KR20210064188A - 선형 전자기 머신 - Google Patents
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Abstract
선형 전자기 머신은 고정자, 변환기 및 베어링 시스템을 포함한다. 베어링 시스템은, 변환기가 축 방향으로 왕복할 때, 고정자에 대한 변환기의 측 방향 변위에 대해 정렬을 유지한다. 특히, 베어링 시스템은 고정자와 변환기의 자석 섹션 사이에 모터 에어 갭을 유지한다. 고정자는 복수의 고정자 톱니 및 권선들을 포함하며, 이는 복수의 위상들을 형성한다. 고정자 톱니와 권선들은 스파인들이 구비된 후프 스택을 사용하여 배열되어 고정자 보어를 형성하고 모터 에어 갭을 정의한다. 베어링 시스템은 변환기의 표면과 베어링 인터페이스를 형성하도록 구성된 베어링 하우징을 포함할 수 있다. 베어링 인터페이스는 접촉 베어링 또는, 가스 베어링과 같은, 비접촉 베어링을 포함할 수 있다. 전류는 변환기의 운동 에너지와 전기 에너지 사이를 변환하기 위해 위상들에서 제어된다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 개시는 선형 전자기 머신에 관한 것으로, 특히 변환기(translator), 고정자(stator) 및 베어링(bearing)을 갖는 선형 전자기 머신에 관한 것이다. 이 출원은 2018년 7월 24일에 출원된 미국 가 특허 출원 번호 62/702,860 및 2018년 7월 25일에 출원된 미국 가 특허 출원 번호 62/703,338의 이익을 주장하며, 이들의 개시 내용은 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
선형 모터는 가동 소자(moving element)의 전기 에너지와 운동 에너지를 변환한다. 선형 모터의 설계는 효율적인 작동, 비용 효율적인 구성 및 신뢰성을 보장해야 한다. 회전식 발전기(rotary generator)의 효율을 맞추기 위해, 선형 발생기가 저렴하고 가벼운 오실레이터(oscillator) 설계와 호환되고, 고효율 재료를 사용하며, 형상 최적화를 허용하고 높은 구리 슬롯 필(copper slot fill)을 제공하는 것이 필요하다. 본 개시는 네 가지 요구 사항 모두를 다룬다.
일부 실시 예들에서, 본 개시는 선형 전자기 머신(linear electromagnetic machine, LEM)에 관한 것이다. LEM은 고정자, 변환기 및 두 개의 베어링 하우징들을 포함한다. 고정자는 복수의 권선들과 고정자 보어를 포함한다. 변환기는 고정자와 전자기적으로 상호 작용하도록 구성되고 실질적으로 축을 따라 고정자 보어 내에서 축 방향으로 이동하도록 배열된다. 변환기는 변환기 베어링 표면을 포함한다. 두 개의 베어링 하우징들 중 제1 베어링 하우징은 제1 길이 방향 위치에서 고정자에 결합되고, 두 개의 베어링 하우징들 중 제2 베어링 하우징은 제2 길이 방향 위치에서 고정자에 결합됩니다. 제1 베어링 하우징 및 변환기 베어링 표면은 제1 베어링 갭을 형성할 수 있고, 제2 베어링 하우징 및 변환기 베어링 표면은 제2 베어링 갭을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 베어링 갭들은 가압된 가스를 포함하고 가스 베어링으로서 기능하도록 구성될 수 있다. 추가 예에서, 일부 실시 예들에서, LEM은 오일이 없는 작동을 위해 구성된다.
일부 실시 예들에서, 변환기는 자석 섹션을 포함한다. 예를 들어, 자석 섹션과 고정자 보어는 모터 에어 갭을 형성할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 자석 섹션은 길이 방향으로 적층된 로우들로 배열된 복수의 자석들을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 길이 방향으로 적층된 로우들의 내부 로우는 제1 축 길이를 갖는 자석들을 포함한다. 그러한 일부 실시 예들에서, 길이 방향으로 적층된 로우들의 말단 로우는 제1 축 길이보다 작은 제2 축 길이를 갖는 자석들을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 변환기는 적어도 하나의 자석의 축 움직임을 제한하기 위해 자석 섹션의 적어도 하나의 자석과 결합하는 적어도 하나의 구조적 피처(structural feature)를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 복수의 자석들은 변환기의 표면에 본딩(bonding)된다. 일부 실시 예들에서, 변환기는 자석 섹션 위에 방사상으로 위치된 랩(wrap)을 포함한다. 예를 들어, 랩은 자석들의 측 방향 변위를 제한한다.
일부 실시 예들에서, 자석 섹션은 제1 길이 방향 길이를 포함하고 복수의 권선들은 제2 길이 방향 길이를 포함한다. 제2 길이 방향 길이는 제1 길이 방향 길이보다 크거나 같거나 작을 수 있다. 일부 실시 예들에서, 자석 섹션은 자극 길이를 포함하고 고정자는 슬롯 피치를 갖는 복수의 톱니 및 슬롯들을 포함한다. 이러한 일부 실시 예들에서, 자극 길이 및 슬롯 피치는 실질적으로 동일하지 않다.
일부 실시 예들에서, 복수의 권선들은 복수의 위상들로 그룹화되고 복수의 위상들의 각 위상은 복수의 권선들의 하나 이상의 권선들을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 복수의 위상들은 3 개의 위상들 이상이다. 추가 예에서, 복수의 권선들의 각각의 권선은 위상에 대응한다.
일부 실시 예들에서, 자석 섹션은 복수의 자석들을 포함하고, 고정자는 고정자 보어 주위에 방위각으로 배열된 복수의 고정자 톱니를 포함한다. 복수의 고정자 톱니는 제1 방위각 갭을 갖는 한 쌍의 연속적인 고정자 톱니를 포함한다. 자석 섹션은 자석 섹션의 방위각으로 연속적인 자석들 사이에 제2 방위각 갭을 포함한다. 제1 방위각 갭 및 제2 방위각 갭은 방위각 정렬을 실질적으로 유지하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 제1 방위각 갭은 방위각 방향에서 제2 방위각 갭보다 크다. 일부 실시 예들에서, 변환기는 방위각 회전을 제한하도록 구성된 피처를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 제1 베어링 하우징은 적어도 측 방향 변위에 기계적 강성을 제공하도록 구성된 제1 굴곡부 어셈블리에 의해 고정자에 결합되고 제2 베어링 하우징은 적어도 측 방향 변위에 기계적 강성을 제공하도록 구성된 제2 굴곡부 어셈블리에 의해 고정자에 부착된다.
일부 실시 예들에서, 본 개시는 선형 머신에 관한 것이다. 선형 머신은 고정자 보어를 갖는 고정자, 변환기, 표면을 포함하는 적어도 하나의 베어링 하우징, 및 적어도 하나의 베어링 하우징을 고정자에 부착하도록 구성된 어셈블리를 포함한다. 변환기는 고정자에 대해 선형으로 이동하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 변환기는 자석 섹션 및 베어링 표면을 포함한다. 고정자 보어와 자석 섹션은 모터 에어 갭을 형성한다. 베어링 표면과 표면은 적어도 하나의 베어링 하우징에 변환기를 정렬할 수 있는 베어링 인터페이스를 형성한다. 어셈블리는 모터 에어 갭을 유지하기 위해 베어링 하우징의 피치 및 요에 제공하는 것 보다 측 방향 변위에 상대적으로 더 많은 강성을 제공한다. 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징은 변환기의 자기 섹션이 고정자의 단부를 넘어, 고정자의 후프 스택의 축 길이를 넘어, 또는 둘 모두에 해당하도록 축 방향으로 위치된다.
일부 실시 예들에서, 변환기는 변환기 튜브를 포함하고, 자석 섹션은 변환기 튜브에 부착되고, 베어링 표면은 변환기 튜브의 외부 표면을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 어셈블리는 고정자에 견고하게 부착된 적어도 하나의 마운트 및 적어도 하나의 마운트 및 적어도 하나의 베어링 하우징에 부착된 적어도 하나의 굴곡부를 포함한다. 적어도 하나의 굴곡부는 베어링 하우징의 피치 및 요에 제공하는 것 보다 측 방향 변위에 상대적으로 더 많은 강성을 제공한다. 일부 실시 예들에서, 예를 들어 구형 조인트와 같은 고정구가 굴곡부 대신에 또는 이에 추가하여 사용될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 베어링 하우징은 베어링 표면 주위에서 적어도 부분적으로 방위각으로 연장되고, 적어도 하나의 굴곡부는 베어링 하우징 주위에서 적어도 부분적으로 방위각으로 연장된다.
일부 실시 예들에서, 베어링 인터페이스는 가스 베어링 인터페이스이고, 선형 머신은 오일이 없는 작동 또는 액체 윤활제 없이 작동하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 베어링 인터페이스는 액체 또는 고체 인터페이스이고 선형 머신은 오일이 없는 작동을 위해 구성된다. 예를 들어, 가압된 가스는 측 방향 변위에 대한 강성을 제공하기 위해 가스 베어링에 제공된다.
하나 이상의 다양한 실시 예들에 따른 본 개시는 다음 도면을 참조하여 상세하게 설명된다. 도면은 단지 예시의 목적으로 제공되며 단지 전형적인 또는 예시적인 실시 예를 묘사한다. 이러한 도면은 본원에 개시된 개념의 이해를 용이하게 하기 위해 제공되며 이러한 개념의 폭, 범위 또는 적용 가능성을 제한하는 것으로 간주되지 않는다. 명확성과 예시의 용이함을 위해 이러한 도면은 반드시 축척으로 만들어지지는 않는다는 점에 유의해야 한다.
도 1은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 선형 전자기 머신의 단면도이고;
도 2는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 냉각(cooling)을 갖는 예시적인 선형 전자기 머신의 사시도이고;
도 3은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 후프 스택(hoop stack) 및 스파인(spine)들을 포함하는 예시적인 선형 전자기 머신의 사시도이고;
도 4는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 고정자의 사시도이고;
도 5는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 후프의 사시도이고;
도 6은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 복수의 래미네이션(lamination)들을 포함하는 예시적인 고정자 이빨(stator tooth)의 축 방향 도면 및 사시도이고;
도 7은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 배열된 고정자 톱니(stator teeth)의 세트를 갖는 예시적인 후프의 사시도이고;
도 8은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 코일의 축 방향 도면 및 사시도이고;
도 9는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 스파인의 사시도이고;
도 10은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 단부 플레이트(end plate)의 사시도이고;
도 11은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 단부 플레이트, 하나의 후프-코일(one hoop-coil) 및 스파인들을 포함하는 예시적인 어셈블리의 사시도이고;
도 12는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 단부 플레이트, 일부 후프-코일들 및 스파인들을 포함하는 예시적인 어셈블리의 사시도이고;
도 13은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 단부 플레이트, 후프들 및 스파인들을 포함하는 예시적인 어셈블리 고정자의 사시도이고;
도 14는 본 개시의 일부 실시 예에 따른 예시적인 축 래미네이션의 측면도 및 예시적인 축 래미네이션 스택들의 세트의 사시도이고;
도 15는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 리드 관리(lead management) 및 방위각 갭(azimuthal gap) 및 스파인들을 갖는 예시적인 후프 코일의 정면도이고;
도 16은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기의 측면도이고;
도 17은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도 16의 변환기의 축 방향 단부도이고;
도 18은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변화기 튜브 및 레일의 단부의 측 단면도이고;
도 19는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 자석 섹션(magnet section)을 갖는 예시적인 변환기의 일부의 평면도이고;
도 20은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 자석들을 배열하기 위한 특징을 갖는 예시적인 변환기의 일부의 사시도이고;
도 21은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 배열된 자석들을 갖는 예시적인 변환기 섹션의 일부의 사시도이고;
도 22는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 자석 섹션의 일부의 단면도이고;
도 23은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 랩(wrap)을 갖는 예시적인 변환기의 사시도이고;
도 24는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 베어링 하우징(bearing housing)의 사시도이고;
도 25는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 베어링 하우징, 베어링 마운트, 굴곡부(flexure) 및 만곡부 마운트를 포함하는 예시적인 어셈블리의 일부의 측면도 및 정면도이고;
도 26은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기 및 고정자의 절단 단면도이고;
도 27은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기 및 베어링 하우징의 단면도이고;
도 28은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기 및 추가 구성 요소의 단부도이고;
도 29는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기 및 고정자의 단면도이고;
도 30은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기 및 고정자의 단면도이고;
도 31은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 모터 에어 갭(motor air gap)을 포함하는 예시적인 LEM의 블록도이고;
도 32는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 폴 피치 구성(pole-pitch configuration)을 갖는 예시적인 모터 에어 갭의 블록도이고;
도 33은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 LEM 시스템의 블록도이고;
도 34는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 시스템의 다이어그램을 도시하고;
도 35는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 위상 제어 시스템(phase control system)의 블록도이며; 그리고
도 36은 본 개시의 일부 실시 예에들 따른 예시적인 발전기 어셈블리의 측 단면도이다.
도 1은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 선형 전자기 머신의 단면도이고;
도 2는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 냉각(cooling)을 갖는 예시적인 선형 전자기 머신의 사시도이고;
도 3은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 후프 스택(hoop stack) 및 스파인(spine)들을 포함하는 예시적인 선형 전자기 머신의 사시도이고;
도 4는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 고정자의 사시도이고;
도 5는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 후프의 사시도이고;
도 6은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 복수의 래미네이션(lamination)들을 포함하는 예시적인 고정자 이빨(stator tooth)의 축 방향 도면 및 사시도이고;
도 7은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 배열된 고정자 톱니(stator teeth)의 세트를 갖는 예시적인 후프의 사시도이고;
도 8은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 코일의 축 방향 도면 및 사시도이고;
도 9는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 스파인의 사시도이고;
도 10은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 단부 플레이트(end plate)의 사시도이고;
도 11은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 단부 플레이트, 하나의 후프-코일(one hoop-coil) 및 스파인들을 포함하는 예시적인 어셈블리의 사시도이고;
도 12는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 단부 플레이트, 일부 후프-코일들 및 스파인들을 포함하는 예시적인 어셈블리의 사시도이고;
도 13은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 단부 플레이트, 후프들 및 스파인들을 포함하는 예시적인 어셈블리 고정자의 사시도이고;
도 14는 본 개시의 일부 실시 예에 따른 예시적인 축 래미네이션의 측면도 및 예시적인 축 래미네이션 스택들의 세트의 사시도이고;
도 15는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 리드 관리(lead management) 및 방위각 갭(azimuthal gap) 및 스파인들을 갖는 예시적인 후프 코일의 정면도이고;
도 16은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기의 측면도이고;
도 17은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도 16의 변환기의 축 방향 단부도이고;
도 18은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변화기 튜브 및 레일의 단부의 측 단면도이고;
도 19는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 자석 섹션(magnet section)을 갖는 예시적인 변환기의 일부의 평면도이고;
도 20은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 자석들을 배열하기 위한 특징을 갖는 예시적인 변환기의 일부의 사시도이고;
도 21은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 배열된 자석들을 갖는 예시적인 변환기 섹션의 일부의 사시도이고;
도 22는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 자석 섹션의 일부의 단면도이고;
도 23은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 랩(wrap)을 갖는 예시적인 변환기의 사시도이고;
도 24는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 베어링 하우징(bearing housing)의 사시도이고;
도 25는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 베어링 하우징, 베어링 마운트, 굴곡부(flexure) 및 만곡부 마운트를 포함하는 예시적인 어셈블리의 일부의 측면도 및 정면도이고;
도 26은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기 및 고정자의 절단 단면도이고;
도 27은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기 및 베어링 하우징의 단면도이고;
도 28은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기 및 추가 구성 요소의 단부도이고;
도 29는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기 및 고정자의 단면도이고;
도 30은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기 및 고정자의 단면도이고;
도 31은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 모터 에어 갭(motor air gap)을 포함하는 예시적인 LEM의 블록도이고;
도 32는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 폴 피치 구성(pole-pitch configuration)을 갖는 예시적인 모터 에어 갭의 블록도이고;
도 33은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 LEM 시스템의 블록도이고;
도 34는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 시스템의 다이어그램을 도시하고;
도 35는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 위상 제어 시스템(phase control system)의 블록도이며; 그리고
도 36은 본 개시의 일부 실시 예에들 따른 예시적인 발전기 어셈블리의 측 단면도이다.
본 개시는 선형 전기 머신, 그 구성 요소 및 선형 전기 머신을 제어하는 방법에 관한 것이다. 선형 전기 머신은 고정 구성 요소(stationary component), 고정자(stator) 및 이동 가능한 부분(movable portion), 변환기(translator)를 포함한다. 고정자와 변환기는 전자기적으로(electromagnetically) 서로 상호 작용하도록 구성된다. 예를 들어, 고정자는 하나 이상의 위상(phase)들을 포함할 수 있고 변환기는 하나 이상의 자석(magnet)들을 포함하는 자석 섹션을 포함할 수 있다. 변환기의 동작은 위상의 권선의 전류에 영향을 받을 수 있다. 설명을 위해, 변환기의 운동 방향에 힘을 가하여 변환기를 움직이도록 위상의 전류를 제어하거나(예를 들어, 모터 역할), 변환기의 운동 방향과 반대되는 힘을 가하여 변환기를 감속시키도록(즉, 브레이크) 위상의 전류가 제어될 수 있다(예를 들어, 발전기 역할). 대안적으로, 발전기와 같은 선형 전기 시스템에서, 권선에 유도된 전류가 전기 에너지로 추출될 수 있다. 베어링 시스템(bearing system)은 고정자 및 가능한 다른 구성 요소에 대한 변환기의 정렬을 유지하여 원하는 또는 예측 가능한 궤적(trajectory)을 달성한다. 예를 들어, 베어링 시스템은 의도된 궤적에서 멀어지는 방향에서 변환기의 움직임을 제한할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 선형 전자기 머신(linear electromagnetic machine, LEM)을 도시한다.
도 1은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 LEM(100)의 단면도이다. LEM(100)은 변환기(160), 고정자(150), 베어링 하우징들(102 및 104), 베어링 마운트들(103 및 105), 굴곡부들(113 및 115), 피처들(123-126), 및 베어링 인터페이스들(112 및 114)을 포함한다. 변환기(160)는 고정자(150)와 전자기적으로 상호 작용하도록 구성된 섹션(163) 및 튜브(162)를 포함한다. 예를 들어, 섹션(163)("전자석 섹션" 또는 "자석 섹션"이라고도 함)은 영구 자석, 전자석, 유도 섹션 또는 이들의 조합을 갖는 자석 섹션을 포함할 수 있다. 튜브로 지칭되지만, 튜브(162)는 임의의 적절한 단면 형상을 가질 수 있고, 따라서 베어링 인터페이스들(112 및 114)은 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예에서, 튜브(162)는 직사각형 단면을 가질 수 있고, 따라서 베어링 인터페이스들(112 및 114)은 환형이 아니라 플랫(flat)할 수 있다. 추가 예에서, 일부 실시 예들에서, 튜브(162)는 제1 길이 방향 거리(longitudinal distance)(즉, 축방향 거리)에 대한 적어도 하나의 원형 단면 및 제2 길이 방향 거리에 대한 적어도 하나의 직사각형 단면을 가질 수 있으며, 여기서 제1 및 제2 길이 방향 거리는 동일하거나 상이할 수 있다.
고정자(150)와 섹션(163)은 전자기적으로 상호 작용하여, 변환기(160)의 운동을 유발하고, 변환기(160)의 운동에 영향을 미치고, 변환기(160)의 운동 에너지를(예를 들어, 변환기(160)의 속도에 따른 질량에 기초하여) 전기 에너지(예를 들어, 고정자(150)의 위상 권선에 및, 원하는 경우, 여기에 결합된 전력 전자 장치에)로 변환하고, 전기 에너지(예를 들어, 고정자(150)의 위상 권선의 및, 원하는 경우, 여기에 연결된 전력 전자 장치의)를 변환기(160)의 운동 에너지로 변환하고 또는 이들의 조합을 유발한다. 고정자(150)(예를 들어, 그것의 래미네이션 철 톱니(laminated ferrous teeth))와 섹션(163)(예를 들어, 그것의 영구 자석들) 사이의 모터 갭(motor gap)(151)("모터 에어 갭"이라고 함)은 고정자(150)와 변환기(160) 사이의 전자석 자기 상호 작용의 저항(reluctance)에 영향을 미친다. 예를 들어, 모터 갭(151)이 작을수록 고정자(150)와 변환기(160) 사이에서 달성될 수 있는 모터 힘의 상수(motor force constant)(예를 들어, 더 큰 자속(magnetic flux))가 커진다. 그러나, 모터 갭(151)이 0(zero)에 가까워지면(예를 들어, 하나 이상의 위치에서), 변환기(160)는 고정자(150)와 접촉하여 마찰, 충격, 변형, 전기적 단락, 성능 저하, 고장 또는 이들의 임의의 조합을 유발할 수 있다. 따라서, 베어링은 고정자(150) 및 변환기(160)의 측 방향 정렬(lateral alignment)을 유지하기 위해 사용된다(예를 들어, 작동 가능한 범위에서 모터 갭(151)을 유지하기 위해).
일부 실시 예들에서, 예시된 바와 같이, 베어링 하우징들(102 및 104)은 베어링 마운트들(103 및 105) 및 굴곡부들(113 및 115)에 의해 고정자(150)에 부착된다. 예를 들어, 베어링 하우징들(102 및 104)을 고정자(150)에 견고하게 부착하는 것은 변환기(160) 상의 측 방향(예를 들어, 반경 방향) 하중(lateral loads)에 대응하는 데 도움이 될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징들(102 및 104) 중 하나 또는 둘 모두는 하나 이상의 방향으로 규정된 강성(stiffness) 또는 컴플라이언스(compliance)를 갖는 굴곡부들(113 및 115)에 의해 고정자(150)에 결합될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 굴곡부들(113 및 115)은 고정자(150)에 부착될 수 있고, 베어링 마운트들(103 및 105)이 포함될 필요가 없다. 일부 실시 예들에서, 굴곡부들(113 및 115)이 포함될 필요가 없으며, 베어링 마운트들(103 및 105)이 각각 베어링 하우징들(102 및 104)에 부착될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징들(102 및 104) 중 하나 또는 둘 모두는 고정자(150)에 부착될 필요가 없고 임의의 다른 적절한 고정 구성 요소(예를 들어, 외부 프레임)에 부착될 수 있다. 일부 실시 예에서, 오직 하나의 베어링 하우징(예를 들어, 베어링 하우징(102) 또는 베어링 하우징(104))이 필요하다. 예시를 위해, 변환기를 지지하기 위한 베어링 하우징의 캔틸레버 마운팅(cantilever mounting)은 변환기에 최소한의 제약을 제공하며, 이는 오정렬에 대한 더 많은 공차(tolerance)를 제공한다.
일부 실시 예들에서, 베어링 인터페이스들(112 및 114) 중 하나 또는 둘 모두가 접촉 베어링(contact bearing)으로 구성된다. 일부 실시 예들에서, 베어링 인터페이스들(112 및 114) 중 하나 또는 둘 모두는 비접촉 베어링(non-contact bearing)으로 구성된다. 일부 실시 예들에서, 베어링 인터페이스들(112 및 114) 중 하나 또는 둘 모두는 가스 베어링(gas bearing)(예를 들어, 비접촉 베어링 유형)으로 구성된다. 이러한 일부 실시 예에서, 베어링 하우징들(102 및 104) 중 하나 또는 모두는, 각각의 베어링 가스 공급을 수용하기 위한 각각의 포트를 포함할 수 있는, 피처들(123-126)로부터 베어링 가스를 수용하도록 구성된다. 예를 들어, 튜브형 지오메트리를 참조하면, 베어링 하우징들(102 및 104) 각각은, 베어링 인터페이스들(112 및 114)에서 각각의 환형 가스 베어링들에 인터페이싱(interfacing)하도록 구성된, 반경 방향 내측 표면에 배열된 베어링 표면을 포함할 수 있다. 튜브(162)는 환형 베어링 인터페이스들(112 및 114)에 인터페이싱하도록 구성된 원통형 베어링 표면을 포함할 수 있다. 작동 중에, 베어링 인터페이스들(112 및 114)은 변환기(160)가 낮은 또는 거의 0에 가까운 마찰로 축(190)을 따라 움직일 수 있게 하고, 축(190)으로부터 멀어지는 실질적인 측 방향(예를 들어, 반경 방향) 움직임을 방지한다. 예를 들어, 베어링 인터페이스들(112 및 114)은 작동 중에 고정자(150)(예를 들어, 그것의 철 고정자 톱니 및 구리 권선)와 섹션(163) 사이에 모터 에어 갭(151)을 유지하도록 구성될 수 있다. 베어링 인터페이스들(112 및 114) 및 모터 에어 갭(151)은 각각 임의의 적절한 두께를 가질 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 일반적으로 두께는 안정적인 작동을 보장하면서 가능한 한 얇은 것이 좋다. 일부 실시 예들에서, 베어링 인터페이스들(112 및 114)은 20-150 마이크론(micron) 두께로 구성되고 모터 에어 갭(151)은 20-40 mm 두께로 구성된다.
베어링 인터페이스들(112 및 114)이 가스 베어링으로 구성되는 예시적인 예에서, 베어링 가스는 실질적으로 반경 방향 내측 방향(즉, 축(190)을 향한 유선(streamlines))으로 베어링 하우징들(102 및 104)을 빠져 나가도록 구성된다(예를 들어, 베어링 인터페이스들(112 및 114)에서 각각의 가스 베어링들을 형성하기 위해). 베어링 가스는 베어링 하우징들(102 및 104)의 다공성(porous) 섹션들, 베어링 하우징들(102 및 104) 내의 덕트(duct) 및 오리피스(orifice), 또는 이들의 조합을 통해 흘러, 각각의 베어링 인터페이스들(112 및 114)에 도달할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 베어링 하우징들(102 및 104)은 변환기, 베어링 하우징 또는 둘 모두에 대한 손상을 제한하거나 방지하면서 예를 들어 변환기(160)와의 접촉을 수용하기 위해 대응하는 베어링 표면에 코팅, 소모성 층, 건식 필름 윤활제(dry film lubricant), 마모성 코팅 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 변환기(160)는 변환기, 베어링 하우징 또는 둘 모두에 대한 손상을 제한하거나 방지하면서 예를 들어 베어링 하우징들(102 및 104)과의 접촉을 수용하기 위해 코팅, 소모성 층, 건식 필름 윤활제, 마모성 코팅 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 베어링 하우징은 변환기 주위에서 완전하고 연속적으로(예를 들어, 360° 방위각으로) 연장된다. 일부 실시 예에서, 베어링 하우징은 360° 미만인 변환기 주위의 방위각 범위에 대해 연장되는 하나 이상의 베어링 세그먼트들을 포함한다. 예를 들어, 베어링 하우징은 각각이 변환기 주위에서 약 90도 연장되는 네 개의 베어링 세그먼트들을 포함할 수 있으며, 베어링 세그먼트들 사이에는 방위각의 갭들이 있다. 베어링 하우징은 임의의 적절한 수의 갭들을 갖고 변환기 주위에 임의의 적절한 구성으로 배열된 임의의 적절한 수의 베어링 세그먼트들을 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 변환기(160)는 튜브(162)의 축방향 단부들에 부착된 하나 이상의 피스톤들 또는 단부 캡들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 튜브(162)는 강성 변환기를 형성하기 위해 피스톤 및 기타 구성 요소를 결합하는 강체(rigid body)로 작용할 수 있다. 추가 예에서, LEM(100)은 선형 발전기의 일부로서 포함될 수 있으며(예를 들어, 도 36에 예시된 바와 같이), 여기서 하나의 피스톤은 반응 섹션(reaction section)과 접촉하도록 구성되고 다른 피스톤은 가스 스프링과 접촉하도록 구성된다. 섹션(163)이 도 1에서 고정자(150)보다 축 방향으로 짧은 것으로 도시되어 있지만, 섹션(163)은 본 개시의 일부 실시 예들에 따라 고정자(150) 대비 축 방향으로 더 짧거나, 더 길거나, 동일한 길이일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 섹션(163)이 고정자(150) 대비 더 길거나, 더 짧거나, 또는 동일한 길이인지에 관계없이, 섹션(163) 또는 그 부분은 고정자(150)의 외부에 축 방향으로 위치될 수 있다(예를 들어, 축 방향으로 고정자(150)의 단부를 넘어).
도 2는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 냉각부(cooling)를 갖는 예시적인 LEM(200)의 사시도를 도시한다. LEM(200)은 고정자(250), 변환기(260), 베어링 어셈블리들(202 및 204) 및 냉각 시스템(cooling system)(270)을 포함한다. 변환기(260)는, 베어링 어셈블리들(202 및 204)에 의해 제한되는 바와 같이, 축(290)을 따라 이동하도록 구성된다. 복수의 위상들을 포함할 수 있는 고정자(250)는 영구 자석들, 전자석, 유도 섹션 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는 변환기(260)의 섹션과 전자기적으로 상호 작용하도록 구성된다. 베어링 어셈블리들(202 및 204)은 각각 하나 이상의 베어링 하우징들, 하나 이상의 마운트들, 하나 이상의 굴곡부들, 임의의 다른 적절한 구성 요소들, 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 포함하여 변환기(160)와(예를 들어, 베어링 표면으로 작용할 수 있는 그것의 표면(262)과) 베어링 인터페이스를 형성할 수 있다. 일부 실시 예들에서, LEM(200)은 공기 냉각, 액체 냉각 또는 둘 모두를 위해 구성될 수 있다. 냉각 시스템(270)은 고정자(250)의 구성 요소 주위로 냉각 유체를 안내하기 위해 플레넘(plenum), 재킷(jacket), 슈라우드(shroud), 실드(shield), 베인(vane), 임의의 다른 적절한 하드웨어 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, LEM(200)은 공기 냉각을 위해 구성될 수 있고, 냉각 시스템(270)은 고정자(250)를 통해 냉각 공기를 수용하고 안내하도록 구성된 냉각 재킷, 슈라우드 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 추가 예에서, LEM(200)은 액체 냉각을 위해 구성될 수 있고, 냉각 시스템(270)은 고정자(250)를 통해 냉각 유체를 수용하고 안내하도록 구성된 냉각 재킷을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 예시된 바와 같이, 고정자(250)는, 예를 들어 도 4 내지 도 13의 콘텍스트(context)에서 추가로 기술되는, 스파인들(208) 및 단부 플레이트들(210)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 베어링 어셈블리(202)는 베어링 하우징(225), 굴곡부(221), 마운트(222) 및 피처(feature)(220)를 포함한다(예를 들어, 베어링 강성을 조정하기 위한 피처 또는 베어링 가스 용 포트를 포함할 수 있음). 일부 실시 예에서, 고정자(250)의 구성 요소에 축 방향 압축을 제공하기 위해 타이 로드(tie-rod)들(251)이 포함된다. 예를 들어, 타이 로드들(251)은 단부 플레이트들(210)을 통해 축 방향으로 연장되는 각 단부에서 섹션들(예를 들어, 스레드 섹션들)을 포함할 수 있고, 섹션들에 단부 플레이트(210)와 결합하고 압축을 유지하기 위해 섹션에 와셔(washer), 너트(nut), 크림프 커넥터(crimp connector) 또는 기타 종단(termination)이 부착된다.
도 3은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 후프 스택(hoop stack)(351) 및 스파인(spine)들(352)을 포함하는 예시적인 선형 전자기 머신(300)의 사시도이다. 후프 스택(351)은 고정자 보어(stator bore)(예를 들어, 후프 스택(351)의 후프들에 부착된 고정자 톱니에 의해 형성된)를 형성하기 위해 축(390)을 따라 배열된 복수의 후프들(예를 들어, 참조를 위해 표시된 후프(353)를 포함하는)을 포함한다. 후프 스택(351)은, 도시된 바와 같이, 구조적 지지를 위해 복수의 후프들의 각각의 축 방향 단부들에 배열된 단부 플레이트들(354)을 포함한다. 스파인들(353)은 후프들의 정렬을 유지하기 위해 단부 플레이트(354) 및 후프 스택(351)의 후프에 결합된다. 일부 실시 예들에서, 하나 이상의 선택적인 타이 로드들(359)이 포함되어 후프 스택(351)에 축 방향 압축을 제공할 수 있다(예를 들어, 타이 로드들(359)은 단부 플레이트들(354)과 결합할 수 있음). 베어링 어셈블리들(302 및 304)은 고정자(350)와 변환기(360) 사이의 정렬(예를 들어, 모터 갭의 측 방향 정렬)을 유지한다. 후프, 코일, 고정자 톱니 및 이들의 어셈블리에 대한 추가 설명은 예를 들어 도 4 내지 도 13의 콘텍스트에서 기술된다. 복수의 위상 리드들(370)은 후프 스택(351)의 코일들에 대응한다.
고정자는 변환기와 전자기 상호 작용을 제공하기 위해 하나 이상의 위상들에서의 전류, 하나 이상의 위상들에서 기전력(electromotive force) 또는 둘 모두를 수용하도록 구성된 LEM 구성 요소이다. 전자기 상호 작용은 자속 상호 작용(예를 들어, 자기 저항에 영향을 미치는 모터 에어 갭과 함께), 힘 상호 작용(예를 들어, 전류-힘 관계에 영향을 미치는 힘 상수와 함께) 또는 둘 모두를 포함한다.
도 4는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 고정자(400)의 사시도이다. 고정자(400)는, 도시된 바와 같이, 고정자 보어를 형성하도록 배열된 복수의 고정자 톱니(stator teeth)(402)(예를 들어, 철 요소들, 래미네이션 스택들 또는 둘 모두)를 포함한다. 원형으로 표시되어 있지만, 고정자 톱니는 모터 에어 갭을 정의 할 수 있는 임의의 적합한 복합 표면을 정의 할 수 있다(예를 들어, 평면의, 곡선의, 분할된, 조각의, 원형의, 비-원형의 또는 기타). 일부 실시 예에서, 스파인들(452), 단부 플레이트들(454) 및 타이 로드들(452) 또는 이들의 임의의 조합은 고정자(400)의 정렬을 유지하기 위한 구조적 지지를 제공한다. 고정자(400)의 복수의 권선으로부터의 리드들(413)는 전력 전자 장치로 향하거나, 그 자체의 서브세트들 사이에서 결합되거나(예를 들어, 스타 중립(star neutral)을 형성하기 위해, 두 개 이상의 권선들을 직렬로 직접 연결하기 위해) 또는 이들의 조합일 수 있다. 도 4에 도시되지 않았지만, 하나 이상의 베어링 하우징들이 고정자(400)와 전자기적으로 상호 작용(예를 들어, 고정자(400)와 모터 에어 갭을 형성)하도록 구성된 변환기의 측 방향 이동을 제한하기 위해 고정자(400)에 부착될 수 있다. 일부 실시 예에서, 고정자(400)의 구성 요소들(예를 들어, 후프 코일들, 고정자 톱니(402) 또는 둘 모두)에 축 방향 압축을 제공하기 위해 타이로드들(451)이 포함된다.
고정자(예를 들어, 고정자(400))는 자속을 지향시키기 위한 복수의 철 요소들(ferrous elements)을 포함할 수 있다. 이러한 철 요소들 또는 "고정자 톱니"는 원형 패턴(예를 들어, 도 5 및 도 7에 예시된 바와 같이 후프에 의해 배열된)으로 배열된 몇 개의 래미네이션 스택들(예를 들어, 도 6 참조)을 포함할 수 있다. 래미네이션 스택들은 각각, 함께 원형으로 배열될 때, 원형 고정자 보어에 근접할 수 있는 선형 스택이다. 더 많은 고정자 톱니를 포함하면 더 균일한 에어 갭을 제공하고(예를 들어, 톱니와 자석 섹션을 갖는 변환기 사이에), 더 타이트한 에어 갭을 허용하며, 잠재적으로 더 나은 모터 성능을 허용하거나 또는 이들의 조합을 허용할 수 있다. 더 적은 고정자 톱니를 포함하면 부품 수와 조립 비용을 줄일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 높은 신뢰성을 달성하기 위해, 냉각 시스템은 고정자 및 권선 냉각을 제공하고, 고정자는 라우팅이 용이한(easy-to-route) 위상 리드를 위해 구성되고, 고정자는 절연 재료(예를 들어, 유전체 절연, 단열 또는 둘 모두)를 위한 공간을 허용하도록 구성되거나 이들의 조합을 제공한다.
도 5는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 후프(500)의 사시도이다. 후프(500)는 후프(500)의 축(590) 주위에 적어도 부분적으로 방위각으로 배열된 고정자 톱니의 세트를 수용하도록 구성된다(예를 들어, 방위각 방향은 축(592) 주위에 있음). 고정자와 관련하여, 도 5에서 예시된 대로, 축(592)은 축방향(즉, 길이방향)을 나타내고, 축(591)은 반경 방향(즉, 측 방향)을 나타내고, 축(590)은 방위각 방향을 나타낸다. 후프(500)는 몸체(501)(예를 들어, 주요 구조 부분 또는 "보강 링(stiffening ring)"), 하나 이상의 스파인들을 수용하거나 그렇지 않으면 이와 결합하도록 구성된 선택적 리세스들(504), 선택적 랙킹 방지 탭들(anti-racking tabs)(502) 및 선택적 도크들(docks)(503)을 포함한다. 예를 들어, 네 개의 리세스들(504)이 도 5에서 예시되어 있지만, 대응하는 스파인들을 수용하기 위한 임의의 적절한 수의 리세스들이 포함될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 후프는 리세스를 포함하지 않으며, 스파인들은 임의의 추가 피처들을 포함하거나 포함하지 않고 후프(500)에 연결된다. 랙킹 방지 탭들(502)은 몸체(501)로부터 축 방향으로 연장되고 고정자 톱니의 래미네이션의 방위각 또는 측 방향 이동을 방지하도록 구성된다. 랙킹 방지 탭들(502)은, 일부 실시 예들에서, 냉각 공기 흐름이 고정자를 침투하도록 구성된 하나 이상의 구멍들 또는 다른 피처들을 포함할 수 있다(예를 들어, 랙킹 방지 탭들(502)을 통해 권선 및 고정자 톱니로 흐르기 위해). 도크들(503)은 고정자 톱니의 위치를 유지하거나, 고정자에 대한 힘에 반응하기 위해, 또는 둘 모두를 위해 고정자 톱니의 피처들을 수용하거나 이와 맞물리도록 구성된다. 후프(500)는 금속, 판금, 플라스틱, 또는 형상을 형성하고, 피처를 형성하고, 피처를 부착하거나, 또는 이들의 조합(예를 들어, 랙킹 방지 탭들(502), 리세스들(504), 도크들(503))을 위한 임의의 적절한 처리(예를 들어, 굽힘, 파손, 압착/스탬핑, 절단, 브레이징, 용접, 접착 또는 기타)를 포함하는 임의의 다른 시트 재료로 구성될 수 있다.
도 6은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른, 복수의 래미네이션들을 포함하는, 예시적인 고정자 이빨(stator tooth)(600)의 축 방향도 및 사시도이다. 래미네이션(601)은 고정자 이빨이 형성되는 얇은 재료 시트를 예시하기 위해 도시된다. 601과 유사한 복수의 래미네이션들이, 이들이 동일할 필요는 없지만, 적층되어 고정자 이빨(600)을 형성한다. 예를 들어, 복수의 강철 래미네이션들이 판금(sheet metal)에서 절단되고(예를 들어, 펀칭, 레이저 절단, 플라즈마 절단, 와이어 EDM, 워터젯 절단 또는 기타 절단 기술에 의해), 서로 부착되어(예를 들어, 접착, 연동, 용접, 클리트 또는 기타 적절한 수단) 래미네이션 스택(즉, 고정자 이빨(600))을 형성할 수 있다. 고정자와 관련하여, 도 6에 예시된 바와 같이, 축(692)은 축 방향을 나타내고, 축(691)은 반경 방향을 나타내고, 축(690)은 방위각 방향(예를 들어, 축(692) 주위의 방위각)을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 고정자 이빨(600)은 고정자 톱니의 축 방향 결합을 위한 피처들(650 및 651)을 포함한다. 피처들(650 및 651)은 보스(boss), 리세스(recess), 그루브(groove), 슬롯(slot), 스텝(step), 융기 부분(raised portion), 축 방향으로 인접한 고정자 이빨과 결합(예를 들어, 인접한 후프에 부착)하기 위한 임의의 다른 적절한 기하학적 피처, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 피처들(650 및 651)는 후프 스택의 조립을 위한 인덱싱 피처(indexing feature)들을 제공하거나, 후프 스택(예를 들어, 도 3의 후프 스택(351))의 정렬을 보조하거나, 둘 모두를 제공한다.
영역(605)은 하나 이상의 권선을 수용하도록 구성된 리세스를 나타낸다. 예를 들어, 특정 축 방향 위치에서 고정자 톱니의 영역(605)과 유사한 영역들은 전자 전도성 권선(예를 들어, 코일의)이 감겨 지거나 삽입될 수 있는 보이드(void) 체적을 형성하도록 정렬된다. 일부 실시 예들에서, 고정자 이빨(600) 또는 그 영역(605)은 권선이 고정자 이빨(600)에 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위해 전기 절연 재료(예를 들어, 노멕스(Nomex) 시트와 같은)로 감싸지거나 그렇지 않으면 피복된다. 대안적인 실시 예들에서, 전기 전도성 권선은 권선이 고정자 이빨(600)에 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위해 전기 절연 재료(예를 들어, 노멕스(Nomex) 테이프와 같은)로 감싸지거나 그렇지 않으면 피복된다. 도시된 바와 같이 노치(notch)를 포함하는 피처(603)는 고정자 이빨(600)이 후프와 맞물리도록 구성된다(예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이). 예를 들어, 피처(603)는 도 5의 후프(500)의 도크(503)와 맞물릴 수 있다. 고정자 이빨 팁(604)(고정자 이빨 팁이라고도 함)은, 복수의 고정자 톱니의 유사한 피처들과 함께, 고정자 보어를 정의하는 데 사용된다. 일부 실시 예들에서, 고정자 이빨 팁(604)의 형상은 방위각 방향(예를 들어, 690의 방향에서)으로 플랫할 수 있다. 대안적인 실시 예들에서, 고정자 이빨 팁(604)의 형상은 볼록한, 오목한 또는 바람직한 고정자 보어 표면을 제공하는 데 필요한 임의의 다른 적절한 형상을 가질 수 있다. 면 도(face view)에서 점선 윤곽에 의해 도시된 바와 같이, 이빨 팁(604)은 곡선이거나 그렇지 않으면 원(예를 들어, 원형 고정자 보어)에 더 근접하도록 윤곽을 가질 수 있다.
예시적인 예에서, 래미네이션(601)은 얇은 저 손실, 고 투과성 래미네이션 강철을 포함할 수 있다. 추가의 예시적인 예에서, 래미네이션(601)은 모터 에어 갭을 형성하고 높은 구리 슬롯 필(copper slot fill)을 제공(예를 들어, 더 많은 권선 또는 권선의 감김)하도록 최적화된 고정자 이빨 형상을 유발할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 고정자 이빨(600)의 래미네이션들(예를 들어, 래미네이션(601))은 축 방향에서 볼 때 고정자 이빨(600)이 직사각형 프로파일을 갖도록 충분히 균일한 두께를 갖는다. 일부 실시 예에서, 래미네이션(601)의 두께는 균일할 필요가 없다. 예를 들어, 래미네이션(601)은 외측 반경 방향 단부(예를 들어, 피처(603)가 있는 위치)에서보다 이빨 팁(604)에서 더 작은 두께를 가질 수 있어서, 고정자 이빨(600)이 형성될 때 축 방향에서 볼 때 고정자 이빨(600)이 V 자형 프로파일을 형성한다(예를 들어, 고정자 이빨의 내부 표면이 고정자 이빨의 외부 표면적보다 작음). 이 V 자형 프로파일은 고정자 톱니의 세트의 외부 직경에서(예를 들어, 도 7에서 고정자 톱니의 링으로 표시됨) 인접한 고정자 톱니 사이의 방위각 갭을 줄이거나 제거할 수 있으며, 이에 따라 고정자에 있는 강철 재료의 양을 증가시켜 자속 밀도(flux density)를 줄이고 효율성을 높일 수 있다.
도 7은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 배열된 고정자 톱니(702)의 세트("후프 톱니 어셈블리")를 갖는 예시적인 후프(701)의 사시도이다. 고정자 톱니(702)의 세트는 특정 축 위치 또는 위치 범위에서 고정자 보어(703)를 국부적으로 정의한다. 고정자 톱니(702)의 세트의 각 이빨은 후프(701)의 도크(예를 들어, 도크(753)가 그 하나의 예시임)와 맞물린다. 일부 실시 예들에서, 각각의 도크(753)는 고정자 이빨(예를 들어, 고정자 톱니(702)의)과 맞물리는 피처(754)(예를 들어, 예시된 바와 같은 슬롯) 및 맞물림을 유지하기 위한 피처(755)(예를 들어, 예시된 바와 같이 굴곡부(flexure))를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 고정자 톱니(702)의 세트는 용접, 브레이징, 접착, 크림핑 또는 달리 후프(701)에 부착될 수 있고, 피처(755)는 포함될 수 있지만 반드시 포함될 필요는 없다. 피처(756)(예를 들어, 도시된 바와 같이 하나 이상의 구멍들)는 냉각 공기가 흐르도록 경로를 제공하고 코일(또는 그 권선), 고정자 톱니, 후프, 스파인, 타이 로드 또는 이들의 조합을 냉각하도록 구성된다. 일부 실시 예에서, 피처(756)는 고정자의 섹션을 두 개 이상의 냉각 구역들로 분할하기 위해 선택적으로 덮일 수 있다.
일부 실시 예들에서, 예시된 바와 같이, 고정자 톱니(702)의 세트는 변환기에 회전 방지력을 제공하도록 구성되고, 변환기의 피처가 얇게(thin) 움직일 수 있도록 구성되고(예를 들어, 레일(rail)), 코일 리드가 권선으로부터 멀리 라우팅될 수 있도록 구성되고 또는 이들의 조합을 위해 구성된 방위각 갭(704)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 리드 커버(lead cover)(705)는 코일 리드를 권선으로부터 멀리 안내하거나, 고정자 톱니의 정렬을 제공하거나, 또는 둘 모두를 위해 포함될 수 있다. 예를 들어, 리드 커버(705)는 코일 리드를 권선으로부터 멀리 라우팅하거나 안내하는 내부 통로로 구성될 수 있다. 추가적으로, 리드 커버(705)는 고정자 톱니(702)의 세트 및 보강 링(701)으로부터 코일 리드를 전기적으로 절연시키기 위해 유전체 재료(예를 들어, 플라스틱)로 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 고정자 보어(703)에서 하나 이상의 방위각 갭들이 고정자 톱니의 세트 사이에 포함될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 고정자 톱니의 세트 사이에 고정자 보어(703)에서 실질적으로 구별되는 방위각 갭이 포함되지 않는다. 일부 실시 예들에서, 고정자 보어(703)에서 하나 이상의 방위각 갭들이 포함되고 회전 방지력을 제공하도록 구성된다. 피처(711)(예를 들어, 도시된 바와 같이 하나 이상의 구멍들)은 타이 로드를 수용하거나, 공기 냉각을 위한 축 방향 냉각 경로를 제공하거나, 둘 모두를 위해 포함될 수 있다.
예시적인 예에서, 후프는 단일 이빨 어레이의 원형(circularity)을 제어하는 데 사용되는 스탬프 부품(stamped part)일 수 있다. 후프는 임의의 적절한 수 또는 유형의 스파인들 및 임의의 적절한 수 또는 유형의 단부 플레이트들과 함께 많은 이빨 어레이들이 축 방향으로 직렬로 적층될 때 고정자 보어의 직선도를 제어한다. 후프는 고정자 보어를 안정적으로 정의하거나, 함께 스냅 조립(snap-together assembly)을 허용하거나, 둘 모두를 위해 정렬 위치에 래미네이션 스택을 부착, 결합, 예압, 또는 이들의 임의 조합에 적합한 임의의 피처를 포함할 수 있다. 스택형 어셈블리를 사용하면 고정자 이빨 팁(예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이)을 사용하여 모터 효율을 개선하고 자석 손실을 줄이면서도 쉽게 코일 삽입, 양호한 슬롯 필 및 간단한 고정자 어셈블리를 허용한다. 일부 실시 예들에서, 고정자 톱니는 복수의 이빨 어레이들을 함께 축 방향으로 적층할 때 포지티브 정렬(positive alignment)을 제공하기 위해 래미네이션에 스탬핑된 정렬 보스들 및 포켓들을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 고정자 어셈블리의 강성을 개선하기 위해 후프-톱니 어셈블리들의 스택이 압축된다. 일부 실시 예들에서, 후프-톱니 어셈블리는 압축하에 조립되고 타이 로드, 용접, 접착제 또는 이들의 조합에 의해 제자리에 고정될 수 있다. 이러한 일부 실시 예들에서, 압축 하중을 받을 때 개별 래미네이션 스택들 또는 고정자 톱니가 좌굴(buckling) 또는 랙킹(racking)되는 것을 방지(예를 들어, 랙킹 방지 탭들의 사용을 통해)하기 위한 피처들(예를 들어, 탭들)을 포함하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 피처들은 별도의 부분들이 될 수도 있고 후프 디자인에 통합될 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 고정자 톱니의 세트는 고정자 톱니의 링의 반경 방향 외측 영역에서(예를 들어, 이빨 디자인을 기준으로) 방위각 갭들을 포함할 수 있다. 이러한 갭들은 반경 방향 외측 단부에 더 두꺼운 고정자 이빨 래미네이션을 포함함으로써 채워지거나 그렇지 않으면 방지될 수 있다(예를 들어, 따라서 고정자 이빨이 더 작은 반경에서 방위각으로 테이퍼 짐). 예를 들어, 축 방향으로 볼 때, 고정자 이빨은 균일한 두께 대신 반경 방향으로 V 자 형상을 가질 수 있다. V 자 형상을 사용하면 전자기 성능이 향상될 수 있지만, 고정자를 통과하는 냉각 유체의 흐름에 대한 저항이 증가할 수 있다.
도 8은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 코일(800)의 축 방향 도면 및 사시도이다. 코일(800)은 권선(802) 및 리드들(804)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 예시된 바와 같이, 코일(800)은 권선(즉, 권선(802))을 형성하기에 적합한 형상(예를 들어, 도시된 바와 같이 원형)으로 감겨진 길이의 전자 전도성 재료를 포함한다. 전자 전도성 재료의 나머지 부분은 리드들(즉, 리드들(804))을 형성한다. 예를 들어, 리드들(804)은 다른 리드(예를 들어, 다른 코일의), 전력 전자 장치, 전기 단자, 중성 와이(neutral wye) 연결, 임의의 다른 적절한 연결 또는 이들의 임의의 조합에 연결될 수 있다. 예시적인 예에서, 코일(800)이 풀 브리지(full bridge)에 의해 제어되는 위상에 포함될 때, 두 리드들(804)은 전류 제어를 위해 H-브리지 회로의 적절한 노드에 결합될 수 있다. 추가 예시적인 예에서, 코일(800)이 하프 브리지(half bridge)에 의해 제어되는 위상에 포함되는 경우, 리드들(804) 중 하나는 전류 제어를 위해 하프 브리지 회로의 적절한 노드에 연결될 수 있고, 리드들(804) 중 다른 리드는 중성 와이(neutral wye)에 연결될 수 있다. 추가 예시적인 예에서, 코일(800)이 위상에 포함될 때, 리드들(804)은 다른 코일의 리드들에 연결될 수 있다(예를 들어, 위상이 하나 이상의 코일을 포함).
일부 실시 예들에서, 코일(800)은 구리 와이어, 알루미늄 와이어, 임의의 다른 적절한 금속 와이어, 또는 이들의 임의의 조합으로 형성될 수 있다. 예를 들어, N 개(예를 들어, 여기서 N은 정수)의 래미네이션 스트랜드(laminated strand)들을 갖는 구리 와이어는 권선(802)을 형성하기 위해 감겨질 수 있고(예를 들어, 코일 보어(830)를 정의하기 위한 맨드릴 또는 기타 도구 주변에), 풀린 단부는 리드들(804)(예를 들어, 적절한 길이의)을 형성한다. 일부 실시 예들에서, 예시된 바와 같이, 권선(802), 리드들(804) 또는 둘 모두는 단락을 방지하기 위해 전자 절연 재료(예를 들어, 노멕스(Nomex), 캡톤(Kapton) 또는 기타 적합한 재료 또는 재료들)로 포장될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 리드들(804)은 단부들에 전기 종단(electrical termination)(예를 들어, 크림핑된 커넥터(crimped connector), 납땜된 단부 또는 기타 적절한 구성 요소 또는 처리)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 코일 보어(830)는 고정자 보어와 동일하거나 그보다 크다. 예를 들어, 코일 보어(830)는 권선(802)이 변환기와 우연히 접촉하는 것을 방지하기 위해 고정자 보어보다 클 수 있다. 추가 예에서, 코일 보(830)는 고정자 보어보다 클 수 있으며, 고정자 톱니의 반경 방향 내부 부분들은 코일 보어(830)의 반경 방향 내측으로 배열된다. 코일(800)과 각각 유사한 복수의 코일들이, 고정자(예를 들어, 도 4의 고정자(400))에 포함되어 고정자의 위상들을 구성할 수 있다. 예를 들어, 각 위상은 전기적으로 직렬로 연결된 하나 이상의 코일들을 포함할 수 있다. 추가 예에서, 각 위상은 하나의 코일을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 코일 또는 그 권선은 본딩 가능한 와이어, 본딩 가능한 절연을 갖는 와이어, 또는 둘 모두를 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 코일이 형성된 다음 코일 또는 그 권선 부분이 가열(예를 들어, 오븐에서 구워 짐)되어 경화된다. 코일은 예를 들어 원형, 정사각형 또는 임의의 다른 적절한 형상과 같은 임의의 적절한 단면을 갖는 와이어를 포함할 수 있다. 코일은 예를 들어 구리, 알루미늄 또는 임의의 다른 적절한 와이어와 같은 임의의 적절한 재료의 와이어를 포함할 수 있다.
도 9는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 스파인(spine)(900)의 사시도이다. 스파인(900)은 고정자의 후프의 축 스택(axial stack)을 위치, 배열, 유지, 정렬하거나 달리 영향을 미치도록 구성된다. 스파인(900)은 고정자의 하나 이상의 후프들에 축 방향으로 걸쳐 지도록 구성된 길이(901)를 포함한다. 스파인(900)은 후프의 스택에 축 강성, 방위각 강성, 측 방향 강성(예를 들어, 방사형), 또는 이들의 조합을 제공하도록 구성될 수 있다. 고정자는 임의의 적절한 형상을 갖는 임의의 적절한 수의 스파인들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 직사각형으로 도시되었지만, 스파인은 곡선이거나(예를 들어, 방위각 호(arc)를 따르기 위해), 분할되거나, 구부러지거나, 평면의 규칙적인 또는 불규칙한 형상에 의해 정의되거나 또는 기타 적절한 형상일 수 있다. 일부 실시 예에서, 예시된 바와 같이, 스파인(900)은 고정자의 후프에 부착하거나 달리 결합하기 위한 피처들(902)을 포함한다. 피처들(902)은 예를 들어 구멍, 슬롯, 리세스, 보스, 톱니, 핀, 나사산 패스너(threaded fastener)(예를 들어, 나사산 스터드), 임의의 다른 적절한 피처들, 또는 후프들의 배열을 위치시키고 유지하기 위한 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 각각 스파인(900)과 유사한 하나 이상의 스파인들이 고정자(예를 들어, 도 4의 고정자(400))에 포함되어, 고정자와 그 구성 요소들에 대한 구조적 지지, 정렬 또는 둘 모두를 제공할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 스파인(900)은 단일 후프의 길이에 걸쳐 있고 축 방향으로 다른 스파인들에 부착되어, 축 방향으로 적층될 때, 집합적으로 고정자의 길이에 걸쳐 있다. 일부 실시 예들에서, 스파인(900)은 다중 후프들의 길이에 걸쳐 있고 축 방향으로 다른 유사한 스파인들에 부착되어, 축 방향으로 적층될 때, 집합적으로 고정자의 길이에 걸쳐 있다. 일부 실시 예들에서, 스파인들은 후프-톱니 어셈블리들에 포함된 고정자 톱니를 정렬함으로써 고정자 보어를 정의하는 것을 돕는다. 또한, 스파인들은 작동 중에 고정자 톱니, 따라서 잠재적으로 고정자 보어의 비틀림 또는 기타 변형에 대한 강성을 제공한다.
도 10은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 단부 플레이트(end plate)(1000)의 사시도이다. 단부 플레이트(1000)는 후프 스택의 축 방향 범위를 정의하도록 구성된다. 예를 들어, 단부 플레이트(1000)는 후프(500)와 유사할 수 있지만 대응하는 코일 또는 고정자 톱니가 없다. 추가 예에서, 단부 플레이트(1000)는 대응하는 코일 또는 고정자 톱니를 포함하는 후프(500)와 유사할 수 있다. 추가 예에서, 단부 플레이트(1000)는 후프(500)와 유사할 필요는 없고, 대응하는 코일(들) 또는 고정자 톱니를 포함할 수 있지만 반드시 포함할 필요는 없다. 일부 실시 예들에서, 단부 플레이트(1000)는 후프와 동일하다(예를 들어, 고정자의 축 단부에 있는 종단 후프(terminal hoop)는 별도의 구성 요소 없이 단부 플레이트 역할을 한다). 일부 실시 예들에서, 단부 플레이트(1000)는 하나 이상의 스파인들(예를 들어, 도 9의 스파인(900)과 유사한)에 부착되거나 그렇지 않으면 결합될 수 있다. 예를 들어, 피처들(901)은 구멍, 슬롯, 리세스, 보스, 톱니, 핀, 나사산 패스너(예를 들어, 나사산 스터드), 임의의 다른 적절한 피처들, 또는 하나 이상의 스파인들과 인터페이싱하기 위한 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 단부 플레이트(1000)는 조립된 고정자에 구조적 강성을 제공하기 위해 스택의 각 후프보다 구조적으로 더 단단하다. 단부 플레이트(1000)는 고정자 보어보다 큰 단부 플레이트 보어(1030)를 포함한다. 단부 플레이트 보어(1030)는 변환기가 변환기의 움직임을 방해하지 않고 축 방향으로 이동할 수 있게 한다. 일부 실시 예들에서, 각각 단부 플레이트(1000)와 유사한 하나 또는 두 개의 단부 플레이트들이 고정자(예를 들어, 도 4의 고정자(400))에 포함되어 고정자의 길이 방향 단부들에 배열될 수 있다. 예를 들어, 단부 플레이트는 고정자의 각 길이 방향 단부에 포함될 수 있다(예를 들어, 두 개의 단부 플레이트들이 포함됨). 일부 실시 예들에서, 고정자의 단부들을 캡핑(capping)하는 것 외에도, 단부 플레이트들(1000)은 고정자 스택에 추가적인 구조적 지지를 제공하기 위해 고정자 내의 중간 위치들에서 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 단부 플레이트들(1000)은 베어링들을 고정자에 직접 부착하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 하나 이상의 단부 플레이트들이 후프 스택 내에 배열될 수 있다(예를 들어, 두 개의 후프-톱니 어셈블리들 사이). 단부 플레이트는 후프들을 함께 고정하는 데 도움이 되도록 구성된 적절한 디자인일 수 있다. 스파인은 후프들을 함께 고정하는 데 도움이 되도록 구성된 적절한 디자인일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 고정자는 스파인, 단부 플레이트, 또는 둘 모두를 포함할 필요가 없다. 일부 실시 예들에서, 단부 플레이트(1000)는 스파인들과 인터페이싱하고 맞물리기 위한 피처들(1001)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 단부 플레이트(1000)는 타이 로드들과 인터페이싱하고 맞물리기 위한 피처들(1002)을 포함한다.
도 11은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 단부 플레이트(1101), 하나의 후프-톱니 어셈블리 및 하나의 코일(집합의 후프-코일 어셈블리(1102) 또는 "후프 코일"), 및 스파인들(1103 및 1104)을 포함하는 예시적인 어셈블리(1100)의 사시도를 도시한다. 스파인들(1103 및 1104)은 고정자의 제1 축 방향 사이드를 정의하는 단부 플레이트(1101)에 결합된다. 후프-코일 어셈블리(1102)는 후프, 고정자 톱니(1105)의 세트 및 하나 이상의 코일들(1106)을 포함하고, 단부 플레이트(1101)와 축 방향으로 일렬로 배열된다(예를 들어, 고정자의 축을 따라). 일부 실시 예들에서, 어셈블리(1100)는 완성된 고정자를 위한 제1 빌딩 블록(building block)이다. 도 12는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 단부 플레이트(1101), 여러 개의 후프-코일 어셈블리들(1202)(예를 들어, 후프 코일 어셈블리(1102)를 포함하는) 및 스파인들(1103 및 1104)을 포함하는 예시적인 어셈블리(1200)의 사시도이다. 어셈블리(1200)는 부분적으로 조립된 고정자이다. 후프-코일 어셈블리들(1202)은 고정자의 축을 따라 적층된다. 일부 실시 예들에서, 후프-코일 어셈블리들(1202)의 리드들(1213)은 동일한 방향으로 향하지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 일부 실시 예들에서, 어셈블리(1200)는 완성된 고정자(예를 들어, 도 13의 고정자(1300))를 위한 전제가 된다(prerequisite). 도 13은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 단부 플레이트들(1101 및 1301), 후프-코일들(1302)(예를 들어, 후프-코일 어셈블리(1202)를 포함하는) 및 스파인들(1103 및 1104)을 포함하는 예시적인 조립된 고정자(1300)의 사시도이다. 후프-코일 어셈블리들(1302)은 고정자(1300)의 축을 따라 적층되어, 고정자 보어를 정의한다(예를 들어, 고정자 톱니(1305)는 고정자 보어를 정의함). 예를 들어, 변환기의 자석 섹션과 함께 고정자 보어가 모터 에어 갭을 정의한다. 일부 실시 예들에서, 후프-코일 어셈블리들(1302)의 리드들(1313)은 동일한 방향으로 향하지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 일부 실시 예들에서, 리드(1313)는 하나 이상의 리드들(1313)에서 전류를 제어하도록 구성된(예를 들어, 위상에 대응할 수 있는) 전력 전자 장치에 결합된다(예를 들어, 도 33, 34 및 36에 예시된 바와 같이). 일부 실시 예들에서, 리드들(1313) 중 일부는 전력 전자 장치에 결합되고 리드들(1313) 중 일부는 다른 리드에 결합된다(예를 들어, 코일들을 직렬 또는 병렬로 배열하거나, 중립 와이 또는 스타 노드(star node)를 형성하기 위해). 일부 실시 예들에서, 하나 이상의 후프-코일 어셈블리들(1302)은 스파인들(1103 및 1104)에 부착된다(예를 들어, 고정, 크림핑, 인터로킹, 프레싱, 톱니-그루브 인터페이스, 핀으로 고정 또는 기타 위치 및 구속을 통해). 일부 실시 예들에서, 스파인들(1103 및 1104)은 후프-코일 어셈블리들(1302)에 대한 측 방향 정렬을 제공한다(예를 들어, 실질적으로 직선형 고정자 보어를 보장하기 위해). 고정자(1300)는 도시된 바와 같이 네 개의 스파인들을 포함하지만(예를 들어, 스파인들(1103, 1104, 1304 및 1306)), 고정자는 임의의 적절한 스파인들을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 축 길이, 위상들의 수, 또는 둘 모두는 더 긴 스택들을 형성함으로써 선택될 수 있다(예를 들어, 더 길거나 더 짧은 스파인들 사용, 오프셋 스파인들 사용, 및 스택에서 더 많거나 적은 후프-코일들 사용). 일부 실시 예들에서, 선택적인 타이 로드들(1351)이 축 방향 압축을 제공하기 위해 포함될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 후프-코일 어셈블리들은 인접한 후프-코일 어셈블리들이 그들 각각의 고정자 톱니 인터페이스들에서 인터페이싱하거나 맞물려, 선택적으로, 후프들과 스파인들이 정렬을 유지하는 동안 고정자 톱니가 축 방향으로 압축 하중을 견디도록 적층된다.
예시적인 예에서, 단부 플레이트들(1101 및 1301)은 고정자(1300)와 전자기적으로 상호 작용하도록 구성된 변환기의 측 방향(예를 들어, 방사형) 변위(displacement)를 제한하도록 구성된 베어링 마운트, 굴곡부 또는 베어링 하우징과 인터페이싱하도록 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 단부 플레이트들에 인접한 후프-코일 어셈블리들은 축 방향 외측 단부에서(예를 들어, 후프 코일 어셈블리와 단부 플레이트 사이) 코일을 가질 필요가 없다. 예를 들어, 스택의 각 후프-코일 어셈블리는, 축 방향 내측 단부(예를 들어, 단부 플레이트로부터 멀어짐)에만 코일을 포함하는 첫 번째 및 마지막 후프-코일을 제외하고, 고정자 톱니의 각 축 방향 단부에 하나씩, 두 개의 코일들을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 스택의 각 후프-코일 어셈블리는 첫 번째 및 마지막 후프-코일 어셈블리(예를 들어, 단부 플레이트들에 인접한 후프-코일 어셈블리들)를 포함하는, 고정자 톱니의 각 축 방향 단부에 하나씩, 두 개의 코일들을 포함할 수 있다.
도 14는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 축 래미네이션(1400)의 측면도 및 예시적인 축 래미네이션 스택들(1450)의 세트의 사시도이다. 축 래미네이션(1400)은 복수의 슬롯들(예를 들어, 슬롯(1402))에 의해 분리된 복수의 톱니(예를 들어, 이빨(1401)을 포함하는)를 포함한다. 예시된 바와 같이, 래미네이션 스택들(1450)(예를 들어, 래미네이션 스택(1460) 포함을 포함하는)은 고정자 보어(1453)를 형성하도록 배열된 래미네이션 스택들의 세트(각 스택은 래미네이션(1400)과 유사한 복수의 래미네이션들을 포함한다)를 포함한다. 래미네이션 스택들(1450)의 고정자 톱니의 세트는 고정자 보어(1453)를 정의한다. 슬롯들(1454)은, 고정자 톱니의 축 방향 연속 로우들 사이에 배열된, 고정자 보어(1453) 주위에서 적어도 부분적으로 방위각으로 연장된다. 일부 실시 예들에서, 와이어는 권선을 형성하기 위해 슬롯들(1454)에 감길 수 있다. 일부 실시 예들에서, 코일들은, 임의의 적절한 방식으로 라우팅되는 위상 리드들과 함께, 슬롯들(1454)에 설치될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 래미네이션 스택들의 세트의 래미네이션 스택들은 고정자의 길이와 같거나 더 짧은 축 길이를 갖는다. 일부 실시 예들에서, 래미네이션 스택들(1450)은 구조 및 정렬 고정구(fixture), 피처, 구성 요소, 또는 그 안의 임의의 조합을 사용하여 배열된다. 예를 들어, 래미네이션 스택들(1450)은 적어도 하나의 후프(예를 들어, 도 3의 후프(353)와 유사한), 스파인(예를 들어, 도 3의 스파인(352)), 단부 플레이트(예를 들어, 도 3의 단부 플레이트(354)), 타이 로드(예를 들어, 도 3의 타이 로드(359)) 또는 이들의 임의의 조합으로 구조적으로 지지되고 정렬될 수 있다.
도 15는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 리드 관리 커버(예를 들어, 커버(1503) 사용), 방위각 갭(1504) 및 스파인들(1510-1513)을 갖는 예시적인 후프-코일(1500)의 정면도를 도시한다. 후프-코일 어셈블리(1500)는 후프(1502), 고정자 톱니(1501)의 세트, 코일(예를 들어, 권선(1520) 및 리드들(1521 및 1522)을 포함) 및 커버(1503)를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 예시된 바와 같이, 방위각 갭(1504)은 후프-코일 어셈블리(1500)를 포함하는 고정자와 전자기적으로 상호 작용하도록 구성된 변환기상의 안티-클럭킹 힘(anti-clocking force)에 영향을 주기 위해 고정자 톱니(1501)의 세트 사이에 포함된다. 후프(1502)는 스파인들(1510, 1511, 1512 및 1513)에 결합되거나 이에 의해 측 방향(예를 들어, 방사형, 방위각 또는 기타) 움직임이 제한된다. 후프 코일(1502)을 가로 질러 축 방향 및 방사상으로 연장될 필요는 없지만 커버(1503)는 리드들(1521 및 1522)을 보호하고 이를 권선(1520)으로부터 전력 전자 장치, 다른 권선의 리드, 중성 와이/스타 노드 또는 임의의 다른 적절한 전기 단자로 안내하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 커버(1503)의 존재는 고정자 톱니(1501)의 세트 사이에 제2 방위각 갭을 야기한다. 일부 실시 예들에서, 방위각 갭들(예를 들어, 방위각 갭(1504) 및 커버(1503)에 대한 방위각 갭)은 임의의 적절한 방위각 위치에 위치될 수 있고(예를 들어, 실질적으로 180도 떨어져 있음), 임의의 적절한 크기(예를 들어, 실질적으로 동일한 크기)를 가질 수 있고 또는 둘 모두에 해당할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 후프-코일 어셈블리의 고정자 톱니 사이의 하나 이상의 방위각 갭은 후프-코일 어셈블리를 포함하는 고정자와 전자기적으로 상호 작용하도록 구성된 변환기 상의 안티-클럭킹 힘에 영향을 미치도록 구성될 수 있다. 도 7은, 도시된 바와 같이, 방위각 갭(1504)과 커버(1503)에 대한 방위각 갭 사이의 톱니에 대한 고정자 톱니 사이의 균일한 방위각 갭을 도시하지만, 그러나 반드시 그러할 필요는 없다. 고정자 톱니는 적절한 크기의 적절한 수의 방위각 갭들로 후프 코일 어셈블리에 배열될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 후프-코일 어셈블리는 후프 당 두 개의 코일들을 포함할 수 있지만(예를 들어, 고정자 톱니의 세트의 대향 축 사이드들 상에), 임의의 적절한 수의 코일들이 후프-코일에 포함될 수 있다(예를 들어, 하나 이상의 코일들). 일부 실시 예들에서, 고정자 래미네이션 이빨 피치(pitch)(고정자 슬롯 피치라고도 함)는 고정자 스택 내의 축 위치에 기초하여 하나의 후프-코일 어셈블리에서 다른 후프-코일 어셈블리로 변할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 변환기의 속도 프로파일이 스트로크(stroke)의 중간 점(예를 들어, 고정자의 중심)에서 가장 높으면, 위상 주파수(phase frequency) 및 수반되는 코어 손실을 낮출 수 있기 때문에 고정자 중간에 더 긴 고정자 슬롯 피치가 필요할 수 있다. 마찬가지로, 변환기의 속도 프로파일이 스트로크의 단부 근처(예를 들어, 고정자의 단부들)에서 가장 낮으면, 위상 주파수 또는 회 전당 EMF를 증가시켜 단부 권선으로부터 작업의 더 큰 기여(즉, 거리를 통한 힘(force over a distance))를 가능하게 하기 때문에, 고정자의 단부들에서 더 짧은 고정자 슬롯 피치가 필요할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 고정자의 단부 섹션들에 위치된 후프-코일 어셈블리들은 고정자의 중심 섹션에 있는 후프-코일 어셈블리들의 고정자 슬롯 피치에 비해 더 짧은 고정자 슬롯 피치를 포함할 수 있다.
도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 대응하는 코일들 및 고정자 톱니를 갖는 복수의 후프들(예를 들어, 도 15의 복수의 후프-코일 어셈블리들(1500))이 축 방향으로 적층되어 고정자를 형성할 수 있다. 예를 들어, 대응하는 코일들을 갖는 복수의 후프들은 정렬, 고정 또는 둘 모두를 위해 하나 이상의 스파인들(예를 들어, 스파인들(1510-1513))을 따라 적층될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 코일을 포함하는 권선의 회전 수는 각 후프-코일 어셈블리에 대해 동일하다. 일부 실시 예들에서, 코일을 포함하는 권선의 회전 수는 후프-코일 어셈블리들 사이에서 변할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 고정자의 단부를 향해 위치한 후프-코일 어셈블리는 더 적은 권선 회전을 갖는 코일을 포함할 수 있고, 고정자의 중심을 향해 위치한 후프-코일 어셈블리는 더 많은 권선 회전을 갖는 코일을 포함할 수 있거나, 또는 둘 모두 또는 그 반대도 가능하다.
일부 실시 예들에서, 고정자는 별도의 스파인을 포함할 필요가 없다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 복수의 후프-코일들은 축 방향으로 적층될 수 있고, 선택적으로 중앙 맨드릴(mandrel)(예를 들어, 자석 섹션 플러스 모터 에어 갭에 대한 프록시(proxy)로서) 주위에 정렬된 다음 서로 용접 또는 접합될 수 있다. 추가 예에서, 후프-코일들은 축 방향의 선행 하중(preloading)(예를 들어, 스택을 압축하는 타이 로드를 사용하여), 그 후 휘두르기(wielding), 축 방향의 선행 하중, 그 후 클램핑, 또는 둘 모두에 의해 압축된다. 일부 실시 예들에서, 복수의 후프 코일은 축 방향으로 적층될 수 있고, 후프들의 스택을 통해 연장되는 하나 이상의 타이 로드를 사용하여 축 방향으로 압축될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 스파인들 및 단부 플레이트들에 추가로 또는 그 대신에 타이 로드들이 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 축 방향으로 적층된 후프들 각각은 스파인들과 인터페이싱하고, 타이 로드가 축 방향 압축으로 후프-코일 어셈블리들의 축 방향 스택을 배치하는 데 사용된다.
일부 실시 예들에서, 본 개시의 구성 요소들은 기존 모터 제조 인프라(예를 들어, 프레스, 다이, 코일 머신, 절연 시스템)를 활용하고(leverage), 래미네이션 시트 재료를 효율적으로 사용하고, 자동 조립 및 검증 방법과의 호환성을 제공하고, 간소화된 수작업으로 조립을 가능하게 하고, 충분한 냉각 옵션을 제공하도록 구성되어(예를 들어, 제조 비용을 낮게 유지하기 위해), 높은 전력 밀도와 낮은 재료 및 조립 비용을 달성할 수 있다.
예시적인 예에서, 스택형 어셈블리(즉, 고정자)의 반경 외부 주위의 노출된 고정자 톱니(예를 들어, 금속) 및 권선(예를 들어, 구리 와이어 또는 알루미늄 와이어)은 온도를 제어하고 모터 수명(예를 들어, 큰 전류 부하에서), 모터 효율, 모터 전력 또는 이들의 조합을 개선하기 위해 수동 또는 능동 모터 냉각을 위한 접근을 제공한다. 일부 실시 예들에서, 냉각 공기를 권선 사이, 고정자 톱니 사이 또는 이들의 조합에 자석 에어 갭 내 보다 효과적으로 유도하기 위해 슈라우드(shroud)(예를 들어, 도 4 참조)가 설치될 수 있다.
변환 어셈블리 또는 "변환기"는 고정자와 전자기적으로 상호 작용하여 전기 에너지와 운동 에너지 사이를 변환한다. 따라서 변환기는 전자기력 하에서 움직일 수 있고, 변환기에게 적용되는 임의의 힘 하에서 움직일 수 있고, 고정자의 위상에서 기전력(emf) 생성할 수 있고(예를 들어, 및 고정자에 의해 생성된 EMF에 역으로 반응), 표면상으로(nominally) 선형 이동 경로 달성할 수 있고, 작동(예를 들어, 사이클) 중 경험하는 열적 및 기계적 부하를 견딜 수 있다.
도 16은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기(1600)의 측면도이다. 도 17은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 변환기(1600)의 축 방향 단부도이다. 도 16의 축 방향 단부도는 방향(1601)에서 취한 것이다. 변환기(1600)는 튜브(1612)를 포함한다. 변환기(1600)는 고정자와 원하는 전자기 상호 작용을 가능하게 하는 피처들(예를 들어, 자석)을 포함할 수 있는 섹션(1613)을 포함한다. 변환기(1600)는 또한 위치 인덱스, 안티-클럭킹 베어링 표면 또는 둘 모두를 제공하도록 구성된 레일(1616)을 선택적으로 포함한다. 일부 실시 예들에서, 변환기(1600)는 레일을 포함하지 않으며, 변환기와 고정자(예를 들어, 고정자 톱니 사이에 방위각 갭을 갖는 고정자) 사이의 전자기적 상호 작용을 통해 방위각 방향으로의 충분한 안티-클럭킹 강성이 제공된다. 일부 실시 예들에서, 변환기(1600) 또는 그 구성 요소들은 축(1690)에 대해 대칭일 수 있다(예를 들어, 축(1690)을 중심으로 하는 원형 모양, 패스너 패턴, 레일 배열 및 회전 대칭을 갖는 다른 양태 포함). 일부 실시 예들에서, 변환기(1600) 또는 그 구성 요소들은 축(1690)에 대해 대칭일 필요는 없다. 일부 실시 예들에서, 섹션(1613)은 튜브(1612)와 실질적으로 동일한 직경을 가질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 섹션(1613)은 튜브(1612)보다 작거나 큰 직경을 가질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 섹션(1613), 튜브(1612) 또는 둘 모두의 외부 치수는 축 방향으로 균일하거나, 불균일하거나, 둘 모두일 수 있다. 예를 들어, 튜브(1612)는 테이퍼, 단차 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 추가 예에서, 섹션(1613)은 그 축 중심에서 또는 그 근처에서 더 큰 직경을 가질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 변환기(1600)는 상이한 재료들로 만들어진 여러 섹션들로 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 변환기(1600)의 섹션의 재료 조성은 중량, 기계적 강도 및 전기적 또는 열적 특성과 같은 원하는 특성에 최적화 될 수 있다.
레일(1616)은 예를 들어 위치 지시 또는 인덱싱을 위한 피처를 포함할 수 있는 표면(1640); 안티-클럭킹 베어링 표면을 포함할 수 있는 표면(1641); 및 안티-클럭킹 베어링 표면을 포함할 수 있는 표면(1642)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 변환기는 본 개시에 따른 변환기 상에 임의의 적절한 방위각 또는 축 위치를 갖는 0 개, 1 개, 2 개 또는 2 개 보다 큰 레일들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 변환기는 다중 위치 지시를 제공하기 위해 하나 이상의 레일을 포함할 수 있다(예를 들어, 중복성(redundancy), 정확성, 대칭성 또는 이들의 조합을 위해). 일부 실시 예들에서, 변환기(1600)는 어떠한 안티-클럭킹 레일도 포함할 필요가 없다. 일부 실시 예들에서, 변환기와 고정자 사이의 자기 상호 작용은 방위각 방향으로 적절한 안티-클럭킹 강성을 제공할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 안티-클럭킹 레일(1616)없이, 예를 들어, 위치 인덱싱 피처가 변환기(1600)에 직접 부착되거나, 변환기(1600)에 직접 통합되거나, 둘 모두일 수 있다(예를 들어, 튜브(1612)에 직접 부착, 튜브(1612)에 직접 통합, 또는 둘 모두). 일부 실시 예들에서, 표면들(1641 및 1642)은 대응하는 안티-클럭킹 베어링들(예를 들어, 안티-클럭킹 가스 베어링들을 포함할 수 있는)과 인터페이싱하도록 구성된다. 안티-클럭킹 베어링들은 방위각 방향으로 강성을 제공하여, 변환기의 방위각 움직임을 방지하거나 감소시킨다. 일부 실시 예들에서, 표면(1640)은 위치 지시 또는 인덱싱을 위한 기계 가공된 피처, 위치 지시 또는 인덱싱을 위한 자기 테이프, 위치 지시 또는 인덱싱을 위한 임의의 다른 적합한 피처, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 고정자에 대한 변환기의 위치를 감지하는 것은 외부 위치 인덱싱 피처의 사용과 함께 또는 이를 사용하지 않고 변환기의 자기 피처들 섹션(1613)의 하나 이상의 로우들의 위치를 감지함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, 역 기전력(emf)은 고정자와 변환기의 상대적 위치를 결정하기 위해 하나 이상의 위상 권선에서 측정될 수 있다. 추가 예에서, 제어 신호(예를 들어, 전류를 인가하기 위한 펄스 폭 변조 신호), 측정된 전류 또는 둘 모두가 고정자와 변환기의 상대적 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다.
도 18은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기 튜브(1810) 및 레일(1812)의 단부의 측 단면도이다. 예를 들어, 레일은 변환기의 회전 운동을 제한하고 및/또는 위치 측정을 위해 인코더 테이프(encoder tape)를 장착하도록 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 레일은 변환기에 부착된다(예를 들어, 볼트로, 용접으로, 접착으로, 테이프로 또는 이들의 조합으로). 레일(1812)은 볼트로, 용접으로, 접착으로, 테이프로, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 적절한 수단을 통해 변환기 튜브(1810)에 부착될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 레일(1812)은 변환기 튜브의 임의의 적절한 위치 및 레일의 임의의 적절한 위치에서 변환기 튜브(1810)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 레일(1812)은 레일의 전체 축 방향 길이에 걸쳐 변환기 튜브(1810)에 부착될 필요가 없다(예를 들어, 변환기 튜브에 부착되지 않은 레일의 부분이 있을 수 있음).
도 19는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 자석 섹션(1913)을 갖는 예시적인 변환기(1900)의 일부의 측면도이다. 변환기(1900)는 튜브(1912) 및 자석 섹션(1913)(예를 들어, 이는 도 16의 섹션(1613)과 유사할 수 있음)을 포함한다. 자석 섹션은 고정자의 위상과 전자기적으로 상호 작용할 수 있는 임의의 적절한 피처들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시된 바와 같이, 자석 섹션은(N)극 및(S)극 배열된 자석들의 어레이(예를 들어, 도시된 바와 같이 N 또는 S 극들이 바깥 쪽을 향함), 할바흐(Halbach) 어레이, 임의의 다른 적절한 자기 어레이, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, N 및 S 자석 로우들의 축 방향 길이는 실질적으로 동일하거나 실질적으로 상이할 수 있다. 예를 들어, 섹션(1913)의 축 방향 단부를 향한 자석 로우들은 자기장의 생성에 덜 기여할 수 있고 섹션(1913)의 축 중심을 향한 자석 로우들보다 축 방향 길이가 더 짧을 수 있다(예를 들어, 도 22 참조). 자석 섹션(1913)은 자석 섹션(1913)을 설명하는 역할을 하고 변환기(1900)에 가해지는 힘(예를 들어, 축 방향 힘)을 전달하는 것을 돕는 기능을 할 수 있는 선택적인 단부 피처들(1920 및 1921)을 포함한다. 자석 섹션(1913)은 또한 유사한 극성으로 배열된 자석들의 로우들을 위치시키도록 구성되는 선택적 위치 결정(locating) 피처들(1922)을 포함한다. 위치 결정 피처들(1922)은 자석을 로우, 컬럼, 그리도 또는 임의의 적절한 극 피치를 갖는 임의의 다른 적절한 배열로서 위치시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 대응하는 고정자는 극 피치를 고려하여 적절한 축 위상 길이를 갖는 적절한 수의 위상들을 포함할 수 있다. 중심 축(1990)은 참조 용으로 표시된다. 예를 들어, 자석 섹션(1913)은 대칭이거나, 거의 대칭일 수 있거나, 그렇지 않으면 중심 축(1990)에 대해 대칭을 가질 수 있다.
도 20은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 자석들(도 20에 도시되지 않음)을 배열하기 위한 피처들(2004)을 갖는 예시적인 변환기(2000)의 일부의 사시도이다. 피처들(2004)은 섹션(2002)의 자석들의 배열을 돕기 위해 구성된다. 일부 실시 예들에서, 예시된 바와 같이, 피처들(2004)은 조립, 작동 또는 둘 모두 동안 자석들을 위치시키기 위한 인덱스로서 작용하도록 구성된 융기된 리지(ridge)들을 포함한다. 또한, 피처들(2004)(예를 들어, 리지들)은 축 가속에 대한 저항을 제공하고 자석을 제자리에 유지하는 데 도움이 될 수 있다. 추가로, 일부 실시 예들에서, 자석들을 변환기에 결합시키기 위해 적합한 접착제가 사용될 수 있다. 피처들(2004)은 균등한 간격을 가질 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 예를 들어, 피처들(2004)은 다양한 축 길이의 자석들(예를 들어, 축 단부들에서 더 짧은 자석들)을 수용하기 위해 축 방향으로 이격될 수 있다.
도 21은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 배열된 자석들(2104)을 갖는 예시적인 변환기 섹션(2100)의 일부의 사시도이다. 변환기 섹션(2100)은 명확성을 위해 제거된 자석들(2102 및 2103)과 함께 도시되어 있다(예를 들어, 작동 가능한 변환기 몸체(2110)에 부착된 자석들을 포함한다). 자석들(2104)은 특정 축 방향 위치 또는 위치 범위에 배열되고 몸체(2110) 주위에서 적어도 부분적으로 방위각으로 연장되는 로우들(2152), 및 특정 방위각 위치 또는 위치 범위에 배열되고 축 방향으로 연장되는 스택들(2151)로 배열된다. 예를 들어, 로우들(2152)의 로우는 몸체(2110) 주위에서 방위각으로 연장될 수 있는 반면, 스택들(2151)의 스택은 몸체(2110)의 전체 또는 거의 전체 축 길이로 연장될 수 있다. 다른 예에서, 로우들(2152)의 로우는 몸체(2110) 주위에서 부분적으로 방위각으로 연장될 수 있는 반면, 스택들(2151)의 스택은 몸체(2110)의 전체 또는 거의 전체 축 길이로 연장될 수 있다. 자석들(2104)은 교차하는(alternating) 극 배향(예를 들어, N 및 S)의 로우들(2152)로 배열될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 로우의 모든 자석들은 동일한 극 배향을 갖는 반면, 스택을 따른 자석들은 교차하는 극 배향을 갖는다. 일부 실시 예들에서, 예시된 바와 같이, 본딩들(2101)이 자석들(2104)을 몸체(2110)에 부착하는 것을 돕기 위해 자석들(2104) 아래에 방사상으로 배열된다. 몸체(2110)는 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있고 하나 이상의 변환기 튜브들(예를 들어, 베어링 표면들을 갖는)과 인터페이싱하여 변환기를 형성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 몸체(2110)는 금속 복합재로 구성될 수 있으며, 이는 변환기에서 와상 손실(eddy loss)을 감소시킬 수 있다. 일부 실시 예들에서, 변환기 튜브들은 비철 재료로 구성되고 몸체(2110)는 자기 회로를 완성하기 위해(예를 들어, 할바흐(Hallbach) 배열에서) 철 재료로 구성된다. 일부 실시 예들에서, 몸체(2110)는 베어링 표면들을 포함할 수 있다(예를 들어, 몸체(2110) 및 자석들(2204)은 추가적인 구조적 구성 요소 없이 변환기를 형성할 수 있음). 일부 실시 예들에서, 자석들은 변환기 또는 그 섹션에 압입된다(예를 들어, 반경 방향 또는 축 방향으로 가압됨). 예를 들어, 자석들은 자석들과 고정자 톱니 사이에 재료(예를 들어, 금속) 층이 존재하도록 변환기 또는 그 섹션 내부에 배열될 수 있다(예를 들어, 축 방향으로 압입되거나 또는 3D 인쇄된 경우).
도 22는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 자석 섹션(2200)의 일부의 횡단면도이다. 일부 실시 예들에서, 변환기 어셈블리는 자석들(2210)의 위치/움직임을 제한하기 위해(예를 들어, 자석의 가속에 저항) 하나 이상의 단부 피처들(2202)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 변환기 어셈블리는 자석들(2211 및 2210)의 위치/움직임을 제한하기 위해(예를 들어, 자석들의 가속에 저항) 하나 이상의 위치 결정 피처들(2204)를 포함한다. 예시적인 예에서, 도 20의 피처들(2004)은 단부 피처들(2202), 위치 결정 피처들(2204) 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 자석들은 변환기 튜브에 결합된다(예를 들어, 접착제를 사용하여). 일부 실시 예에서, 자석 어셈블리는, 도 23에 도시된 바와 같이, 자석들을 보호하기 위해 재료(예를 들어, 열팽창에 부응하는 재료)를 사용하여 래핑된다. 일부 실시 예들에서, 피처들(2004) 및 단부 피처들(2202)은 하나 이상의 변환기 튜브들(예를 들어, 도 16의 변환기 튜브(1612)와 유사)에 부착된 몸체(예를 들어, 도 21의 몸체(2110)와 유사) 내의 또는 그 부착된 머신이다.
도 23은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 랩(wrap)(2301)을 갖는 예시적인 변환기(2300)의 사시도이다. 일부 실시 예들에서, 섹션(2302)은 어레이로 배열된 자석들(예를 들어, 변환기 튜브 주위 또는 축 방향으로 부분적으로 또는 완전히 연장된)을 포함한다. 선택적 랩(2301)은 자석들에 압축력을 적용하고(예를 들어, 내부 반경 방향에서), 자석들을 마찰/충돌로부터 보호하고, 임의의 자석들의 방출을 방지하거나(예를 들어, 본딩 실패 시), 이들의 조합을 위해 포함된다. 일부 실시 예들에서, 선택적 랩(2301)은 열 팽창에 순응할 수 있다. 일부 실시 예에서, 랩(2301)은 예를 들어 케블라(Kevlar)-기반 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 랩(2301)은 하나 이상의 층들(예를 들어, 스풀과 유사함)로 섹션(2302) 주위에 케블라 재료 시트를 랩핑함으로써 적용된다. 랩은 예를 들어, 적절한 섹션을 따라 임의의 적절한 축 방향 길이와 임의의 적절한 두께로, 도 16의 섹션(1613)과 같은, 임의의 적절한 섹션에 적용될 수 있다.
고정자 및 자석 섹션 디자인은 모터 효율에 영향을 주지만, 베어링 디자인은 LEM의 기계적 효율(예를 들어, 작동 중 베어링 마찰 및 윈디지(windage)로 인해 손실되는 전력량)에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 유선형의 원통형 오실레이터와 적당한 최고 표면 속도를 제공하면, 윈디지 손실을 최소화 할 수 있으며, 따라서 기계적 손실은 오실레이터 샤프트와 자석 어레이(예를 들어, 변환기)를 지지하는 베어링의 마찰 가열에 의해 지배되는 경향이 있다. 선형 접촉 베어링 유형의 일부 예시적인 예로는 평면 드라이-필름 베어링(plane dry-film bearing), 선형 볼 베어링 및 오일-윤활 평면 베어링이 있다. 이러한 솔루션은 일반적으로, 예를 들어 지속적인 윤활 요구 사항 및/또는 짧은 유지 보수 간격, 높은 가속도 또는 속도를 처리할 수 없음(예를 들어, 과도한 마모 또는 구성품 손상 없이), 짧은 교체 간격 및 부품 수명, 높은 마찰 손실 또는 이들의 조합과 같은, 시스템에 하나 이상의 제약을 부과한다. 본 개시의 머신 및 시스템은 접촉 베어링, 비접촉 베어링, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 본 개시 내용은 자가-정렬 에어로스테틱(aerostatic) 베어링(예를 들어, 본원에서 에어 베어링 또는 가스 베어링이라고 함)을 기술한다. 가스 베어링은 높은 속도(예를 들어, >2, >5, >10, >15m/s), 높은 기계적 효율성(예를 들어, 낮은 마찰 손실), 긴 유지 보수 간격 및 높은 내구성이 필요한 어플리케이션에 유용할 수 있다. 가스 베어링은 오리피스, 다공성 매체, 기타 적절한 흐름 제한 또는 이들의 조합을 통해 압축 공기 또는 기타 가스로 작은 갭(예를 들어, 베어링 인터페이스에서의 갭)을 채우는 방식으로 작동한다. 변환기의 표면이 측 방향(예를 들어, 방사형)으로 이동하여 고정된 베어링 표면에 가까워지면(즉, 에어 갭이 줄어듬), 베어링 가스 흐름 제한이 타이트해지고, 베어링 갭의 압력이 증가한다. 압력은 베어링 하우징의 베어링 표면과 변환기 표면이 접촉하는 인스턴스(instance) 및 심각도를 방지하거나 제한하는 복원력을 제공한다. 일부 실시 예들에서, 본 개시의 가스 베어링은 적당한 양의 가압된 가스를 소비하며, 예를 들어 공급 공기가 여과되고, 베어링의 부하 용량이 초과되지 않는 한, 가스 베어링은 매우 높은 역방향 가속도에서도 작동 수명이 길고, 접촉 베어링 또는 동학 베어링(hydrodynamic bearing)과 관련된 마찰 손실을 최소화하거나 제거한다.
도 24는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 베어링 하우징(2400)의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 베어링 하우징(2400)은 원형 베어링 표면을 갖는 변환기 주위에서 방위각으로 연장되도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징(2400)은 완전한 베어링 하우징을 형성하도록 조립될 수 있는 하나 이상의 방위각의, 방사상의 또는 축의 부품들을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 베어링 하우징(2400)은 가스 베어링을 수용하도록 구성되고 통로들(2410) 및 유동 제한들(2420)을 포함한다. 통로들(2410)는 베어링 하우징(2400) 내의 베어링 가스의 흐름을 흐름 제한들(2420)로 안내하고 분배한다. 통로들(2410)은 예를 들어 플레넘(plenum), 채널(channel), 매니폴드(manifold), 필터, 드릴 구멍(drilled hole), 머신 리세스(machines recess), 흐름 제어 피처, 센서(예를 들어, 베어링 가스 압력, 유량 또는 온도 감지를 위한) 용 포트, 베어링 가스 공급을 수용하기 위한 포트, 응축물(condensate)(예를 들어, 응축수, 오일 또는 기타 응축 유체) 제거 용 포트, 기타 적절한 피처 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 유동 제한들(2420)은 베어링 보어(2430)에서 베어링 인터페이스(예를 들어, 베어링 갭)에 베어링 가스를 제공하도록 구성된다. 유동 제한들(2420)은 가스 베어링에 원하는 압력 및 유속으로 베어링 가스를 제공하며, 이는 변환기의 축을 벗어난 움직임에 측 방향 강성을 제공한다. 유동 제한들(2420)은 예를 들어 오리피스, 다공성 섹션, 또는 둘 모두 또는 임의의 다른 적절한 유동-제한 피처를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 유동 제한(2420)은 베어링 보어(2430)를 따라 오리피스들의 어레이를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 유동 제한(2420)은 베어링 보어(2430)를 따라 다공성 재료의 두께를 포함한다. 일부 실시 예에서, 베어링 하우징(2400)은 예를 들어 변환기와의 접촉을 수용하기 위해 베어링 보어(2430)에서 코팅, 소모성 층, 건식 필름 윤활제, 마모성 코팅 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
베어링 하우징(2400)이 원통형 베어링 보어(2430)를 갖는 것으로 도 24에 도시되어 있지만, 베어링 하우징은 베어링 인터페이스를 생성하기 위한 임의의 적절한 표면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 베어링 하우징은 반원형 표면, 플랫한 표면, 비원형 곡면, 조각형 플랫한 또는 곡선의 표면, 임의의 다른 적절한 연속형, 조각형 또는 분할형 표면, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 베어링 하우징은 각각의 베어링 인터페이스들을 형성하기 위해 축 방향으로 분리된 하나 이상의 원통형 표면들을 포함할 수 있다. 추가의 예에서, LEM은, 특정 축 방향 영역에서, 플랫한 표면들을 갖고 변환기(예를 들어, 삼각형, 직사각형 또는 기타 다각형 단면을 가진 변환기)의 대응하는 플랫한 표면들과 각각의 베어링 인터페이스들을 형성하는 세 개, 네 개 또는 그 이상의 베어링 하우징들의 세트를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징은 통로들(2410) 또는 유동 제한들(2420)을 포함할 필요가 없다. 예를 들어, 베어링 하우징은 베어링 보어(2430)에 적용된 저 마찰 코팅과 함께 접촉 슬라이드 베어링으로 구성될 수 있다.
도 25는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 베어링 하우징(2502), 베어링 마운트들(2503 및 2505), 굴곡부(2513), 및 굴곡부 마운트들(2504 및 2506)를 포함하는 예시적인 어셈블리의 일부의 측 뷰 및 축 방향 뷰를 도시한다. 굴곡부(2513)는 베어링 마운트들(2503 및 2505)에 부착되고 또한 굴곡부 마운트들(2504 및 2506)에도 부착된다. 굴곡부 마운트들(2504 및 2506)은 베어링 하우징(2502)에 부착된다. 베어링 마운트들(2503 및 2505)는 고정자, 프레임 시스템(예를 들어, 프레임 부재 또는 격벽(bulkhead)), 실린더, 변환기에 대해 실질적으로 고정된 임의의 다른 적합한 구성 요소, 또는 이들의 임의의 조합에 부착될 수 있다. 예시된 바와 같이, 굴곡부(2513)는 베어링 하우징(2502)의 측 방향 변위에 대해 상대적으로 강성이고(예를 들어, 측 방향 정렬 유지를 위해), 베어링 하우징(2502)의 피치 및 요(yaw)에 대해 상대적으로 덜 강성이다(예를 들어, 작동 중 섭동(perturbations), 사소한 정렬 불량 또는 변환기 튜브의 비대칭을 수용하기 위해). 예를 들어, 도 25의 어셈블리는 변환기 또는 다른 구성 요소의 굽힘을 유발할 수 있는 경우에(예를 들어, 열 뒤틀림, 힘 기반 뒤틀림) 변환기가 저 마찰 작동을 계속하도록 할 수 있다.
정렬 피처는 자가-정렬 굴곡부(예를 들어, 링 굴곡부, 구형 굴곡부), 조인트(예를 들어, 구형 조인트, 헤임(Heim) 조인트) 또는 둘 모두를 포함할 수 있고, 이는 베어링 하우징들이 변환기 튜브에 대해 자기-정렬되도록 하여(예를 들어, 피치, 요 또는 기타 비 방위각 회전에 의해), 베어링 인터페이스에서 구성 요소들에 필요한 공차의 정밀도를 감소시킨다. 일부 실시 예들에서, 자기-정렬 피처는 베어링(예를 들어, 구형 베어링)에 통합되거나 그의 일부이다. 굴곡부는, 타이트한 간극(clearance)과 순간 적용에 대한 상대적 무능성때문에, 원통형 가스 베어링에 특히 유용한다. 본 개시는 베어링 하우징이 자기-정렬 마운트를 통해 장착될 것을 요구하지 않으며, 베어링 하우징을 고정 구성 요소(예를 들어, 고정자)에 결합하기 위해 임의의 적절한 마운트가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 일부 실시 예들에서, 굴곡부(2513)는 전자기 섹션을 고정자에서 실질적으로 중앙에 유지하면서(예를 들어, 보다 균일한 모터 에어 갭) 변환기에 대한 베어링 하우징(2502)의 자기-정렬을 가능하게 한다(예를 들어, 변환기 비대칭 또는 변위에 대응하기 위해).
일부 실시 예들에서, 베어링 하우징들(예를 들어, 베어링 하우징(2502))은 자석 섹션(예를 들어, 도 16의 섹션(1613))의 적어도 일부가 고정자(예를 들어, 도 3의 고정자(350))의 축 방향 길이를 넘어, 또는 고정자의 후프 스택(예를 들어, 도 3의 후프 스택(351))의 축 방향 길이를 넘어, 또는 둘 모두에 대해, 축 방향으로 이동할 수 있도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 베어링 하우징들은 자석 섹션이 고정자(또는 그 안의 후프 스택)를 넘어 축 방향으로 이동하여 자석 섹션(및 그의 자석들)의 적어도 일부가 고정자(또는 그 안의 후프 스택)와 전자기적으로 상호 작용하지 않도록 고정자로부터 충분한 거리에서 고정자에 부착될 수 있다(예를 들어, 베어링 마운트들(2503 및 2505)을 통해). 이러한 유형의 구성 및 LEM 동작은 효율성, 전력, 비용, 제조 또는 유지 관리 목적 또는 기타 적절한 목적 또는 이들의 조합에 유리할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징들은 자석 섹션(예를 들어, 도 6의 섹션(1613))의 적어도 일부가 고정자(예를 들어, 도 3의 고정자(350))의 축 방향 길이를 넘어, 고정자의 후프 스택(예를 들어, 도 3의 후프 스택(351))의 축 방향 길이를 넘어, 또는 둘 모두에 대해 축 방향으로 이동하지 않도록 배열될 수 있다.
도 26은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 변환기(2600) 및 고정자(2650)의 절단된 단면도이다. 일부 실시 예에서, 고정자(2650)는 변환기(2600)의 축 방향 운동 동안 레일(2616)을 수용하기 위해 릴리프(relief)(2604)를 포함할 수 있다(예를 들어, 레일(2616)이 베어링 하우징(2650)과 축 방향으로 일치할 때). 일부 실시 예들에서, 변환기(2600)와 고정자(2650) 사이의 에어 갭은 릴리프(2604)에서 유지될 필요가 없다. 일부 실시 예들에서, 고정자는 변환기의 축 방향 운동 동안 변환기의 대응하는 피처들을 수용하기 위해 하나 이상의 릴리프들을 포함한다. 예를 들어, 고정자의 일부는 변환기(예를 들어, 자석 섹션(2601)에 대해 미리 결정된 자기 저항 및 치수 공차를 가짐)와 에어 갭을 형성하도록 구성되지만, 고정자의 다른 부분은 변환기와 에어 갭을 필요로 하지 않는다.
도 27은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 변환기(2700) 및 베어링 하우징(2750)의 단면도이다. 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징(2750)은 변환기(2700)의 축 방향 운동 동안 레일(2716)을 수용하기 위해 하나 이상의 릴리프들(2704)를 포함할 수 있다(예를 들어, 레일(2716)이 축 방향으로 일치하거나 베어링 하우징(2750)과 겹치는 경우). 도 27에 도시된 바와 같이, 베어링 하우징(2750)과 변환기(2700) 사이에 방사상으로 배열된 가스 베어링은 하나 이상의 릴리프들(2704)로 연장되지 않는다. 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징(2750)과 변환기(2700) 사이에 방사상으로 배열된 가스 베어링은 하나 이상의 릴리프들(2704)로 연장된다. 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징(2750)은 도시된 바와 같이 클램쉘형 구조(clamshell-type construction)로 되어 있고, 도 27에 도시된 바와 같이, 두 개의 구성 요소들이 함께 결합되어 완전한 베어링 하우징(2750)을 형성한다. 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징은 단일 방위각 연속 하우징으로 구성될 수 있다(예를 들어, 도 24 참조). 명확성과 예시의 용이함을 위해 본 특허 출원의 도면은 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니며 각 특징의 실제 또는 상대적 크기를 반영하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 베어링 하우징은 예를 들어 원형, 직사각형, 다각형, 곡선형, 또는 단일 세그먼트 또는 하나 이상의 세그먼트를 포함하는 임의의 다른 형상과 같은 임의의 적절한 모양일 수 있다. 본 개시에서 원통형으로 도시되었지만, 변환기 "튜브"는 그의 축 길이를 따른 임의의 적절한 단면 형상 또는 단면 형상 프로파일을 포함할 수 있다. 예를 들어, 변환기 튜브는 베어링 표면인 외부 표면을 포함할 수 있고, 베어링 표면은 플랫하거나, 둥글거나, 만곡되거나, 분할되거나, 가스 베어링을 포함하도록 베어링 갭이 형성될 수 있는 임의의 다른 적절한 프로파일일 수 있다.
도 28은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 변환기(2800) 및 추가 구성 요소들의 단부도이다. 변환기(2800)는, 변환기(2800)의 변환기 튜브에 적어도 부분적으로 견고하게 부착된, 레일(2816)을 포함한다. 베어링 갭들(2845, 2846)은 각각 레일(2816)과 베어링 하우징들(2841, 2842) 사이에 배열된다. 베어링 갭들(2845 및 2846)은 변환기(2800)의 방위각 위치를 유지하거나 그렇지 않으면 구속하기 위해(예를 들어, 작동 또는 기타 프로세스 중에) 가스 베어링으로서 기능하기에 적합한 압력을 갖는 베어링 가스로 충전되도록 구성된다.
베어링 하우징들(2841 및 2842)은 대응하는 가스 베어링들에 인터페이싱하도록 구성되며, 이는 차례로 레일(2816)의 대응 표면과 인터페이싱한다. 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징들(2841 및 2842)은 변환기(2800)에 대해 고정되어 있다. 예를 들어, 베어링 하우징들(2841 및 2842)은 고정자, 변환기의 측 방향 움직임을 제한하기 위한 베어링 하우징, 프레임 시스템, 임의의 다른 적절한 고정 구성 요소, 또는 이들의 임의의 조합에 견고하게 장착(예를 들어, 고정) 또는 유연하게 장착(예를 들어, 굴곡부를 통해 장착)되거나 통합된다(예를 들어, 단일 조각이 됨). 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징들(2841 및 2842)은 변환기(2800)의 배향에 방위각 강성을 제공하는 대응하는 가스 베어링을 생성하도록 구성된다(예를 들어, 변환기(2800)의 방위각 회전에 대해, 따라서 방위각 안티-클럭킹 제공). 도시된 바와 같이, 공급 라인들(2871 및 2872)은 각각의 베어링 하우징들(2841 및 2842)에 베어링 가스를 제공하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 접촉 베어링이 가스 베어링 대신 또는 이에 추가하여 포함될 수 있다. 예를 들어, 베어링 하우징들(2841 및 2842)의 일부 또는 전부는 레일(2816)과 접촉하도록 구성된 베어링 표면을 대안적으로 포함 할 수 있거나, 그렇지 않으면 레일(2816)의 방위각 회전을 제한하면서 레일(2816)이 축 방향으로 슬라이드 할 수 있게 한다.
위치 센서(2840)는 각각의 레일들(2815 및 2816)(예를 들어, 및 따라서 변환기(2800)의 다른 피처들의 위치)의 상대적 또는 절대 위치를 감지하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 변환기(2800)는 단단한 어셈블리이다(예를 들어, 진동, 압력 유발 변형(strain) 또는 기타 작은 섭동이 아닌 실질적으로 동일한 속도로 움직이는 각 구성 요소를 갖는). 일부 실시 예들에서, 예를 들어, 위치 센서(2840)는 인코더 판독 헤드(예를 들어, 자기 또는 광학 인코더 판독 헤드)를 포함할 수 있고, 레일(2816)은 대응하는 인코더 테이프(2817)(예를 들어, 자기 또는 광학 테이프)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 위치 센서(2840)는 인코더 판독 헤드(예를 들어, 자기 또는 광학 인코더 판독 헤드)를 포함할 수 있고, 레일(2816)은 위치를 지시하기 위한 하나 이상의 인덱싱 피처들을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 위치 센서(2840)는 변환기(2800)에 대해 고정되어 있고, 따라서 고정자, 실린더, 베어링 하우징, 임의의 다른 적절한 구성 요소, 또는 이들의 임의의 조합에 대한 변환기의 상대적인 움직임을 감지할 수 있다. 예를 들어, 위치 센서(2840)는 고정자, 베어링 하우징, 구조 프레임 시스템, 임의의 다른 적절한 고정 구성 요소 또는 이들의 임의의 조합에 견고하게 장착되거나(예를 들어, 고정됨), 유연하게 장착되거나(예를 들어, 굴곡부를 통해 장착), 통합(예를 들어, 단일 부품이 됨)될 수 있다. 위치 센서(2840)는 절대 센서, 상대 센서, 증분 센서, 변환기(2800)의 위치를 측정하기 위한 임의의 다른 적합한 센서 유형, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
도 29는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기(2900) 및 고정자(2970)의 단면도이다. 도 29의 단면도는 축 방향 위치에서 취해지며, 변환기 튜브(2902), 자석 어셈블리(2903) 및 고정자(2970)를 보여준다. 자석 어셈블리(2903)는 변환기 튜브(2902)에 결합된다(예를 들어, 강성 어셈블리를 형성하기 위해 압입, 고정, 본딩 또는 임의의 다른 기술을 사용하여). 고정자(2970)는, 예를 들어, 위상 권선 및 고정자 톱니(예를 들어, 철 또는 강철, 래미네이션 시트들)를 포함할 수 있다. 고정자(2970)는 변환기(2900)의 자석 어셈블리(2903)와 함께 모터 에어 갭(2972)을 형성한다(예를 들어, 모터 에어 갭(2972)은 자기 저항을 변경함으로써 고정자(2970)와 변환기(2900)의 전자기 상호 작용에 영향을 미침). 일부 실시 예들에서, 고정자(2970)는 고정자(2970) 또는 그 일부의 축 방향 길이에 연속되는 방위각 갭(2971)을 포함할 수 있고, 변환기(2900)의 자석 어셈블리(2903)는 자석 어셈블리(2903) 또는 그 일부의 축 방향 길이에 연속되는 대응하는 방위각 갭(2901)을 포함할 수 있다. 고정자(예를 들어, 갭(2971)) 및 자석 어셈블리의 갭(예를 들어, 갭(2901))들은 방위각으로 정렬될 수 있고, 작동 중에, 자기 어셈블리(2903) 및 고정자(2970)의 방위각 상대 위치(예를 들어, 및 따라서 변환기(2900) 및 고정자(2970)의 상대적 위치)를 유지하도록 작용한다. 고정자(2970) 및 변환기(2900)는 변환기의 안티-클럭킹을 제공하도록 구성된 임의의 적절한 수의 대응 갭들을 포함할 수 있다(예를 들어, 변환기는 하나 이상의 갭들을 포함할 수 있고, 고정자는 하나 이상의 갭들을 포함할 수 있음). 고정자와 변환기의 대응하는 갭들이 방위각으로 오정렬되면, 전자기력이 발생하여 갭들이 정렬된다. 예를 들어, 방위각 오정렬이 발생하면, 복원력이 생성된다. 일부 실시 예들에서, 고정자의 하나 이상의 갭들은 라우팅을 위해 위상 권선이 통과되도록 할 수 있다(예를 들어, 와이어가 위상 권선에서 멀리 라우팅되도록 개방 경로를 제공하여). 도 29에 대략 동일한 것으로 도시되었지만, 갭(2971) 및 갭(2901)은 방위각 길이가 동일할 필요는 없다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 갭(2971) 및 갭(2901)은 상이한 방위각 길이를 가질 수 있고, 그들의 대응하는 중심선 방위각 위치가 정렬될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 고정자와 변환기 사이의 안티-클럭킹 힘은 고정자 래미네이트 극 톱니와 변환기의 자석 세그먼트들의 반복에서 의도적인 갭들에 기인한 더 큰 세일런스(salience)의 결과 일 수 있다. 의도적인 갭들은 고정자 래미네이트 극 이빨 사이의 갭의 폭, 변환기 극들(자석들) 사이의 간격의 폭, 및 자석의 두께를 변경하여 힘/전력 밀도 및 회전 방지력을 최적화하는 데 사용할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 고정자 래미네이트 극 톱니는 의도적인 안티-클럭킹 갭을 포함하지 않는다. 일부 실시 예들에서, 고정자와 변환기 사이의 안티-클럭킹 힘은 고정자 래미네이트 극 톱니와 자석 어레이의 세그먼트화에 기인한 자기장 및 자기 저항 프로파일의 더 작은 세일런스의 결과일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 안티-클럭킹 강성은 모든 작은 안티-클럭킹 힘들의 합 또는 축적 효과에 의해 제공될 수 있으며, 각각은 인접한 고정자 이빨 사이의 작은 물리적 갭에 걸쳐있다.
도 30은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 변환기(3000) 및 고정자(3070)의 단면도이다. 도 30의 단면도는 축 방향 위치에서 취해지며, 변환기 튜브(3002), 자석들(3003 및 3013) 및 고정자(3070)를 보여준다. 자석들(3003 및 3013)은 변환기 튜브(3002)에 결합된다(예를 들어, 압입, 고정, 접착 또는 기타 기술을 사용하여 강성의 어셈블리를 형성). 고정자(3070)는 예를 들어 위상 권선(미도시) 및 고정자 톱니들(3075 및 3076)을 포함할 수 있다. 고정자(3070)는 변환기(3000)의 자석들(3003 및 3013)과 함께 모터 에어 갭(3072)을 형성한다(예를 들어, 모터 에어 갭(3072)은 자기 저항을 변경함으로써 고정자(3070)와 변환기(3000)의 전자기 상호 작용에 영향을 미침). 일부 실시 예들에서, 고정자(3070)는 고정자(3070)의 또는 그 일부의 축 방향 길이 연속하는 방위각 갭(3051)을 포함할 수 있고, 변환기(3000)는 자석 어레이 또는 그 일부의 축 방향 길이에 연속하는 자석들(3003 및 3013) 사이에 대응하는 방위각 갭(3001)을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 방위각 갭(3051)은 방위각 갭(3001)보다 크거나 동일하다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 방위각 갭(3051)은 방위각 갭(3001)보다 크다. 명확성과 설명의 용이성을 위해 이러한 도면은 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니다.
도 31은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 모터 에어 갭(3150)을 포함하는 LEM의 블록도이다. 고정자(3101)는 본 개시에 따른 고정자 톱니(3103), 권선(3102) 및 임의의 다른 적절한 구성 요소(도시되지 않음)를 포함한다. 변환기(3120)는 자석들의 어레이(예를 들어, 도 31에서 극성 배향 N 또는 S를 갖는 것으로 도시됨)를 포함한다. 고정자 톱니(3103) 및 변환기(3120)는 모터 에어 갭(3150)을 형성한다. 권선(3102)에 전류가 인가되면(예를 들어, 페이지로 내의 전류를 나타내는 "X"와 페이지 밖으로의 전류를 나타내는 "O"에 의해 도시된 바와 같이), 자속이 생성된다(예를 들어, 자속(3105)으로 도시된 바와 같이). 모터 에어 갭(3150)은 자속(3105)에 영향을 미친다(예를 들어, 자기 회로의 자기 저항에 영향을 미침으로써). 권선(3102)은 임의의 적절한 배향으로 감길 수 있고, 임의의 적절한 구성으로 선택적으로 결합될 수 있다(예를 들어, 어느 권선 배향에서 직렬로).
도 32는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 극-피치(pole-pitch) 구성을 갖는 예시적인 모터 에어 갭(3250)의 블록도이다. 고정자(3201)는 슬롯 피치(3210)를 포함하고, 변환기 섹션(3203)은 극 피치(3220)를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 슬롯 피치(3210) 및 극-피치(3220)는 고정자(3201)와 변환기 섹션(3203) 사이의 전자기 상호 작용에 영향을 미치도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 슬롯 피치(3210) 및 극-피치(3220)는 코깅력(cogging forces)을 감소시키기 위해 동일하지 않은 것으로 선택될 수 있다. 예시적인 예에서, 슬롯 피치(3210)에 대한 극 피치(3220)의 비율은 대략 14/15일 수 있다. LEM은 본 개시에 따라 임의의 적절한 슬롯 피치 및 극 피치를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시 예들에서, 슬롯 피치(3201)는 고정자 스택 내의 후프의 위치에 기초하여 후프들 사이에서 변할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 변환기의 속도 프로파일은 스트로크의 중간 지점에서 가장 높을 수 있으므로, 고정자 중간의 슬롯 피치가 길면 위상 주파수와 수반되는 코어 손실이 낮추며, 이는 주파수의 제곱에 비례하여 증가한다. 유사하게, 고정자의 단부에서 고정자 슬롯 피치가 짧으면 위상 주파수 또는 회 전당 EMF가 증가하여, 변환기가 느린 속도로 움직여, 단부 권선으로부터 힘/작업의 더 큰 기여를 허용한다. 따라서, 일부 실시 예들에서, 고정자의 단부 섹션들에 위치된 후프들은 고정자의 중심 섹션에 있는 후프들에 대한 고정자 슬롯 피치에 비해 더 짧은 고정자 슬롯 피치를 포함할 수 있다.
도 33은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 LEM 시스템(3300)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, LEM 시스템(3300)은 제어 시스템(3310), 전력 전자 장치(3320), 냉각 시스템(3321), 센서들(3311), 고정자(3350), 변환기(3360), 베어링 하우징들(3330 및 3331), 베어링 가스 관리 시스템(3380) 및 베어링 가스 공급원(3390)을 포함한다. LEM 시스템(3300)의 구성 요소들은 도시된 바와 같이 갭 인터페이스, 신호 인터페이스, 흐름 인터페이스, 기계적 인터페이스, 위상 리드 인터페이스 또는 이들의 조합에 의해 결합된다. 예를 들어, 변환기(3360)는 갭 인터페이스(예를 들어, 모터 에어 갭)에 의해 고정자(3350), 갭 인터페이스(예를 들어, 가스 베어링과 같은 베어링 인터페이스)에 의해 베어링 하우징(3330) 및 갭 인터페이스(예를 들어, 가스 베어링과 같은 베어링 인터페이스)에 의해 베어링 하우징(3331)에 결합된다.
제어 시스템(3310)은 고정자(3350)의 위상에서 전류를 제어하기 위해 전력 전자 장치(3320)와 인터페이싱(예를 들어, 전자 장치에 제어 신호 제공하고, 이로부터 피드백을 수신)하도록 구성된다(예를 들어, 도 34의 콘텍스트에 기술된 바와 같이). 전력 전자 장치(3320)는, 전기 전도성 재료의 길이, 전기 단자 및 종단, 커넥터, 센서(예를 들어, 전류 센서), 임의의 다른 적절한 구성 요소 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있는, 복수의 위상 리드들에 의해 고정자(3350)에 결합된다. 제어 시스템(3310)은 고정자(3350)의 냉각을 제어하기 위해 냉각 시스템(3321)과 인터페이싱(예를 들어, 냉각 시스템으로 제어 신호 제공, 이로부터 피드백 수신)하도록 구성된다(예를 들어, 권선, 고정자 톱니, 후프 또는 이들의 조합에서 열을 제거하기 위해). 예를 들어, 냉각 시스템(3321)은 하나 이상의 냉각 재킷, 플레넘, 매니 폴드, 펌프, 압축기, 필터, 센서, 임의의 다른 적절한 구성 요소 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 추가 예에서, 냉각 시스템(3321)은 저장소(reservoir)와 열 및 유체를 교환할 수 있다(예를 들어, 환경은 냉각 공기를 제공하고 가열된 공기를 받아들인다). 추가 예에서, 제어 시스템(3310)은 냉각 시스템(3321)에 통신 가능하게 결합될 수 있고, 고정자(3350)의 복수의 권선들로부터 열을 제거하도록 제어 신호를 냉각 시스템(3321)에 제공하도록 구성된다. 제어 시스템(3310)은 센서들(3311)과 인터페이싱(예를 들어, 센서에 제어 신호 제공하고, 이로부터 센서 신호 수신)하도록 구성된다.
베어링 하우징들(3330 및 3331)은 본 개시에 따른 임의의 적절한 수 및 유형의 베어링 하우징을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 베어링 하우징들(3330 및 3331)은 가스 베어링 용으로 구성되지만(예를 들어, 베어링 가스 관리 시스템(3380) 및 베어링 가스 공급원(3390)을 사용하여), LEM 시스템은 임의의 적절한 유형(예를 들어, 접촉 또는 비접촉)의 베어링을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 하나 이상의 센서들이 각각의 베어링 하우징들(3330 및 3331)에 결합되고, 예를 들어, 베어링 가스 압력, 베어링 가스 온도, 베어링 가스 유량, 베어링 하우징 가속도(예를 들어, 진동 측정을 위해 가속도계를 베어링 하우징에 부착할 수 있음), 베어링 하우징 온도, 임의의 다른 적절한 특성 또는 동작, 또는 이들의 조합을 감지하도록 구성된다.
베어링 가스 관리 시스템(3380)은 베어링 하우징들(3330 및 3331)에 제공된 각각의 베어링 가스의 적어도 하나의 양태를 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 베어링 가스 관리 시스템(3380)은 베어링 하우징들(3330 및 3331)에 베어링 가스를 제공하기 위해 하나 이상의 필터, 압축기, 펌프, 압력 조절기, 밸브, 센서, 임의의 다른 적절한 구성 요소, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(3310)은 베어링 가스의 적어도 하나의 속성을 제어하기 위해 베어링 가스 관리 시스템(3380)과 인터페이싱(예를 들어, 제어 신호 제공하고, 피드백 수신)하도록 구성된다. 추가 예에서, 제어 시스템(3310)은 변환기(3360)와 베어링 하우징들(3330 및 3331) 사이의 베어링 인터페이스의 강성(예를 들어, 변환기(3360)의 측 방향 변위에 대한)을 제어하기 위해 베어링 가스 관리 시스템(3380)과 인터페이싱(예를 들어, 제어 신호 제공하고, 피드백 수신)하도록 구성된다. 베어링 가스 공급원(3390)은 베어링 가스 관리 시스템(3380)에 베어링 가스를 제공하기 위한 하나 이상의 필터, 압축기, 펌프, 압력 조절기, 밸브, 센서, 임의의 다른 적절한 구성 요소, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 베어링 가스 관리 시스템(3380) 및 베어링 가스 공급원(3390)은 단일 시스템으로 결합될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 베어링 가스 공급원(3390)이 포함될 필요가 없다(예를 들어, 베어링 가스 관리 시스템(3380)은 대기를 흡입할 수 있음).
일부 실시 예들에서, 고정자(3350)는 복수의 코일들 및 축을 포함하고, 변환기(3360)는 축을 따라 축 방향으로 이동하도록 배열되고, 베어링 하우징(3330), 베어링 하우징(3331), 또는 둘 모두는 변환기(3360)의 측 방향 운동을 제한하기 위해 고정자(3350)에 결합된다. 예를 들어, 코일들은 축(예를 들어, 고정자 보어의 축)을 정의하는 복수의 고정자 톱니와 인터페이싱하는 권선을 포함한다. 이러한 일부 실시 예들에서, 제어 시스템(3310)은 변환기의 축 변위를 제어하고, 변환기의 측 방향 변위를 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 베어링 하우징(3330), 베어링 하우징(3331), 또는 둘 모두 및 변환기(3360)는 베어링 인터페이스를 형성하고, 제어 시스템(3310)은 변환기(3360)의 측 방향 변위에 대한 베어링 인터페이스의 강성을 제어하도록 구성된다. 예시적인 예에서, 베어링 인터페이스는 오일이 없는 작동(oil-less operation)(예를 들어, 액체 윤활제를 사용하지 않음)을 위해 구성된 가스 베어링 인터페이스를 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 베어링 가스 관리 시스템(3380)은 베어링 인터페이스에 가압된 가스를 제공하도록 구성된다. 이러한 일부 실시 예들에서, 제어 시스템(3310)은 베어링 가스 관리 시스템(3380)에 통신 가능하게 결합되고 가압된 가스가 베어링 인터페이스에 제공되게 하기 위해 베어링 가스 관리 시스템(3380)에 제어 신호를 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 제어 시스템(3310)은 베어링 가스 관리 시스템(3380)이 가압된 가스의 특성을 제어하여 변환기의 측 방향 변위에 대한 측 방향 강성을 제어하도록 할 수 있다. 예시를 위해, 베어링 가스 관리 시스템(3380)은 밸브를 개방함으로써 베어링 갭에 가압된 가스를 제공할 수 있다. 추가로 예시하기 위해, 베어링 가스 관리 시스템(3380)은 밸브, 압력 조절기 또는 둘 모두를 제어함으로써 가압된 가스를 제공할 수 있다.
일부 실시 예에서, 전력 전자 장치(3320)는 고정자(3350)의 복수의 권선들에 결합된다. 제어 시스템(3310)은 전력 전자 장치(3320)에 통신 가능하게 결합되고 변환기(3360)의 축 변위를 제어하기 위해 복수의 권선들 중 적어도 하나의 권선에 전류가 흐르도록 하기 위해 전력 전자 장치(3320)에 제어 신호를 제공하도록 구성된다.
일부 실시 예들에서, LEM 시스템(3300)의 하나 이상의 센서들은 고정자(3350)에 대한 변환기(3360)의 축 위치를 감지하는 위치 센서를 포함한다. 그러한 일부 실시 예들에서, 제어 시스템(3310)은 센서(예를 들어, 센서들(3311)의)에 통신 가능하게 결합되고 변환기(3360)의 축 위치에 기초하여 고정자(3350)의 복수의 권선들에 전류가 흐르게 하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 제어 시스템(3310)은 고정자(3350)에 대한 변환기(3360)의 축 위치를 추정하고 변환기(3360)의 축 위치에 기초하여 고정자(3350)의 복수의 권선들에 전류를 흐르게 하도록 구성된다.
일부 실시 예들에서, 변환기(3360)는 레일 표면을 갖는 적어도 하나의 레일을 포함한다(예를 들어, 도 16 내지 도 18 및 도 28에 예시된 바와 같이). 시스템(3300)은 고정자(3350)에 결합되고 변환기(3360)의 방위각 움직임을 제한하도록 구성된 적어도 하나의 안티-클럭킹 베어링 하우징(예를 들어, 베어링 하우징(3332))을 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 안티-클럭킹 베어링 하우징(3332) 및 레일 표면은 레일 인터페이스를 형성한다. 예를 들어, 제어 시스템(3310)은 레일 인터페이스가 변환기의 방위각 움직임에 대한 강성을 달성하게 하도록 구성된다.
일부 실시 예들에서, 베어링 하우징(3330)은 고정자(3350)의 제1 길이 방향 측에서 변환기(3360)의 측 방향 움직임을 제한하기 위해 고정자(3350)의 제1 길이 방향 측에 배열되고, 베어링 하우징(3331)은 고정자(3350)의 제2 길이 방향 측에서 변환기(3360)의 측 방향 움직임을 제한하기 위해 고정자(3350)의 제2 길이 방향 측에 배열된다.
일부 실시 예들에서, 제어 시스템(3310)은 고정자의 길이 방향 축을 따라 변환기에 힘을 가하기 위해 고정자의 복수의 권선들 중 적어도 하나의 권선에 전류를 흐르게 하고, 고정자의 길이 방향 축을 따라 이동하도록 배열된 변환기의 측 방향 변위에 대한 측 방향 강성을 제어함으로써 LEM을 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 변환기 및 고정자는 모터 에어 갭을 형성할 수 있으며, 베어링들에 의해 제공되는 측 방향 강성은 모터 에어 갭을 작동 가능한 범위로 유지할 수 있다. 예를 들어, 전류가 적어도 하나의 권선을 흐르게 하는 단계는 복수의 권선들에 전기적으로 결합된 전력 전자 장치(3320)에 제어 신호를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 제어 시스템(3310)은 결함 상태에 대해 베어링 가스, 베어링 하우징 또는 둘 모두의 특성을 모니터링하고 결함 상태의 식별에 응답하여 변환기를 제동하도록 구성된다. 예를 들어, 제어 시스템(3310)은 변환기(3360)의 움직임에 반대하는 변환기(3360)에 힘을 유발하는 고정자(3350)의 위상에 전력 전자 장치(3320)가 전류를 인가하게 함으로써 변환기를 제동할 수 있다(예를 들어, 따라서 변환기(3360)의 속도를 줄이거나, 심지어 중지시킴). 예시를 위해, 제어 시스템(3310)은 베어링 가스의 질량 유량, 베어링 가스의 압력, 베어링 가스의 온도, 베어링 하우징의 온도, 베어링 하우징의 진동, 베어링 하우징의 힘 하중, 변환기 위치 궤적 또는 이들의 조합을 모니터링 할 수 있다.
도 34는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 시스템(3400)의 다이어그램을 도시한다. 시스템(3400)은 LEM(3440), 전력 전자 시스템(3430), 제어 시스템(3450) 및 보조 시스템(3470)을 포함한다. 시스템(3400)은 LEM 시스템으로 지칭될 수 있다. 도 34에 개별적으로 도시되었지만, LEM(3440) 및 전력 전자 시스템(3430)은 통합될 수 있거나 그렇지 않으면 임의의 적절한 범위로 결합될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, LEM(3440) 및 전력 전자 시스템(3430)은 서로 부착되고(예를 들어, 직접 또는 간접) 위상 리드들(3435)에 의해 결합될 수 있다. 추가 예에서, 일부 실시 예들에서, 전력 전자 시스템(3430)은 LEM(3440)의 일부로서 통합될 수 있다. 추가 예에서, LEM(3440)은 복수의 위상들을 갖는 고정자 및 변환기(예를 들어, 그리고 실린더, 베어링, 배관 등과 같은 기타 적합한 구성 요소들)를 포함할 수 있고, 위상 리드들(3435)은 전력 전자 시스템(3430)에 의해 DC 버스(3425)에 결합된다.
일부 실시 예들에서, LEM(3440)은 가스 압력 및 전자기력의 결합된 효과 하에서 대응하는 하나 이상의 고정자들에 대해 왕복 운동(reciprocating motion)을 겪을 수 있는 하나 이상의 변환기들을 포함할 수 있다. 변환기는, 각 고정자의 위상에서 역기전력(back emf)을 생성할 수 있는, 영구 자석을 포함할 수 있지만 반드시 필요한 것은 아니다. 본원에서 사용되고 널리 이해되는 바와 같이 역기전력은 전압을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 전력 전자 시스템(3430)은 LEM의 고정자의 위상들에서 전류를 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 전력 전자 시스템(3430)은 고정자 위상들의 위상 리드들을 DC 버스, 중성, 접지 또는 이들의 조합의 하나 이상의 버스들에 노출시킬 수 있다.
전력 전자 시스템(3430)은 예를 들어 스위치(예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)), 다이오드, 전류 센서, 전압 센서, PWM 신호를 관리하기 위한 회로, 임의의 다른 적절한 구성 요소 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전력 전자 시스템(3430)은 하나 이상의 H-브리지들, 또는 하나 이상의 위상들에 전류를 인가하기 위한 스위치들의 다른 모터 제어 토폴로지를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 전력 전자 시스템(3430)은 고정자의 권선에 결합되는 위상 리드들(3435)을 통해 LEM(3440)과 인터페이싱 할 수 있으며, 전력 전자 시스템(3430)은 DC 버스(3425)(예를 들어, 한 쌍의 버스들, 다른 버스에 비해 더 높은 전압의 하나의 버스)를 통해 그리드-타이 인버터(grid-tie inverter)(미도시)와 인터페이싱 할 수 있다. 버스(3422) 및 버스(3424)는 함께 시스템(3400)에서 DC 버스(3425)를 형성한다. 예를 들어, 버스(3422)는 버스(3424)의 0V에 대해 공칭 800V 일 수 있다(예를 들어, 버스(322)는 "높음(high)"이고, 버스(324)는 "낮음(low)"이다). 버스(3422) 및 버스(3424)는 본 개시에 따라 평균값에 대해 시간적으로 변동할 수 있는 임의의 적합한 공칭 전압일 수 있다(예를 들어, >100VDC, >200VDC, >400VDC, >600VDC, 800VDC 이상). 따라서, 본원에서 사용되는 "DC 버스"라는 용어는, 비록 순간 전압이 등락하거나, 변동하거나, 노이즈를 나타내거나, 그렇지 않으면 일정하지 않을 수 있지만, 대략적으로 고정된 평균 전압 차를 갖는 한 쌍의 버스들을 의미한다.
도 35는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 위상 제어 시스템(3500)의 블록도이다. 도 35에 예시적으로 도시된 바와 같이, 위상 제어 시스템(3500)은 위상 제어기(3502), 전력 전자 장치(3504) 및 전원 공급원(3514)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 각 위상 제어 시스템(예를 들어, 위상 제어 시스템(3500)과 유사한)은 다중위상 고정자의 단일 위상에 대한 전류의 인가를 제어한다. 또한, 각 위상 제어 시스템은 각 위상 제어 시스템에 분산된 전체 전기 시스템의 요소들을 포함할 수 있다(예를 들어, 도 34의 제어 시스템(3450), 전력 전자 시스템(3430) 및 보조 시스템(3470)의 요소들). 예시적인 예에서, 위상 제어 시스템(3500)은 고정자의 복수 위상들의 위상을 제어하기 위해 다른 위상 제어기들(예를 들어, 다른 유사한 제어기들)과 함께 포함될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 위상 제어기(3502)는 고정자의 하나 이상의 위상들에서 전류를 제어하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 상응하는 위상에 적용될 원하는 또는 명령된 전류는 위상 제어기(3502)에 의해 국부적으로 계산된다. 일부 실시 예들에서, 하나 이상의 위상들에 적용될 원하는 또는 명령된 전류는 중앙 제어기로부터 전달되며, 이는 각 위상들(예를 들어, 고정자의 각 위상들 및 선택적으로 다른 고정자들의 다른 위상들)에 적용될 전류를 결정한다. 예를 들어, 측정된 자석 또는 변환기 위치를 달성하기 위해, 전체 LEM 힘을 달성하기 위해(예를 들어, 각 위상에 의해 인가된 전자기력으로부터 합산된), 변환기 속도 또는 가속도를 달성하기 위해, 원하는 변환기 위치를 달성하기 위해(예를 들어, 정점 위치), 또는 이들의 임의의 조합을 위해, 하나 이상의 위상들에 적용되는 원하는 또는 명령된 전류를 결정할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 위상 제어기(3502)는 대응하는 위상에서 자속을 감지하도록 구성된다. 예를 들어, 위상 제어기(3502)는 위상의 자속을 감지하고 감지된 자속을 제어 피드백으로 사용할 수 있다. 이러한 일부 실시 예들에서, 위상 제어기(3502)는 전류 센서를 포함할 필요가 없거나 전류 센서로부터 입력을 수신하도록 구성될 필요가 없다. 또한, 이러한 일부 실시 예들에서, 위상 제어기(3502)는 상대적으로 감소된 성능, 요구 사항, 비용 또는 이들의 조합을 갖는 전류 센서를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 각 위상에 인가된 전류 또는 각 위상에 걸쳐 인가된 전압은 임의의 적절한 정도로 국부적으로 제어된다(즉, 위상 제어 시스템(3500)의 인스턴스(instance)에 의해). 일부 실시 예들에서, 위상 제어기(3502)는 위상 전류에 대해 로컬 제어 루프(local control loop)를 실행할 수 있다. 예를 들어, 전류 커맨드는 중앙 제어기에서 위상 제어기(3502)로 통신 링크를 통해 전달될 수 있다. 제어 메커니즘의 임의의 적절한 부분은 또한 본 개시에 따라 배포될 수 있다. 예를 들어, 위치 측정은 모든 위상에 배포될 수 있으며 각 위상 제어기(3502)는 전류 커맨드를 결정하기 위해 원하는 위치와 힘을 결정할 수 있으며, 이는 전력 전자 장치(3504)에 의해 적용될 수 있다.
일부 실시 예에서, 위상 제어기(3502)는 전력 전자 장치(3504)에 제어 신호를 제공하도록 구성된다. 전력 전자 장치(3504)는 위상의 위상 리드들에 전기적으로 결합하고 위상에 전류를 제공하도록 구성된다. 따라서, 전력 전자 장치(3504)는 DC 버스 및 위상 리드들과 관련된 전류량(amperages) 및 전압(voltages)을 위해 구성된 구성 요소들을 포함한다. 예를 들어, 전력 전자 장치(3504)는 도 34의 전력 전자 시스템(3430)의 임의의 적절한 구성 요소들을 포함할 수 있다. 위상 제어기(3502)는 위상 리드들 및 전력 전자 장치(3504)에 의해 요구되는 큰 전류 또는 전압을 전기적으로 관리하거나 이와 상호 작용하도록 구성될 필요는 없다. 일부 실시 예들에서, 위상 제어기(3502) 및 전력 전자 장치(3504)는 전류를 제어하고 위상에 인가하도록 구성된 단일 모듈로 결합되거나 통합될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 전력 전자 장치(3504)는 하나 이상의 위상 사이에서 공유될 수 있다. 예를 들어, 전력 전자 장치(3504)는 다중 전력 회로들을 포함할 수 있고, 다중 제어 신호들을 수신하도록 구성될 수 있으며, 하나 이상의 위상에 전류를 인가하도록 구성될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 각각의 위상 제어 시스템은, 위치를 추정하거나 측정하는 중앙 알고리즘보다는, 고정자에 대한 변환기의 위치를 추정할 수 있다. 따라서, 중앙 알고리즘은 여러 위상 제어 시스템들에 분산될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 다중 위상 제어 시스템들에 대한 각각의 위치 추정기는 분산 위치 추정기(distributed position estimator)의 일부일 수 있다. 분산 위치 추정기는 예를 들어, 각 대응하는 위상의 위상 전압 감지에 기초하여 위치를 추정할 수 있다. 그러한 일부 실시 예들에서, 전용 위치 센서가 포함될 필요가 없으므로, 위치 센서의 비용과 신뢰성 문제를 줄여준다.
전원 공급원(3514)은 대응하는 위상에 전류를 인가하는 것 외에 위상 제어 시스템(3500)의 구성 요소들에 전력을 공급하도록 구성된다. 예를 들어, 전원 공급원(3514)은 위상 제어기(3502)의 기능, 진단(예를 들어, 전력 전자 장치(3504)를 위한), 전력을 필요로 하는 다른 적절한 프로세스, 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 위한 전력을 제공할 수 있다. 일부 실시 예에서, 각각의 위상 제어 시스템은 전원 공급원(예를 들어, 전원 공급원(3514)과 유사한)을 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 위상 제어 시스템(3500)의 적절한 구성 요소들은 커플링(3550)을 통해 그리드(grid)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 전력 전자 장치(3504)는 커플링(3550)에 결합될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 커플링(3550)은 AC 전력(예를 들어, 3-상 480VAC)을 전송하는 케이블 또는 버스를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 커플링(3550)은 DC 전력을 전송하는 케이블 또는 버스를 포함할 수 있고(예를 들어, DC 버스), 이는, 예를 들어, 위상 제어 시스템(3500)과는 별개의 그리드-타이 인버터를 통해 그리드에 연결될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 위상 제어 시스템(3500)의 적합한 구성 요소들이 위상 리드들(3554)을 통해 LEM의 하나 이상의 위상들에 결합될 수 있다. 예를 들어, 전력 전자 장치(3504)는 위상 리드들(3554)에 결합될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 위상 리드들(3554)은 위상 제어 시스템(3500)에 대응하는 위상 당 두 개의 위상 리드들을 포함할 수 있다(예를 들어, 3 개의 위상들의 6 개의 위상 리드들은 위상 제어 시스템(3500) 또는 풀 브리지 토폴로지에 대응됨). 일부 실시 예들에서, 위상 리드들(3554)은 위상 제어 시스템(3500)에 대응하는 위상 당 하나의 위상 리드를 포함할 수 있다(예를 들어, 6 개의 와이-연결 위상들의 6 개의 위상 리드들은 위상 제어 시스템(800) 또는 하프-브리지 토폴로지에 대응됨). 일부 실시 예들에서, 위상 리드는 스타 구성(star configuration)으로 배선될 수 있다. 예를 들어, 와이-유형 구성의 경우, 각 위상으로부터의 하나의 위상 리드가 함께 결합되어 중성(neutral)(예를 들어, 순 제로 전류 입력 또는 출력을 갖는, 따라서 위상 전류들의 합이 0이되어야 함)을 형성할 수 있으며, 각 위상 제어 시스템은 제어된 위상 전압, 따라서 전류를 대응하는 위상의 다른 리드에 인가한다. 이러한 일부 실시 예들에서, DC 버스 전압의 일부(예를 들어, 버스와 중성 전압의 차이)만이 각 위상에 걸쳐 적용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 각 위상에 대한 위상 리드들은 독립적인 구성으로 배선될 수 있다. 예를 들어, 위상 제어 시스템은 위상 당 풀 H-브리지를 포함할 수 있으며, 어느 방향으로든 위상에 전체 DC 버스 전압을 적용할 수 있다(예를 들어, 원하는 전류가 어느 방향으로 흐르도록 하기 위해). 이 구성은 각 위상에 사용할 수 있는 더 큰 전압 범위를 제공할 뿐만 아니라 다른 위상들과의 독립된 제어를 제공한다. 예를 들어, 공통 중성 와이 연결이 없이는, 위상 전류의 합이 0이 될 필요가 없다.
일부 실시 예들에서, 위상 제어 시스템(3500)의 적절한 구성 요소들은 통신(COMM) 링크(3556)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 위상 제어기(3502), 전력 전자 장치(3504), 전원 공급원(3514) 또는 이들의 조합이 COMM 링크(3556)에 결합될 수 있다. 일부 실시 예에서, COMM 링크(3556)는, 예를 들어 이더넷 케이블, 직렬 케이블, 기타 적절한 유선 링크 또는 이들의 조합과 같은, 유선 통신 링크를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, COMM 링크(3556)는, 예를 들어 WiFi 송신기/수신기, 블루투스(Bluetooth) 송신기/수신기, 기타 적절한 무선 링크 또는 이들의 조합과 같은, 무선 통신 링크를 포함할 수 있다. COMM 링크(3556)는 데이터, 메시지, 신호, 정보 또는 이들의 조합의 전송을 가능하게 하는 임의의 적절한 통신 링크를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 위상 제어 시스템(3500)은 통신 링크(3556)를 통해 중앙 제어 시스템에 연결된다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 위상 제어기(3502)는 COMM 링크(3556)를 통해 중앙 제어기와 통신한다.
일부 실시 예에서, 위상 제어 시스템(3500)은 LEM의 대응하는 위상으로부터 전력을 추출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 시스템 오류가 감지되거나 통신이 끊어진 경우, 위상 제어기(3502)는 대응하는 위상에서 역기전력의 반대 방향으로 전류를 명령함으로써 변환기의 운동 에너지로부터 에너지를 추출하려고 시도할 수 있다.
긴 고정자 및 짧은 자석 섹션을 포함하는 일부 실시 예들에서(예를 들어, 위상들이 자석 섹션을 넘어 공간적으로 연장됨), 일부 위상들은 자석 이동의 적어도 일부에 대해 사용되지 않는다. 예를 들어, 자석 섹션의 일부가 위상 아래에 있지 않으면(예를 들어, 적어도 위상의 일부와 축 방향으로 겹치지 않음), 위상은 자석 섹션과 전자기적으로 상당한 방식으로 상호 작용하지 않는다. 미사용 위상은 인덕터로 사용될 수 있으며 위상 제어 시스템(3500)은 커패시터에 에너지를 저장하거나 DC 버스 전압, 버스 전류, 버스 전력 또는 이들의 조합을 조절하는 데 도움이되는 전력 변환을 수행하도록 구성될 수 있다. 따라서, 위상 제어 시스템(3500) 또는 그의 위상 제어기(3502)는 LEM에서 전자기력을 여기시키는 것 외에 다른 목적으로 사용될 수 있다.
일부 실시 예들에서, LEM 또는 이의 구성 요소들은 테스트, 작동, 특성화, 측정 또는 기타 심문(interrogation)될 수 있다. 예를 들어, 고정자는 위상 리드들에 의해 전력 전자 장치에 연결될 수 있고, 전류는 옴 저항 측정, 권선 인덕턴스 측정, 권선들 간 단락 테스트, 고정자의 열 응답 테스트, 전력 전자 장치 테스트, 제어 시스템 테스트 또는 이들의 조합을 위해 위상에 적용될 수 있다. 추가 예에서, LEM은 위상 리드에 의해 전력 전자 장치에 연결되고, 냉각 시스템에 연결되고, 베어링 가스 관리 시스템에 연결될 수 있다. 제어 시스템은 전력 전자 장치가 위상 리드들에 전류를 공급하게 하고(예를 들어, 변환기가 축 방향으로 이동하여 원하는 궤적을 달성하게 함), 냉각 시스템이 고정자에 냉각재(coolant)(예를 들어, 냉각 공기)를 제공하게 하고, 베어링 가스가 하나 이상의 베어링 하우징에 제공되도록 하고, 베어링 가스가 하나 이상의 안티-클럭킹 베어링 하우징들에 제공되도록 야기할 수 있다.
예시적인 예에서, LEM은 선형 발전기의 일부로 포함될 수 있다(예를 들어, 도 36에 예시된 바와 같이). 예를 들어 선형 발전기 또는 다른 시스템에, 먼저 설치하지 않고도, LEM 및 그 구성 요소들을 테스트할 수 있는 기능은 선형 발전기의 추가 구성 요소들의 복잡성 없이 LEM의 보다 쉬운 유지 관리, 문제 해결 및 특성화를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 선형 발전기는 두 개의 LEM들을 포함 할 수 있으며, 어느 LEM을 독립형 유닛(stand-alone unit)으로 테스트 할 수 있는 것이 유리다. 일부 실시 예들에서, 외부 에너지원(예를 들어, 압축기, 전자기 소스 또는 기타 적절한 소스 포함)은 변환기 움직임을 야기하는 힘을 제공한다. 일부 실시 예들에서, LEM은 발전기, 펌프, 압축기 또는 액추에이터의 일부로서 독립형 유닛으로 작동될 수 있다.
도 36은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 발전기 어셈블리(3600)의 단면도이다. 발전기 어셈블리(3600)는 대향된(opposed), 프리-피스톤 발전기(free-piston generator)로 구성된다. 발전기 어셈블리(3600)는 축(3606)을 따라 이동(예를 들어, 축(606)을 따라 선형으로 변환)하도록 구성된 변환기들(3610 및 3620)을 포함한다. 변환기들(3610 및 3620)은 실린더들(3602, 3604 및 3605) 내에서 이동하도록 구성되어, 경계 작업(boundary work)(예를 들어, 스트로크 또는 사이클과 같은 적절한 범위에서 적분 
를 사용하여 결정된)을 수행하기 위한 팽창 및 압축 체적들(3697, 3698 및 3699)을 형성한다. 명성을 위해, 본원에 설명된 시스템 및 어셈블리의 공간적 배열은 일반적으로 축 방향, 반경 방향 및 방위각 방향을 갖는 원통형 좌표의 콘텍스트에서 언급될 것이다. 본 개시에 따라 임의의 적절한 좌표계가 사용될 수 있음을 이해할 것이다(예를 들어, 원통형 좌표는 임의의 적절한 좌표계에 매핑될 수 있음). 축(3606)은 축 방향으로 향하고, 반경 방향은 축(3606)에 수직인 것으로 정의된다는 점에 유의한다(예를 들어, 축(3606)에서 멀어짐). 방위각 방향은 축(3606) 주위의 각도 방향으로 정의된다(예를 들어, 축(3606) 및 반경 방향 모두에 직교하고 축(3606)을 주위로 향함).
일부 실시 예들에서, 발전기 어셈블리(3600)의 고정 구성 요소들은 실린더(3602), 실린더(3604), 실린더(3605), 고정자(3618), 고정자(3628), 베어링 하우징(3616), 베어링 하우징(3617), 베어링 하우징(3626) 및 베어링 하우징(3627)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징들(3616 및 3617)은 고정자(3618)에 결합된다(예를 들어, 직접 결합되거나 굴곡부, 마운트 또는 둘 모두와 같은 중간 구성 요소에 의해 결합됨). 예를 들어, 베어링 하우징들(3616 및 3617)은 자석 어셈블리(3613)와 고정자(3618) 사이의 방사상 에어 갭을 유지하기 위해 고정자(3618)에 정렬(예를 들어, 측 방향 또는 축 방향 정렬)되고 이에 고정될 수 있다. 유사하게, 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징들(3626 및 3627)은 고정자(3628)에 견고하게 결합된다. 추가 예에서, 일부 실시 예들에서, 베어링 하우징들(3626 및 3627)은 고정자(3618)에 정렬되지만, 발전기 어셈블리 또는 그 구성 요소들의 다른 부분에 부착된다.
변환기(3610)는 튜브(3612), 피스톤(3611), 피스톤(3614) 및 자석 어셈블리(3613)를 포함하고, 모두 실질적으로 견고하게 결합되어 고정 구성 요소들에 대해 축(3606)을 따라 실질적으로 강체로서 이동한다. 변환기(3620)는 튜브(3622), 피스톤(3621), 피스톤(3624) 및 자석 어셈블리(3623)를 포함하고, 모두 실질적으로 견고하게 결합되어 축(3606)을 따라 실질적으로 강체로서 이동한다. 일부 실시 예들에서, 자석 어셈블리들(3613 및 3623)은 각각 튜브들(3612 및 3622)의 영역일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 자석 어셈블리들(3613 및 3623)은 각각 튜브들(3612 및 3622)에 부착된 개별 구성 요소들을 포함할 수 있다. 반응 섹션(3697)은 실린더(3602)의 보어(3603)뿐만 아니라 피스톤들(3611 및 3621)에 의해 경계를 이룬다. 가스 스프링들(3698 및 3699)은 각각의 피스톤들(3614 및 3624)뿐만 아니라 각각의 실린더들(3604 및 3605)에 의해 경계를 이룬다. 따라서, 변환기들(3610 및 3620)이 축(3606)을 따라 이동함에 따라, 반응 섹션(3697), 가스 스프링(3698) 및 가스 스프링(3699)의 체적이 팽창 및 수축한다. 또한, 예를 들어, 이러한 체적 내의 압력은 체적이 각각 증가하거나 감소함에 따라 감소하거나 증가한다. 베어링 하우징들(3616, 3617, 3626 및 3627) 각각은 그 자체와 대응하는 변환기(예를 들어, 튜브(3612 및 3622)) 사이에 가스 베어링을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 베어링 하우징들(3616, 3617, 3626, 3627) 각각은 가압된 가스를 가스 베어링으로 유도하도록(예를 들어, 흐름 시스템을 통해) 구성될 수 있다. 예시적인 예에서, 베어링 하우징들(3616, 3617, 3626 및 3627) 각각은 주변 압력(예를 들어, 해수면에서 1 기압)보다 더 큰 절대 압력을 갖는 가압된 가스를 가스 베어링으로 보내서 베어링 가스가 가스 베어링을 통해 환경으로 흐르기에(예를 들어, 직접 또는 다른 덕트를 통해) 충분한 압력을 갖도록 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 베어링 가스는 환경(예를 들어, 약 1 기압), 호흡 시스템(breathing system)의 압력(예를 들어, 부스트 압력 또는 1 기압보다 크거나 작을 수 있는 배기 시스템의 가스 압력), 또는 임의의 다른 적절한 압력 기준에 대해 가압될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 발전기 어셈블리(3600)는 오일이 없는 작동을 위해 구성되며(예를 들어, 윤활 액체를 사용하지 않거나 고체-고체 접촉 베어링을 사용하지 않음), 베어링 하우징들(3616, 3617, 3626, 3627)은 변환기들(3610 및 3620)에 대해 가스 베어링을 형성한다. 실린더(3602)는 압축 섹션(3697)을 수용하는 보어(3603)를 포함한다. 실린더(3602)는 또한 유체 교환을 가능하게 하기 위해 실린더(3602)의 외부에 보어(3603)를 결합하는 예시적인 포트(3619) 및 포트(3629)를 포함한다.
고정자(3618), 자석 어셈블리(3613), 튜브(3612) 및 베어링 하우징들(3616 및 3617)은 선형 전자기 머신(LEM)(3656)을 형성한다. 유사하게, 고정자(3628), 자석 어셈블리(3623), 튜브(3622) 및 베어링 하우징들(3626 및 3628)은 LEM(3652)을 형성한다. 또한, LEM은 변환기에 부착된 하나 이상의 피스톤들을 선택적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, LEM은 고정자(3618), 변환기(3610) 및 베어링 하우징들(3616 및 3617)을 포함하도록 정의될 수 있다. 추가 예에서, LEM은 고정자(3628), 변환기(3620) 및 베어링 하우징들(3626 및 3627)을 포함하도록 정의될 수 있다. LEM에는 고정 어셈블리(예를 들어, 고정자 및 베어링 하우징들)와 축을 따라 이동하도록 구속된 변환 어셈블리(예를 들어, 변환기)가 포함되며, 여기서 고정자는 축을 따른 움직임의 유발 및/또는 이에 영향을 미치기 위해 변환기에 전자기력을 가할 수 있다. LEM의 베어링 하우징은 고정자에 부착될 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다. 예를 들어, 베어링 하우징들은 고정자, 구조 프레임, 실린더에 직접적으로 또는 하나 이상의 중간 구성 요소에 의해 또는 이들의 조합에 의해 결합될 수 있다. 고정자들(3618 및 3628)는 복수의 위상들을 형성하는 복수의 위상 권선들을 포함할 수 있다. 위상들 각각의 전류는 변환기들(3610 및 3620)의 위치, 변환기들(3610 및 3620)의 움직임, 변환기들(3610 및 3620)과의 작업 상호 작용 또는 이들의 조합에 영향을 미치도록 제어 시스템(예를 들어, 이는 대응되는 전력 전자 장치 및 처리 장비를 포함할 수 있음)에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 자석 어셈블리들(3613 및 3623)은 어레이(예를 들어, N극과 S극을 교차로)로 배열된 영구 자석들을 포함한다. 변환기들(3610 및 3620)은 실질적으로 단단한 어셈블리들로서 움직이기 때문에, 각각의 자석 어셈블리(3613 및 3623)에 적용된 전자기력은 변환기들(3610 및 3620)을 가속 및 감속시킨다. 일부 실시 예들에서, 고정자들(3618 및 3628)은 공냉되거나(예를 들어, 공기 냉각 시스템에 의해), 수냉되거나(예를 들어, 액체 냉각 시스템에 의해) 또는 둘 모두에 해당할 수 있다. 일부 실시 예에서, 고정자들(3618 및 3628)은 각각의 변환기들(3610 및 3620) 또는 그의 각각의 자석 어셈블리들(3613 및 3623) 주위에 배열된다(예를 들어, 모터 에어 갭은 두께 프로파일과 함께 아치형이다). 예를 들어, 고정자들(3618 및 3628)은 각각의 변환기들(3610 및 3620) 주위에 완전히(예를 들어, 방위각으로 주위에 360도) 또는 부분적으로(예를 들어, 방위각으로 배열된 세그먼트들과 위상의 권선들 사이에 방위각으로 배열된 갭들을 갖는) 연장될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 고정자들(3618 및 3628)은 각각의 변환기들(3610 및 3620) 또는 그의 각각의 자석 어셈블리들(3613 및 3623)을 따라 축 방향으로 배열된다. 예를 들어, 자석 어셈블리들(3613 및 3623)는 플랫한 자석 섹션을 포함할 수 있고 고정자들(3618 및 3628)은 자석 섹션에 대응하는 플랫한 표면을 포함할 수 있다(예를 들어, 모터 에어 갭은 두께 프로파일을 갖는 평면이다). 일부 실시 예에서, 고정자들(3618 및 3628)은 각각의 변환기들(3610 및 3620) 또는 그의 각각의 자석 어셈블리들(3613 및 3623)을 따라 축 방향으로 연장된다.
본 개시는 본원에 설명된 실시 예들에 제한되지 않고 임의의 적절한 시스템의 콘텍스트에서 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 일부 적합한 실시 예들에서, 본 개시는 왕복 엔진 및 압축기에 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 본 개시는 프리-피스톤 엔진 및 압축기에 적용 가능하다. 일부 실시 예에서, 본 개시는 왕복 엔진 및 프리-피스톤 엔진과 같은 연소 및 반응 디바이스에 적용 가능하다. 일부 실시 예에서, 본 개시는 왕복 압축기 및 프리-피스톤 압축기와 같은 비-연소 및 비-반응 디바이스에 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 본 개시는 드라이버 섹션(예를 들어, 가스 스프링)을 갖는 선형 왕복 장치에 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 본 개시는 무급유(oil-free) 왕복 및 프리-피스톤 엔진 및 압축기에 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 본 개시는 내연 또는 외부 연소 또는 반응을 갖는 무급유 프리-피스톤 엔진에 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 본 개시는 압축 점화(예를 들어, 균질 충전 압축 점화(homogeneous charge compression ignition, HCCI), 층상 충전 압축 점화(stratified charge compression ignition, SCCI) 또는 기타 압축 점화), 스파크 점화 또는 둘 모두로 작동하는 무급유 프리-피스톤 엔진에 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 본 개시는 기체 연료, 액체 연료 또는 둘 모두로 작동하는 무급유 프리-피스톤 엔진에 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 본 개시는 선형 프리-피스톤 엔진에 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 본 개시는 내연/반응을 갖는 연소 엔진 또는 외부 열 추가(예를 들어, 열원 또는 연소와 같은 외부 반응으로부터)를 갖는 임의의 유형의 열 엔진일 수 있는 엔진에 적용 가능하다.
전술한 내용은 단지 본 개시의 원리를 예시한 것이며, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 다양한 수정이 이루어질 수 있다. 전술한 실시 예는 제한이 아닌 예시의 목적으로 제시된다. 본 개시는 또한 본 명세서에 명시적으로 설명된 것 이외의 많은 형태를 취할 수 있다. 따라서, 본 개시는 명시적으로 개시된 방법, 시스템 및 장치로 제한되지 않고, 다음 청구 범위의 사상 내에 있는 그의 변형 및 수정을 포함하도록 의도된다는 것이 강조된다.
Claims (24)
- 선형 전자기 머신(linear electromagnetic machine, LEM)에 있어서,
고정자(stator)로서,
복수의 권선들, 및
축을 포함하는 고정자 보어(stator bore)를 포함하는, 상기 고정자;
상기 고정자와 전자기적으로 상호 작용하도록 구성되고 실질적으로 상기 축을 따라 상기 고정자 보어 내에서 축 방향으로 이동하도록 배열된 변환기-상기 변환기는 변환기 베어링 표면을 포함-;
제1 길이 방향 위치(longitudinal location)에서 상기 고정자에 결합된 제1 베어링 하우징-상기 제1 베어링 하우징 및 상기 변환기 베어링 표면은 제1 가압된 가스를 포함하는 제1 베어링 갭(gap)을 형성할 수 있음-; 및
제2 길이 방향 위치에서 상기 고정자에 결합된 제2 베어링 하우징-상기 제2 베어링 하우징 및 상기 변환기 베어링 표면은 제2 가압된 가스를 포함하는 제2 베어링 갭을 형성 할 수 있음-을 포함하는, LEM. - 제1항에 있어서, 상기 변환기는 자석 섹션(magnet section)을 포함하고, 상기 자석 섹션 및 상기 고정자 보어는 모터 에어 갭(motor air gap)을 형성할 수 있는, LEM.
- 제2항에 있어서, 상기 자석 섹션은 길이 방향으로 적층된 로우(row)들로 배열된 복수의 자석들을 포함하는, LEM.
- 제3항에 있어서, 상기 길이 방향으로 적층된 로우들의 내부 로우는 제1 축 길이를 갖는 자석들을 포함하고, 상기 길이 방향으로 적층된 로우들의 말단 로우(terminal row)는 상기 제1 축 길이보다 작은 제2 축 길이를 갖는 자석들을 포함하는, LEM.
- 제2항에 있어서, 상기 변환기는 상기 자석 섹션의 적어도 하나의 자석과 결합하여 상기 적어도 하나의 자석의 축 움직임을 제한하기 위한 적어도 하나의 구조적 피처(structural feature)를 더 포함하는, LEM.
- 제2항에 있어서, 상기 자석 섹션은 상기 변환기의 표면에 본딩(bonding)된 복수의 자석들을 포함하는, LEM.
- 제2항에 있어서, 상기 변환기는 상기 자석 섹션 위에 방사상으로 위치된 랩(wrap)을 더 포함하는, LEM.
- 제2항에 있어서, 상기 자석 섹션은 제1 길이 방향 길이를 포함하고, 상기 복수의 권선들은 상기 제1 길이 방향 길이보다 큰 제2 길이 방향 길이를 포함하는, LEM.
- 제2항에 있어서, 상기 자석 섹션은 제1 길이 방향 길이를 포함하고, 상기 복수의 권선들은 상기 제1 길이 방향 길이보다 작거나 동일한 제2 길이 방향 길이를 포함하는, LEM.
- 제2항에 있어서, 상기 자석 섹션은 자극(magnetic pole) 길이를 포함하고, 상기 고정자는 복수의 슬롯들 및 슬롯 피치(slot pitch)를 갖는 톱니(teeth)를 포함하고, 상기 자극 길이 및 상기 슬롯 피치는 실질적으로 동일하지 않은, LEM.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 권선들은 복수의 위상들로 그룹화되고, 상기 복수의 위상들의 각 위상은 상기 복수의 권선들의 하나 이상의 권선들을 포함하는, LEM.
- 제11항에 있어서, 상기 복수의 위상들은 3 이상인, LEM.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 권선들의 각 권선은 위상에 대응하는, LEM.
- 제1항에 있어서, 상기 LEM은 오일이 없는 작동(oil-less operation)을 위해 구성되는, LEM.
- 제2항에 있어서,
상기 자석 섹션은 복수의 자석들을 포함하고;
상기 고정자는:
상기 고정자 보어 주위에 방위각으로 배열된 복수의 고정자 톱니-상기 복수의 고정자 톱니는 한 쌍의 연속적인 고정자 톱니를 포함-, 및
상기 한 쌍의 연속적인 고정자 톱니 사이의 제1 방위각 갭을 포함하고; 그리고
상기 자석 섹션은 상기 자석 섹션의 방위각으로 연속적인 자석들 사이의 제2 방위각 갭을 포함하며, 상기 제1 방위각 갭 및 상기 제2 방위각 갭은 방위각 정렬을 실질적으로 유지하도록 구성되는, LEM. - 제15항에 있어서, 상기 제1 방위각 갭은 상기 방위각 방향에서 상기 제2 방위각 갭보다 큰, LEM.
- 제1항에 있어서, 상기 변환기는 방위각 회전을 제한하도록 구성된 피처(feature)를 더 포함하는, LEM.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 베어링 하우징은 적어도 측 방향 변위(lateral displacement)에 대해 기계적 강성을(mechanical stiffness) 제공하도록 구성된 제1 어셈블리에 의해 상기 고정자에 결합되고, 상기 제2 베어링 하우징은 적어도 측 방향 변위에 대해 기계적 강성을 제공하도록 구성된 제2 어셈블리에 의해 상기 고정자에 부착되는, LEM.
- 선형 머신에 있어서,
고정자 보어를 포함하는 고정자;
상기 고정자에 대해 선형으로 이동하도록 구성된 변환기로, 상기 변환기는:
자석 섹션, 및
베어링 표면을 포함하는, 상기 변환기;
표면을 포함하는 적어도 하나의 베어링 하우징; 및
적어도 하나의 베어링 하우징을 상기 고정자에 부착하도록 구성된 어셈블리(assembly)를 포함하고, 여기서:
상기 고정자 보어와 상기 자석 섹션은 모터 에어 갭을 형성하고,
상기 베어링 표면과 상기 표면은 상기 변환기를 상기 적어도 하나의 베어링 하우징에 정렬할 수 있는 베어링 인터페이스를 형성하고, 그리고
상기 어셈블리는 상기 베어링 하우징의 피치 및 요(yaw)에 제공하는 것 보다 측 방향 변위에 상대적으로 더 많은 강성을 제공하는, 선형 머신. - 제19항에 있어서, 여기서:
상기 변환기는 변환기 튜브를 더 포함하고; 그리고
상기 베어링 표면은 상기 변환기 튜브의 외부 표면을 포함하는, 선형 머신. - 제19항에 있어서, 상기 어셈블리는:
상기 고정자에 단단히 부착되는 적어도 하나의 마운트; 및
상기 적어도 하나의 마운트 및 상기 적어도 하나의 베어링 하우징에 부착되는 적어도 하나의 굴곡부(flexure)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 굴곡부는 상기 베어링 하우징의 피치 및 요에 제공하는 것보다 측 방향 변위에 상대적으로 더 많은 강성을 제공하는, 선형 머신. - 제21항에 있어서, 여기서:
상기 베어링 하우징은 상기 베어링 표면 주위에서 적어도 부분적으로 방위각으로 연장되며; 그리고
상기 적어도 하나의 굴곡부는 상기 베어링 하우징 주위에서 적어도 부분적으로 방위각으로 연장되는, 선형 머신. - 제19항에 있어서, 상기 베어링 인터페이스는 가스 베어링 인터페이스이고, 상기 선형 머신은 오일이 없는 작동을 위해 구성되는, 선형 머신.
- 제19항에 있어서, 상기 고정자는 축 단부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 베어링 하우징은 상기 자석 섹션이 상기 고정자의 상기 축 단부의 외부에 적어도 부분적으로 축 방향으로 위치될 수 있도록 길이 방향 위치에서 배열되는, 선형 머신.
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