KR101247779B1 - 전동기 및 발전기 응용들을 위한 현수면 형태의 표면들을 가지는 회전자-고정자 조립체들 - Google Patents

Abstract

하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 표면들을 가지는 전기 전동기 또는 발전기에 사용하기 위한 회전자-고정자 조립체가 제공되어 있다.

Description

전동기 및 발전기 응용들을 위한 현수면 형태의 표면들을 가지는 회전자-고정자 조립체들{Rotor-stator assemblies with catenoid shaped surfaces for motor and generator applications}

이 출원은 다음의 미국 특허 출원들로부터 우선권을 주장한다: 2008년 8월 6일에 출원한 "Hyper-Surface Wind Generator"란 명칭의 미국 특허 출원 제 12/222,272호; 2008년 8월 14일에 출원한 "Motors Having a Hyperbolic Cosine Curve Shape"란 명칭의 미국 특허 출원 제 12/191,917호; 및 2008년 9월 23일에 출원한 "Catenoid Balanced Generator Embedded in Induction Motor"란 명칭의 미국 특허 출원 제 61/099,513호.

본 발명은 전동기들 및 발전기들, 더 구체적으로는 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 표면을 포함하는 회전자 및 고정자를 가지는 전동기들 및 발전기들에 관한 것이다.

다양한 전기 발전기들 및 전동기들이 공지되어 있다. 전기 발전기들은 전자기 유도를 이용하여 기계 에너지를 전기 에너지로 전환한다. 발전기들은 바람을 포함하는, 다수의 전력원들에 의해 구동될 수 있다.

현재 이용가능한 2 가지의 기본 유형의 전동기들은 교류(AC) 전동기들 및 직류(DC) 전동기들이다. AC 전동기들은 유도 전동기들로서 일반적으로 언급된다. 유도 전동기들은 광범위하게 사용되며 일반적으로 이들의 간단하고, 튼튼한 구성, 브러쉬 부족, 제조의 낮은 비용, 및 전동기의 속도를 제어하는 능력 때문에 산업용 전동기들에 대한 바람직한 선택이다. 다른 전동기들과 달리, 유도 전동기들은 전압의 외부 소스에 연결되지 않은 회전자를 가진다. 유도 전동기의 고정자는 컨덕터에서 회전 자기장을 유도하는 공급 전류를 나르는 와인딩된 폴(wound pole)들로 구성되고, 회전자를 돌리게(turn) 한다. 회전자는 도는 것에 자유롭기 때문에, 고정자에서의 회전 자기장이 따라온다.

유도 전동기의 회전자에 회전 자기장을 수립하기 위해, 전자기 폴 쌍의 개수는 인가된 전압에서의 상(phase)의 수(또는 2, 4, 6, 등의 배수)와 동일해야 한다. 폴들은 인가된 전압의 개별 상들 사이의 상 각도와 동일한 각도만큼 서로 떨어져야 한다. 폴들은 인가된 전압의 개별 상들 사이의 상 각도와 동일한 각도만큼 서로로부터 옮겨져야 한다. 그러나, 유도되는 이들 전류에 대해, 물리적 회전자의 속도 및 고정자에서의 회전 자기장의 속도는 달라야 하며, 또는 자기장은 회전자에 대하여 움직이지 않을 것이고 어떠한 전류도 유도되지 않을 것이다.

DC 전동기들은 자속(flux)의 선들에 수직하는 자기장에서의 전류-운반(current carrying) 컨덕터(전기자(armature))를 배치함으로써 동작한다. 컨덕터는 자속의 자기선들에 수직인 방향으로 움직인다. DC 전동기는 서로 상호작용하는 2 개의 자기장의 결과로서 회전한다. 전압은 DC 전압원에 연결되어 있는 콘택들 또는 브러쉬들을 슬라이드함으로써 전기자 코일들을 통해 전송된다. 브러쉬들은 코일 와이어들의 끝에서 발견되며 DC 전압원과의 일시적 전기 연결을 만든다.

본 발명의 내용에 포함되어 있음.

일 실시예에서, 본 발명은 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 고정자 및 고정자에 전자기적으로 결합된 매칭하는 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 회전자를 가지는 개선된 전동기를 포함하며, 이는 종래 기술의 전동기들보다 더 높은 토크 및 더 양호한 전동기 균형을 제공한다. 전동기는 유도 전동기, 직류 전동기, 또는 범용 전동기일 수 있다. 바람직하게는 전동기는 유도 전동기이고 전기가 1차 와인딩에 인가되는 경우 회전 자기장을 발생시키기 위해 1차 와인딩을 수용하기 위한 고정자의 하이퍼볼록 코사인 곡선 형태에 슬롯(slot)들을 포함한다. 이와 같은 유도 전동기는 전기가 1차 와인딩에 적용되는 경우 2차 와인딩과 1차 와인딩 사이의 전자기 유도에 의해 토크를 발생하도록 2차 와인딩에 대한 회전자의 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태 안에 슬롯들을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유도 전동기에서, 회전자 및 고정자는 바람직하게는 동일한 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태를 가지고, 이 형태는 바람직하게는 현수면이다. 일 실시예에서, 유도 전동기의 회전자는 2 개 이상의 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 회전자 부분들을 포함할 수 있고, 또는 대안으로는 제 1 절반-하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 회전자 부분 및 제 2 절반-하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 회전자 부분을 포함할 수 있다. 본 발명의 유도 전동기의 고정자는 마찬가지로 2 개 이상의 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 고정자 부분들을 포함할 수 있고, 또는 대안으로는 상부 절반-하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 고정자 부분 및 하부 절반-하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 고정자 부분을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 본 발명의 유도 전동기는 3 개 이상의 고정자 소자들을 포함하는 고정자 케이지를 포함하는 고정자를 가진다. 고정자 소자들은 각각 라미네이트(laminate)되어 있고, 라미네이션의 각각의 층은 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태를 포함한다. 이와 같은 고정자는 전자석들을 생성하기 위해 고정자 소자들의 각각 주위로 루핑된 와이어 코일들을 더 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 고정자 소자들은 바람직하게는 서로 120 도 전기적으로 떨어져 있다.

또다른 실시예에서, 본 발명의 전동기는 직류 전동기이다. 이와 같은 직류 전동기의 고정자는 바람직하게는 2 개 이상의 전자기장 폴들을 포함하고, 바람직하게는 전자기장 폴들은 하이퍼볼록 코사인 곡선 형태에서 전도성 코어들 위에 와인딩된 절연된 구리 와이어의 코일들을 포함한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 DC 전동기의 회전자 및 고정자는 현수면일 수 있는, 동일한 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태를 가진다. 이와 같은 직류 전동기는 제 1 절반-하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 회전자 부분 및 제 2 절반-하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 회전자 부분으로부터, 또는 대안으로는 2 개 이상의 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 회전자 부분들로부터 제조될 수 있다. 고정자는 마찬가지로, 상부 절반-하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 고정자 부분 및 하부 절반-하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 고정자 부분으로부터, 또는 대안으로는 2 개 이상의 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 고정자 부분들로부터 제조될 수 있다.

본 발명의 또다른 태양은 유도 또는 DC 전동기를 구성하는 방법을 포함한다. 일 실시예에서, 이 방법은 다음의 단계들을 포함할 수 있다:

제 1 단부 및 제 2 단부를 가지는 현수면 형태의 고정자를 제공하는 단계;

고정자의 제 1 단부에 삽입되도록 제 1 절반-현수면 형태의 고정자 부분을 제공하는 단계;

고정자의 제 2 단부에 삽입되도록 제 2 절반-현수면 형태의 고정자 부분을 제공하는 단계;

전동기의 균형을 잡기 위해 제 1 절반-현수면 형태의 고정자 부분 및 제 2 절반-현수면 형태의 고정자 부분을 정렬하는 단계; 및

제 1 절반-현수면 형태의 고정자 부분 및 제 2 절반-현수면 형태의 고정자 부분을 연결하는 단계.

유도 전동기를 구성하기 위한 방법의 또다른 실시예에서, 상기 방법은 다음의 단계를 포함한다:

현수면 형태의 고정자를 제공하는 단계;

고정자의 상부 부분을 덮기 위해 상부 절반-현수면 형태의 고정자 부분을 제공하는 단계;

고정자의 하부 부분을 덮기 위해 하부 절반-현수면 형태의 고정자 부분을 제공하는 단계;

전동기의 균형을 잡기 위해 상부 고정자 부분 및 하부 고정자 부분을 정렬하는 단계; 및

회전자를 에워싸는 하부 고정자 부분에 상부 고정자 부분을 연결하는 단계.

본 발명에 따른 직류 전동기를 구성하는 방법은 다음이 단계들을 포함할 수 있다:

제 1 단부 및 제 2 단부를 가지는 현수면 형태의 고정자를 제공하는 단계;

고정자의 제 1 단부에 삽입되도록 제 1 절반-현수면 형태의 회전자 부분을 제공하는 단계;

고정자의 제 2 단부에 삽입되도록 제 2 절반-현수면 형태의 회전자 부분을 제공하는 단계;

전동기의 균형을 잡기 위해 제 1 절반-현수면 형태의 회전자 부분 및 제 2 절반-현수면 형태의 회전자 부분을 정렬하는 단계; 및

제 1 절반-현수면 형태의 회전자 부분 및 제 2 절반-현수면 형태의 회전자 부분을 연결하는 단계.

또다른 실시예에서, 본 발명에 따른 직류 전동기는 다음 단계들을 가지는 방법에 의해 제조될 수 있다:

현수면 형태의 회전자를 제공하는 단계;

회전자의 상부 부분을 덮기 위해 상부 절반-현수면 형태의 고정자 부분을 제공하는 단계;

회전자의 하부 부분을 덮기 위해 하부 절반-현수면 형태의 고정자 부분을 제공하는 단계;

전동기의 균형을 잡기 위해 상부 고정자 부분 및 하부 고정자 부분을 정렬하는 단계; 및

회전자를 에워싸는 하부 고정자 부분에 상부 고정자 부분을 연결하는 단계.

또다른 실시예는 복수의 회전자들이 병렬로 적층되어 있는 적층가능한 풍력 발전기로 지향되어 있다. 이와 같은 발전기들은 많은 양의 전기 에너지를 발생하고, 높은 효율성을 제공하며, 원하지 않는 방향에서의 진동을 억제할 수 있다. 특히, 본 발명의 적층가능한 초곡면(hyper surface) 풍력 발전기는 복수의 고정자 플레이트, 복수의 회전자 플레이트 및 복수의 회전자 플레이트를 구동할 수 있는 복수의 블레이드를 포함하고, 복수의 고정자 플레이트들에 대하여 복수의 회전자 플레이트들의 회전은 각각의 고정자 플레이트 상에 위치한 복수의 코일들에서 전기를 유도하고, 고정자 플레이트들 및 회전자 플레이트들 중 적어도 하나는, 고정자 플레이트들 및 회전자 플레이트들 중 적어도 하나의 개별 반경이 축 방향을 따라 변하도록 샤프트와 동축으로 배열되어 있다.

또다른 태양에서, 바람의 운동 에너지를 사용하여 전기 에너지를 발생할 수 있는 전기 발전기는 제 1 복수의 회전자 플레이트들, 제 2 복수의 회전자 플레이트들, 및 제 1 복수의 회전자 플레이트을 구동할 수 있는 제 1 복수의 블레이드들을 포함하고, 제 2 복수의 블레이드들은 제 1 복수의 블레이드들에 대하여 역회전(counter-rotation)을 할 수 있도록 형성되어 있으며, 제 2 복수의 회전자 플레이트들에 대하여 제 1 복수의 회전자 플레이트들의 회전은 제 2 복수의 회전자 플레이트들 위에 위치한 복수의 코일에서 전기를 유도하며, 제 1 및 제 2 복수의 회전자 플레이트들 중 적어도 하나는, 제 1 및 제 2 복수의 회전자 플레이트들 중 적어도 하나의 개별 반경이 축 방향을 따라 변하도록 샤프트와 동축으로 배열되어 있다.

본 발명의 내용에 포함되어 있음.

도 1은 현수면(catenoid)의 투시도이다.
도 2는 역-현수면의 투시도이다.
도 3은 막대 자석 주변의 자기장들을 도시하는 막대 자석에 관한 도면이다.
도 4는 현수선(catenary) 곡선의 하이퍼볼릭 코사인 함수 및 토러스(torus)에 관한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 따른 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 고정자에 관한 투시도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 회전자에 관한 투시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 현수면 회전자에 관한 분해도이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 완전한 현수면 유도 전동기에 관한 투시도이다.
도 9a는 종래 기술의 직류 전동기에 관한 단면도이다.
도 9b는 도 9a의 종래 기술의 직류 전동기에 관한 단면 투시도이다.
도 10a는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 직류 전동기에 관한 단면도이다.
도 10b는 도 10a의 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 직류 전동기에 관한 단면 투시도이다.
도 11은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 수직-축 풍력 터빈(vertical axis wind turbine: VAWT)에 관한 투시도이다.
도 12는 도 10의 예시적 실시예에 따른 VAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들 및 고정자들에 관한 투시도이다.
도 13은 도 10의 예시적인 실시예에 따라 VAWT 발전기 내의 복수의 코일들을 포함하는 단일 고정자에 관한 투시도이다.
도 14는 도 10의 예시적 실시예에 따른 VAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들 및 고정자들에 대한 단면도이다.
도 15는 도 10의 예시적 실시예에 따른 VAWT 발전기 내의 적층가능한 고정자들에 관한 측면도이다.
도 16은 본 발명의 또다른 예시적 실시예에 따른 역회전 수직축 풍력 터빈(VAWT) 발전기에 관한 투시도이다.
도 17은 도 16의 예시적 실시예에 따른 역회전 VAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들 및 고정자들에 관한 투시도이다.
도 18은 도 16의 예시적인 실시예에 따른 역회전 VAWT 발전기 내의 복수의 코일들을 포함하는 단일 고정자의 투시도이다.
도 19는 도 16의 예시적인 실시예에 따른 역회전 VAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들 및 고정자들에 관한 단면도이다.
도 20a는 도 16의 예시적인 실시예에 따른 VAWT 발전기 내의 역회전가능한 내부 파이프에 관한 투시도이다.
도 20b는 도 16의 예시적인 실시예에 따른 VAWT 발전기 내의 역회전가능 외부 파이프에 관한 투시도이다.
도 20c는 도 16의 예시적인 실시예에 따른 VAWT 발전기 내에 역회전 파이프들에 관한 투시도이다.
도 21a-21c는 도 16의 예시적인 실시예에 따른 역회전 VAWT 발전기를 만드는 방법을 나타내는 투시도들이다.
도 22는 도 16의 예시적인 실시예에 따른 역회전 VAWT 발전기 내의 적층가능 회전자 세그먼트들에 관한 측면도이다.
도 23a-c는 본 발명의 또다른 예시적 실시예에 따른 수평-축 풍력 터빈(HAWT) 발전기의 전면도, 투시도 및 측면도이다.
도 24는 도 23a-c의 예시적 실시예에 따른 HAWT 발전기기 내의 적층가능한 회전자에 관한 투시도이다.
도 25는 도 23a-c의 예시적 실시예에 따른 HAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들 및 고정자들의 투시도이다.
또 26은 도 23a-c의 예시적 실시예에 따른 HAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들 및 고정자들의 측면도이다.
도 27은 결합된 현수면 전동기 및 발전기의 실시예에 관한 측면도이다.
도 28은 그래프 상에 중첩된 현수면 발전기를 포함하는 팬에 관한 도면이다.
도 29는 유도 전동기 및 발전기 결합의 실시예에 관한 투시도이다.
도 30은 유도 전동기 및 발전기 결합의 또다른 실시예예 관한 투시도이다.
도 31은 유도 전동기 및 발전기 결합의 또다른 실시예에 관한 투시도이다.

본 발명의 특징을 설명하는데 있어, 다음의 용어 및 이의 변형이 사용되며, 이와 같은 용어들은, 다른 의미가 이와 같은 용어를 사용하는 맥락에 의해 명백히 의도되지 않는다면, 이하 주어진 의미들을 가진다.

"케이지(cage)"는, 움직이는 자기장이 짧은 컨덕터들에서 전류를 유도하는 경우 회전하는 "농형(squirrel cage)"을 완성하는 농형 회전자의 단락-회로 엔드 링(end ring)들을 말한다.

"현수선(catenary)"은 자신의 무게 하에서 2 개의 포인트들로부터 걸리는 균일한 밀도의 플렉서블 케이블에 의해 형성되는 것과 같은, y=a cosh(x/a)의 카테시안 방정식을 이용한 곡선을 말한다. 예를 들어, 서스펜션 브리지(suspension bridge)의 케이블들 및 이의 형태로부터 전화 폴들에 부착된 케이블들이다.

"현수면(catenoid)"란 카테시안 좌표 평면에서 x-축 주위의 현수선 곡선을 회전함으로써 형성된 3차원 형태를 말한다.

"현수면 형태"란 카테시안 좌표 평면에서 x-축 주위의 하이퍼볼릭 코사인 곡선 또는 역 하이퍼볼릭 코사인 곡선 중 하나를 회전함으로써 형성된 3차원 형태를 말한다. 현수면들 및 역 현수면들은 현수면 형태이다. "실질적으로 현수면 형태" 또는 유사한 관련물은 10% 이하로 현수면 형태와 다른 형태를 말하여, 실질적으로 현수면 형태를 포함하는 회전자 또는 고정자의 표면은 10%까지 회전자 또는 고정자의 회전의 축에 더 가깝거나 또는 더 멀 수 있다. 본 개시내용에서, 현수면 형태들에 대한 언급은 달리 요구되거나 또는 표시되지 않는다면, 실질적으로 현수면 형태들을 포함하는 것으로 일반적으로 이해된다.

"통신"이란 DC 전압 출력이 전기자 안에 유도된 교류 전압을 가지는 전자기로부터 취해지는 프로세스를 말한다.

"하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태(hyperbolic cosine curve shape)"란 카테시안 좌표 평면에서 x-축 주위의 하이퍼볼릭 코사인 곡선을 회전함으로써 형성된 3차원 형태를 말한다.

"회전자"란 예를 들어, 주조-알루미늄 컨덕터들 또는 구리 컨덕터들과 같은, 컨덕터들을 수신하기 위한 슬롯들을 가지는 라미네이션된, 원기둥 철심(iron core)으로 전형적으로 구성된, 전동기, 발전기 또는 교류발전기(alternator)의 회전 구성요소를 말한다.

"고정자"란 스틸 라미네이션들 내에 구리 와인딩들로 전형적으로 이루어진 회전하지 않는 전동기, 발전기 또는 교류발전기의 고정된 부품을 말한다.

"토로스(torus)"란 원에 닿지 않는, 원과 동-평면의 축에 대해 3차원 공간에서의 원을 회전함으로써 발생된 회전의 표면을 말한다. 예를 들어, 도넛 또는 내측 튜브(inner tube)가 토로스의 각각의 예들이다.

"와인딩(winding)"이란 일반적으로 스틸인 코어 주위로 감긴(wrapped), 구리 와이어로 전형적으로 만들어진, 코일 또는 코일들을 말한다. 교류 유도 전동기에서, 1차 와인딩은 스틸 라미네이션들 내의 슬롯들로 삽입된 와이어 코일들로 전형적으로 이루어진 고정자이다. 교류 유도 전동기의 2차 와인딩은 전형적으로 회전자이다.

"범용 전동기"란 교류 전원 또는 직류 전원 중 하나를 사용할 수 있는 전동기를 말한다.

"포함하는(comprising)" 및 "포함한다(comprises)"와 같은 "포함한다(comprise)"란 용어 및 이 용어의 변형은 다른 추가항목, 구성요소, 정수 또는 단계를 배제하는 것으로 의도되어 있지 않다. "a", "an" 및 "the"란 용어 및 본 발명에 사용된 유사한 관련물들이 맥락에서 다른 사용이 달리 표시하지 않는다면 단수 및 복수 모두를 포함하도록 구성된다.

현수면 형태들

본 발명의 전동기들, 발전기들 및 이들의 결합은 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태 또는 역하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태를 포함하는 외부 표면 또는 표면들을 가지는 고정자들 및 회전자들을 포함한다. 이와 같은 회전자들 및 고정자들의 사용을 통해, 본 발명의 전동기들 및 발전기들은, 이들이 전동기 또는 발전기의 회전에 의해 발생된 전자기장을 오히려 관통하기 때문에 균형이 더 유지되며, 또한 더 효율적일 수 있다.

도 1에 도시된 현수면은 다음의 형태(식 1)에 표현될 수 있는 회전의 표면이다:

도 2에 도시된 역 현수면은 다음의 형태(식 2)로 표현될 수 있는 회전의 표면이다:

본 발명의 전동기들에서의 현수면 형태들을 사용하는 이점은 예를 들어, 도 1을 참고로 하여 알 수 있다. 현수면(700)에서의 토크는 현수면(700)의 반경(704)이 cosh (x)의 함수에 따라 증가하는 경우 증가하고, 따라서 현수면 표면을 포함하는 회전자들을 가지는 전동기들은 종래 전동기들에서와 같이, 원기둥 형태를 가지는 것 대신에 현수면의 반경(704)을 매치함으로써 증가된 토크를 발생시킨다. 발전기 응용들에서의 현수면 형태들의 사용은 토크에서의 증가 때문에 본 발명의 발전기들보다 더 많은 에너지를 발생시킨다.

증가된 힘 및 에너지를 제공하는 것 외에, 현수면(700)와 같은, 현수면 형태들은 원기둥보다 더 양호한 균형을 제공할 것이다. 질량(mass)(702)의 중심은 현수면(700)에 대해 유도되며 마지막 포인트(705)들로부터 거리의 대략 절반에 있는 반면, 현수면(700)에 대한 관성 질량은 현수면(700)의 마지막 포인트(705)에서 원형 디스크(circular disk)의 합으로 계산될 수 있다. 그러므로, 현수면 형태의 회전자는 중간 포인트에 질량(702)의 중심을 가지지만 하이퍼볼릭 반경(704) 위에 위치된 관성 질량을 가지는 반면, 원기둥은 중간 포인트에서 질량의 중심 및 관성 질량을 가진다.

현수면 형태들을 포함하는 회전자들 및 고정자들의 이점은 도 3 및 4를 참고로 하여 설명될 수 있다. 도 3은 막대 자석(400)을 둘러싼 자기장(406)들을 설명하며, 이는 제 1 자기장 포인트(402), 막대 자석(400) 상의 가장 세고 가장 직선의 포인트, 및 막대 자석(400)을 둘러싼 자기장(406)들의 곡선 부분을 나타내는 제 2 자기장 포인트(404)를 포함한다. 제 1 자기장 포인트(402) 및 제 2 자기장 포인트(404)가 모두 곡선의 자기장들이기 때문에, 제 2 자기장 포인트(404)는 제 1 자기장 포인트(402) 만큼 많은 자기장(406)을 가질 것이다.

종래의 유도 전동기들 및 발전기들은 토크 또는 에너지를 생성하기 위해, 자기장들의 가장 직선의 영역, 제 1 자기장 포인트(402)를 사용한다. 대조적으로, 본 발명의 회전자들 및 고정자들은 제 2 자기장 포인트(404)에 대하여 곡선의 포인트들에서 에너지를 생성하거나 힘을 유도한다. 자기장(406)들의 고유 곡선 때문에, 자기장 상의 가장 직선인 포인트는 사실 곡선이다.

도 4는 토러스 원(602) 및 현수선 곡선의 하이퍼볼릭 코사인 함수(604, 606)의 그래프이다. 알 수 있는 바와 같이, 하이퍼볼릭 코사인 함수(604)의 호(arc)는 토러스 원(602)의 일부로 맞추어진다. 정사각형(608)은 더 잘 설명되어 있는 플롯된 곡선 함수들에 대해 카테시안 평면상의 포인트 (0.5, 0.5), (0.5, 0.5)에 그래프된다. 토러스 원(602)의 호 부분은 x-축의 0 내지 0.5에 위치한 호 포인트의 범위를 가지고, 하이퍼볼릭 코사인(604) 또는 역 하이퍼볼릭 코사인 함수를 매치하도록 설정될 수 있다. 이 수학적 함수는 현수면(604)이 낮은 범위에서 토러스로 직접적으로 내장될 수 있음을 나타낸다. 토러스 원(602) 안에 형성되는 원의 호는 하이퍼볼릭 코사인 함수, 더 구체적으로는 현수선(604)이다. 토러스 원(602) 및 현수면(604)는 2 개의 다른 형태들이고, 그러나 그래프의 x 축 상의 카테시안 좌표들 0 내지 0.5에서 원의 공통의 호 포인트를 공유한다. 알 수 있는 바와 같이, 현수선 곡선의 최대 카테시안 좌표 y값은 1.2이고, 이는 정사각형(608)의 끝에서부터 20% 반경 증가이다.

현수면 형태들을 포함하는 본 발명의 회전자들 및 고정자들의 표면은 현수면 또는 역 현수면 형태를 정확하게 (매치하도록) 따르는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 회전자들, 고정자들 또는 이들의 일부의 직경에서의 차이가 10%에 달하는 현수면 또는 역 현수면의 형태에서 편차를 가져올 수 있어, 회전자 또는 고정자의 표면이 10% 까지 회전자 또는 고정자의 회전의 축으로부터 더 가깝거나 또는 더 멀 수 있음을 이해해야 하며, 이 경우에 회전자-고정자 조립체의 회전의 축과 회전자 또는 고정자의 표면 사이의 거리는 10 % 만큼 수학적으로 유도된 현수면 형태보다 더 크거나 또는 더 작다. 이와 같은 차이들은 특정 실시예들에서의 다른 설계 파라미터들로부터 또는 제조 허용오차들로부터 생길 수 있다. 바람직하게는, 고정자와 회전자 표면들은 수학적으로 유도된 현수면 형태로부터 5% 미만만큼, 더 바람직하게는, 2% 미만만큼, 더 바람직하게는 1% 미만만큼 벗어난다.

회전자-고정자 조립체들

본 발명의 회전자-고정자 조립체들의 고정자들 및 회전자들은 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태 또는 역 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태를 가지는 표면 또는 표면들을 포함한다. 일 실시예에서, 회전자-고정자 조립체의 회전자만이 현수면 형태를 가지는 표면을 포함하고, 이는 회전자의 회전 동안 조립체에 더 큰 균형을 제공한다. 그러나, 조립체로부터 최대 효율성 및 토크를 달성하기 위해, 회전자 및 고정자 모두는 현수면 형태를 가지는 표면들을 포함한다.

바람직한 실시예에서, 현수면 형태를 가지는 회전자 또는 고정자의 표면은 연속적인 표면이다. 예를 들어, 도 6의 회전자(900)의 현수면 표면(901), 및 도 10a 및 10b의 회전자-고정자 조립체는 이와 같은 연속적 표면들을 예시하고 있다. 대안으로는, 회전자들 및/또는 고정자들은 현수면 형태의 경계들과 외부 표면들이 접촉하는 불연속적 세그먼트들 또는 부분들로부터 형성될 수 있고, 따라서 현수면 형태를 포함하고 이에 순응한다. 전체적으로, 이와 같은 회전자에서의 외부 표면들은 현수면 형태를 포함하지만, 그러나 불연속적 방식으로 포함한다. 도 12 및 17은 외부 표면들이 역 현수면(190C 및 1090C, 각각)을 포함하는 세그먼트들로부터 형성된 회전자들(150 및 1050, 각각)을 예시하고, 즉, 이와 같은 외부 표면들은 현수면 형태의 표면에 순응한다.

다양한 유형의 회전자들 및 고정자들은 본 발명의 회전자-고정자 조립체들에 사용될 수 있다. 유도 전동기들 및 발전기들에서, 회전자는 예를 들어, 농형 회전자일 수 있다. 이와 같은 회전자들은 일반적으로 회전자의 길이를 포괄하는 (span) 고체 구리 또는 알루미늄 중 하나의 막대들을 포함하고, 케이지같은 형태를 형성하는, 각각의 단부에서 고리를 통해 연결된다. 농형 회전자의 코어는 철 라미네이션들의 스택으로 전형적으로 만들어진다. 그러나, 이러한 유형의 회전자의 컨덕터들은 잡음을 줄이기 위해 회전자의 길이를 따라 약하게 비스듬히 움직이고 고정자와의 폴 조각들과의 상호작용 때문에 일어나는 토크 변동을 제거할 필요가 있다.

슬립 링 회전자들은 또한 본 발명의 조립체들에 사용될 수 있다. 슬립 링 회전자는 회전하는 조립체를 통해 전기적 연결을 만들며, 일반적으로는 회전식 전기 인터페이스들, 회전 전기 커넥터들, 콜렉터들, 스위블(swivel)들 또는 전기 회전 조인트들로 또한 불리는, 슬립 링들의 사용을 요구하고, 이는 샤프트 상에 장착되고 이로부터 절연된 전도성 원 또는 밴드로 구성된다. 전기는 슬립 링과 접촉하는 고정된 콘택들 또는 브러쉬들을 사용하여 회전자로부터 슬립 링으로 전송된다.

다른 회전자-고정자 조립체들은 또한 본 발명에 설명된 바와 같이, 현수면 형태를 가지는 표면들을 포함할 수 있다. 예를 들어, DC 전동기들은 또한 도 10a 및 10b에 도시된 바와 같이, 이와 같은 회전자들 및 고정자들을 포함할 수 있다.

전동기들

도 5는 본 발명의 전동기에서의 사용을 위한 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 표면을 포함하는 고정자(800)를 도시하고 있다. 바람직한 실시예에서, 표면은 현수면이다. 현수면 형태의 고정자(800)는 라미네이트되고 고정자 소자들(802, 804, 806)에 의해 생성된 현수면 형태의 곡선들을 가지는 현수면 형태의 케이지(808)을 형성하는 고정자 소자들(802, 804, 806)을 포함한다. 일 실시예에서, 와이어 코일은 3상 전동기에 대해, 전기적으로 120 도 떨어져 있는 전자석들을 생성하기 위해 각각의 고정자 소자들(802, 804, 806) 주위로 루핑될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이퍼볼릭 코사인 형태의 회전자(900)를 나타낸다. 하이퍼볼릭 코사인 형태의 고정자들 및 회전자들이 바람직하게는 고체인 경우, 제조 또는 비용 고려사항은 이들이 전체적으로 고체가 아니거나 또는 이들이 이후 합쳐지는 조각들로 제조되는 것에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 바람직한 실시예에서, 2 개 이상의 현수면 회전자 부분들(902 및 904)은 개별적으로 제조될 수 있고 현수면 형태의 고정자(800) 내부에 완전한 현수면 형태의 회전자(900)을 형성하기 위해 전동기 샤프트(910) 주위로 함께 합쳐진다. 일 실시예에서, 스틸 링(906 및 908)들은 함께 2 개의 절반부를 합하기 위한 수-암(male to female) 연결부들을 포함할 수 있다. 또다른 실시예에서, 구리 단부 링(914 및 916)들은 나사 로드(threaded rod)들이 함께 2 개의 절반의 현수면 회전자 부분들(902 및 904)을 고정하도록 위치될 수 있는 홀들을 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 현수면 형태의 회전자(900) 및 현수면 형태의 고정자(800)는 전통적 원기둥 형태의 회전자(102)보다 더 많은 토크 및 더 양호한 균형을 제공한다. 추가로, 현수면 형태의 회전자(900)의 외부 반경의 부분(914)은 전동기에 더 많은 균형을 제공한다. 두꺼운 구리 와이어(916)는 현수면 형태의 고정자(800)의 회전 자기장과 현수면 형태의 회전자(900) 사이의 유도를 제공하도록 하이퍼볼릭 코사인 함수를 따라 곡선이 그려진 라미네이션된 스틸 디스크(918)의 표면 위에 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 라미네이션된 스틸 디스크(914)는 두꺼운 구리 와이어(916)를 지지하고 마지막 포인트들에서 단락되어 그래서 현수면 형태의 고정자(800)에 의해 현수면 형태의 회전자(900)로 유도된 전자기장과 간섭하지 않을 것이다. 더 두꺼운 스틸 고리들(906 및 908)은 2 개의 절반의 현수면 회전자 부분들(902 및 904)을 결합(mate)하는데 사용될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 완전히 조립된 현수면 회전자를 도시하고 있다. 전동기 샤프트(952)는 현수면 회전자(950)의 중심을 통하여 위치되며 칼라들(collars)(954 및 956)을 사용하여 위치로 고정된다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 완전한 현수면 유도 전동기(960)를 도시한다. 전동기(960)는 고정자(964)로 전자기적으로 연결되어 있는 현수면 회전자(962)를 포함한다. 현수면 회전자(962)는 일을 수행하기 위해 로드(966)에 물리적으로 연결되어 있다.

종래 기술의 직류 전동기(1200)에 관한 단면도가 도시되어있는, 도 9a 및 9b를 참고로 한다. 알 수 있는 바와 같이, 전형적인 종래 기술의 직류 전류 전동기(1200) 또는 전동기의 구성에 좌우하는 직류 발전기는 원기둥 형태의 회전자 부분(1204)에 전기적으로 연결되어 있는 원기둥 형태의 고정자 부분(1202)을 포함한다. DC 전동기는 필드 폴들 사이의 공간에서 베어링들을 턴온하는 정지된 자기장 폴들 및 전기자를 포함한다. DC 전동기의 전기자는 전형적으로 정류자(commutator) 세그먼트들에 연결된 와인딩들을 포함한다.

종래 기술의 직류 전류 전동기(1200)의 단점은 회전자(1204) 및 고정자(1202)의 형태로부터 온다. 종래 기술의 직류 전류 전동기(1300)는 힘의 전자기 자속 라인들을 커팅함으로써 움직임을 제공하거나 또는 전기를 발생한다. 그러나, 종래 기술의 직류 전동기의 원기둥 형태는 힘의 전자기 자속 선들의 작은 부분과 상호작용할 뿐이므로, 이에 의해 효율성을 감소시킨다.

본 발명의 또다른 실시예에 따른 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 직류 전동기(1300)가 도시되어 있는 도 10a 및 10b를 참고한다. 고정자(1302)는 2 개 이상의 전자기장 폴들을 포함한다. 2 개 이상의 전자기장 폴들은 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태에서 전도성 코어들 상에 감겨진 절연 구리 와이어의 코일들을 포함할 수 있다. 직류 전동기(1300)는 또한 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태를 가지는 전기자 회전자(1304)를 가진다. 바람직한 실시예에서, 회전자(1304) 및 고정자(1302)는 동일한 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태를 가져, 고정자(1302)와 마주하는 회전자(1304)의 표면은 회전자(1304)와 마주하는 고정자(1302)의 표면의 역이다. 특히 바람직한 실시예에서, 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태는 현수면이다.

직류 전동기(1300)를 구성하기 위해, 회전자(1304)의 2 개의 부분들은 회전자(1304)가 제 1 절반-하이퍼볼릭 코사인 형태의 회전자 부분 및 제 2 절반-하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 회전자 부분을 포함하도록 개별적으로 구성될 수 있다. 직류 전동기(1300)를 구성하는 또다른 방법은 직류 전동기(1300)의 고정자(1302) 일부 내에 조립되어 있는 2 개 이상의 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 회전자 부분들을 회전자가 포함하게 하는 것이다. 대안으로는, 고정자(1302)는 고정자(1302)가 회전자(1304) 주위에 배치될 수 있는 상부 절반-하이퍼볼록 코사인 곡선 형태의 고정자 부분 및 하부 절반-하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 고정자 부분을 포함하도록 부분들로 구성될 수 있고, 이는 이전에 설명된 바와 같이 개별 조각들로 또는 단일 완전한 유닛으로서 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 고정자(1302)는 회전자(1304) 주위로 구성되고 조립될 수 있는 2 개 이상의 현수면 형태의 고정자 부분들을 포함한다. 비록 AC 및 DC 전동기들이 각각 설명되어 있더라도, 당업자는 (유도 전동기 및 직류 전동기를 모두 가지는) 범용 전동기가 본 발명에 설명된 바와 같이 하이퍼볼릭 코사인 곡선 형태의 회전자들 및 고정자들을 포함할 수 있음을 이해할 것이다.

발전기들

유도성 소자들 즉, 와이어 또는 코일이 자기장 내에 위치하는 경우 및 유도성 소자가 자기장 내에서 회전하는 경우, 전류는 유도 소자 내에서 유도된다. 유도된 전류의 크기는 자기장의 세기, 유도성 소자의 길이, 및 유도성 소자가 자기장 내에서 움직이는 속도에 좌우된다. 자기장의 세기는 더 높은 자화를 가지는 자석을 사용함으로써 향상될 수 있다. 그러나, 고유 물질 특성들 때문에 자석들의 세기에 한계가 존재한다. 따라서, 본 발명의 태양들에 따르면, 발전기들의 효율성은 발전기의 구조 및 설계를 변경함으로써 향상된다. 본 발명의 예시적 실시예에서, 복수의 회전자들 및 복수의 고정자들은 효율성을 향상시키기 위해 적층되며, 이에 의해 유도된 전류의 크기를 증가시킨다.

도 11은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 수직-축 풍력 터빈(VAWT) 발전기에 관한 투시도이다. 도 12는 도 11의 예시적 실시예에 따른 VAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들 및 고정자들에 관한 투시도이고, 도 13은 도 11의 예시적 실시예에 따른 VAWT 발전기 내의 복수의 코일들을 포함하는 단일 고정자에 관한 투시도이고, 도 14는 도 11의 예시적 실시예에 따른 VAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들 및 고정자들의 단면도이다. VAWT 배열의 중요한 이점들은 블레이드(130)들이 전기를 발생하기 위해 바람으로 향하게 될 필요가 없다는 점이다. 이는 바람 방향이 크게 가변적인 장소들에서 유리하다. 다시 말하면, VAWT들은 바뀌는 방향들로부터 바람을 활용할 수 있다. 수직축 터빈 발전기들(100)은 땅에 설치될 수 있다. 대안으로는, 바람의 속도가 일반적으로 더 높은 고도에서 더 빠르기 때문에, 수직축 터빈 발전기들(100)은 타워들 또는 빌딩 지붕들 상에 장착될 수 있다.

도 11-14에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 VAWT 발전기(100)의 예시적 실시예는 프레임(110), 프레임(11)에 회전가능하게 연결된 샤프트(120), 베이스(140)을 통해 샤프트(120)에 연결되어 있는 복수의 블레이드(130)들, 회전가능 샤프트(120)에 연결되어 있는, 복수의 영구 자석들(150M), 및 복수의 코일들(180C)을 포함하는 복수의 고정자들(180)을 포함한다. VAWT들 내의 복수의 고정자들(180) 및 복수의 회전자들(150)은 수직으로 배열되어 있다. VAWT 발전기(100) 내의 회전하는 블레이드들(130)은 바람의 방향에 상관없이 바람의 운동 에너지를 샤프트(120)의 회전 운동량으로 전환한다. 복수의 회전자들(150)이 회전하는 경우, 복수의 고정자들(180) 내의 복수의 코일들(180C) 및 와이어들(180W)은 복수의 회전자들(150) 내의 복수의 영구 자석들(150M)에 의해 발생된 자기장에서의 변화를 겪는다. 따라서, 전기는 복수의 고정자들(180) 내의 복수의 코일들(180C) 및 와이어들(180W)에서 발생된다.

도 12 및 14에 도시된 바와 같이, 복수의 회전자들(150)은 복수의 회전자 플레이트들(150P) 및 복수의 교류 자석들(150M)을 포함한다. 복수의 회전자 플레이트들(150P)은 로드(rod)(160)에 의해 서로 고정되어 있다. 각각의 회전자(150)는 각각의 고정자(180) 사이에 개재되어 있고 발전기(100)의 효율성을 향상시키도록 적층되어 있어, 이에 의해 유도된 전류의 전체 크기를 증가시킨다.

도 13에 도시된 바와 같이, 단일 고정자 플레이트(180P) 내의 서로에 복수의 코일들(180C)을 전기적으로 연결하는 각각의 고정자(180) 상의 3 개의 세트들의 와이어들(180W)이 존재한다. 물론, 그 이상 또는 이하의 세트들의 와이어들이 사용될 수 있다. 비록 완벽히 도시되어 있지 않더라도, 각각의 코일(180C)은 입력 및 출력 와이어들을 가진다. 서로 복수의 코일(180C)을 전기적으로 연결하는 3 개의 쌍의 와이어들(180W)를 형성하는 각각의 코일의 입력 및 출력 와이어들은 도 13에 도시되어 있다. 그러나, 허브(170) 내의 홀들(170H)을 관통하도록 연결되어 있는 각각의 코일의 입력 및 출력 와이어들이 도시되어 있다. 안정화 나사(170S)들은 허브(170)와 함께 와이어들을 캐스트(cast)하는데 사용될 수 있다. 허브(170) 내의 홀들(170H)은 고정자(180)의 다음 스택으로 와이어가 관통하는데 사용된다. 허브(170)는 알루미늄, 또는 다른 적합한 물질을 포함하는 금속으로 만들어질 수 있다.

본 발명의 예시적 실시예에서, 풍력 발전기(100)는 난기류 때문에 원하지 않은 방향들에서의 진동이 억제될 수 있기 때문에 신뢰성 있으며 안정적이다. 기준 포인트 주위로 회전하는 물체의 각 운동량은 외부 토크가 적용되지 않는 한 포인트 주위로 계속하여 물체가 회전하는 정도의 측정이다. 수학적으로, 물체가 회전하는 축 상에 포인트에 관하여 각 운동량은 물체의 질량, 및 축의 질량의 거리에 관련된다. 각 운동량의 보존의 이론에 따르면, 시스템의 각 운동량은 외부 토크가 이에 따라 행동하지 않는 한 일정하게 유지된다. 다시 말하면, 토크는 각 운동량이 시스템으로 또는 밖으로 전달되는 레이트이다.

따라서,어떠한 외부 토크도 시스템 내의 물체들에 적용되지 않는 폐쇄형 시스템에서, 각 운동량의 시간 도함수, 즉 토크는 0이다. 각 운동량의 보존의 예는, 아이스 스케이트를 타는 사람이 그의 팔과 다리를 회전의 축에 가깝게 가져오는 경우 이 사람에게서 쉽게 볼 수 있다. 각 운동량이 물체의 속도와 회전의 축으로의 물체의 거리의 곱이기 때문에, 스케이트 타는 사람의 각 속도는 회전의 축에 이 사람의 몸을 가깝게 가져감으로써 필연적으로 증가하여, 이에 의해 관성의 몸의 전체 모멘트를 감소시킨다.

풍력 발전기(100)의 복수의 블레이드(130)는 복수의 회전자(150)의 회전 운동들로 바람의 선형 운동을 전환하도록 설계되어 있다. 이상적인 조건에서, 복수의 회전자(150)는 복수의 회전자(150)가 샤프트(102) 주위로 회전하는 스핀 각 운동량을 가질 뿐이다. 그러나, 블레이드(130)들이 이상적이지 않고 또한 바람의 방향이 공간에서 동일하지 않기 때문에, 복수의 회전자(150)는 외부 토크가 블레이드들(130)에 적용되는 경우 스핀 각 운동량을 가질 뿐만 아니라, 또한 0이 아닌 오비탈 각 운동량을 가진다. 오비탈 각 운동량은 샤프트(120)의 오비탈 운동이고, 이는 풍력 발전기(100)의 진동을 유발하며 또한 복수의 회전자(150)와 복수의 고정자(180) 사이의 마찰을 발생시킨다. 따라서, 0이 아닌 오비탈 각 운동량을 가지는 것은 스핀 각 운동량을 감소시킬 수 있어 이에 의해 풍력 발전기(100)의 효율성을 저하시킨다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 적층된 회전자(150)들 및 고정자(180)들의 기하학적 치수들이 오비탈 각 운동량을 억제하도록 설계되어 이에 의해 풍력 발전기의 신뢰성 및 안정성을 향상시킨다. 바람직한 실시예에서, 적층된 회전자들은 전체 발전기(100)의 표면 영역을 유지하는 동안 질량의 더 큰 반경 중심을 가지기 위해, 현수면 또는 역 현수면 구성의 윤곽을 따르는 외부 표면들을 포함한다.

도 15는 도 10의 예시적 실시예에 따르면 VAWT 발전기 내의 적층가능한 고정자들에 관한 도면이다. 도 15에서, 회전자들은 구조를 간단히 하기 위해 도시되어 있지 않다. 도 15에 도시된 바와 같이, 고정자(180)의 각각의 층 내의 복수의 코일들(180C)은 구(190S)를 형성하도록 구조되어 있다. 추가로, 도 12에 도시된 바와 같이, 복수의 회전자 플레이트들(150P)은 역 현수면 표면(190C)을 형성하기 위해 구조되어 있다. 복수의 회전자(150) 및 고정자(180)의 이들 기하학적 치수들은 복수의 회전자(150) 및 고정자(180)의 오비탈 각 운동량을 억제하여 이에 의해 풍력 발전기의 신뢰성 및 안정성을 향상시킨다.

또다른 예시적 실시예에서, 복수의 코일들(180C)의 길이는 축 방향을 따라 변할 수 있다. 더 구체적으로는, 복수의 코일(180C)의 길이는 증가될 수 있고 이어서 축 방향을 따라 감소될 수 있다.

또다른 예시적 실시예에서, 고정자(180)의 각각의 층 내의 복수의 코일들(180C) 및 복수의 회전자 플레이트들(150P)은 개별 반경이 축 방향을 따라 변하도록 축 방향에 배열될 수 있다. 더 구체적으로는, 고정자(180)의 각각의 층 내의 복수의 코일들(180C)은 개별 반경이 선형으로 증가되고 이어서 축 방향을 따라 감소되도록 축 방향에 배열되어 있으며 동시에, 개별 반경이 선형으로 증가되고 이어서 축 방향을 따라 감소되도록 복수의 회전자 플레이트들(150P)은 축 방향에 배열될 수 있다. 또다른 실시예에서, 고정자(180)의 각각의 층 내의 복수의 코일(180C)은 개별 반경이 선형으로 감소되고 이어서 축 방향을 따라 증가하도록 축 방향에 배열되어 있으며 동시에, 복수의 회전자 플레이트들(150P)은 개별 반경이 선형으로 감소되고 이어서 축 방향을 따라 증가하도록 축 방향에 배열되어 있다. 또다른 예시적 실시예에서, 고정자(180)의 각각의 층 내의 복수의 코일(180C)은 현수면 표면을 형성하도록 구조될 수 있고, 동시에 복수의 회전자 플레이트들(150P)은 현수면 표면을 형성하도록 구조될 수 있다. 또다른 예시적 실시예에서, 고정자(180)의 각각의 층 내의 복수의 코일(180C)은 역 현수면 표면을 형성하도록 구조될 수 있고, 동시에 복수의 회전자 플레이트들(150P)은 역 현수면 표면을 형성하도록 구조될 수 있다. 또다른 예시적 실시예에서, 고정자(180)의 각각의 층 내의 복수의 코일(180C)은 역 현수면 표면을 형성하도록 구조될 수 있고, 동시에 복수의 회전자 플레이트들(150P)은 구를 형성하도록 구조될 수 있다. 또다른 예시적 실시예에서, 고정자(180)의 각각의 층 내의 복수의 코일(180C)은 구를 형성하도록 구조될 수 있고, 동시에 복수의 회전자 플레이트들(150P)은 구를 형성하도록 구조될 수 있다.

도 16은 본 발명의 또다른 예시적 실시예에 따른 역-회전 수직-축 풍력 터빈(VAWT) 발전기에 관한 투시도이다. 도 17은 도 16의 예시적 실시예에 다른 역-회전 VAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들 및 고정자들에 관한 투시도이고, 도 18은 도 16의 예시적 실시예에 따른 역회전 VAWT 발전기 내의 복수의 자석들을 포함하는 단일 고정자에 관한 투시도이고, 도 19는 도 16의 예시적인 실시예에 따른 역회전 VAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들 및 고정자들에 관한 단면도이다.

본 발명의 이 예시적 실시예에서, 역회전 방식은 효율성을 향상시키기 위해 이행된다. 관련 기술의 발전기들에서, 운동 에너지는 회전자들을 회전함으로써 회전 에너지로 변환된다. 이 실시예에서, 고정된 고정자들을 가지는 것보다는, 고정자들은 ("제 1 복수의 회전자들"로 또한 언급되는) 회전자들에 연결되어 있는 블레이드들의 추가적 독립적 세트의 배향과 관련하여 반대 방향으로 지향되어 있는 블레이드들의 세트에 연결되어 있다. 따라서, 고정자들은 "제 2의 복수의 회전자들"로서 언급될 것이다. 다시 말하면, 서로에 독립하여 회전하는 제 1 복수의 회전자들(1050) 및 제 2 복수의 회전자들(1080)이 존재하며 제 1 복수의 회전자들(1050) 및 제 2 복수의 회전자들(1080)이 역회전하도록 제 2 복수의 회전자들(1080)의 블레이드들(1030B)이 지향되어 있다.

본 발명에 따른 역-회전 VAWT 발전기(1000)의 예시적 실시예는 프레임(1010), 프레임(1010)에 회전가능하게 연결되어 있는 샤프트(1020), 제 1 베이스(1040A)를 통해 샤프트(1020)에 연결되어 있는 제 1 복수의 블레이드들(1030A), 제 2 베이스(1040B)를 통해 샤프트(1020)에 연결되어 있는 제 2 복수의 블레이드들(1030B), 샤프트(1020)의 내부 파이프(1020A)에 연결되어 있는 제 1 복수의 회전자들(1050), 및 샤프트(1020)의 외부 파이프(1020B)에 연결되어 있는 제 2 복수의 회전자들(1080)을 포함한다. 도 7-10에 도시된 바와 같이, 역-회전 VAWT들 내의 제 1 복수의 회전자들(1050) 및 제 2 복수의 회전자들(1080)은 수직으로 배열되어 있다.

역회전 VAWT 발전기(1000) 내의 제 1 복수의 회전 블레이드(1030A)는 바람의 운동 에너지를 내부 파이프(1020A)의 회전 운동량으로 전환한다. 동시에, 제 2 복수의 회전 블레이드(1030B)는 바람의 동일한 운동 에너지를, 내부 파이프(1020A)의 반대 방향으로 회전하는 외부 파이프(1020B)의 회전 운동량으로 전환한다. 제 1 복수의 회전자(1050)들이 제 2 복수의 회전자(1080)의 반대 방향으로 회전하기 때문에, 제 2 복수의 회전자들(1080) 내의 복수의 코일들(1080C) 및 와이어들(1080W)은 제 1 복수의 회전자들(1050) 내의 복수의 영구 자석(1050M)에 의해 발생된 자기장에서의 변화보다 2 배 빠른 변화를 겪는다. 따라서, 전기는 더 효율적으로 제 2 복수의 회전자들(1080) 내의 복수의 코일들(1080C) 및 와이어들(1080W)에서 발생된다.

도 8 및 10에서 도시된 바와 같이, 제 1 복수의 회전자(1050)는 제 1 복수의 회전 플레이트들(1050P) 및 복수의 교류 자석들(1050M)을 포함한다. 제 1 복수의 회전 플레이트들(1050P)은 로드(1060)들에 의해 서로 고정된다. 도 18에 도시된 바와 같이, 단일 회전자 플레이트(1080P) 내에 서로 복수의 코일들(1080C)을 전기적으로 연결하는 각각의 제 2 복수의 회전자(1080) 상의 3 개의 세트의 와이어들(1080W)이 존재한다. 물론, 더 많은 또는 더 적은 세트들의 와이어들이 사용될 수 있다. 완전히 도시되어 있지 않더라도, 각각의 코일(1080C)은 입력 및 출력 와이어들을 가진다. 서로 복수의 코일들(1080C)을 전기적으로 연결하는 3 개의 쌍의 와이어들(1080W)을 형성하는 각각의 코일이 입력 및 출력 와이어들이 도 13에 도시되어 있다. 그러나, 허브(1070) 내의 홀들(1070H)을 관통하도록 연결되어 있는 각각의 코일의 입력 및 출력 와이어들을 도시하고 있지 않다. 안정화 나사들(1070S)은 허브(1070)와 함께 와이어들을 캐스트하는데 사용될 수 있다. 허브(1070) 내의 홀들(1070H)은 회전자(1050 및 1080)의 다음 스택으로 와이어가 관통하는데 사용된다. 허브(1070)는 알루미늄 또는 다른 적합한 물질을 포함하는 금속으로 만들어질 수 있다.

도 20a는 도 16의 예시적 실시예에 따른 VAWT 발전기 내의 역회전가능 내부 파이프에 관한 투시도이고, 도 20b는 도 16의 예시적인 실시예에 따른 VAWT 발전기 내의 역회전가능 외부 파이프에 관한 투시도이고, 도 20c는 도 16의 예시적 실시예에 따른 VAWT 발전기 내의 역회전가능 파이프들에 관한 투시도이다.

도 20a에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 내부 베어링(1021A), 한 쌍의 베어링 캡(1022B), 및 내부 파이프 홀더(1023)는 내부 파이프(1020A)가 내부 베어링(1021A)에 대하여 자유롭게 회전하게 하도록 형성되어 있다. 도 20b에 도시된 바와 같이, 샤프트(1020)는 이격되어 있고 서로 닿지 않는 내부 파이프(1020A) 및 외부 파이프(1020B)를 포함한다. 외부 베어링(1021B) 및 외부 베어링 캡(1022B)은 외부 파이프(1020B)의 상부 및 하부 상에 부착된 구성요소들이다. 외부 베어링(1021B)의 내부 원주는 내부 파이프(1020A)를 홀드한다. 이는 외부 파이프(120B)가 내부 파이프(1020A)에 평행한 축을 따라 자유롭게 회전하도록 한다. 도 20c는 역회전 파이프들(1020A 및 1020B)의 완전한 조립체를 나타내고, 이는 각각이 반대 방향들로 자유롭게 회전할 수 있도록 각각의 파이프를 홀드하는 2 개의 세트의 베어링들을 포함한다.

도 21a-21c는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 역회전 VAWT 발전기를 제작하는 방법을 도시하는 투시도이다. 도 21a에 도시된 바와 같이, 제 1 복수의 회전자 플레이트(1050P)의 제 1 층은 샤프트(102) 및 로드들(1060)로 삽입되고 복수의 교류 자석들(1050M)의 제 1 층이 그 위에 형성된다. 이어서, 도 21b에 도시된 바와 같이, 제 2 복수의 회전자 플레이트들(1080P)의 제 1 층은 샤프트(1020)로 삽입되고 복수의 코일들(1080C)의 제 1 층이 그 위에 형성된다. 또한, 허브(1070) 및 (도시되지 않은) 역회전 외부 파이프는 제 2 복수의 회전자 플레이트(1080P)를 고정하기 위해 형성되어 있다. 이후, 도 21c에 도시된 바와 같이, 제 1 복수의 회전자 플레이트(1050P)의 제 2 층은 샤프트(1020) 및 로드들(1060)로 삽입되고 복수의 교류 자석들의 제 2 층(1050M)은 그 위에 형성된다. 당업자는 이 시퀀스가 원하는 개수의 층들이 형성될 때까지 반복될 수 있음을 인식할 수 있다.

제 1 예시적 실시예에 따른 VAWT 발전기와 유사하게, 풍력 발전기(1000)의 제 1 및 제 2 복수의 블레이드들(1030A 및 1030B)은 제 1 및 제 2 복수의 회전자(1050 및 1080)의 회전 운동으로 바람의 선형 운동을 전환하도록 설계되어 있다. 제 1 및 제 2 복수의 블레이드들(1030A 및 1030B)이 일반적으로 이상적이지 않고 바람의 방향이 일반적으로 공간에서 동일하지 않기 때문에, 제 1 및 제 2 복수의 회전자(1050 및 1080)는 외부 토크가 제 1 및 제 2 복수의 블레이드들(1030A 및 1030B)로 적용되는 경우 스핀 각 운동량을 가질 뿐만 아니라, 0이 아닌 오비탈 각 운동량을 가지며, 이는 풍력 발전기(1000)의 진동을 유발할 수 있고 또한 제 1 및 제 2 복수의 회전자(1050 및 1080) 사이의 마찰을 발생할 수 있다. 따라서, 0이 아닌 오비탈 각 운동량은 스핀 각 운동량을 감소시킬 수 있어 이에 의해 풍력 발전기(1000)의 효율성을 저하시킨다.

본 발명의 예시적인 실시예들에서, 제 1 및 제 2 복수의 회전자(1050 및 1080)의 기하학적 치수들이 오비탈 각 운동량을 억제하도록 설계되어 이에 의해 풍력 발전기의 신뢰성 및 안정성을 향상시킨다. 도 22는 도 16의 예시적 실시예에 따른 역회전 VAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들에 관한 측면도이다. 도 22에서, 제 1 복수의 회전자들(1050)이 구조를 간단히 하기 위해 도시되어 있지 않다. 도 22에 도시된 바와 같이, 제 2 복수의 회전자들(1080) 내의 복수의 코일들(1080C)은 구(1090S)를 형성하도록 구조되어 있다. 반면에, 도 17에 도시된 바와 같이, 제 1 복수의 회전자 플레이트(1050P)는 역 현수면 표면(1090C)을 형성하기 위해 구조되어 있다. 현수면 및 역 현수면 표면들은 구와 동일한 표면을 가지는 의사-구면들이다. 따라서, 현수면 또는 역 현수면 구성을 가지는 이점은 전체 발전기(100)의 표면 영역을 유지하는 동안, 질량의 더 큰 반경 중심을 가지는 것이다.

또다른 예시적 실시예에 대해, 복수의 코일들(1080C)의 길이는 축 방향을 따라 변할 수 있다. 더 구체적으로는, 복수의 코일들(1080C)의 길이는 증가될 수 있고 이어서 축 방향을 따라 감소될 수 있다.

또다른 예시적 실시예에서, 제 1 복수의 회전자 플레이트(1050P) 및 복수의 코일들(1080C)은 개별 반경이 개별 반경이 축 방향을 따라 변하도록 축 방향에 배열될 수 있다. 또다른 예시적 실시예에서, 제 1 복수의 회전자 플레이트(1050P)는 개별 반경이 선형으로 증가되고 이어서 축 방향을 따라 감소되도록 축 방향에 배열되어 있으며 동시에, 복수의 코일들(1080C)은 개별 반경이 선형으로 감소되고 이어서 축 방향을 따라 증가하도록 축 방향에 배열되어 있다.

또다른 예시적 실시예에서, 제 1 복수의 회전자 플레이트(1050P)는 현수면 표면을 형성하도록 구조될 수 있고 동시에 복수의 코일들(1080C)은 현수면 표면을 형성하도록 구조될 수 있다. 또다른 예시적 실시예에서, 제 1 복수의 회전자 플레이트(1050P)는 역 현수면 표면을 형성하도록 구조될 수 있고, 동시에 복수의 코일들(1080C)은 역 현수면 표면을 형성하도록 구조될 수 있다. 또다른 예시적 실시예에서, 제 1 복수의 회전자 플레이트(1050P)는 구를 형성하도록 구조될 수 있고, 동시에 복수의 코일들(1080C)은 역 현수면 표면을 형성하도록 구조될 수 있다. 또다른 예시적 실시예에서, 제 1 복수의 회전자 플레이트(1050P)는 구를 형성하도록 구조될 수 있고, 동시에 복수의 코일들(1080C)은 구를 형성하도록 구조될 수 있다.

복수의 고정자들 및 복수의 회전자들이 현수면 표면들을 형성하여 이에 의해 현수면 내에 현수면을 형성하는 예시적인 실시예는 수평-축 풍력 터빈(HAWT) 발전기 구성에 도시될 것이다. 도 23a-c는 본 발명의 또다른 예시적 실시예에 따른 수평-축 풍력 터빈(HAWT) 발전기에 관한 정면도, 투시도 및 측면도이고, 도 24는 도 23a-c의 예시적 실시예에 따른 HAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들의 투시도이고, 도 25는 도 23a-c의 예시적 실시에에 따른 HAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들 및 고정자들에 관한 투시도이며, 도 26은 도 23a-c의 예시적 실시예에 따른 HAWT 발전기 내의 적층가능한 회전자들 및 고정자들의 측면도이다.

본 발명에 따르면 HAWT 발전기(2000)의 예시적 실시예는 프레임(2010), 프레임(2010)에 회전가능하게 연결되어 있는 샤프트(2060)에 연결된 복수의 블레이드들(2020), 테일(tail)(2030), 커버(2040), 복수의 로드들(2050), 복수의 고정자 플레이트(2100P) 및 복수의 코일들(2100C)을 포함하는 복수의 고정자(2100), 및 복수의 회전자 플레이트(2200P) 및 복수의 영구 자석들(2200M)을 포함하는 복수의 회전자(2200)를 포함한다.

도 23a-26에 도시된 바와 같이, HAWT 발전기(2000) 내의 회전하는 블레이드들(2020)은 바람의 운동 에너지를 샤프트(2060)의 회전 운동량으로 전환한다. 브레이드들(2020)은 바람의 에너지를 캡쳐하는 제작된 날개(engineered airfoil)들을 사용한다. 그러나, VAWT 발전기들과 달리, 커버(2040)는 바람의 운동 에너지를 샤프트(2060)의 회전 운동량으로의 바람의 운동 에너지의 전환을 위해 바람과 마주해야 한다. 테일(2030)은 풍력 발전기(2000)가 바람이 방향을 이동함에 따라 바람의 방향을 추적하도록 하고, 이에 의해 커버(2040) 및 블레이드들(2020)이 바람과 마주하도록 돌려질 수 있다.

복수의 회전자들(2200)이 회전하는 경우, 복수의 고정자들(2100) 내의 복수의 코일들(2100C)은 복수의 회전자(2200) 내의 복수의 영구 자석(2200M)에 의해 발생된 자기장에서의 변화를 겪는다. 따라서, 전기는 복수의 고정자(2100) 내의 복수의 코일들(2100C)에서 발생된다.

풍력 발전기(2000)의 복수의 블레이드들(2020)은 풍력의 선형 운동을 복수의 회전자(2200)의 회전 운동으로 전환하도록 설계되어 있다. 이상적 조건에서, 복수의 회전자(2200)는 복수의 회전자(2200)가 샤프트(2060) 주위로 회전하는 스핀 각 운동량을 가질 뿐이다. 그러나, 블레이드(2020)들이 이상적이지 않고 또한 바람의 방향이 공간에서 균일하지 않기 때문에, 복수의 회전자(2200)는 외부 토크가 블레이드들(2020)에 적용되는 경우 스핀 각 운동량을 가질 뿐만 아니라, 또한 0이 아닌 오비탈 각 운동량을 가지고, 이 오비탈 각 운동량은 스핀 각 운동량을 감소시킬 수 있어, 이에 의해 풍력 발전기(2000)의 효율성을 저하시킨다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, 복수의 회전자(2200) 및 복수의 고정자(2100)의 기하학적 치수들이 오비탈 각 운동량을 억제하도록 설계되어, 이에 의해 풍력 발전기의 신뢰성 및 안정성을 향상시킨다. 도 23c에 도시된 바와 같이,

복수의 회전자(2200) 및 복수의 고정자(2100)는 현수면 표면들을 형성할 수 있어, 이에 의해 현수면 내의 현수면을 형성한다. 또한, 도 26에 도시된 바와 같이, 복수의 고정자 플레이트들(2100P)은 복수의 회전자 플레이트들(2200P)이 원기둥을 형성하도록 구조되는 동안 현수면을 형성하도록 구조될 수 있다.

또다른 예시적 실시예에서, 복수의 고정자 플레이트(2100P)는 역 현수면 표면을 형성하도록 구조될 수 있는 반면 복수의 회전자 플레이트(2200P)는 원기둥을 형성하도록 구조될 수 있다. 또다른 예시적 실시예에서, 복수의 고정자 플레이트(2100P)는 역 현수면 표면을 형성하도록 구조될 수 있는 반면 복수의 회전자 플레이트(2200P)는 구를 형성하도록 구조될 수 있다. 또다른 예시적 실시예에서, 복수의 고정자 플레이트(2100P) 및 복수의 회전자 플레이트(2200P) 모두는 역 현수면 표면 또는 구 중 하나를 형성하도록 구조될 수 있다.

전동기-발전기 결합들

유도 전동기들은 많은 다른 응용들을 가지며, 이의 모두는 에너지를 전달하기 위한 샤프트 상에 로드를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 단일 또는 멀티-층 현수면 발전기는 유도 전동기와 함께 샤프트 상에 포함되고, 이 방식으로 3-상 전기는 전동기가 연속적인 정상 로드에서 동작하는 경우 발생될 수 있다. 하이퍼볼릭 함수, 구체적으로는 하이퍼볼릭 코사인 함수에 의한 반경을 가지는 로드 디스크는 샤프트 상의 로드의 오프셋을 가져온다. 이는 유도 전동기들이 동시에 작동하여 전기를 발생하도록 한다.

도 27은 현수면 발전기를 또한 포함하는 현수면 전동기의 도면이다. 결합된 전동기 및 발전기 장치(500)에 관한 이 실시예에서, 장치(500)는 코일 와인딩(501), 농형(502), 전동기 케이스용 베이스 마운터(base mounter)(503), 및 고정자 마운트(506)를 포함한다. 장치(500)의 전동기 부분(510)의 농형 고정자(502)의 표면(507)은 현수면 형태(515)를 포함하고, 본 발명의 장치(500)의 발전기 부분(511)의 회전자(505)는 마찬가지로 이의 외부 표면이 회전자(502)의 표면(507)을 형성하는 동일한 현수면(515)에 순응하는 회전 자기 디스크를 포함한다(즉, 이론적 현수면 형태의 연장은 회전자(505)의 외부 표면과 접촉할 수 있다).

전동기(510)의 하나의 축방향 측면 상에 제 1 발전기 부분(512) 및 전동기(510)의 제 2 측면 상에 제 2 발전기 부분(513)을 위치시킴으로써, 그리고 동일한 현수면 형태(515)에 발전기 부분들(512 및 513)의 회전자들의 각각의 외곽 주변부를 순응시킴으로써, AC 전동기 및 발전기는 균형을 이루며 따라서 동일 장치(500) 안에 공존한다. 또한, 전자기 세기가 제곱 거리에 따라 약해짐에 따라, 현수면 유도 전동기의 외부 층은 자기장의 역 제곱 성질로 인해 거의 0의 필드를 가지며, 이는 영구 자기 디스크가 외부 층에 추가되고 정적 균형을 이루게 한다. 본 발명의 이 실시예는 바람직하게는 팬 및 압축기들과 같은, 시간의 연장된 주기에 대해 연속하여 작동하는 응용들에 사용된다.

현재, 팬과 같은 전동기 응용들은 샤프트 위에 로드(팬 터빈)를 포함한다. 이는 AC 전동기에 관한 터빈의 가벼운 무게 및 단단한 장착 때문에 정적 균형을 이룬다. 전체로서, 팬 전동기에 대한 전체적 균형은 무시된다. 팬의 크기 및 공기흐름 요건에 좌우하여, 전류 전동기들의 마력은 원하는 결과를 발생할 때까지 매칭된다. 그러나, 하이퍼볼릭 코사인 함수를 사용하여, 유도 전동기에 대하여 팬 터빈의 균형을 이루는 것이 가능하다. 이를 위해, 하이퍼볼릭 함수 sech(x)의 그래프는 샤프트 길이가 전동기의 경계 및 (x) 한계들을 나타내도록 스케일링된다. 본 발명의 전동기 개념이 현수면 형태들을 포함할 수 있더라도, 이 응용은 하이퍼볼릭 함수의 사용을 통해 정적 균형을 이루는 현수면 발전기를 내장함으로써 발전기-전동기로 현존하는 유도 전동기를 맞춘다.

이의 예는 그래프 상에서 중첩된 팬(520)을 도시하는 도 28에 도시되어 있다. 단일 층 발전기(526)는 샤프트의 단부를 향해 확장된 현수면 형태(527)에 순응하는 하나 이상의 외부 표면들을 가지는 회전자-고정자 조립체를 포함한다. 역균형화(counterbalancing) 로드의 예는 직접 또는 벨트 연결을 가지는 상업용 배기 팬(exhaust fan)으로 통상적으로 사용된, 상업용 3-블레이드 터빈(521)이다. 팬 블레이드들은 보통 알루미늄 또는 복합 플라스틱이다. 이 로드는 (u)로 언급될 팩터이다. 질량의 각각의 블래이드의 중심은 시간에서 날개(wing)의 균형을 잡음으로써 발견될 수 있다. 질량 위치의 중심은 전동기 운동 에너지의 대부분이 프로펠러 공기흐름 결과에 대한 팬을 돌리는 곳이다. 모든 3 개의 블레이드들은 정적 균형을 이뤄야 한다. 회전자(503)는 샤프트(502)를 가지는 유도 전동기의 일부이다. 발전기(526)의 회전하는 자기 디스크는 플레이드들(524 및 525)에 장착한다. 하이퍼볼릭하게 균형을 이루기 위해, 디스크의 반경은 1 sech(x)이고, 여기서 x 값은 그래프로부터 선택될 수 있다.

프로펠러의 반경을 조정함으로써, 질량의 중심은 현수면 형태(527)의 경계와 만날 수 있다. 발전기 부분(526)의 회전자-고정자 조립체는 전체 시스템의 균형을 이루기 위해 샤프트의 대향 측면의 평형을 잡는다(counter weight). 하이퍼볼릭하게 균형을 잡음으로써, 전체 시스템은 터빈에서 샤프트의 단으부로 균형이 잡아진다. 평형 추 디스크를 사용해야하는 것 대신에, 현수면 형태에 순응하는 표면들을 가지는 발전기는 전체 시스템의 균형을 잡는다.

도 29는 결합된 유도 전동기 및 발전기의 또다른 실시예를 설명한다. 전동기(530)는 표준 유도 전동기에서의 경우와 같이, 함께 샤프트(545)를 홀드하는 캡들 및 나사들을 가지고 금속 컨테이너에 의해 덮여진다. 단일 고정자(536)를 가지는 절반의 현수면 발전기(544)는 전동기(532)에 장착된다. 마운팅부(532)는 발전기(544)의 베이스에 있는 결합부(531)로 락된다. 교류 자석 디스크(540)는 회전자(537)를 사용하여 배치된다. 전동기 샤프트(545)는 회전자(537)에 바로 연결하고 중요한 방법은 디스크(539)를 락하는데 사용된다. 베이스 및 디스크(540)는 가벼운 샤프트 확대를 통해 0.25 인치 떨어져 이격되어 있다. 교류 자석 디스크는 전동기 캡(531)과 닿지 않는다. 이는 베이스(532)가 고정자(536)를 유지하기 위해 쓰레드 로드(thread rod)(535)를 가지도록 한다. 고정자 및 디스크의 제 1 층이 제자리에 있다면, 외부 디스크(541)는 538에서 539로 나사를 사용하여 부착될 수 있다. 디스크(540 및 541)의 반경은 도 28의 그래프로부터 얻을 수 있다.

도 30은 결합된 전동기 및 현수면 발전기의 또다른 실시예예 관한 투시도이다. 551은, 전동기 실린더(552) 및 현수면 발전기(553)가 공기 흐름을 차단하는 경향이 있기 때문에, 중심 영역에서 공기 흐름을 최소화하도록 넓어질 수 있는 프로펠러 캡이다. 캡 크기에 따른 이 작은 변화는 공기 흐름을 극대화하는 것을 보장할 것이다.

도 31은 수정된 산업용 송풍 팬(blow fan)을 도시하고 있다. 유도 전동기와 동축으로 현수면 발전기(561)를 내장하는 것 대신에, 발전기(561)는 도 28에서의 실시예에서와 같이, 팬(562)의 블레이드들과 균형을 이루도록 장착되지만, 이 경우에 전동기(563)는 벨트(565)를 통해서와 같이, 샤프트(564)와의 기계적 통신하며 위차한다. 이 시나리오에서, 팬과 발전기만이 균형이 잡혀 있다.

비록 본 발명이 소정의 바람직한 실시예들을 참고로 하여 상당히 상세히 설명되어 있더라도, 다른 실시예들이 가능하다. 따라서 도면들 및 연관된 설명들은 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 제공되어 있으며 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 본 발명의 방법들에 개시된 단계들은 제한으로 의도되어 있지 않으며 이들은 각각의 단계가 또한 방법에 반드시 필수적인 것을 나타내는 것으로 의도되어 있지 않고, 이들은 단지 예시적인 단계들이다. 그러므로, 첨보한 청구항들의 범위는 본 명세서에 포함된 바람직한 실시예들의 설명에 제한되어서는 안된다. 본 발명에 인용된 모든 참고문헌은 참고로서 그대로 통합되어 있다.

본 발명의 내용에 포함되어 있음.

Claims (20)

1. a) 현수면 형태를 가지는 하나 이상의 표면들을 포함하는 고정자; 및
   b) 현수면 형태를 가지는 하나 이상의 표면들을 포함하는 회전자를 포함하고,
   상기 회전자는 고정자에 전자기적으로 결합되며 고정자에 대하여 회전가능한, 전기 전동기 또는 발전기에 사용하기 위한 회전자-고정자 조립체.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전자는 복수의 회전자 세그먼트들을 포함하고, 각각의 회전자 세그먼트는 현수면 형태에 일치하는 외부 표면을 포함하는 회전자-고정자 조립체.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전자는, 상기 현수면 형태보다, 회전자의 회전의 축과 회전자의 표면 사이의 거리가 5% 만큼 더 크거나 또는 더 작은 회전자-고정자 조립체.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 현수면 형태는 역-현수면인 회전자-고정자 조립체.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 고정자 및 상기 회전자는 각각 복수의 고정자 플레이트들 및 복수의 회전자 플레이트들로 구성되고, 고정자 플레이트들 및 회전자 플레이트들은 고정자 플레이트들 및 회전자 플레이트들의 개별 반경이 현수면 형태를 형성하기 위해 축 방향을 따라 변하도록 샤프트와 동축으로 배열되어 있는 회전자-고정자 조립체.
7. 제 1 항의 회전자-고정자 조립체를 포함하는 유도 전동기.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 고정자는, 전기가 1차 와인딩에 적용되는 경우 회전 자기장을 발생시키기 위해, 고정자 내부에 1차 와인딩을 수용하기 위한 슬롯들을 더 포함하는 유도 전동기.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 회전자는, 전기가 1차 와인딩에 적용되는 경우 2차 와인딩과 고정자의 1차 와인딩 사이의 전자기 유도에 의한 토크를 발생시키기 위해, 회전자 내부에 2차 와인딩에 대한 슬롯들을 더 포함하는 유도 전동기.
10. 제 7 항에 있어서,
    상기 회전자는 2 개 이상의 회전자 부분들을 포함하는 유도 전동기.
11. 제 7 항에 있어서,
    상기 고정자는 2 개 이상의 고정자 부분들을 포함하는 유도 전동기.
12. 제 7 항에 있어서,
    상기 고정자는:
    a) 3 개 이상의 고정자 소자들을 포함하는 고정자 케이지; 및
    b) 전자석들을 생성하기 위해 고정자 소자들의 각각 주위에 루핑된 와이어 코일들을 더 포함하는 유도 전동기.
13. 제 7 항에 있어서,
    상기 유도 전동기는,
    근단(proximal end), 원단(distal end) 및 길이방향의 연장부(longitudinal extent)를 가지는 샤프트;
    회전자-고정자 조립체에 대하여 근단 방향으로 샤프트 위에 배치된 적어도 하나의 회전자를 포함하는 제 1 발전기 부분; 및
    회전자-고정자 조립체에 대하여 원단 방향으로 샤프트 위에 배치된 적어도 하나의 회전자를 포함하는 제 2 발전기 부분을 더 포함하고,
    회전자-고정자 조립체는 길이방향의 연장부를 따라 샤프트 위에 배치되며, 제 1 발전기 부분 및 제 2 발전기 부분의 회전자들은 회전자-고정자 조립체의 현수면 형태에 일치하는 외부 표면들을 포함하는 유도 전동기.
14. 제 1 항의 회전자-고정자 조립체를 포함하는 발전기로서,
    길이방향의 연장부를 가지는 샤프트;
    샤프트를 회전하기 위해 샤프트에 기계적으로 연결된 전동기; 및
    샤프트의 길이방향의 연장부를 따라 제 1 포인트에 부착된 프로펠러를 더 포함하며,
    상기 회전자-고정자 조립체는 샤프트 주위에 배치되고, 샤프트의 길이방향의 연장부를 따라 제 2 포인트에 부착되며, 전동기가 샤프트를 회전하는 경우 전기를 발생하며,
    상기 프로펠러, 샤프트 및 회전자-고정자 조립체는 정적 균형을 이루는 발전기.
15. 제 1 항의 회전자-고정자 조립체를 포함하는 전기 발전기로서,
    상기 회전자에 기계적으로 연결되며 길이방향의 연장부를 가지는 샤프트와 상기 샤프트에 부착된 복수의 터빈 블레이드들을 더 포함하는 전기 발전기.
16. 제 1 항의 회전자-고정자 조립체를 포함하는 직류 전동기.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 고정자는 2 개 이상의 전자기장 폴들을 더 포함하고, 2 개 이상의 전자기장 폴들은 현수면 형태에서 전도성 코어들 위에 와인딩된 와이어의 코일들을 포함하는 직류 전동기.
18. 제 16 항에 있어서,
    상기 회전자는 전기자(armature)를 포함하는 직류 전동기.
19. 제 16 항에 있어서,
    상기 회전자는 2 개 이상의 회전자 부분들을 포함하는 직류 전동기.
20. 제 16 항에 있어서,
    상기 고정자는 2 개 이상의 고정자 부분들을 포함하는 직류 전동기.

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