d)와 같이 3의 배수(예를 들어 3개)로 이동자 치형들을 일체로한 모듈형 이동자들 Mover1과 Mover2로 분리되는 구조로 변경될 수 있으며, 이때 모듈형 이동자들 Mover1과 Mover2 사이를 γ간격(60 도)으로 배치하는 경우에(예를 들어, U-/V사이, W-/U사이, V-/W사이) 이를 통해 이동자 치형들의 각상은 전기적으로 120도 위상차이(예를 들어, U-V 사이, V-W 사이, W-U 사이)를 가지도록 상권선들(1d)이 권선될 수 있다. 여기서, 고정자의 치형 단부 또는 이동자 치형들의 단부에, 적어도 하나 이상의 돌기 좌우로 적어도 하나 이상의 영구자석을 가지거나, 극성이 반대로 엇갈려 배치된 복수의 영구자석들을 가지는 구조로 할 수 있다.

여기서, 전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, 각 이동자치형(도 1의 (c) 참조) 또는 2개의 이동자치형으로 구성된 각 모듈형 이동자(도 1의 (a), (d) 참조)는 전기적으로 180/n도 간격으로 배치될 수 있고, 상기 치형의 개수가 n의 정수배일 수 있다. 또한, 언급되는 고정자 또는 이동자의 철심을 성층할 때, 고정자 치형과 이동자 치형이 서로 일정 스큐(skew) 형태로 대향하도록 스큐를 적용함으로써 힘의 맥동을 저감할 수 있다.

도 2는 본 발명에 의한 이동자 구조중 복수의 자속집중기(1f)를 적용한 경우에 대한 실시예를 나타내기 위한 도면이다. 자속집중기(1f) 구조를 적용한 경우에는 이동자치형(1a)에는 권선(1d)의 각 상이 전기적으로 120도 간격으로 일정하게 배열되며 3의 배수 개의 치형으로 구성하는 것이 가능하다. 자속집중기(1f)를 적용한 구조의 경우, 복수의 이동자영구자석(1b)(예를들어, 2개가 일정 각도로 서로 마주보는 구조) 사이에 자속집중기(1f)가 조립된 구조에 의해 하나의 자극(magnetic pole)을 이루게 되며, 일렬로 복수번 배치할 때 이 자극의 간격이 τ_p가 된다.

도 3은 본 발명에 의한 이동자치형(1a)의 다양한 실시예들을 설명하기 위한 도면이다. 도 3a에서 (a)~(d)는 도 1의 이동자치형 단부인 'A'의 구성에 대한 실시예를 나타내고 있으며, 도 3a에서 (a)와 (b)는 복수의 돌출치형(1c)의 좌우에 복수 동일극성의 이동자영구자석(1b)을 구비한 경우이고, 도 3a에서 도 3a (c)는 이동자치형(1a)에 공동(cavity)를 구비한 경우로 자속의 흐름에 지장이 없는 크기의 공동을 두어 이동자철심의 무게(중량)를 저감하는 것이 가능하다. 도 3a에서 도 3a (d)는 폴슈(pole shoe)(예를 들어, 권선 부분이 그 아래 돌출치형이 형성된 부분 보다 두께가 작은 구조)를 가지는 이동자치형을 나타내고 있다.

도 3a에서 도 3a (e)는 경사진 이동자치형(1a)의 좌우에 각각 영구자석을 배치한 한 쌍의 이동자영구자석(1b)과 각 영구자석 아래에 자속 안내용 폴피스(pole piece,1e)를 구비한 실시예를 나타내고 있다.

도 3b에서 도 3b (f)~(h)는 이동자치형(1a)에 복수의 자속집중기(1f)를 적용하여 이동자영구자석(1b)이 이동자치형(1a)에 매입되는 형태로 이동자영구자석(1b)에서 나오는 자속을 집중시켜 공극 자속밀도를 증가시키는 구조이며, 이때 이동자영구자석의 형상은 각형 또는 곡률을 가지는 형상으로 변형이 가능하다. 예를들어, 고정자와 대향하는 면을 제외하고 각형의 영구자석 2개 또는 3개 이상이 자속집중기(1f) 주위에 배치되거나(도 3b (f),(g) 참조), 반원형의 곡률 형태 영구자석이 자속집중기(1f) 위에 배치된 구조(도 3b (h) 참조)로 할 수 있는데, 이와 같이 자속집중기(1f)를 적용한 구조의 경우 자속집중기(1f)와 조립된 복수의 이동자영구자석(1b)에 의해 하나의 자극(magnetic pole)을 이루게 되며, 이 자극의 간격이 τ_p가 된다. 이와 같이, 본 발명에서 언급하는 전기기기의 영구자석은 모두 자속집중기를 가지는 형태로 변형이 가능하다. 도 3b (f)~(g)는 자속집중기(1f)가 이동자치형(1a)와 분리된 형태로서 자속집중기(1f)와 이동자치형(1a) 사이에 각형의 영구자석 2개 또는 3개가 배치된 구조를 나타내고, 도 3b (h)는 이동자치형(1a)을 금형으로 통해 생성할 때 자속집중기(1f)가 될 부분까지 금형으로 만들고, 자속집중기(1f)와 이동자치형(1a) 사이에 반원형의 곡률 형태 영구자석이 기계적으로 결합될 수 있도록 하여 자속집중기(1f), 이동자치형(1a) 및 영구자석을 일체화한 구조를 나타낸다.

위에서 언급한 상기 폴피스 또는 상기 자속집중기의 형상은 도 3과 같은 삼각형, 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 또는 오각형을 포함한 다각형이나 곡률형이 가능하고, 이외에도 위와 같은 다각형이나 곡률형을 조합하여 배치될 수도 있다.

도 4는 본 발명에 의한 다른 실시예로 'm' 형상의 이동자철심(1)에 3개의 이동자치형(1a)을 포함하고, 3개의 이동자치형(1a) 중 중간의 이동자치형에 감은 이동자상권선(1d)를 구비하며, 중간의 이동자치형(1a)의 단부에 배치되는 복수의 이동자영구자석(1b) 사이마다 이동자돌출치형(1c)이 형성되고, 중간의 이동자치형(1a)의 양 사이드(side)의 이동자치형(1a)의 단부에도 형성된 이동자돌출치형(1c) 옆으로 동일 극성의 영구자석이 배치된 구조를 나타낸다. 이때 각각의 이동자철심은 α간격으로 배치되어 전기적으로 120도 위상각을 가지도록 구성된다.

도 5는 도 4 'B'부분의 다양한 실시예와 각 경우의 자속(F)의 흐름(화살표 참조)을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에서 나타낸 것과 같이 이동자치형의 단부에 위치한 이동자돌출치형(1c)의 수와 이동자영구자석의 배치에 따라 다양한 변형이 가능하다.

도 5(a)는 3개의 이동자치형 중 중간의 이동자치형의 양 사이드에 위치한 이동자치형에 이동자돌출치형(1c)과 영구자석의 위치를 서로 바꾸고 도 4와는 반대 극성의 영구 자석을 사용한 구조이다. 도 5(b)는 도 5(a)의 중간의 이동자치형의 이동자돌출치형(1c)과 영구자석의 위치를 바꾸어, 복수의 이동자돌출치형(1c) 사이마다 영구자석을 배치하되, 양 사이드의 이동자치형에 배치한 영구자석과 동일극성으로 영구자석을 배치한 구조이다. 도 5(c)는 양 사이드의 이동자치형에 이동자돌출치형(1c)과 영구자석을 배치한 구조는 도 4와 같고, 중간의 이동자치형에 짝수의 영구자석과 이동자돌출치형을 교대로 배치한 구조이다. 도 5(d)는 중간의 이동자치형에 이동자돌출치형(1c)과 영구자석을 배치한 구조는 도 5(b)와 같고 양 사이드의 이동자치형에는 두 개의 영구자석 사이에 이동자돌출치형을 형성한 구조이다. 도 5(e)는 3개의 이동자치형 모두에 돌출치형 없이 영구자석들만을 극성을 교대로 바꾸어 일렬로 배치한 구조이다. 도 5(f)는 중간의 이동자치형에 이동자돌출치형(1c)과 영구자석을 배치한 구조는 도 4와 같고 양 사이드의 이동자치형에는 단부에 형성된 두 개의 이동자돌출치형 사이로 동일 극성의 영구자석을 배치한 구조이다.

도 6은 도 4에서 전술한 'm' 형상 이동자철심(1)을 변형한 형태로 권선이 반폐(半閉)형 이동자치형(1a) 사이에 구비된 형태이다. 도 7은 도 'B'부분의 다양한 실시예와 각 경우의 자속(F)의 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 도 7에서 나타난 것과 같이 이동자치형의 단부에 위치한 이동자돌출치형의 수와 이동자영구자석의 배치에 따라 다양한 변형이 가능하다.

도 7(a)는 도 6과 같은 구조로서, 3개의 이동자치형 중 중간의 이동자치형을 도 3(d)와 같이 폴슈(pole shoe)(예를 들어, 권선 부분이 그 아래 돌출치형이 형성된 부분 보다 두께가 작은 구조) 형태로 만들고, 양 사이드의 이동자치형의 단부가 상기 중간의 이동자치형의 단부와 근접하게 배치되도록 하여, 이동자치형(1a)을 반폐(半閉)형으로 하고(권선 하부 쪽이 일부 닫힌 형태), 상기 중간의 이동자치형의 단부에는 이동자돌출치형 사이에 영구자석을 배치하고, 양 사이드의 이동자치형의 단부에는 이동자돌출치형과 영구자석을 하나씩 배치한 구조이다. 도 7(b)는 위와 같은 반폐형 구조에서, 상기 중간의 이동자치형의 단부에는 영구자석 사이에 돌출치형이 형성되도록 하고, 양 사이드의 이동자치형의 단부의 이동자돌출치형과 영구자석의 배치를 도 7(a)와 반대로 한 구조이다. 도 7(c)는 위와 같은 반폐형 구조에서, 상기 중간의 이동자치형의 단부에는 영구자석 사이에 돌출치형이 형성되도록 하고, 양 사이드의 이동자치형의 단부의 이동자돌출치형과 영구자석의 배치를 도 7(a)와 같은 형태로 한 구조이다. 도 7(d)는 위와 같은 반폐형 구조에서, 상기 중간의 이동자치형의 단부에는 짝수의 돌출치형과 영구자석을 교대로 배치하고 양 사이드의 이동자치형의 단부의 이동자돌출치형과 영구자석의 배치를 일측은 도 7(a)와 같은 형태로 또 다른 일측은 도 7(b)와 같은 형태로 한 구조이다. 도 7(e)는 위와 같은 반폐형 구조에서, 상기 중간의 이동자치형의 단부에는 두 개의 돌출치형 사이에 하나의 영구자석을 배치하고 양 사이드의 이동자치형의 단부의 이동자돌출치형과 영구자석의 배치를 도 7(a)와 같은 형태로 한 구조이다. 도 7(f)는 위와 같은 반폐형 구조에서, 상기 중간의 이동자치형의 단부에는 두 개의 영구자석 사이에 하나의 돌출치형을 형성하고 양 사이드의 이동자치형의 단부의 이동자돌출치형과 영구자석의 배치를 도 7(b)와 같은 구조로 한 구조이다.

도 8은 이동자철심(1)의 상부와 하부의 양측에 고정자철심(2)를 배치하여 이동자와 고정자간에 작용하는 자기흡인력을 상쇄시키는 구조를 설명한 것으로, 도 8(a)는 각상의 이동자철심(1)이 기계적으로 분리되어 있는 형태이며, 도 8(b)는 각상의 3개의 이동자철심(1)을 기계적으로 결합하여 일체화한 형태이다. 이때 이동자치형(1a) 단부에 이동자영구자석(1b)과 이동자돌출치형(1c)은 도 3에서 도시한 것과 같이 다양한 형태로 변형이 가능하다. 도 8의 구조와 같이, 이동자철심(1) 상하 양측의 고정자철심의 치형이 τ_p만큼 어긋나게 배치하면 이동자치형 양단에 동일 극성의 영구자석을 부착한 경우에도 부하역기전력 불평형을 저감하는 효과를 얻을 수 있으며, 이동자철심 상하의 양측 단부의 치형들이 τ_p만큼 어긋나게 하는 것도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이때 이동자철심(1)의 형태는 전술한 모듈형 이동자, 'm'형 이동자 등이 가능하며, 이동자치형 단부의 이동자영구자석과 이동자돌출치형의 형태도 전술한 방법에 의한 구성이 가능하다.

도 9는 고정자철심(2)의 상하 양측에 치형을 형성하고, 그 상하 치형에 인접하게 위아래로 하나씩 이동자철심(1)을 배치한 구조를 설명한 것으로, 도 9(a)는 각각의 이동자(Mover A, Mover B)가 독립적인 운전이 가능한 형태의 경우이며, 도 9(b)는 대향하는 한 쌍의 이동자(Mover A, Mover A')가 동시에 움직이는 형태이다.

도 9(b)의 실시예의 경우, 고정자(2)를 2τ_p간격으로 배치된 고정자치형들로만 구성이 가능하여 고정자(2)의 무게와 부피를 저감할 수 있는 특징이 있고, 이동자와 고정자간에 작용하는 자기흡인력을 상쇄시키는 것이 가능하다. 도 9(b)의 구조에서 상하 양측의 이동자의 돌출 치형을 τ_p만큼 어긋나게 배치하면 이동자치형 단부에 동일 극성의 영구자석을 부착한 경우에도 부하역기전력 불평형을 저감하는 효과를 얻을 수 있으며, 고정자 치형을 τ_p만큼 어긋나게하는 것도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이때 이동자철심(1)의 형태는 전술한 모듈형 이동자, 'm'형 이동자 등이 가능하며, 이동자치형 단부의 이동자영구자석과 이동자돌출치형의 형태도 전술한 방법에 의한 구성이 가능하다.

도 10(a)는 이동자철심(1)(또는 고정자철심도 가능)과 박형냉각기구(1g)의 구성 방법을 설명한 도면으로, 1개 이상의 박형냉각기구(1g)를 이동자철심(1)과 조합하여 구성하는 것이 가능하며(예를 들어, 두 개의 이동자철심 사이에 박형냉각기구를 적층식으로 결합한 구조, 또는 두 개의 이동자철심 사이와 이동자철심 양단에 각각 박형냉각기구를 적층식으로 결합한 구조 등), 도 10(b)는 상기 박형냉각기구(1g)의 일실시예를 도시하고 있으며, 입구(1g1)를 통해 유체를 주입하면서 이동자 치형까지 들어가 토출구(1g2)로 배출되도록 함으로써 박형냉각기구(1g)를 냉각시켜 결과적으로 이동자철심, 권선, 영구자석을 냉각하는 것이 가능하다. 토출구(1g2)로 배출되는 유체를 통해 이동자치형 단부에 부착된 이동자영구자석을 효과적으로 냉각하는 것이 가능하며, 이동자에 대향하여 부착된 고정자의 냉각 효과도 얻을 수 있다. 또한, 토출압을 이용하여 이동자와 고정자 사이의 공극에 이물질이 유입되는 것을 방지하거나 이물질을 제거하는 것도 가능하게 된다.

도 10(c)는 상기 박형냉각기구(1g)의 또다른 실시예를 도시한 것으로, 도 10(b)의 냉각 기구가 유체를 토출하는 형태임에 반해, 도 10(c)에 의한 냉각기구는 입구(1g1)을 통해 들어간 유체가 출구(1g3)로 나왔다가 다시 유체를 냉각기구 내부 로 보내 순환시키는 형태를 취하고 있다.

도 10에서 도시한 것처럼 본 발명에 의한 박형냉각기구는 박형으로 제작하는 것이 바람직하며, 전체적인 형상은 이동자 또는 고정자철심과 유사한 형태를 가지는 것이 효과적이다. 또한 이동자 또는 고정자 철심의 구성에 있어서는 철심 적층방식과 유사하게 적층하는 방식으로 구성이 가능하여 필요에 따라 복수의 박형냉각기구를 구성하는 것이 가능하다.

상기 박형냉각기구(1g)는 본 발명에 의한 회전형전기기기에도 동일한 방법으로 적용하여 활용하는 것이 가능하며, 영구자석선형동기전동기를 포함한 종래의 선형 또는 회전형 전기기기에도 적용이 가능하여 냉각기능과 함께 공극 이물질 유입 방지 및 배출용으로 적용할 수 있다.

도 11은 본 발명에서 제시한 모듈형 이동자 구조의 변형으로 회전용 힌지(1i)를 구비한 이동자철심(1h)과 이를 이용한 직선 및 곡선 주행이 가능한 선형전기기기를 나타내고 있다. 상기 힌지(1i)를 구비한 이동자철심(1h)은 평면을 갖는 직선고정자(2)와 곡면을 갖는 곡선고정자(2b)와 대향하여 운동할 때 힌지(1i) 구조로 인해 직선으로부터 곡선운동을 원할하게 하는 것이 가능하다. 특히, 도 11(b)의 위에서 본 그림과 같이, 각각의 모듈형 이동자를 힌지를 구비한 이동자고정판(1j)에 부착하여 곡선운동을 원할하게 하는 것도 가능하다.

도 11에 의한 선형전기기기에 있어서 3상인 경우에는 3의 배수의 이동자가 α간격으로 배치되어 각상은 전기적으로 120도 위상각을 가지게 된다. 2상, 4상 또는 그이상의 다상으로 구성되는 것이 가능하며, 각상은 각각의 구동방식에 적합한 위상각으로 배치되는 것이 가능하다.

도 12는 본 발명에 의한 고정자 형태로 비자성 재질의 고정자커버(2c)를 이용하여 고정자치형간의 빈공간을 채워서 고정자치형 사이에 이물질이 끼이는 것을 방지하는 효과가 있으며, 고정자커버(2c)의 일측에 간격이 2τ_p인 고정자커버요철부(2d)를 마련할 수 있다. 도 12(b)에 도시한 것과 같이 전기적으로 120도 위상각을 가지도록 배치되는 센서(5)를 이용하여 상기 고정자커버요철부(2d)의 돌출부와 함몰부를 검출하기 위한 자극검출용 신호의 감지수단으로 사용하는 것이 가능하다. 상기 고정자커버요철부(2d)를 이용한 자극검출 구조는 회전형전기기기에도 동일하게 적용 가능하다. 상기 센서(5)는 고정자커버요철부(2d)의 돌출부와 함몰부를 검출하는 것이면 충분하며, 센서의 검출 방식에 의해 한정되지 아니한다. 또한 상기 센서(5)는 고정자치형을 검출할 수 있는 것으로 사용할 경우, 고정자치형의 요철을 검출할 수 있는 위치에 부착하여 자극을 검출할 수 있다.

도 13은 본 발명에 의한 외전형전기기기에 대한 일실시예를 설명하고 있는 도면이다. 도 13(a)는 도 1(b)의 모듈형 이동자 구조를 가지는 선형전기기기를 회전형전기기기로 확장한 경우로 U와 /U, V와 /V, W와 /W 상이 각각 서로 β간격으로 배치되고 이를 통해 U와 /U, V와 /V, W와 /W는 각각 서로 전기적으로 180도 위상차이를 가지게 되며, 각각의 상은 α간격으로 배치되어 전기적으로 120도 위상차를 가지게 된다. 도 13(b)는 도 1(c)의 구조(이웃하는 상권선의 위상차가 60도인 경우)를 외전형전기기기로 확장한 경우로 각각의 고정자치형(4a)은 γ간격으로 배치 되어 전기적으로 60도 위상차를 가지게 된다. 도 13(a),(b)에 있어서 외전하는(외부에서 회전하는) 회전자(3)에 대향하는 고정자치형(4a) 단부의 고정자영구자석(4b)과 고정자돌출치형(4c)은 도 1~7에서 전술한 선형전기기기의 이동자에서 적용하였던 구조를 선택적으로 적용하는 것이 가능하여 다양한 변형이 가능하다.

도 14와 도 15는 각각 도 13에서 도시한 'C'와 'D' 부분의 상세도이며, 고정자영구자석과 고정자돌출치형 수와 배치 방법을 설명하기 위한 대표적인 실시예를 도시한 것이다.

예를 들어, 도 14 (a),(b)와 같이, 회전자(3)에 대향하는 고정자치형(4a) 단부에서 복수의 고정자영구자석(4b) 사이에 고정자돌출치형(4c)이 형성되도록 할 수도 있고(또는, 복수의 고정자돌출치형(4c) 사이에 고정자영구자석(4b)이 배치되는 것도 가능), 홀수(또는 짝수)의 고정자영구자석(4b)과 고정자돌출치형(4c)을 하나씩 교대로 위치시킬 수도 있다. 또한, 도 14 (c),(d)와 같이, 홀수 또는 짝수의 고정자영구자석(4b)만을 배치할 수도 있는데, 서로 다른 극성을 교대로 배치할 수 있다. 이외에도, 도 14(e)와 같이 회전자치형(3b)의 사이에 동일극성의 회전자영구자석(3a)을 구비하고 고정자치형(4a)의 단부에는 복수의 고정자돌출치형(4c)만으로 구성하는 것도 가능하다.

도 15(a)는 도 13(b)의 ‘D' 부분의 상세도이며, 도 15(b)는 회전자치형(3b)의 사이에 동일극성의 회전자영구자석(3a)을 구비하고 고정자치형(4a)의 단부에는 복수의 고정자돌출치형(4c)만으로 구성하는 것도 가능하다.

여기서, 전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, 고정자치형은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치될 수 있고, 고정자치형의 개수가 n의 정수배일 수 있다. 또한, 언급되는 고정자 또는 회전자의 철심을 성층할 때, 고정자치형과 회전자치형이 서로 일정 스큐 형태로 대향하도록 스큐를 적용함으로써 힘의 맥동을 저감할 수 있다.

도 16은 본 발명에 의한 내전형전기기기(또는 내전회전형전기기기)에 대한 일실시예를 설명하고 있는 도면이다. 도 16(a)는 도 1(b)의 모듈형 이동자 구조를 가지는 선형전기기기를 내전형전기기기로 확장한 경우로 U와 /U, V와 /V, W와 /W 상이 각각 서로 β간격으로 배치되고 이를 통해 U와 /U, V와 /V, W와 /W는 각각 서로 전기적으로 180도 위상차이를 가지게 되며, 각각의 상은 α간격으로 배치되어 전기적으로 120도 위상차를 가지게 된다. 도 16(b)는 도 1(c)의 구조(이웃하는 상권선의 위상차가 60도인 경우)를 회전형전기기기로 확장한 경우로 각각의 고정자치형(4a)은 γ간격으로 배치되어 전기적으로 60도 위상차를 가지게 된다. 도 16에 있어서, 안쪽에서 회전하는 회전자(3)에 대향하는 고정자치형(4a) 단부에서 고정자영구자석(4b)과 고정자돌출치형(4c)은 전술한 선형전기기기에서 적용하였던 구조를 선택적으로 적용하는 것이 가능하여 다양한 변형이 가능하다.

도 17과 도 18는 각각 도 16에서 도시한 'E'와 'F' 부분의 상세도이며, 고정자영구자석(4b)과 고정자돌출치형(4c) 수 및 배치 방법을 설명하기 위한 대표적인 실시예를 도시한 것이다.

예를 들어, 도 17 (a)와 같이, 회전자(3)에 대향하는 고정자치형(4a) 단부에서 홀수(또는 짝수)의 고정자영구자석(4b)과 고정자돌출치형(4c)을 하나씩 교대로 위치시킬 수 있으며, 또는 도 17 (b), (c)와 같이 홀수 또는 짝수의 고정자영구자석(4b)을 서로 다른 극성으로 교대로 배치할 수도 있다. 이외에도, 도 17(d)와 같이, 회전자치형(3b)의 사이에 동일극성의 영구자석(3a)을 구비하고 고정자치형(4a)의 단부에는 복수의 고정자돌출치형(4c)만으로 구성하는 것도 가능하다.

도 18(a)는 도 16(b)의 ‘F' 부분 상세도이며, 도 18(b)는 회전자치형(3b)의 사이에 동일극성의 회전자영구자석(3a)을 구비하고 고정자치형(4a)의 단부에는 복수의 고정자돌출치형(4c)만으로 구성한 형태이다.

도 19(a)는 도 1(b)를 축방향 공극(axial airgap)(회전자와 고정자 사이의 공극)을 가지는 회전기로 확장한 경우를 나타내고 있다.

도 19(b)는 도 9의 실시예를 축방향 공극을 가지는 형태로 확장한 것으로, 회전자를 기준으로 축방향으로 양쪽에서 대향하게 부착된 한쌍의 고정자 구조를 통해 한쌍의 고정자 사이에서 회전자가 회전하도록 함으로써, 고정자와 회전자 사이에 작용하는 자기흡인력 상쇄가 가능하다. 이외에도, 도 8의 실시예를 축방향 공극을 가지는 형태로 확장할 경우 고정자를 기준으로 양쪽에서 축방향으로 대향하게 부착된 한쌍의 회전자 구조를 통해 고정자의 양쪽에서 한쌍의 회전자가 회전하도록 함으로써 고정자와 회전자 사이에 작용하는 자기흡인력 상쇄가 가능하다.

도 19(c)의 경우는 도 19(a)에 의한 구조를 축방향으로 복수개 배치한 형태를 설명하고 있으며, 동일한 축중심에 복수의 축방향공극 전기기기를 장착하는 것이며, 이때 축방향공극 전기기기는 전술한 자기흡인력 상쇄구조를 가지는 축방향 공극 전기기기로도 구성이 가능하다. 축방향 공극을 가지는 회전기의 경우에도 고 정자 및 회전자의 구성은 전술한 방식에 의해 다양한 변형이 가능하다.

아울러, 본 발명에 의한 외전 및 내전형 전기기기의 경우 영구자석 또는 영구자석 및 돌출치형 구조를 영구자석 및 자속집중기 구조로 대체가 가능하여 공극자속밀도를 증가시키는 형태로도 변형이 가능하다.

도 20은 본 발명에서 제시한 모듈형 이동자 구조를 적용하여 U와 /U의 직렬 결선을 통해 U-/U간의 부하역기전력 파형이 0~360구간에서 평형을 이루게 되는 것을 도시하고 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 또한 선형전기기기에 적용한 기술을 회전형전기기기로 확장가능하고 그 역도 물론 가능하다. 아울러 실시예의 설명을 위해 사용된 이동자, 회전자, 고정자의 개념은 상대적인 것으로, 경우에 따라서는 고정자가 운동을 하고 이동자 또는 회전자가 정지해 있는 경우도 발명의 실시에 포함된다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선형전기기기의 이동자와 고정자를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선형전기기기에 대해 자속집중기 구조를 적용한 도면이다.

도 3a 및 도 3b는 이동자치형, 이동자영구자석, 이동자돌출치형, 폴피스, 자속집중기의 다양한 실시예들을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 'm'형 이동자철심 구조를 적용한 선형전기기기를 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 'm'형 이동자철심 구조의 다양한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 'm'형 이동자철심 구조의 변형된 형태로 이동자치형 사이의 개방부를 반폐한 이동자철심 구조를 적용한 선형전기기기를 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 반폐 'm'형 이동자철심 구조의 다양한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 8은 이동자의 양측에 고정자를 배치하여 흡인력을 상쇄시키는 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 9는 고정자의 양측에 이동자를 배치하여 흡인력을 상쇄시키는 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 10은 이동자철심과 박형냉각기구의 구성 및 박형냉각기구의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 11은 곡선 및 직선부를 가지는 고정자와 힌지를 구비한 이동자철심 또는 힌지를 구비한 이동자고정판을 적용한 선형전기기기의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 12는 고정자커버와 자극검출을 위해 고정자커버에 구성한 요철부를 설명하기 위한 도면이다.

도 13은 영구자석이 고정자에 위치한 본 발명의 일실시예에 따른 외전형전기기기를 설명하기 위한 도면이다.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 외전형전기기기의 영구자석과 고정자돌출치형의 다양한 배치를 통한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 외전형전기기기의 영구자석과 고정자돌출치형의 다양한 배치를 통한 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 16은 영구자석이 고정자에 위치한 본 발명의 일실시예에 따른 내전형전기기기를 설명하기 위한 도면이다.

도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 내전형전기기기의 영구자석과 고정자돌출치형의 다양한 배치를 통한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 내전형전기기기의 영구자석과 고정자돌출치형의 다양한 배치를 통한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 축방향공극을 가지는 회전기의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 20은 본 발명에서 제시한 구조를 통한 부하역기전력 불평형의 저감을 도 시하기 위한 해석결과이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 이동자철심

1a : 이동자치형

1b : 이동자영구자석

1c : 이동자돌출치형

1d : 이동자상권선

1e : 폴피스(pole piece)

1f : 자속집중기(flux concentator)

1g : 박형냉각기구

1g1 : 박형냉각기구입구

1g2 : 박형냉각기구토출구

1g3 : 박형냉각기구출구

1h : 힌지(hinge)를 구비한 이동자철심

1i : 힌지(hinge)

1h : 힌지(hinge)를 구비한 이동자고정판

2 : 고정자철심

2a : 고정자치형

2b : 곡선고정자

2c : 고정자커버

2d : 고정자커버요철부

3 : 회전자철심

3a : 회전자영구자석

3b : 회전자치형

4 : 고정자철심

4a : 고정자치형

4b : 고정자영구자석

4c : 고정자돌출치형

4d : 고정자상권선

Claims

이동자가 고정자에 대향하여 선형운동, 곡선 운동, 또는 회전 운동하는 구조의 전기기기에 있어서,

상기 이동자가 전기적으로 일정 위상차 간격 만큼 이격되어 배치된 복수의 이동자들을 포함하고, 상기 복수의 이동자들 각각이,

복수의 이동자치형들의 각 단부에 형성한 복수의 돌출치형들 사이마다 영구자석을 구비하거나 상기 복수의 이동자치형들의 각 단부에 배치한 복수의 영구자석들 사이마다 돌출치형을 형성하고, 상기 복수의 이동자치형들의 각 이동자철심에는 이웃하는 이동자치형의 상권선과 전기적으로 180도 위상각 차이를 가지는 상권선을 구비한 모듈을 포함하며,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, n의 정수배인 상기 복수의 이동자들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제1항에 있어서, 상기 복수의 이동자들의 모든 이동자철심들을 일체화하여 결합한 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
이동자가 고정자에 대향하여 선형운동, 곡선 운동, 또는 회전 운동하는 구조의 전기기기에 있어서,

상기 이동자가 전기적으로 일정 위상차 간격 만큼 이격되어 배치된 복수의 이동자들을 포함하고, 상기 복수의 이동자들 각각이,

복수의 이동자치형들의 각 단부에 복수의 영구자석을 일렬로 배치하거나, 복수의 영구자석과 해당 폴피스를 배치하거나, 복수의 영구자석과 해당 자속집중기의 결합 구조를 배치하고, 상기 복수의 이동자치형들의 각 이동자철심에는 이웃하는 이동자치형의 상권선과 전기적으로 180도 위상각 차이를 가지는 상권선을 구비한 모듈을 포함하며,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, n의 정수배인 상기 복수의 이동자들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
삭제
제3항에 있어서,

상기 폴피스 또는 상기 자속집중기의 형상은 삼각형, 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 또는 오각형을 포함한 다각형이나 곡률형 중 어느 하나, 또는 상기 다각형이나 곡률형의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
이동자가 고정자에 대향하여 선형운동, 곡선 운동, 또는 회전 운동하는 구조의 전기기기에 있어서,

상기 이동자가 전기적으로 일정 위상차 간격 만큼 이격되어 배치된 복수의 이동자들을 포함하고, 상기 복수의 이동자들 각각이,

'm' 형상으로 형성된 3개의 이동자치형을 포함하고, 상기 3개의 이동자치형 중 중간의 이동자치형에만 감은 권선을 구비하는 모듈을 포함하며,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, n의 정수배인 상기 복수의 이동자들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제6항에 있어서, 상기 이동자치형들의 각 단부에 형성한 복수의 돌출치형들 사이마다 영구자석을 구비하거나 상기 이동자치형의 각 단부에 배치한 복수의 영구 자석들 사이마다 돌출치형을 형성한 것을 특징으로 하는 전기기기.
제6항에 있어서, 상기 이동자치형들의 각 단부에 복수의 영구자석과 해당 폴피스를 구비하거나, 또는 복수의 영구자석과 해당 자속집중기를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제6항에 있어서,

상기 중간의 이동자치형을 권선 부분이 돌출치형이 형성된 부분 보다 두께가 작은 구조로 형성하고, 상기 이동자치형들 사이가 일부 닫히도록 한 반폐형 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
이동자가 고정자에 대향하여 선형운동, 곡선 운동, 또는 회전 운동하는 구조의 전기기기에 있어서,

상기 이동자가 전기적으로 일정 위상차 간격 만큼 이격되어 배치된 복수의 이동자들을 포함하고, 상기 복수의 이동자들 각각이,

복수의 이동자치형들의 각 단부에 복수의 영구자석과 돌출치형을 구비하거나, 복수의 영구자석과 해당 폴피스를 구비하거나, 또는 복수의 영구자석과 해당 자속집중기를 구비하고,

상기 이동자의 상부와 하부 양측에 각각의 고정자를 배치하여 상기 이동자와 상기 각각의 고정자 간의 자기 흡인력을 상쇄하며,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, n의 정수배인 상기 복수의 이동자들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
이동자가 고정자에 대향하여 선형운동, 곡선 운동, 또는 회전 운동하는 구조의 전기기기에 있어서,

상기 이동자가 전기적으로 일정 위상차 간격 만큼 이격되어 배치된 복수의 이동자들을 포함하고, 상기 복수의 이동자들 각각이,

복수의 이동자치형들의 각 단부에 복수의 영구자석과 돌출치형을 구비하거나, 복수의 영구자석과 해당 폴피스를 구비하거나, 또는 복수의 영구자석과 해당 자속집중기를 구비하고,

상기 고정자의 양측의 치형들에 인접하게 상기 이동자를 배치하여 상기 고정자와 상기 이동자 간의 흡인력을 상쇄하며,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, n의 정수배인 상기 복수의 이동자들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제11항에 있어서, 상기 각각의 이동자가 독립적으로 운동하거나 동시에 운동하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제1항, 제3항, 제6항, 제10항, 및 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 이동자 또는 상기 고정자의 철심과 함께 적층식으로 구성된 적어도 1개 이상의 박형냉각기구를 구비한 것을 특징으로 하는 전기기기.
삭제
제13항에 있어서

상기 1개 이상의 박형냉각기구 각각에서 입구로 유입된 유체가 상기 박형냉각기구의 내부를 순환하여 복수의 토출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제1항, 제3항, 제6항, 제10항, 및 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 이동자의 철심이 1개 이상의 회전용 힌지를 구비하거나 상기 이동자의 철심이 1개 이상의 힌지를 구비한 구조물에 부착되어,

곡면을 가진 고정자와 대향하여 운동할 때 상기 이동자가 상기 힌지를 통하여 곡률을 가지도록 구부려져 곡선 운동하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제16항에 있어서, 상기 고정자는 평면과 곡면의 조합으로 구성되며, 상기 이동자의 상기 철심이 상기 평면에서는 직선 운동하고 상기 곡면에서는 곡선 운동하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제1항, 제3항, 제6항, 제10항, 및 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고정자가 비자성체로 이루어진 고정자커버를 구비하고,

상기 고정자커버가 고정자치형 간의 빈 공간을 채운 것을 특징으로 하는 전기기기.
제18항에 있어서,

상기 고정자커버의 일측 또는 양측에 요철을 구비하고,

상기 고정자커버 상에 설치한 복수의 센서를 통해 상기 요철의 돌출부와 함 몰부를 검출하기 위한 자극검출용 상기 복수의 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
회전자가 고정자에 대향하여 외전 또는 내전 운동하는 전기기기에 있어서,

상기 고정자가 전기적으로 일정 위상차 간격 만큼 이격되어 배치된 복수의 고정자치형들을 포함하고,

상기 복수의 고정자치형들의 각 단부에 복수의 돌출치형들을 구비하고 상기 돌출치형들 사이마다 영구자석을 부착하거나 상기 복수의 고정자치형들의 각 단부에 배치한 복수의 영구자석들 사이마다 돌출치형을 형성하고,

상기 복수의 고정자치형들의 각 고정자철심에는 이웃하는 고정자치형의 상권선과 전기적으로 180도 위상각 차이를 가지는 상권선을 구비하며,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, n의 정수배인 상기 복수의 고정자치형들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
회전자가 고정자에 대향하여 외전 또는 내전 운동하는 전기기기에 있어서,

상기 고정자가 전기적으로 일정 위상차 간격 만큼 이격되어 배치된 복수의 고정자치형들을 포함하고,

상기 복수의 고정자치형들의 각 단부에 복수의 영구자석을 일렬로 배치하고,

상기 복수의 고정자치형들의 각 고정자철심에는 이웃하는 고정자치형의 상권선과 전기적으로 180도 위상각 차이를 가지는 상권선을 구비하고,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, n의 정수배인 상기 복수의 고정자치형들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
회전자가 고정자에 대향하여 외전 또는 내전 운동하는 전기기기에 있어서,

상기 고정자가 전기적으로 일정 위상차 간격 만큼 이격되어 배치된 복수의 고정자치형들을 포함하고,

상기 복수의 고정자치형들의 각 단부에 복수의 영구자석과 해당 폴피스를 구비하거나, 또는 복수의 영구자석과 해당 자속집중기를 배치하고,

상기 복수의 고정자치형들의 각 고정자철심에는 이웃하는 고정자치형의 상권선과 전기적으로 180도 위상각 차이를 가지는 상권선을 구비하며,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, n의 정수배인 상기 복수의 고정자치형들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제22항에 있어서,

상기 폴피스 또는 상기 자속집중기의 형상은 삼각형, 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 또는 오각형을 포함한 다각형이나 곡률형 중 어느 하나, 또는 상기 다각형이나 곡률형의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
회전자가 고정자에 대향하여 외전 또는 내전 운동하는 전기기기에 있어서,

상기 회전자가 복수의 회전자치형들을 포함하고, 상기 복수의 회전자치형들의 사이마다 영구자석을 구비하며,

상기 고정자가 전기적으로 일정 위상차 간격 만큼 이격되어 배치된 복수의 고정자치형들을 포함하고, 상기 복수의 고정자치형들의 각 단부에 복수의 고정자돌출치형을 구비하며,

상기 복수의 고정자치형들의 각 고정자철심에는 이웃하는 고정자치형의 상권선과 전기적으로 180도 위상각 차이를 가지는 상권선을 구비하고,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, n의 정수배인 상기 복수의 고정자치형들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
회전자가 고정자에 대향하여 외전 또는 내전 운동하는 전기기기에 있어서,

상기 회전자가 복수의 회전자치형들을 포함하고, 상기 복수의 회전자치형들의 각 단부에 복수의 영구자석과 해당 폴피스를 구비하거나, 또는 복수의 영구자석과 해당 자속집중기를 배치하고,

상기 고정자가 전기적으로 일정 위상차 간격 만큼 이격되어 배치된 복수의 고정자치형들을 포함하고, 상기 복수의 고정자치형들의 각 단부에 복수의 고정자돌출치형을 구비하며,

상기 복수의 고정자치형들의 각 고정자철심에는 이웃하는 고정자치형의 상권선과 전기적으로 180도 위상각 차이를 가지는 상권선을 구비하고,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, n의 정수배인 상기 복수의 고정자치형들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제20항, 제21항, 제22항, 제24항, 및 제25항 중 어느 한 항에 있어서

상기 회전자와 상기 고정자간의 공극이 축방향으로 존재하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제20항, 제21항, 제22항, 제24항, 및 제25항 중 어느 한 항에 있어서

상기 회전자에 대향되는 상기 고정자 이외에 축방향으로 대향하게 배치되는 제2 고정자를 더 포함하여 한쌍의 고정자 사이에서 상기 회전자가 회전하거나,

상기 고정자에 대향되는 상기 회전자 이외에 축방향으로 대향하게 배치되는 제2 회전자를 더 포함하여 상기 고정자의 양쪽에서 한쌍의 회전자가 회전하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제27항에 있어서,

상기 전기기기를 축방향으로 복수개 배치하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
삭제
삭제
제1항, 제3항, 제6항, 제10항, 및 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고정자 또는 상기 이동자의 철심을 성층할 때, 스큐를 적용하여 힘의 맥동을 저감하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제20항, 제21항, 제22항, 제24항, 및 제25항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고정자 또는 상기 회전자의 철심을 성층할 때, 스큐를 적용하여 힘의 맥동을 저감하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제1항, 제3항, 제6항, 제10항, 및 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 이동자의 철심이 공동(cavity)을 구비하여 철심의 중량을 저감하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제20항, 제21항, 제22항, 제24항, 및 제25항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 회전자의 철심이 공동(cavity)을 구비하여 철심의 중량을 저감하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
전기기기에 있어서,

고정자와 상기 고정자에 대향하여 운동하고 전기적으로 일정 위상차 간격 만큼 이격되어 배치된 적어도 2개 이상의 복수의 이동자들을 포함하고,

상기 복수의 이동자들은 각각이 3의 배수의 이동자 치형들의 주위에 각각 감긴 코일들에 의하여 형성된 상권선들을 가지며, 인접하는 이동자 치형들의 상기 상권선들 간에는 120도 위상 차이를 가지도록 권선된 모듈을 포함하며,

상기 고정자의 치형 단부 또는 상기 복수의 이동자들의 이동자 치형 단부에, 적어도 하나 이상의 돌기 좌우로 적어도 하나 이상의 영구자석을 가지거나, 극성이 반대로 엇갈려 배치된 복수의 영구자석들을 가지고,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, 상기 복수의 이동자들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제35항에 있어서, 상기 복수의 이동자들은,

전기적으로 위상차 60도 간격 만큼 이격되어 배치된 제 1 이동자 및 제2 이동자를 포함하고,

상기 제 1 이동자의 3의 배수의 이동자 치형들에 권선한 상권선들의 위상이, 인접하는 상권선의 위상 간에 120도 차이가 있는 U,V,W 상으로 이루어지고,

상기 제 2 이동자의 3의 배수의 이동자 치형들에 권선한 상권선들의 위상이, 인접하는 상권선의 위상 간에 120도 차이가 있는 /U,/V,/W 상(여기서, /U는 U와 180도 위상 차이,/V는 V와 180도 위상 차이, /W는 W와 180도 위상 차이)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기기기.
전기기기에 있어서,

고정자와 상기 고정자에 대향하여 운동하고 6개 이상이며 3의 배수의 이동자 치형들이 일체화된 이동자 모듈을 포함하고,

상기 3의 배수의 이동자 치형들에는 인접하는 이동자 치형들 사이에 일정 위상 차이를 가지도록 권선된 상권선들을 가지며,

상기 고정자의 치형 단부 또는 상기 이동자 치형들의 단부에, 적어도 하나 이상의 돌기 좌우로 적어도 하나 이상의 영구자석을 가지거나, 극성이 반대로 엇갈려 배치된 복수의 영구자석들을 가지고,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, 상기 3의 배수의 이동자 치형들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.
전기기기에 있어서,

고정자와 상기 고정자에 대향하여 내전 또는 외전하고 6개 이상이며 3의 배수의 이동자 치형들이 일체화된 회전자를 포함하고,

상기 3의 배수의 이동자 치형들에는 인접하는 이동자 치형들 사이에 일정 위상 차이를 가지도록 권선된 상권선들을 가지며,

상기 고정자의 치형 단부 또는 상기 이동자 치형들의 단부에, 적어도 하나 이상의 돌기 좌우로 적어도 하나 이상의 영구자석을 가지거나, 극성이 반대로 엇갈려 배치된 복수의 영구자석들을 가지고,

전체 권선의 상이 n(n은 자연수)상인 경우에 대하여, 상기 3의 배수의 이동자 치형들은 전기적으로 180/n도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기기.