KR20190044634A

KR20190044634A - 개선된 다중 터널 전기 모터/발전기

Info

Publication number: KR20190044634A
Application number: KR1020197007206A
Authority: KR
Inventors: 프레드 이. 헌스테이블
Original assignee: 리니어 랩스, 엘엘씨
Priority date: 2016-09-05
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2019-04-30
Also published as: JP2019527022A; US20220302811A1; EP3507894A4; US20190199185A1; CN109891726A; WO2018045360A2; CA3034629A1; WO2018045360A3; CN109891726B; US11309778B2; EP3507894A2

Abstract

고정자가 코일 어셈블리이고 회전자가 자기 토로이덜 실린더형 터널이거나 회전자가 코일 어셈블리이고 고정자자 자기 토로이덜 실린더형 터널인 모터/발전기에 대한 다양한 실시예들이 개시된다.

Description

개선된 다중 터널 전기 모터/발전기

관련 출원들

본 출원은 2016년 9월 5일자로 출원된 발명의 명칭이 "AN IMPROVED TOROIDAL ELECTRIC MOTOR/GENERATOR"인 미국 출원 번호 제62/383,590호에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시는 이로써 모든 목적을 위해 참조로 통합된다.

본 출원은 또한 다음 미국 특허 출원들: 2015년 6월 28일자로 출원된 발명의 명칭이 ""An Improved Electric Motor/Generator"인 미국 출원 번호 제62/185,637호, 2016년 1월 27일자로 출원된 발명의 명칭이 "An Improved Multi-Tunnel Electric Motor Generator"인 미국 출원 번호 제15/008,431호, 2016년 4월 8일자로 출원된 발명이 명칭이 "AN IMPROVED MULTI-TUNNEL ELECTRIC MOTOR/GENERATOR"인 PCT 출원 번호 PCT/US15/26776, 2015년 9월 25일자로 출원된 발명의 명칭이 "An Improved Brushless Electric Motor/Generator"인 미국 특허 출원 번호 제14/866,788호; 2015년 9월 25일자로 출원된 발명의 명칭이 "An Improved Brushed Electric Motor/Generator"인 미국 특허 출원 번호 제14/866,787호; 2015년 1월 29일자로 출원된 발명의 명칭이 "An Improved Brushless Electric Motor/Generator"인 미국 출원 번호 제14,608,232호; 및 2013년 3월 20일자로 출원된 발명의 명칭이 "An Improved DC Electric Motor/Generator with Enhanced Permanent Magnetic Flux Densities"인 미국 출원 일련 번호 제13/848,048호와 함께 통상적으로 소유되며, 그 개시는 이로써 모든 목적을 위해 참조로 통합된다.

본 발명은 일반적으로 신규하고 개선된 전기 모터/발전기에 관한 것으로서, 특히 전자기 모터로부터 회전 운동을 생산하거나 회전 운동 입력으로부터 전력을 생성하기 위한 개선된 시스템 및 방법에 관한 것이다.

전기 모터들은 매우 전형적으로 자기 필드들과 전류 전달(current-carrying) 도체들의 상호작용을 통해, 기계 에너지를 생산하기 위해 전기 에너지를 사용한다. 전자기 수단에 의한 기계 에너지로의 전기 에너지의 변환은 1821년에 영국 과학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)에 의해 처음 증명되었고 이후에 헨드릭 로렌츠(Hendrik Lorentz)의 연구에 의해 정량화되었다.

자기 필드는 전자들과 같은 전하 캐리어들이 공간을 통해 전기 도체 내에서 이동할 때 생성된다.

전통적인 전기 모터에서, 타이트하게 감겨진 전류 운반 재료의 중심 코어는 전류가 인가될 때 (통상적으로 고정자로 공지되는) 자석의 고정 폴들 사이에서 고속으로 스핀 또는 회전하는 (통상적으로 회전자로 공지되는) 자극들(magnetic poles)을 생성한다. 중심 코어는 전형적으로 또한 회전자와 함께 회전할 샤프트에 결합된다. 샤프트는 회전 기계에서 기어들 및 휠들을 구동시키고/시키거나 회전 운동을 직선 운동으로 변환하기 위해 사용될 수 있다.

발전기들은 통상적으로 1831년에 마이클 패러데이에 의해 발견된, 전자기 유도의 원리에 기초한다. 패러데이는 전지 전도성 재료(예컨대 구리)가 자기 필드를 통해 이동될 때(또는 역도 또한 같음), 전류가 그러한 재료를 통해 흐르기 시작할 것이라는 점을 발견하였다. 이러한 전자기 효과는 이동 도체들로 전압 또는 전류를 유도한다.

회전 교류발전기/발전기들 및 선형 교류발전기들과 같은 현재의 발전 장치들은 전력을 생산하기 위해 패러데이의 발견에 의존한다. 사실, 회전 발전기들은 본질적으로 매우 큰 자석들의 내부 주변을 스핀하는 매우 큰 양의 와이어이다. 이러한 상황에서, 와이어의 코일들은 그들이 고정 자석들(고정자들(stators)로 칭하여짐)에 대해 이동하고 있기 때문에 전기자(armature)로 칭하여진다. 전형적으로, 이동 구성요소는 전기자로 칭하여지고 고정 구성요소들은 고정자 또는 고정자들로서 칭하여진다.

오늘날 사용되는 회전 모터들 및 발전기들은 정현파 시변 전압을 생산하거나 이용한다. 이러한 파형은 일반적으로 이들 장치들의 동작에 고유하다.

종래의 모터들에서, 충분한 크기의 펄스형 전류는 주어진 토크/마력을 생산하기 위해 인가되어야만 한다. 이때, 마력 출력 및 효율은 설계, 전기 입력 전력 플러스 손실들의 함수이다.

종래의 발전기들에서, 전류는 회전자가 회전될 때 생산된다. 생성된 전력은 자속 강도, 도체 크기, 극편들(pole pieces)의 수 및 RPM의 속도의 함수이다.

모터들 또는 발전기들에서, 에너지의 일부 형태는 회전자의 회전 및/또는 이동을 구동한다. 에너지가 더욱 희소하고 비싸짐에 따라, 요구되는 것은 에너지 소비를 감소시키거나 더욱 효율적으로 작동하고 따라서 비용들을 감소시키는 더욱 효율적인 모터들 및 발전기들이다.

이러한 및 다른 문제들에 응답하여, 다중 자기 터널들을 사용하는 자석 조작에 의해 자속 밀도를 증가시키는 방법들 및 시스템들을 포함하는, 본 출원에 개시되는 다양한 실시예들이 제공된다.

모터/발전기에 대한 다양한 실시예들이 개시되며, 모터/발전기는: 원형 경로를 형성하기 위해 축방향 축을 중심으로 방사상으로 배열되는 제1 자기 터널 세그먼트를 포함하는 토로이덜(toroidal) 자기 실린더로서, 제1 자기 터널 세그먼트는: 제1 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제1 자벽(magnetic wall); 제1 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향 갖고 제1 자벽으로부터 미리 결정된 거리에 축방향 축을 따라 위치되는 제1 대향 자벽; 일반적으로 축의 방향으로 제1 자벽과 제1 대향 자벽 사이에 일반적으로 걸치고 제1 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제1 내부 자벽; 축방향으로 제1 자벽과 제1 대향 자벽 사이에 일반적으로 걸치고, 제1 내부 자벽으로부터 방사상으로 멀리 위치되고, 제1 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제1 외부 자벽을 포함하되; 제1 내부 자벽을 형성하는 자석들 및 제1 외부 자벽을 형성하는 자석들의 동일 자극들은 제1 자벽을 형성하는 자석들 및 제1 대향 자벽을 형성하는 자석들의 동일 극들과 대향 방향으로 배향되는, 상기 토로이덜 자기 실린더; 및 원형 경로 내에 위치되고 토로이덜 자기 실린더에 대해 이동하도록 적응되는 코일 어셈블리를 포함한다.

다른 실시예들은 상기 내용을 포함할 수 있으며 여기서 토로이덜 자기 실린더는 원형 경로를 형성하기 제1 자기 터널 세그먼트에 인접하여 위치되는 축방향 축을 중심으로 방사상으로 배열되는 제2 자기 터널 세그먼트를 더 포함하며, 여기서, 제2 자기 터널 세그먼트는: 제2 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제2 자벽; 제2 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖고 제2 자벽으로부터 미리 결정된 거리에 축방향 축을 따라 위치되는 제2 대향 자벽; 일반적으로 축의 방향으로 제2 자벽과 제2 대향 자벽 사이에 일반적으로 걸치고 제2 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제2 내부 자벽; 축 방향으로 제2 자벽과 제2 대향 자벽 사이에 일반적으로 걸치고, 제2 내부 자벽으로부터 방사상으로 멀리 위치되고, 제2 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제2 외부 자벽을 포함하되; 여기서, 제2 내부 자벽을 형성하는 자석들 및 제2 자벽을 형성하는 자석들의 동일 자극들은 제2 외부 자벽을 형성하는 자석들 및 제2 대향 링 또는 자벽을 형성하는 자석들의 동일 극들과 대향 방향으로 배향되고, 제2 자기 터널 세그먼트를 형성하는 자석들의 동일 자극들은 제1 자기 터널 세그먼트를 형성하는 자석들의 동일 자극들로부터 대향 방향으로 배향된다.

다른 실시예들은 상기 내용을 포함할 수 있으며 여기서 코일 어셈블리는: 링형 코어; 링형 코어를 중심으로 방사상으로 위치되고 링형 코어로부터 연장되어 복수의 슬롯들을 형성하는 복수의 톱니들(teeth); 및 복수의 코일 권선들을 더 포함하며 여기서 복수의 권선의 각각의 코일 권선은 복수의 슬롯들 내의 슬롯 내에 위치된다.

다른 실시예들은 토로이덜 자기 실린더를 일반적으로 둘러싸는 백 아이언 회로(back iron circuit)를 더 포함하는 상기 내용을 포함할 수 있다.

다른 실시예들은 제1 외부 자벽 및 제1 내부 자벽을 위치시키고 지지하기 위한 백 아이언 회로에 정의되는 종방향 홈들을 더 포함하는 상기 내용을 포함할 수 있다.

다른 실시예들은 코일 어셈블리에 결합되는 허브 및 허브에 결합되는 샤프트를 더 포함하는 상기 내용을 포함할 수 있다.

다른 실시예들은 토로이덜 자기 실린더에 결합되는 허브 및 허브에 결합되는 샤프트를 더 포함하는 상기 내용을 포함할 수 있다.

다른 실시예들은 구조적 지지체 및/또는 전기 도체들의 통로(passage)를 허용하기 위해 토로이덜 자기 실린더에 정의되는 외부 원주형 슬롯을 더 포함하는 상기 내용을 포함할 수 있다.

다른 실시예들은 구조적 지지체 및/또는 전기 도체들의 통과를 허용하기 위해 토로이덜 자기 실린더에 정의되는 내부 원주형 슬롯을 더 포함하는 상기 내용을 포함할 수 있다.

다른 실시예들은 구조적 지지체 및/또는 전기 도체들의 통과를 허용하기 위해 토로이덜 자기 실린더에 정의되는 측면 원형 슬롯을 더 포함하는 상기 내용을 포함할 수 있다.

다른 실시예들은 터널의 내부 내의 자속력들(flux forces)이 슬롯들을 통해 탈출하는 것을 방지하기 위한 수단을 더 포함하는 상기 내용을 포함할 수 있다.

다른 실시예들은: 코일 어셈블리에 결합되고 측면 원형 슬롯을 통해 부분적으로 연장되는 지지 링; 지지 링에 결합되는 제1 단부 플레이트를 더 포함하는 상기 내용을 포함할 수 있다.

다른 실시예들은: 토로이덜 자기 실린더에 결합되는 샤프트; 샤프트에 회전 가능하게 결합되는 제2 단부 플레이트; 및 제1 단부 플레이트를 제2 단부 플레이트에 연결하기 위한 수단을 더 포함하는 상기 내용을 포함할 수 있다.

다른 실시예들은 제1 내부 자벽, 제1 외부 자벽, 제1 링 자벽 및 제1 대향 링 자벽이 전자석들로 형성될 수 있는 상기 내용을 포함할 수 있다.

다른 실시예들은 개별 코일이 제1 자기 터널 세그먼트 또는 제2 자기 터널 세그먼트 내에 위치될 때 접선 자기력이 복수의 코일들에서 개별 코일들의 모든 측면들 상에 생성되는 상기 내용을 포함할 수 있다.

추가적으로, 기계적 회전을 생산하는 방법이 있을 수 있으며, 방법은: 내부 공동을 향하는 제1 자극을 갖는 제1 외부 자기 실린더 벽, 내부 공동을 향하는 제2 자극을 갖는 제1 내부 자기 실린더 벽, 내부 공동을 향하는 제3 자극을 갖는 제1 자기 측벽, 및 내부 공동을 향하는 제4 자극을 갖는 제1 대향 자기 측벽에 의해 정의되는 제1 내부 공동 내에 자기 집중(magnetic concentration)의 제1 영역을 형성하는 단계로서, 제1 및 제2 자극들은 3 및 제4 자극들로부터 대향 극성들인 단계; 코일을 제1 내부 공동 내에 위치시키는 단계; 코일이 제1 내부 공동에 대해 회전하게 하기 위해 코일에 제1 방향으로 전류를 인가하는 단계; 종방향 샤프트를 코일에 결합함으로써 코일이 회전함에 따라, 종방향 샤프트가 회전하는 단계를 특징으로 한다.

다른 실시예들은: 내부 공동을 향하는 제5 자극을 갖는 제2 외부 자기 실린더 벽, 내부 공동을 향하는 제6 자극을 갖는 제2 내부 자기 실린더 벽, 내부 공동을 향하는 제7 자극을 갖는 제2 자기 측벽, 및 내부 공동을 향하는 제8 자극을 갖는 제2 대향 자기 측벽에 의해 정의되는 제1 내부 공동에 원주형으로 인접하여 위치되는 제2 내부 공동 내에 자기 집중의 제2 영역을 형성하는 단계로서, 제5 및 제6 자극들은 제7 및 제8 자극들로부터 대향 극성들인 단계; 코일이 제2 내부 공동으로 이동하게 하기 위해 코일에 제1 방향으로 전류를 인가하는 단계; 코일을 제2 내부 공동으로부터 이동시키기 위해 코일이 제2 내부 공동 내에 있을 때 코일에 제2 방향으로 전류를 인가하는 단계; 및 종방향 샤프트를 코일에 결합시킴으로써 코일이 제1 내부 공동으로부터 제2 내부 공동으로 회전함에 따라, 종방향 샤프트가 회전하는 단계를 더 포함하는 상기 내용을 포함할 수 있다.

추가적으로, 전류를 생성하기 위한 방법이 개시될 수 있으며, 방법은: 내부 공동을 향하는 제1 자극을 갖는 제1 외부 자기 실린더 벽, 내부 공동을 향하는 제2 자극을 갖는 제1 내부 자기 실린더 벽, 내부 공동을 향하는 제3 자극을 갖는 제1 자기 측벽, 및 내부 공동을 향하는 제4 자극을 갖는 제1 대향 자기 측벽에 의해 정의되는 제1 내부 공동 내에 자기 집중의 제1 영역을 형성하는 단계로서, 제1 및 제2 자극들은 제3 및 제4 자극들로부터 대향 극성들인 단계; 코일을 제1 내부 공동 내에서 회전시키는 단계; 및 코일이 제1 내부 공동을 통해 이동함에 따라 제1 방향을 갖는 전류를 코일로부터 추출하는 단계를 특징으로 한다.

다른 실시예들은: 내부 공동을 향하는 제5 자극을 갖는 제2 외부 자기 실린더 벽, 내부 공동을 향하는 제6 자극을 갖는 제2 내부 자기 실린더 벽, 내부 공동을 향하는 제7 자극을 갖는 제2 자기 측벽, 및 내부 공동을 향하는 제8 자극을 갖는 제2 대향 자기 측벽에 의해 정의되는 제2 내부 공동 내에 자기 집중의 제2 영역을 형성하는 단계로서, 제5 및 제6 자극들은 제7 및 제8 자극들로부터 대향 극성들이며, 제1 내지 제4 자극들은 제5 내지 제8 자극들과 다른 대향 극성 방향을 갖는 단계; 코일을 제2 내부 공동 내에서 회전시키는 단계; 및 코일이 제2 내부 공동을 통해 이동할 때 제2 방향을 갖는 전류를 코일로부터 추출하는 단계를 더 포함하는 상기 내용을 포함할 수 있다.

이들 및 다른 특징들, 그리고 이점들은 첨부 도면들과 함께 취해지는 이하의 상세 설명으로부터 더욱 명백하게 이해될 것이다.

도면들은 본 발명의 유일한 양태들을 나타내도록 의도되지 않았다는 점을 주목하는 것이 중요하다.

도 1은 본 개시의 특정 양태들에 따른 모터/발전기 구성요소의 일 실시예의 분해도이다.
도 2는 도 1에 예시된 모터/발전기 구성요소 중 일 구성요소의 상세 등축도(isometric view)이다.
도 3은 도 2에 도시된 구성요소의 분해도이다.
도 4a는 중심 코어 및 톱니들의 일부가 명확성을 위해 제거된 코어로부터 연장되는 복수의 톱니들을 예시하는 코일 어셈블리의 등축도이다.
도 4b는 도 4a의 복수의 톱니들 중 단일 톱니의 상세 사사도이다.
도 4c는 도 4a의 복수의 톱니들 중 단일 톱니에 대한 대안적인 실시예의 상세 사시도이다.
도 4d는 도 4a의 코일 어셈블리 및 회전자/고정자 톱니들의 일부가 명확성을 위해 제거된 복수의 코일 권선들의 등축도이다.
도 4e는 복수의 회전자/고정자 톱니들을 도시하는 복수의 코일 권선들에 결합되는 도 4a의 회전자/고정자의 등축도이다.
도 5a는 8개의 자기 실린더 세그먼트들을 포함하는 토로이덜 자기 터널의 일 실시예를 형성하는 복수의 자석들을 예시한다.
도 5b는 자기 실린더 세그먼트의 일 실시예를 예시하는 상세 사시도이다.
도 5c는 자기 실린더 세그먼트의 대안적인 실시예를 예시하는 상세 사시도이다.
도 5d는 자기 실린더 세그먼트를 형성하는 자석들의 자극들의 방향을 예시하는 그 내부에 회전자/고정자 부분의 일부를 갖는 자기 실린더 세그먼트의 일 실시예의 상세 등축도이다.
도 6a는 동일 자극 방향들을 갖는 종방향 축 주변에 배열되는 4개의 자기 실린더 세그먼트들의 사시도이다.
도 6b는 세그먼트를 형성하는 자석들이 도 5c에 예시된 세그먼트의 자석들에 대해 대향 자기 극성을 갖는 것을 예시하는 자기 실린더 세그먼트의 일 실시예의 상세 등축도이다.
도 6c는 4개의 추가적인 자기 실린더 세그먼트들을 갖는 4개의 자기 실린더 세그먼트들의 등축도이며 여기서 4개의 추가적인 자기 실린더 세그먼트들은제1의 4개의 자기 실린더 세그먼트들에 대향하는 자극 방향을 갖는다.
도 7a는 측면 백 아이언 회로의 일부가 명확성을 위해 제거된 백 아이언 회로에 결합되는 도 6c의 자기 실린더를 예시한다.
도 7b는 완전한 백 아이언 회로에 결합되는 도 6c의 자기 실린더를 예시한다.
도 8은 본 발명의 특정 실시예들과 함께 사용될 수 있는 일 예시적 스위치 회로를 예시한다..
도 9a는 백 아이언 회로에 결합되는 대안적인 자기 실린더를 예시한다.
도 9b는 대안적인 자기 실린더의 조립도이다.
도 9c는 도 9b의 대안적인 자기 실린더의 분해도이다.
도 10a는 대안적인 자기 실린더를 포함하는 모터/발전기의 조립도이다.
도 10b는 대안적인 자기 실린더를 포함하는 모터/발전기의 분해도이다.
도 10c는 대안적인 자기 실린더를 포함하는 부분 조립된 모터/발전기의 분해도이다.
도 10d는 특정 구성요소들이 명확성을 위해 제거된 대안적인 자기 실린더를 포함하는 모터/발전기의 분해도이다.

구성요소들, 신호들, 메시지들, 프로토콜들, 및 배열들의 특정 예들은 본 개시를 단순화하기 위해 아래에 설명된다. 물론, 이들은 단지 예들이고 청구범위에 설명되는 것으로부터 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는다. 잘 알려진 요소들은 본 발명을 불필요한 상세로 모호화하지 않기 위해 상세한 설명없이 제공된다. 대부분, 본 발명의 완전한 이해를 획득하는 데 불필요한 상세들은 그러한 상세들이 당업자의 기술들 내에 있는 한 생략되었다. 본원에서 설명되는 특정 구성요소들 또는 요소들에 전원을 공급하기 위해 사용되는 종래의 제어 회로, 전원들, 또는 회로에 관한 상세들은 그러한 상세들이 당업자의 기술들 내에 있으므로 생략된다.

방향들, 예컨대 상부, 하부, 상단, 하단, 시계 방향, 또는 반시계 방향이 본 개시에서 논의되는 경우, 그러한 방향은 예시된 도면들에 대해 그리고 도면들 내의 구성요소들의 상대적인 방향에 대해 참조 방향만을 제공하도록 의미된다. 방향들은 임의의 결과 발명 또는 실제 사용에서 사용되는 실제 발명들을 암시하도록 판독되지 않아야 한다. 어떠한 경우에도, 그러한 방향들은 상대적인 포지셔닝을 제외하고 청구범위로 임의의 의미를 제한하거나 부여하도록 판독되어야 한다.

도 1은 백 아이언 회로의 제1 부분(202), 백 아이언 회로의 제2 부분(204), 중심 허브(300), 및 자기 디스크 어셈블리(400)를 예시하는 모터/발전기 구성요소(100)의 분해 사시도이다. 백 아이언 회로의 제1 부분(202)은 백 아이언 재료로 이루어지는 제1 실린더형 벽(206)을 포함한다. 제1 실린더 벽(206)은 또한 백 아이언 재료로 이루어지는 평탄 측벽(208)에 인접하여 결합되거나 위치될 수 있다. 본 출원의 목적을 위해, 용어 "백 아이언(back iron)"은 아이언(iron) 또는 연질 자성체, 예컨대 임의의 철 화합물 또는 합금, 예컨대 스테인레스강, 임의의 니켈 또는 코발트 합금, 연질 자성체, 또는 그러한 재료의 적층 시트들을 포함하는 임의의 적층 금속을 지칭할 수 있다.

백 아이언 회로의 제2 부분(204)은 유사하게 평탄 측벽(212)에 결합되거나 위치되는 제2 실린더형 벽(210)을 포함한다. 조립될 때, 백 아이언 회로의 제1 부분(202) 및 백 아이언 회로의 제2 부분(204)은 중심 허브(300) 및 자기 디스크 어셈블리(400)를 물리적으로 둘러싼다. 특정 실시예들에서, 실린더형 벽들(206 및 210) 사이의 공간은 제어 와이어들 및/또는 전기 도체들의 통로(passage)를 허용하기 위해 그 내에 정의되는 슬롯(410)(도 7b 참조)을 정의한다. 더 다른 실시예들, 실린더형 벽들(206 및 210)과 평탄 측벽들(208 및 212) 사이 각각에 유사한 슬롯 또는 갭(도 1에 미도시)이 존재할 수 있다(도 9a의 측면 슬롯(1410) 참조).

특정 실시예들에서, 허브(300)는 기계적 부하 전달 장치, 예컨대 샤프트(미도시)에 결합하기 위한 내부 허브(302)를 포함한다. 허브(300)는 샤프트(미도시)를 중심으로 자기 디스크 어셈블리(400)를 위치시키고 구조적으로 지지한다. 이러한 실시예에서, 복수의 방사상 아암들(304)은 내부 허브(302)를 외부 허브(306)에 결합시킨다. 특정 실시예들에서, 외부 허브(306)는 또한 자기 디스크 어셈블리(400)를 위한 백 아이언 회로의 일부를 포함한다.

도 2는 자기 디스크 어셈블리(400)의 일 실시예의 상세 등축도이다. 도 3은 자기 디스크 어셈블리(400)의 분해도이다. 도 2 및 도 3에 예시된 실시예에서, 종방향 축(401)에 대해, 자석들의 상단 또는 제1 측면 또는 방사상 벽(402)이 존재한다. 유사하게, 자석들의 하단 또는 제2 측면 또는 방사상 벽(404)이 존재한다. 자석들의 외부 실린더형 벽 또는 종방향 링(406)은 제1 방사상 벽(402)과 자석들의 제2 방사상 벽(404) 사이에 종방향으로 위치된다. 자석들의 내부 실린더형 벽 또는 종방향 링(408)은 또한 제1 방사상 벽(402)과 자석들의 제2 방사상 벽(404) 사이에 종방향으로 위치되고 자석들의 외부 실린더형 벽(406) 내에 측방향으로 또는 방사상으로 위치된다. 조립되는 경우, 방사상 벽들(402-404) 및 실린더형 벽들(408-406)을 형성하는 자석들은 도 5a에 예시된 바와 같이, 토로이덜(toroidal) 자기 실린더를 형성한다.

특정 실시예들에서, 본원에 논의된 방사상 벽들(402-404) 및 실린더형 벽들(408-406)을 형성하는 자석들은 임의의 적절한 자성체, 예컨대: 네오디움, 알니코 합금들, 세라믹 영구 자석들, 또는 전자석들로부터 이루어질 수 있다. 자석들 또는 전자석들의 정확한 수는 요구되는 자기 필드 강도 또는 기계적 구성에 의존할 것이다. 예시된 실시예는 자석들을 배열하는 단지 하나의 방법이다. 다른 배열들은 특별히 자석들이 특정 목적 또는 형상을 위해 제조되는 경우, 가능하다.

코일 어셈블리(500)는 외부 종방향 링 또는 실린더형 벽(406)과 내부 종방향 링 또는 벽(408) 사이에 측방향으로 위치되고 제1 방사상 벽(402)과 제2 방사상 벽(404) 사이에 종방향으로 위치된다. 특정 실시예들에서, 코일 어셈블리(500)는 고정자(stator)일 수 있다. 더 다른 실시예들, 코일 어셈블리(500)는 회전자(rotor)일 수 있다.

이제, 도 4a를 참조하면, 코일 어셈블리 지지체(502)의 부분 등축도가 존재하며, 이는 일 실시예에서, 자기 방사상 벽들(402-404) 및 자기 종방향 실린더형 벽들(406-408) 및 상기 논의된 백 아이언 회로 부분(202 및 204)에 의해 형성되는 회전자(또는 회전자 어셈블리)와 함께 사용되는 고정자의 일부일 수 있다. 특정 실시예들에서, 코일 어셈블리 지지체(502)는 장축(401)에 대해 링 코어를 중심으로 방사상으로 이격되는 복수의 톱니들(506)에 결합되는 실린더형 또는 링 코어(504)를 포함한다. 명확성의 목적들을 위해, 도 4a는 링 코어(504)가 보일 수 있도록 제거된 톱니들(506)의 일부를 도시한다.

특정 실시예들에서, 링 코어(504)는 아이언(iron) 또는 백 아이언 재료들로부터 이루어질 수 있음으로써, 그것은 자속력 집중기(concentrator)의 역할을 할 것이다. 그러나, 다른 코어 재료들은 기계적 강도, 와전류들의 감소, 냉각 채널들 등과 같은 설계 고려 사항들이 고려될 때 사용될 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 백 아이언 재료들은 아이언, 아이언 합금, 적층 스틸 아이언, 또는 연질 자석 재료들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 링 코어(504)는 액체 또는 공기 냉각을 허용하기 위해 중공이거나 그 내에 정의되는 통로들(passages)을 가질 수 있다.

개별 톱니(506a)의 일 실시예 및 링 코어(504)의 작은 부분이 도 4b에 예시된다. 톱니(506a)는 코어(504)를 형성하는 재료(예를 들어, 백 아이언 재료)와 유사한 재료로 이루어질 수 있다. 예시된 실시예에서, 각각의 톱니(506a)는 방사상(예를 들어, 수평) 방향 및 종방향(예를 들어, 수직) 방향으로 링 코어(504)로부터 연장된다. 따라서, 각각의 톱니(506a)는 종방향 축(401)으로부터 멀리 방사상으로 연장되는 외부 부분(510)(도 3), 종방향 축(401)을 향하여 방사상으로 연장되는 내부 부분(512), 하나의 종방향 방향으로 연장되는 상단 부분(514), 및 대향하는 수직 또는 종방향 방향으로 연장되는 하단 부분(516)을 포함한다. 링 코어(504)의 예시된 부분은 개별 톱니(506a)에 결합되고 이를 지지한다.

특정 실시예들에서, 외부 핀(520)은 외부 수직 부분(510)의 외부 에지(exterior edge)에 결합하고 종방향 축(401)에 대해 양 원주(또는 접선) 방향들로 수직 부분(510)으로부터 외측으로 연장된다. 유사하게, 내부 핀(522)은 내부 부분(512)의 내부 에지(interior edge)에 결합하고 양 원주(또는 접선) 방향들로 부분(512)으로부터 외측으로 연장된다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 용어 "원주 방향(circumferential direction)"은 축(401)과 같은, 축을 중심으로 하는 접선 또는 회전 방향을 의미한다(도 4a 참조).

개별 톱니(506'a) 및 링 코어(504)의 작은 부분의 일 대안적인 실시예가 도 4c에 예시된다. 톱니(506'a)는 톱니(506'a)가 또한 상단 부분(514) 및 하부 부분(516)으로부터 연장되는 수평 또는 방사상 핀들을 갖는 것을 제외하고 도 4b를 참조하여 상기 설명된 톱니(506a)와 유사하다. 특히, 제1 또는 상단 수평 핀(518)은 상단 수평 부분(514)의 에지로부터 양 수평 원주 방향들로 연장된다. 유사하게, 제2 또는 하단 수평 핀(519)은 하단 수평 부분(516)의 에지로부터 양 수평 원주 방향들로 연장된다. 즉, 상단 수평 핀(518)은 톱니의 상단 부분에서 외부 핀(520)을 내부 핀(522)에 접합시킨다. 유사하게, 하단 수평 핀(519)은 톱니의 하단 부분에서 외부 핀(520)을 내부 핀(522)에 접합시킨다. 구조적 관점으로부터, 핀들(518 및 519)의 두께는 각각의 수평 부재(514 및 516)와의 접합부(joint)에 더 근접하여 더 두껍고 핀들이 접합부들로부터 멀리 연장됨에 따라 테이퍼될 수 있다.

코어 링(504)에 의해 지지되는 인접한 톱니들(506 또는 506')은 도 4a 및 도 4d에 예시된 바와 같이, 코일 어셈블리 지지 구조체(502) 내에 방사상 슬롯들(524)을 형성한다. 도 4d(톱니들(506)의 일부를 생략함)는 링 코어(504)를 중심으로 방사상으로 그리고 인접한 톱니들(506 또는 506') 사이에 형성되는 슬롯들(524) 내에 위치되는 복수의 개별 코일들 또는 코일 권선들(526)을 예시한다. 대조적으로, 도 4e는 개별 톱니들(506) 및 개별 슬롯들(524) 내에 위치되는 개별 코일 권선들(526) 모두를 도시하는 완전한 코일 어셈블리(500)를 예시한다.

코일 어셈블리(500) 내의 각각의 개별 코일(526)은 전도성 재료, 예컨대 구리(또는 유사한 합금) 와이어로 이루어질 수 있고 기술 분야에 공지된 종래의 권선 기술을 사용하여 구성될 수 있다. 특정 실시예들에서, 집중 권선들(concentrated windings)이 사용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 개별 코일들(526)은 본질적으로 개별 코일(526)이 코어(504)에 고정되는 것을 허용하도록 크기화되는 중심 코어를 갖는 링 코어(504) 주변에 권선되는 형상의 실린더형 또는 직사각형일 수 있다.

개별 코일들(526)을 톱니들(506 또는 506')에 의해 정의되는 슬롯들(524) 내에 위치시킴으로써, 코일들은 톱니들의 보다 실질적인 히트 싱크 능력들(heat sink capabilities) 에 의해 둘러싸이고 이는 특정 실시예들에서, 톱니들을 형성하는 재료로 직접 냉각 통로들을 통합할 수 있다. 이것은 종래의 모터의 기하학적 구조들보다 훨씬 더 높은 전류 밀도를 허용한다. 추가적으로, 복수의 코일들(526)을 슬롯들(524) 내에 그리고 톱니들(506) 사이에 위치시키는 것은 코일들 사이의 에어 갭을 감소시킨다. 에어 갭을 감소시킴으로써, 코일 어셈블리(500)는 모터 또는 발전기에 의해 생산되는 전체 토크에 기여할 수 있다. 특정 실시예들에서, 측방향 핀들(518 및 519)(도 4b), 코일 어셈블리의 톱니들(506a 또는 506'a)의 원주 방향 핀들(520 및 522)(도 4b 또는 도 4c)은 코일들이 여자되고(energized) 코일 어셈블리(500)가 자기 터널에 대해 이동하기 시작할 때 자속력들이 하나의 핀으로부터 인접한 핀으로 흐르는 것을 허용하기 위해 코일의 구조 사이의 에어 갭을 감소시킨다. 따라서, 코일 지지 어셈블리(502)의 모든 부분들은 시스템에 의해 개발되는 전체 토크에 기여한다.

개별 코일들(526)의 수는 원하는 볼륨 내에 물리적으로 피팅될 임의의 수일 수 있고 기술 분야에 공지된 바와 같은 원하는 전기적 또는 기계적 출력을 생산하는 도체 길이 및 크기일 수 있다. 더 다른 실시예들, 코일들(526)은 기술 분야에 공지된 바와 같은 그래머 링(Gramme Ring)과 유사한, 본질적으로 하나의 연속 코일일 수 있다.

도 5a는 종방향 축(401)을 중심으로 위치되는 원형 또는 링형 자기 터널을 형성하는 토로이덜 자기 실린더(430)의 일 실시예의 사시도이다. 이전에 설명된 바와 같이, 토로이덜 자기 실린더(430)는 (종방향 축(401)에 대해) 자석들의 상단 방사상 링 또는 측벽(402)을 포함한다. 유사하게, 자석들의 제2 또는 하단 방사상 링 또는 측벽(404)이 존재한다. 자석들의 외부 실린더형 벽 또는 종방향 링(406)은 자석들의 제1 방사상 벽(402)과 제2 방사상 벽(404) 사이에 종방향으로 위치된다. 실시예에 따라, 자석들의 외부 종방향 링(406)은 지지 구조체, 냉각 메커니즘, 및/또는 와이어들 및 도체들을 수용하기 위해 축방향 슬롯(410)을 정의할 수 있다. 자석들의 내부 실린더형 벽 또는 종방향 링(408)은 또한 자석들의 제1 방사상 벽(402)과 제2 방사상 벽(408) 사이에 종방향으로 위치되고 자석들의 외부 종방향 링(406) 내에 축방향으로 위치된다.

다른 실시예들에서, 자석들의 내부 종방향 링(408)은 (도 9a에 예시된 슬롯(4110)과 유사한) 축방향 슬롯을 포함할 수 있다. 더 추가적 실시예들에서, 제1 방사상 벽(402) 또는 자석들의 제2 방사상 벽(404)은 측면 원형 슬롯(미도시)을 포함할 수 있다. 그러한 슬롯들은 지지 구조체, 냉각 메커니즘 및/또는 와이어들 또는 도체들을 수용하도록 설계된다. 자석들의 내부 종방향 링 또는 실린더형 벽(408)(자석들의 외부 종방향 링(406)에 대조적임) 내에 정의되는 슬롯의 하나의 이점은 자석들의 내부 종방향 벽(408)이 자석들의 외부 링(406)보다 더 작은 토크를 생산한다는 것이다. 따라서, 자석들의 외부 종방향 링(408)의 전체 폭을 사용함으로써, 더 큰 토크가 생산될 수 있다.

도 5a에 예시된 실시예에서, 토로이덜 자기 실린더(430)는 8개의 토로이덜 자기 실린더 세그먼트들(또는 자기 터널 세그먼트들)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 2개, 4개의, 6개, 10개, 12개 세그먼트들 또는 그 이상이 있을 수 있다. 세그먼트들의 수는 특정 응용에 대한 특정 설계 및 성능 특성들에 의존할 것이다.

도 5b는 내부 섹션 또는 "자기 터널"(458) 또는 원형 경로의 일부를 정의하는 단일 토로이덜 자기 실린더 세그먼트(450)(또는 자기 터널 세그먼트)의 사시도이다. 도 5c는 단일 토로이덜 자기 실린더 세그먼트(450')의 대안적인 실시예의 사시도이다. 예시된 바와 같이, 토로이덜 자기 실린더 세그먼트들(450 및 450')은 각각 (상기 논의된 외부 실린더 벽(406)의 일부들인), 외부 자벽들(452 및 452')을 갖는다. 토로이덜 자기 실린더 세그먼트들(450 및 450') 둘 다는 (상기 논의된 내부 자기 실린더 벽(408)의 일부인) 내부 자벽(454)을 갖는다. 부분 실린더형 자벽들(452 (또는 452') 및 454)에 더하여, 또한, 이들 예시된 실시예들에서 쐐기 형상 부재들 또는 자석들로 이루어질 수 있는 자기 축방향, 측면 또는 측방향 벽들(460 및 462)이 있다. 축방향 벽(460)은 제1 측면 또는 링 벽(402)의 일부일 수 있고 축방향 벽(462)은 제2 측면 또는 링 벽(404)의 일부이거나 역도 또한 같을 수 있다.

예시된 실시예에서, 벽(454)과 벽(460) 사이의 슬롯(456)과 같은, 자벽들 사이에 작은 슬롯들이 있을 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 특정 실시예들에서, 또한, 실시예(450)의 벽(452) 내에 정의되는 슬롯(410)과 같이, 벽들 내에 슬롯들이 있을 있다. 그러한 슬롯(410)은 지지 구조체, 전선들 및/또는 도관들 또는 냉각 도관들의 모든 통로에 사용될 수 있다. 대조적으로, 실시예(450')는 축방향 벽(460) 내에 정의되는 슬롯(412)을 갖는다.

자벽들(452(또는 452'), 454, 460, 및 462)의 개별 자석들은 모두 "폐쇄형(closed)" 자기 터널 세그먼트을 형성하기 위해 토로이덜 자기 실린더 세그먼트(450)의 터널(458)의 내부를 향하여 또는 이로부터 멀리 배향되는 그들의 자극들을 갖는다. 즉, 외부 벽(452)(또는 외부 벽(452)) 및 내부 벽(454)을 형성하는 자석들의 자극들은 종방향 축(401)을 방사상으로 가리키도록 배향되는 그들의 자극들을 갖는다(도 5a). 대조적으로, 제1 축방향 벽(460) 및 제2 축방향 벽(462)을 형성하는 자석들의 자극들은 종방향 축(401)과 평행하게 배행되는 그들의 자극들을 갖는다.

본 개시에서 사용되는 바와 같은 용어 "폐쇄형 자기 터널"은 대부분의 자속력들을 (슬롯 또는 다른 개구를 통해) 방사상 또는 축 방향으로 탈출시키는 것 없이 원주 방향으로 터널의 일 측면으로부터 다른 측면으로 자속력들을 "강제" 또는 "만곡"시키는 실린더 세그먼트(450) 또는 실린더 세그먼트(450')를 형성하는 자석들의 배열을 사용하는 것을 언급한다. 따라서, 슬롯 폭들은 자속력들이 슬롯들을 통해 빠져나가는 것을 방지하기 위해 크기가 제한된다. 다른 실시예들에서, 추가적인 자석들은 대부분의 자속력들을 미리 결정된 또는 원주 방향으로 채널화되도록(channeled) 유지하기 위해 슬롯들 안으로(또는 슬롯들에 근접하여) 삽입될 수 있다.

도 5d는 세그먼트의 내부 내에 위치되는 코일 어셈블리(500)의 일부를 갖는 토로이덜 실린더 세그먼트(450')의 등축도이다. 도 5d에 예시되는 자기 방향 또는 구성은 2개의 대향 자석 면들이 내측을 향하는 그들의 남극들을 갖고 다른 2개의 대향 자기 면들이 내측을 향하는 그들의 북극들을 갖기 때문에 NSNS" 자극 구성으로 칭하여 질 수 있다. 즉, 상단 축방향 벽(460) 및 하단 축방향 벽(462)을 형성하는 자석들은 터널(458)의 내부 쪽으로 향하는 그들의 북쪽 자극들을 갖는다. (도면의 해석 편의성을 위해, "N"은 그들의 북쪽 내부 극들이 내측으로 향하고 있다는 것을 나타내기 위해 축방향 벽(460) 및 축방향 벽(462)의 에지 상에 배치된다. 따라서, 에지 또는 측면 상에 위치되는 "N"은 실제 자극을 나타내지 않지만, 적절한 벽의 각각의 내부 면에 대한 자기 극성의 지표(indicator)를 나타낸다). 대조적으로, 내부 종방향 벽(454) 및 외부 종방향 벽(452')을 형성하는 자석들은 터널(458)의 내부 쪽으로 향하는 그들의 남쪽 내부 자극들을 갖는다(따라서, "S"는 그들의 남쪽 내부 극들이 내측으로 향하고 있다는 것을 나타내기 위해 종방향 벽(454) 및 종방향 벽(452)의 에지 상에 배치된다. 다시, 종방향 벽의 에지 상에 위치되는 "S"는 실제 자극을 나타내지 않는다).

종래의 구성들에서, 자석들의 대향 극들은 통상적으로 종방향으로 정렬된다. 따라서, 자속선들(magnetic flux lines)은 자석들의 표면을 "허그(hug)"하거나 근접하여 따라갈 것이다. 따라서, 종래의 전력 생성/이용 장비를 사용할 때, 간극들(clearances)은 통상적으로 이들 힘의 라인들에 작용할 수 있도록 하기 위해 매우 타이트해야만 한다. 동일 자극들을 코일 어셈블리(500)에 방사상으로 또는 이에 수직으로 정렬함으로써, 자속력들은 코일 어셈블리에 걸쳐 자석들의 표면으로부터 흐른다. 이러한 구성은 코일들과 자기 표면들 사에에 더 큰 공차들(tolerances)을 허용한다.

종래의 모터들에 비해 이들 구성의 장점들 중 하나는 단부 턴들(이 경우, 코일들의 방사상 섹션)이 모터/발전기의 "능동 섹션(active section)" 또는 힘 생성 섹션의 일부라는 것이다. 종래의 모터들에서, 통상적으로 구리 도체의 축방향 길이만이 전력을 생산하는 섹션이다. 종래의 모터들에서, 단부 턴들은 중량 및 손실들을 추가하지만, 단부 영역 필드들이 단부 권선들을 효과적으로 링크하고 있지 않기 때문에 전력을 생산하지 않는, 페널티(penalty)이다. 그러나, 상기 설명된 바와 같이, 전체 코일 권선은 측벽 또는 축방향으로 자화되는 축방향 자석들로 인하여 토크를 효과적으로 생산하고 있다. 따라서, 본질적으로 코일들의 전체 도체는 능동적으로 더 큰 힘을 생산한다.

각각의 코일(526)의 권선들은 일반적으로 그들이 코일 어셈블리(500)를 포함하는 자석들의 상대 이동의 방향에 횡방향 또는 수직으로 그리고 종방향 축(401)과 평행하게 남아 있도록 구성된다. 즉, 코일 권선들은 그들의 측면들이 종방향 축과 평행하고 그들의 단부들이종방향 축에 방사상으로 수직하도록 위치된다. 권선들은 또한 상기 설명된 바와 같이 그들의 내부 면에서 회전자의 개별 자석들에 의해 생산되는 자속에 대해 횡방향이다. 따라서, 전체 코일 권선 또는 권선들(단부 턴들을 포함함)은 (모터 모드에서) 이동 또는 (발전기 모드에서) 전압을 생성하기 위해 사용될 수 있다.

도 6a는 공통 중심 또는 종방향 축(401) 주변에 원주형으로 배열되는 4개의 토로이덜 자기 실린더 세그먼트들(450a, 450b, 450c 및 450d)을 예시한다. 이러한 배열은 각각의 실린더 세그먼트들 사이에 4개의 개방 공간들(610a, 610b, 610c, 및 610d)을 남긴다. 4개의 추가적인 토로이덜 자기 실린더 세그먼트들(420a-420d)을 공간들(610a-610d)로 삽입 및 위치시키는 것은 도 6c에 예시된 바와 같은 완전한 토로이덜 자기 실린더(430)를 야기한다. 따라서, 도 6c는 4개의 토로이덜 자기 실린더 세그먼트들(450a-450d)과 토로이덜 자기 실린더 세그먼트들(420a-420d)을 종방향 축(401) 주변에서 교번하는 배열로 결합시키는 것으로부터 형성되는 완전한 토로이덜 자기 실린더(430)를 예시한다.

토로이덜 자기 실린더 세그먼트들(450a-450d)을 생성하는 자석들의 극들은 도 5d를 참조하여 상기 논의된 바와 같은 NSNS 자기 구성을 형성하기 위해 특정 기하학적 배열로 배향된다. 대조적으로, 자기 실린더 세그먼트(420a)와 같은 인접한 토로이덜 자기 실린더 세그먼트들은 SNSN 자기 구성을 형성하기 위해 도 6b에 예시된 바와 같은 대향 방향으로 배향되는 그들의 동일 자극들을 갖는다.

도 6b는 인접한 토로이덜 자기 실린더 세그먼트(420)를 예시하며, 이는 토로이덜 자기 실린더 세그먼트(420a 내지 420d)일 수 있다. 자기 실린더 세그먼트(420)는 자극 방향이 역전된 것을 제외하고 상기 논의된 자기 실린더 세그먼트(450)와 유사하다. 즉, 자벽들(460a 및 452a)을 형성하는 자석들은 실린더 세그먼트의 내부 쪽으로 내측을 향하는 그들의 북극들을 갖는다. (전술한 바와 같이, "S"는 그들의 남극들이 내측을 향하고 있다는 것을 나타내기 위해 축방향 벽(460a) 및 축방향 벽(462a)의 측면 상에 배치된다). 자기 실린더형 벽들(452a 및 454a)을 형성하는 자석들은 자기 실린더 세그먼트의 내부 쪽으로 내측을 향하는 그들의 북극들을 갖는다. (유사하게, "N"은 그들의 남극들이 내측을 향하고 있다는 것을 나타내기 위해 축방향 벽(462a) 및 종방향 벽(454a)의 측면 상에 배치된다). 따라서, 토로이덜 자기 실린더 세그먼트들(420a-420d)은 토로이덜 자기 실린더 세그먼트들(450a-450d)에 대해 대향 자기 방향 또는 "구성(configuration)"을 갖는다. 따라서, 이러한 자극 구성을 도 5d를 참조하여 상기 논의된 NSNS 자극 구성과 구별하기 위해, 도 6b에 예시되는 자극 구성은 본 출원의 목적을 위해 SNSN 자극 구성으로 칭하여진다.

실린더 세그먼트들(420a-420d)이 여기될 때, 토로이덜 자기 실린더 세그먼트들(420a-420d) 내에 위치되는 코일 권선들을 통해 진행하는 전류는 생성된 자기력 또는 토크의 방향이 전체 자기 실린더(430)에 걸쳐 동일하도록 자기 실린더 세그먼트들(450a-450d) 내에 위치되는 코일 권선들을 통해 진행하는 전류와 다른 대향 방향으로 진행한다.

도 6c에서, 자벽들 중 일부는 - 자벽의 대면 "북쪽(North)" 극을 나타내는 "N"으로 라벨링되는 자벽들과는 대조적으로 자석 벽의 대면 "남쪽(South)" 극을 나타내는 "S"로 라벨링된다. 전술한 바와 같이, 문자들 "N" 및 "S"는 각각의 벽의 내부를 형성하는 자석들의 방향 및 자극 극성을 나타내기 위해 자벽들의 외부 면들 상에 중첩된다.

상기 논의된 바와 같이, 8개의 세그먼트 토로이덜 자기 실린더(430)가 도 6c에 예시되지만, 다른 실시예들에서, 2개, 3개, 4개의, 6개, 10개 등의 부분적인 토로이덜 자기 실린더들이 사용될 수 있다. 임의의 주어진 응용들에 대해 선택되는 부분적인 토로이덜 자기 실린더들의 수는 엔지니어링 설계 파라미터들 및 개별 응용들에 대한 특정 성능 특성들에 기초할 수 있다. 본 발명의 범위는 특별히 인접한 부분적인 토로이덜 자기 실린더들에 대해 대향 극성을 갖는 다수의 부분적인 토로이덜 자기 실린더들을 포함하고 이를 고려한다. 단순화 및 예시적 목적들을 위해, 8개의 세그먼트 토로이덜 자기 실린더가 본원에서 설명된다. 그러나, 이러한 설계 선택은 결코 임의의 다중 터널 토로이덜 자기 실린더에 대한 터널들의 선택 또는 수를 제한하도록 의미되지 않는다.

특정 실시예들에서, 부분적인 토로이덜 자기 실린더들(450a-450d 및 420a-420d)은 부분적인 토로이덜 자기 실린더들이 도 6b에 예시된 바와 같이 완전한 실린더(430)로 조립될 때 방사상 갭들(422)이 부분적인 토로이덜 자기 실린더들 사이에 형성하는 것을 허용하도록 크기화될 수 있다. 다른 실시예들에서, 부분적인 토로이덜 자기 실린더들 사이에 어떠한 방사상 갭들이 존재하지 않는다.

도 7a는 백 아이언 회로(200)의 일부가 자기 실린더(430)를 둘러싸는 것으로 도시된 도 6c의 8개의 터널 토로이덜 자기 실린더(430)를 예시한다. 도 7b는 백 아이언 회로(200)에 의해 완전히 둘러싸인 8개의 터널 토로이덜 자기 실린더(430)를 예시한다. 상기 논의된 바와 같이, 다른 실시예들에서, 제어 와이어들 및 도체들(미도시)의 통과를 허용하기 위해 백 아이언 구성요소들 사이에 슬롯(410)이 있을 수 있다.

상기 논의된 바와 같이, 예시적 실시예에서, 허브(300)는 기계적 부하 전달 장치, 예컨대 샤프트 또는 로드(rod)(미도시)에 결합하기 위한 내부 허브(302)를 포함한다. 복수의 방사상 아암들 또는 스포크들(spokes)(304)은 내부 허브(302)를 외부 허브(306)에 구조적으로 연결한다. 특정 실시예들에서, 외부 허브(306)는 또한 백 아이언 회로의 일부를 포함하고 따라서 백 아이언 재료로 형성될 수 있다.

특정 실시예들에서, 백 아이언 회로는 자속 경로의 일부로서 사용될 수 있다. 백 아이언 재료는 자기 회로의 릴럭턴스(reluctance)를 감소시키기 위해 (공기와 대조적으로) 백 아이언 재료를 통해 자기 토로이덜 실린더(430)에 의해 생산되는 자속을 채널화한다. 특정 실시예들에서, 따라서, 토로이덜 자기 실린더를 형성하는 자석들의 양 또는 두께는 (영구 자석들이 사용되는 경우) 적절하게 설계된 백 아이언 회로를 사용할 때 감소될 수 있다.

특정 실시예들에서, 백 아이언 회로는 백 아이언 재료의 "상단" 측면 또는 축방향 벽(208) 및 "하단(bottom)" 측면 또는 축방향 벽(210)을 포함할 수 있다. 백 아이언 회로는 또한 축방향 벽들(208 및 210) 각각에 결합하거나 결합하지 않을 수 있는 원주형 링들 또는 "벽들(walls)"(202 및 204)을 포함할 수 있다. 따러서, 이러한 실시예에서, 전체 백 아이언 회로는 도 7a 및 도 7b에 예시된 바와 같이, 허브(300)의 외부 실린더 벽(306), 원주형 링들(202 및 204), 및 축방향 벽들(208 및 210)을 포함한다. 토로이덜 자기 실린더(430)와 결합되는 백 아이언 회로는 회전자(또는 모터/발전기 구성에 따라 고정자)를 형성할 수 있다. 토로이덜 자기 실린더(430)가 회전자로 사용되는 경우, 토로이덜 자기 실린더는 터널의 각각의 자벽이 회전자로 고려되는 4개의 서브-회전자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5d를 다시 참조하면, 자벽(460)은 제1 회전자 또는 "서브-회전자"일 수 있고, 자벽(462)은 제2 회전자 또는 "서브-회전자(sub-rotor)"일 수 있고, 자벽(452) 제3 회전자 또는 "서브-회전자"일 수 있고, 자벽(454)은 제4 회전자 또는 "서브-회전자"일 수 있다.

생성된 토크 및/또는 전력을 유지하기 위해, 코일 어셈블리 내의 개별 코일들(526)은 스위칭 또는 컨트롤러(미도시)에 의해 선택적으로 여기되거나 할성화될 수 있다. 코일 어셈블리(500) 내의 개별 코일들(526)은 종래의 방식으로 전류를 개별 코일들에 선택적으로 그리고 동작적으로 제공하는 스위칭 또는 컨트롤러에 전기적으로, 물리적으로, 그리고 통신적으로 결합될 수 있다.

예를 들어, 컨트롤러는 개별 코일이 도 5d에 예시된 바와 같은 NSNS 자극 구성을 갖는 자기 터널 세그먼트 내에 있을 때 전류가 개별 코일 내에 흐르게 할 수 있다. 한편, 동일한 개별 코일이 SNSN 자극 구성을 갖는 인접한 자기 터널 세그먼트로 이동할 때, 컨트롤러는 생성된 자기력이 동일 방향이도록 개별 코일 내의 전류가 도 5d에 도시된 것과 대향하는 방향으로 흐르게 한다.

도 4d를 다시 참조하면, 개별 코일들(526)은 단부 권선들이 없는 토로이덜 권선을 사용하고 일부 실시예들에서 직렬로 서로 연결될 수 있다. 다른 실시예들에서, 3상 권선은 인접한 코일들이 함께 연결되어 각각의 위상의 분기(branch)를 형성하는 경우 사용될 수 있다. 예를 들어, 2개의 인접한 코일들은 위상 A 코일들 일 수 있고, 다음 2개의 인접한 코일들은 위상 B 코일들 일 수 있고, 다음 2개의 인접한 코일들은 위상 C 코일들 일 수 있다. 이때, 이러한 3상 구성은 코일 어셈블리 내의 모든 개별 코일들(526)에 대해 반복할 것이다. 일 실시예에서, 총 16개의 위상 A 코일들을 위한 여덟(8) 쌍들의 인접한 위상 A 코일들이 존재한다. 유사하게, 총 16개의 위상 B 코일들을 위한 여덟(8) 쌍들의 인접한 위상 B 코일들이 존재하고, 총 16개의 위상 C 코일들을 위한 여덟(8) 쌍들의 인접한 위상 C 코일들이 존재한다. 따라서, 그러한 실시예에서, 48개의 개별 코일들이 존재한다.

코일들이 여기될 때, 3상 권선은 코일 어셈블리 주변의 에어 갭에 회전 자기 필드를 생산할 수 있다. 회전 자기 필드는 코일 어셈블리와 토로이덜 자기 터널 사이에 토크 및 상대 이동을 생산하는 토로이덜 자기 터널에 의해 생성되는 자기 필드와 상호작용한다.

그러한 실시예들에서, 개별 코일들(526)은 브러시리스 모터 컨트롤러(미도시)에 연결되어 기술 분야에 공지된 방식으로 활성화될 수 있다. 그러한 위상에 대해, 컨트롤러는 순방향 전류, 역방향 전류를 인가하거나, 전류를 인가하지 않을 수 있다. 동작에서, 컨트롤러는 모터 모드에서 (코일 어셈블리에 대해) 원하는 방향으로 자기 토로이덜 터널을 회전시키기 위해 토크를 연속적으로 부여하는 시퀀스로 전류를 위상들에 인가한다. 특정 실시예들에서, 컨트롤러는 위치 센서들로부터의 신호들로부터 회전자 위치를 디코딩할 수 있거나 각각의 위상에 의해 드로잉되는 전류에 기초하여 회전자 위치를 추론할 수 있다.

더 다른 실시예들에서, 브러시형 모터/발전기가 사용될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 하나 이상의 정류자들(commutators)(미도시)은 예를 들어, 허브(300) 내에서 사용되고 위치될 수 있다. 특정 실시예들에서, 사용되는 브러시들의 수는 특정 모터/발전기의 설계에 사용되는 토로이덜 자기 세그먼트들의 수와 동일할 수 있다. 예를 들어, 4개의 토로이덜 자기 세그먼트들이 사용되는 경우, 이때, 4개의 브러시들이 사용될 수 있다. 코일 어셈블리 내의 개별 코일들(526)은 직렬로 연결되어 토로이덜 권선된 권선들을 갖는다. 모터 모드의 브러시리스 설계에서, 도 8에 예시된 바와 같은 단순화된 스위칭 회로(800)는 코일들이 각각의 토로이덜 자기 세그먼트에 들어가거나 빠져나옴에 따라 전류 방향을 스위치하기 위해 필요한 모든 것이다. 도 8에 예시된 바와 같이, 전원(802)은 4개의 토로이덜 자기 세그먼트들의 전류를 스위치하기 위해 기술 분야에 공지된 바와 같은 4개의 쌍들의 트랜지스터들(806a-806d) 및 다이오드들(808a-808d)을 통해 브러시리스 모터(804)에 전기적으로 결합된다.

모터/발전기 실시예

도 9a는 백 아이언 회로(1200)에 의해 둘러싸인 (도 1 및 도 2의 자기 디스크 어셈블리(400)와 유사한) 자기 디스크 어셈블리(1400)를 예시한다. 백 아이언 회로(1200)는 상기 논의된 백 아이언 회로(200)와 유사하다. 백 아이언 회로(200)의 제1 실린더형 벽(206)과 제2 실린더형 벽(210) 사이에 정의되는 원주형 슬롯(410)을 갖는 도 7a 및 도 7b를 참조하여 상기 논의된 실시예와 대조적으로, 토로이덜 자기 실린더(1400)는 백 아이언 회로(1200)의 제1 측면 또는 상단 벽(1208)과 제1 실린더형 벽(1206) 사이에 정의되는 측면 슬롯(1410)을 갖는다. 측면 슬롯(1410)은 제어 와이어들 및 도체들의 통로에 더하여 구조적 측면 지지체(예를 들어, 연장 링)를 허용하기 위해 사용될 수 있다. 간략화 및 명확성을 위해, 상기 도면들에 예시되는 실시예와 함께 설명되는 것들과 동일하거나 유사한 이들 부분들 및 구성요소들의 설명은 여기서 반복되지 않을 것이다. 대안적인 실시예들의 완전한 이해에 도달하기 위해 이하의 설명과 함께 이전 단락들을 참조해야 한다.

도 9b는 백 아이언 회로(1200)가 명확성을 위해 제거된 자기 디스크 어셈블리(1400)를 예시한다. 8개의 자기 터널 세그먼트들(1450)이 도 9b에 예시되지만, 토로이덜 자기 실린더(1400)는 -토로이덜 자기 실린더(430)를 참조하여 상기 설명된 바와 같이 임의의 수의 자기 터널 세그먼트들로 이루어질 수 있다.

도 9c는 (상기 논의된 토로이덜 자기 실린더(430)와 유사한) 토로이덜 자기 실린더(1430)를 형성하는 백 아이언 회로(1200) 및 자석들의 분해 등축도이다. 이러한 실시예에서, 백 아이언 회로(1200)는 제1 부분(1202) 및 제2 부분(1204)을 포함한다. 백 아이언 회로(1200)의 제1 부분(1202)은 측면 또는 상단 벽(1208), 제1 원주형 외부 벽 또는 링(1206), 및 제1 내부 벽 또는 링(1207)을 포함한다. 백 아이언 회로(1200)의 제2 부분(1204)은 측면 또는 하단 벽(1212), 제2 원주형 외부 벽 또는 링(1210), 및 제2 내부 벽 또는 링(1211)을 포함한다.

토로이덜 자기 실린더(1430)는 제1 방사상 벽 또는 측벽(1402), 제2 축방향 또는 대향 링 또는 측벽(1404), 자석들의 외부 실린더형 벽 또는 종방향 링(1406), 자석들의 내부 실린더형 벽 또는 종방향 링(1408)에 의해 형성된다. 조립될 때, 외부 실린더형 벽(1406) 및 내부 실린더형 벽(1408)은 자석들의 제1 방사상 벽(1402)과 제2 방사상 벽(1404) 사이에 종방향으로 위치된다. 추가적으로, 내부 실린더형 벽(1408)은 자석들의 외부 종방향 링(1406) 내에 측방향으로 위치된다. 도 9c에 예시된 실시예에서, 외부 실린더형 벽(1406)은 2개의 부분들 또는 "링들(rings)"로 구성된다 - 제1 외부 링(1406a) 및 a 제2 외부 링(1406b). 유사하게, 내부 실린더형 벽(1408)은 2개의 부분들 또는 내부 링들을 포함한다: 제1 링(1408a) 및 제2 링(1408b).

이전 실시예들에서 논의된 바와 같이, 각각의 외부 링(1406a 및 1406b)은 복수의 만곡된 자석들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 복수의 내부 종방향 홈들(1240a)은 백 아이언 회로(1200)의 제1 외부 실린더 벽(1206)의 내부 표면(1242a) 주변에 정의되고 방사상으로 이격된다. 외부 자벽(1406)의 제1 부분(1406a)을 형성하는 복수의 외부 자석들은 복수의 내부 종방향 홈들(1240a) 내에 피팅되도록 크기화된다. 유사하게, 복수의 내부 종방향 홈들(1240b)은 제2 외부 실린더 벽(1210)의 내부 표면(1242b) 주변에 정의되고 방사상으로 이격된다. 외부 자벽(1406)의 제2 부분(1406b)을 형성하는 복수의 외부 자석들은 복수의 내부 종방향 홈들(1240b) 내에 피팅되도록 크기화된다.

각각의 내부 자기 링 또는 벽 부분(1408a 및 1408b)은 또한 복수의 만곡된 자석들을 포함한다. 복수의 외부 종방향 홈들(1244a)은 백 아이언 회로(1200)의 제1 내부 실린더 벽(1207)의 외부 표면(1246a) 주변에 정의되고 방사상으로 이격된다. 내부 자벽(1408)의 제1 부분(1408a)을 형성하는 복수의 내부 자석들은 복수의 외부 종방향 홈들(1244a) 내에 피팅되도록 크기화된다 유사하게, 복수의 외부 종방향 홈들(1244b)은 제2 내부 실린더 벽(1211)의 외부 표면(1246b) 주변에 정의되고 방사상으로 이격된다. 내부 자벽(1408)의 제2 부분(1408b)을 형성하는 복수의 내부 자석들은 복수의 외부 종방향 홈들(1244b) 내에 피팅되도록 크기화된다.

따라서, 복수의 홈들(1240a, 1240b, 1244a 및 1244b)은 외부 실린더형 자벽(1406) 및 내부 실린더형 자벽(1408)을 형성하는 복수의 자석들을 위치시키고 구조적으로 지지하도록 설계된다.

도 10a는 자기 디스크 어셈블리(1400)(보이지 않음) 및 백 아이언 회로(1200)(도 9a 내지 도 9c)를 사용하는 시스템(900)의 등축 조립도이다. 대조적으로, 도 10b는 시스템(900)의 분해 등축도이다. 이제 도 10a 및 도 10b 둘 다를 참조하면, 자기 디스크 어셈블리(1400)는 시스템(900)의 구성요소로서 사용된다. 자기 디스크 어셈블리(1400)는 (상기 논의된 코일 어셈블리(500)와 유사한) 코일 어셈블리(1500)를 포함한다. 구성에 따라, 시스템(900)은 전기 모터 또는 전기 발전기일 수 있다.

특정 실시예들에서, 시스템(900)은 고정자 측면 단부 플레이트(902) 및 코일 어셈블리(1500)를 고정자 측면 단부 플레이트(902)에 고정적으로 결합시키는 연장 또는 지지 링(904)을 포함한다. 고정자 측면 단부 플레이트(902)는 원형 구성으로 배열되는 일련의 개구부들(903)을 포함한다. 유사하게, 지지 링(904)은 또한 시스템(900)이 조립될 때 고정자 측면 단부 플레이트(902)의 개구부들(903)을 정렬시키도록 크기화되고 이격되는 원형 구성으로 정의되는 일련의 개구부들(905)을 갖는다. 나사들, 볼트들 또는 다른 패스너들(fasteners)은 고정자 측면 단부 플레이트(902)를 코일 어셈블리(1500)에 고정하기 위해 개구부들(903 및 905) 중 일부를 통해 연장될 수 있다.

조립될 때, 회전자 샤프트(1302)의 단부(1303)는 도 10a에 예시된 바와 같이 고정자 측면 단부 플레이트(902)를 통해 연장된다. 회전자 허브(1300)는 회전자 샤프트(1302)에 결합하고 백 아이언 회로(1200)를 지지하며, 이는 차례로 토로이덜 자기 실린더(430)(도 10a 및 도 10b에 보이지 않음)를 지지한다. 회전자 샤프트(1302)의 대향 단부(1304)는 회전자 측면 플레이트(908)에 의해 지지된다. 조립될 때, 이러한 실시예에서, 한 쌍의 측면 플레이트들(910 및 912)은 도 10a에 예시된 바와 같이 고정자 측면 단부 플레이트(902)를 회전자 측면 플레이트(908)에 결합시킨다. 더 다른 다른 실시예들에서, 케이싱은 단부 플레이트들을 함께 고정시키기 위해 사용될 수 있거나 단부 플레이트들은 케이싱으로 통합될 수 있다. 더 다른 실시예들에서, 백 아이언 회로는 케이싱을 형성할 수 있다. 기술 분야에 공지된 바와 같이, 회전자 샤프트(1302)는 발전기 모드일 때 기계적 회전력을 시스템으로 입력하거나 시스템이 모터 모드일 때 기계적 회전력을 생산하는 기계적 부하 전달 장치이다.

도 10c는 고정자 또는 코일 어셈블리(1500)가 연장 링(904)을 통해 고정자 단부 플레이트(902)에 결합되고 이에 의해 지지되도록 예시되는 시스템(900)의 다른 분해 예시도이다. 따라서, 단부 플레이트들(902 및 908), 연장 링(904), 및 코일 어셈블리(1500)(고정자)는 이러한 구성에서 고정적이다. 대조적으로, 회전자 허브(1300)는 토로이덜 자기 실린더(1430)(도 10c에 미도시)를 지지 및 위치시키는 백 아이언 회로(1200)에 고정식으로 결합된다. 회전자 샤프트(1302)는 고정자 단부 플레이트(902) 및 회전자 단부 플레이트(904)에 의해 구조적으로 지지될 수 있다. 베어링 유닛들(912 및 914)은 회전자 샤프트가 단부 플레이트들에 대해 회전하는 것을 허용하기 위해 회전자 샤프트(1302)의 단부들과 단부 플레이트들 사이에 위치된다. 따라서, 도 10c에 예시된 바와 같이, 코일 어셈블리(1500)(또는 고정자)는 단부 플레이트(902)에 고정식으로 결합된다. 대조적으로, 토로이덜 자기 디스크(1430) 및 백 아이언 회로(1200)(또는 회전자)는 단부 플레이트(908)에 회전 가능하게 결합된다. 단부 플레이트(902 및 908)는 기계의 전체 배열을 보호하고 회전 구성요소들의 무결성을 보장할 것이다.

특정 실시예들에서, 와이어들 및 냉각 매체는 개구부들(903 및 905) 각각을 통한 연장 링(904)을 통해 전용 단부 플레이트(902)로부터 코일 어셈블리(500)로 진입할 수 있다. 대조적으로, 회전 구성요소들(토로이덜 자기 디스크(1430) 및 백 아이언 회로(1200))은 함께 결합될 수 있고 회전자 허브(1300)와 직렬로 결합될 것이며, 이는 그 다음 샤프트(1302)에 고정식으로 결합된다.

도 10d는 회전자 허브(1300)에 관한 특정 상세들을 예시하는 부분적인 분해도이다. 코일 어셈블리(1500) 및 백 아이언 회로의 외부 벽들(1206 및 1210)은 명확성을 위해 도 10d에서 제거되었다. 회전자 허브(1300)는 샤프트(1302)의 길이를 따라 종방향으로 위치되는 복수의 지지 숄더들을 포함한다. 제1 베어링 지지 숄더(1320)는 베어링 유닛(912)과 체결하고 이를 지지한다. 제1 센터링 숄더(1322)는 백 아이언 회로(1200)의 제1 측벽(1208)에 결합하고 이를 지지한다. 센터 숄더(1324)는 백 아이언 회로(1200)의 내부 실린더형 벽들(1207 및 1211)과 체결하고 이를 지지한다. 제2 센터링 숄더(1326)는 백 아이언 회로(200)의 제2 측벽(1212)을 지지한다. 제2 베어링 지지 숄더(1328)는 제2 베어링 유닛(914)과 체결하고 이를 지지하도록 설계된다. 특정 실시예들에서, 키웨이(1330)(keyway)(도 10b 참조)는 회전자 샤프트(1302)의 어느 한 단부에 정의될 수 있다.

도 10a 내지 도 10d를 통해 예시되는 실시예에서, 코일 어셈블리(1500)는 고정자이다. 다른 구성들에서, 코일 어셈블리(1500)는 회전자일 수 있다. 더욱이, 예시된 바와 같은 실시예들은 코일 어셈블리(1500)를 구성하고 지지하는 단지 하나의 방식이다. 다른 실시예들에서, 코일 어셈블리(1500)는 코일 어셈블리로부터 외부 케이싱 또는 하우징(도 7a 및 도 7b)으로 외부 실린더형 벽들(206 및 210) 사이의 센터 슬롯(410)을 통해 연장되는 지지 링에 의해 지지될 수 있다. 코일 어셈블리(500)가 회전자로서 기능하는 더 다른 실시예들에서, 코일 어셈블리는 코일 어셈블리로부터 샤프트로 내부 실린더형 벽들(208 및 218) 사이의 센터 슬롯을 통해 연장되는 지지 링에 의해 지지될 수 있다. 정확한 구성은 코일 어셈블리가 고정자인지 또는 회전자인지에 관한 설계 선택들에 의존한다.

특정 실시예들의 이점들

요약하면, 특정 개시된 실시예들은 전통적인 모터들 및 발전기들과 비교할 때 수개의 이점들을 갖는다. 상기 설명된 바와 같이 자석들로 코일들을 둘러싸는 것은 더 많은 토크를 생성하고 힘들은 이제 모두 - 힘들이 모션의 방향이 아닌, (극성에 의존하여) 코일을 하향으로 끌어 당기거나 그것을 상향으로 푸시하려고 시도할 수 있는 종래의 모터들과 비교하여 더 많은 토크를 생성하고, 진동을 최소화하고, 소음을 최소화할 수 있는 모션의 방향에 있다. 상기 논의된 바와 같이, 생성되는 자지 필드들의 대부분은 모션의 방향에 있으므로 낭비된 필드 구조는, 만약에 있다고 하더라도, 거의 존재하지 않는다. 따라서, 연속 토크 및 연속 전력은 크게 증가된다, 더욱이, 연속 토크 밀도, 볼륨에 의한 연속 전력 밀도, 및 중량에 의한 연속 전력 밀도는 또한 종래의 전기 모터들과 비교할 때 증가된다.

특정 실시예들에서, 등가 전체 토크는 로크(locked) 회전자 전류 손실들이 없거나 최소로 시동시 이용 가능하다. 영구 자석 구성은 시동시 돌입 전류(inrush current)를 감소시켰다.

특정 실시예들에서, 코일 어셈블리는 소형일 수 있지만 코일들은 그들이 효과적인 히트 싱크에 의해 둘러싸여 있기 때문에 쉽게 냉각된다. 코일 권선들의 중첩이 거의 또는 전혀 없기 때문에, 원하지 않는 필드 유도는, 만약에 있다고 하더라도, 거의 존재하지 않으며 - 이는 또한 더욱 효율적인 설계에 기여한다. 종래의 모터들에 비해 이러한 구성의 이점들 중 하나는 단부 턴들(이러한 경우, 코일들의 방사상 섹션)이 본 발명의 "능동 섹션(active section)"의 일부라는 것이다. 종래의 모터들에서, 구리 도체의 축방향 길이는 전력을 생산하는 섹션이다. 단부 턴들은 중량 및 손실들을 추가하지만, 단부 영역 필드들이 단부 권선들을 효과적으로 링크하고 있지 않기 때문에 전력을 생산하지 않는, 페널티(penalty)이다. 그러나, 상기 개시된 실시예들에서, 전체 코일 권선은 축방향으로 자화되는 측벽 또는 축방향 자석들로 인해 - 구리 권선들을 효율적으로 사용하는 것에 의해 토크를 생산하기 위해 효과적으로 사용된다.

상기 논의된 바와 같이, 상기 설명된 바와 같이 자석들로 코일들을 둘러싸는 것은 더 많은 자속 밀도를 생성하고 힘은 이제 모두 - 힘들이 모션의 방향이 아닌, (극성에 의존하여) 코일을 하향으로 끌어 당기거나 그것을 상향으로 푸시하려고 시도할 수 있는 종래의 모터들과 비교하여 더 많은 토크를 생성하고, 진동을 최소화하고, 소음을 최소화할 수 있는 모션의 방향에 있다.

따라서, 연속 토크 및 연속 파워는 크게 증가된다. 더욱이, 연속 토크 밀도, 볼륨에 의한 연속 전력 밀도, 및 중량에 의한 연속 전력 밀도는 또한 종래의 전기 모터들과 비교할 때 증가된다.

"DC" 구성에서, 모터는 전력 라인 주파수 또는 제작된 주파수들과 독립적으로 작동할 수 있어서 고가의 펄스 폭 변조 구동 컨트롤러들 또는 유사한 컨트롤러들에 대한 필요성을 감소시킨다.

본 발명의 실시예들의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적들을 위해 제공되었다. 그것은 총망라되거나 본 발명을 논의된 정확한 형태로 제한하도록 의도되지 않는다. 많은 조합들, 수정들 및 변형들이 상기 교시의 관점에서 가능하다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 상기 설명된 구성요소들 및 특징들 각각은 다른 구성요소들 또는 특징들과 개별적으로 또는 순차적으로 결합되고 여전히 본 발명의 범위 내에 있을 수 있다. 상호 교환된 구성요소들을 갖는 미설명 실시예들은 여전히 본 발명의 범위 내에 있다. 그것은 본 발명의 범위가 이러한 상세 설명에 의한 것이 아닌, 오히려 청구항들 또는 개시에 의해 지지되는 장래 청구항들에 의해 제한되도록 의도된다.

예를 들어, 일부 실시예들에서, 회전 모터/발전기가 있을 수 있으며, 회전 모터/발전기는: 적어도 제1 자기 터널 세그먼트로 구성되는 원형 경로를 형성하기 위해 축을 중심으로 방사상으로 배열되는 토로이덜 자기 실린더로서, 제1 자기 터널 세그먼트는: 제1 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제1 회전자 구성요소; 제1 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖고 제1 회전자 구성요소로부터 미리 결정된 거리에 위치되는 제1 대향 회전자 구성요소; 일반적으로 제1 회전자 구성요소와 제1 대향 회전자 구성요소 사이에 걸치고 제1 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제1 내부 회전자 구성요소; 일반적으로 제1 회전자 구성요소와 제1 대향 회전자 구성요소 사이에 걸치고, 제1 내부 회전자 구성요소로부터 방사상으로 멀리 위치되고, 제1 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제1 외부 회전자 구성요소를 포함하되; 제1 회전자 구성요소를 형성하는 자석들 및 제1 대향 회전자 구성요소를 형성하는 자석들의 동일 자극들은 제1 자기 터널이 NSNS 자극 구성을 갖도록 제1 내부 회전자 구성요소를 형성하는 자석들 및 제1 외부 회전자 구성요소를 형성하는 자석들의 동일 극들과 다른 대향 자기 극성 방향인, 토로이덜 자기 실린더; 및 원형 경로 내에 위치되는 코일 어셈블리를 포함한다.

상기 설명된 바와 같은 회전 모터/발전기로서, 토로이덜 자기 실린더는 축방향 축을 중심으로 방사상으로 배열되고 제1 자기 터널 세그먼트에 인접한여 위치되는 제2 자기 터널 세그먼트를 더 포함하며, 제2 자기 터널 세그먼트는: 제2 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제2 회전자 구성요소; 제2 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 배향을 갖고 제2 회전자 구성요소로부터 미리 결정된 거리에 위치되는 제2 대향 회전자 구성요소; 일반적으로 제2 회전자 구성요소 사이에 걸치는 제2 내부 회전자 구성요소로서, 제2 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제2 내부 회전자 구성요소; 일반적으로 제2 회전자 구성요소와 제2 대향 회전자 구성요소 사이에 걸치고, 제2 내부 회전자 구성요소로부터 방사상으로 멀리 위치되고, 제2 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제2 외부 회전자 구성요소를 포함하되; 제2 회전자 구성요소를 형성하는 자석들 및 제2 대향 회전자 구성요소를 형성하는 자석들의 동일 자극들은 제2 내부 회전자 구성요소를 형성하는 자석들 및 제2 외부 회전자 구성요소를 형성하는 자석들의 동일 극들과 다른 대향 자기 극성 방향이며, 제2 자기 터널 세그먼트를 형성하는 자석들의 동일 자극들은 제2 자기 터널 세그먼트가 SNSN 자극 구성을 갖도록 제1 자기 터널 세그먼트를 형성하는 자석들의 동일 자극들로부터 대향 방향으로 배향된다.

Claims

회전 모터/발전기에 있어서,
적어도 제1 자기 터널 세그먼트를 포함하는 원형 경로를 형성하기 위해 축방향 축을 중심으로 방사상으로 배열되는 토로이덜 자기 실린더로서, 상기 제1 자기 터널 세그먼트는:
상기 제1 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제1 자벽;
상기 제1 자기 터널 세그먼트의 상기 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖고 상기 제1 자벽으로부터 미리 결정된 거리에 위치되는 제1 대향 자벽;
일반적으로 상기 제1 자벽과 상기 제1 대향 자벽 사이에 걸치고 상기 제1 자기 터널 세그먼트의 상기 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제1 내부 자벽;
일반적으로 상기 제1 자벽과 상기 제1 대향 자벽 사이에 걸치고, 상기 제1 내부 자벽으로부터 방사상으로 멀리 위치되고, 상기 제1 자기 터널 세그먼트의 상기 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제1 외부 자벽을 포함하되;
상기 제1 자벽을 형성하는 자석들 및 상기 제1 대향 자벽을 형성하는 자석들의 동일 자극들은 상기 제1 자기 터널이 NSNS 자극 구성을 갖도록 상기 제1 내부 자벽을 형성하는 자석들 및 상기 제1 외부 자벽을 형성하는 자석들의 상기 동일 극들과 다른 대향 자기 극성 방향인, 상기 토로이덜 자기 실린더; 및
상기 원형 경로 내에 위치되는 코일 어셈블리를 포함하는 회전 모터/발전기.
제1항에 있어서,
상기 토로이덜 자기 실린더는 상기 축방향 축을 중심으로 방사상으로 배열되고 상기 제1 자기 터널 세그먼트에 인접하여 위치되는 제2 자기 터널 세그먼트를 더 포함하며, 상기 제2 자기 터널 세그먼트는:
상기 제2 자기 터널 세그먼트의 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제2 자벽;
상기 제2 자기 터널 세그먼트의 상기 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖고 상기 제2 자벽으로부터 미리 결정된 거리에 위치되는 제2 대향 자벽;
일반적으로 상기 제2 자벽 사이에 걸치는 제2 내부 자벽으로서, 상기 제2 자벽은 상기 제2 자기 터널 세그먼트의 상기 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 상기 제2 내부 자벽;
일반적으로 상기 제2 자벽과 상기 제2 대향 자벽 사이에 걸치고, 상기 제2 내부 자벽으로부터 방사상으로 멀리 위치되고, 상기 제2 자기 터널 세그먼트의 상기 내부를 일반적으로 가리키는 자극 방향을 갖는 제2 외부 자벽을 포함하되;
상기 제2 자벽을 형성하는 자석들 및 상기 제2 대향 자벽을 형성하는 자석들의 동일 자극들은 상기 제2 내부 자벽을 형성하는 자석들 및 상기 제2 외부 자벽을 형성하는 자석들의 상기 동일 극들과 다른 대향 자기 극성 방향이며,
상기 제2 자기 터널 세그먼트를 형성하는 자석들의 상기 동일 자극들은 상기 제2 자기 터널 세그먼트가 SNSN 자극 구성을 갖도록 상기 제1 자기 터널 세그먼트를 형성하는 상기 자석들의 상기 동일 자극들로부터 대향 방향으로 배향되는 회전 모터/발전기.
제1항에 있어서,
상기 코일 어셈블리는:
링형 코어;
상기 링형 코어를 중심으로 방사상으로 위치되고 상기 링형 코어로부터 연장되어 상기 링형 코어를 중심으로 복수의 슬롯들을 형성하는 복수의 톱니들; 및
복수의 코일 권선들을 더 포함하며,
상기 복수의 권선의 각각의 코일 권선은 상기 복수의 슬롯들 내의 슬롯 내에 위치되는 회전 모터/발전기.
제3항에 있어서,
상기 링형 코어 및 상기 복수의 톱니들은 연질 자성체로 이루어지는 회전 모터/발전기.
제1항에 있어서,
상기 토로이덜 자기 실린더를 일반적으로 둘러싸는 백 아이언 회로(back iron circuit)를 더 포함하는 회전 모터/발전기.
제4항에 있어서,
상기 제1 외부 자벽 및 상기 제1 내부 자벽을 형성하는 상기 자석들을 위치 및 지지하기 위해 상기 백 아이언 회로에 정의되는 종방향 홈들을 더 포함하는 회전 모터/발전기.
제1항에 있어서,
상기 코일 어셈블리에 결합되는 허브 및 상기 허브에 결합되는 샤프트를 더 포함하는 회전 모터/발전기.
제1항에 있어서,
상기 토로이덜 자기 실린더에 결합되는 허브 및 상기 허브에 결합되는 샤프트를 더 포함하는 회전 모터/발전기.
제1항에 있어서,
구조적 지지체 및/또는 전기 도체들의 통과를 허용하도록 크기화되는 상기 토로이덜 자기 실린더에 정의되는 외부 원주형 슬롯을 더 포함하는 회전 모터/발전기.
제1항에 있어서,
구조적 지지체 및/또는 전기 도체들의 통과를 허용하도록 크기화되는 상기 토로이덜 자기 실린더에 정의되는 내부 원주형 슬롯을 더 포함하는 회전 모터/발전기.
제1항에 있어서,
구조적 지지체 및/또는 전기 도체들의 통과를 허용하도록 크기화되는 상기 토로이덜 자기 실린더의 평탄 벽에 정의되는 측면 원형 슬롯을 더 포함하는 회전 모터/발전기.
제1항에 있어서,
상기 토로이덜 자기 실린더의 적어도 하나의 벽에 정의되는 슬롯 및 상기 터널의 상기 내부 내의 상기 자속력들이 적어도 하나의 슬롯을 통해 탈출하는 것을 방지하기 위해 상기 적어도 하나의 슬롯에 인접하여 위치되는 적어도 하나의 자석을 더 포함하는 회전 모터/발전기.
제10항에 있어서,
상기 코일 어셈블리에 결합되고 상기 측면 원형 슬롯을 통해 부분적으로 연장되는 지지 링;
상기 지지 링에 결합되는 제1 단부 플레이트를 더 포함하는 회전 모터/발전기.
제12항에 있어서,
상기 토로이덜 자기 실린더에 결합되는 샤프트;
상기 샤프트에 회전 가능하게 결합되는 제2 단부 플레이트;
상기 제1 단부 플레이트를 상기 제2 단부 플레이트에 연결시키기 위한 수단을 더 포함하는 회전 모터/발전기.
제1항에 있어서,
상기 제1 내부 자벽, 상기 제1 외부 자벽, 상기 제1 링 자벽 및 상기 제1 대향 링 자벽은 전자석들로 형성될 수 있는 회전 모터/발전기.
기계적 회전을 생산하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
내부 공동을 향하는 제1 자극을 갖는 제1 외부 자기 실린더 벽, 상기 내부 공동을 향하는 제2 자극을 갖는 제1 내부 자기 실린더 벽, 상기 내부 공동을 향하는 제3 자극을 갖는 제1 자벽, 및 상기 내부 공동을 향하는 제4 자극을 갖는 제1 대향 자벽에 의해 정의되는 제1 내부 공동 내에 자기 집중의 제1 영역을 형성하는 단계로서, 상기 제1 및 제2 자극들은 NSNS 자극 구성을 형성하기 위해 상기 제3 및 제4 자극들로부터 대향 자극 방향인 상기 단계;
코일을 상기 제1 내부 공동 내에 위치시키는 단계;
상기 코일이 상기 제1 내부 공동에 대해 회전하게 하기 위해 상기 코일에 제1 방향으로 전류를 인가하는 단계;
종방향 샤프트를 코일에 결합함으로써 상기 코일이 회전함에 따라, 상기 종방향 샤프트가 회전하는 단계를 특징으로 하는 방법.
제16항에 있어서,
상기 내부 공동을 향하는 제5 자극을 갖는 제2 외부 자기 실린더 벽, 상기 내부 공동을 향하는 제6 자극을 갖는 제2 내부 자기 실린더 벽, 상기 내부 공동을 향하는 제7 자극을 갖는 제2 자벽, 및 상기 내부 공동을 향하는 제8 자극을 갖는 제2 대향 자벽에 의해 정의되는 상기 제1 내부 공동에 원주형으로 인접하여 위치되는 제2 내부 공동 내에 자기 집중의 제2 영역을 형성하는 단계로서, 상기 제5 및 제6 자극들은 SNSN 자극 구성을 형성하기 위해 상기 제7 및 제8 자극들로부터 대향 자극 방향인 상기 단계;
상기 코일이 상기 제2 내부 공동으로 이동하게 하기 위해 상기 코일에 제1 방향으로 전류를 인가하는 단계;
상기 코일을 상기 제2 내부 공동으로부터 이동시키기 위해 상기 코일이 상기 제2 내부 공동 내에 있을 때 상기 코일에 제2 방향으로 전류를 인가하는 단계를 더 포함하는 방법.
전류를 생산하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
내부 공동을 향하는 제1 자극을 갖는 제1 외부 자기 실린더 벽, 상기 내부 공동을 향하는 제2 자극을 갖는 제1 내부 자기 실린더 벽, 상기 내부 공동을 향하는 제3 자극을 갖는 제1 자벽, 및 상기 내부 공동을 향하는 제4 자극을 갖는 제1 대향 자벽에 의해 정의되는 제1 내부 공동 내에 자기 집중의 제1 영역을 형성하는 단계로서, 상기 제1 및 제2 자극들은 NSNS 자극 구성을 형성하기 위해 상기 제3 및 제4 자극들로부터 대향 자극 방향인 상기 단계;
코일을 상기 제1 내부 공동 내에서 회전시키는 단계; 및
상기 코일이 상기 제1 내부 공동을 통해 이동함에 따라 제1 방향을 갖는 전류를 상기 코일로부터 추출하는 단계를 특징으로 하는 방법.
제18항에 있어서,
상기 내부 공동을 향하는 제5 자극을 갖는 제2 외부 자기 실린더 벽, 상기 내부 공동을 향하는 제6 자극을 갖는 제2 내부 자기 실린더 벽, 상기 내부 공동을 향하는 제7 자극을 갖는 제2 자벽, 및 상기 내부 공동을 향하는 제8 자극을 갖는 제2 대향 자벽에 의해 정의되는 제2 내부 공동 내에 자기 집중의 제2 영역을 형성하는 단계로서, 상기 제5 및 제6 자극들은 상기 제7 및 제8 자극들로부터 대향 극성들이며, 상기 제1 내지 제4 자극들은 SNSN 자극 구성을 형성하기 위해 상기 제5 내지 제8 자극들과 대향 자극 방향인 상기 단계;
상기 코일을 상기 제2 내부 공동 내에서 회전시키는 단계; 및
상기 코일이 상기 제2 내부 공동을 통해 이동할 때 제2 방향을 갖는 전류를 상기 코일로부터 추출하는 단계를 더 포함하는 방법.