利用多重多相线圈磁场锁定的电磁机械的制作方法

1.本技术涉及利用多重多相线圈磁场锁定的电磁机械，特别是涉及一种利用多重多相线圈磁场锁定的电磁机械，在电磁机械(electromagnetic machine)中具备独立生成旋转磁场(rotating magnetic field)的可主动控制的转子和定子，并对其独立地控制，从而作为电动机，可以增加启动(starting
‑
up)时或运行中要求的扭矩(torque)，可以更好地调节方向、扭矩和速度，同时，作为发电机，可以排除动力源(prime mover)的不稳定性，供应稳定的电力，不仅具有广泛的运转范围，以较小的大小便具有较高效率，而且还可以在广泛区域调节扭矩和速度。


背景技术：

2.在多个产业领域，大量要求要在系统内安装包括旋转构件的可逆的电磁机械。根据机械所安装的系统的工作条件，变换为由这种旋转构件的旋转运动产生的机械能，利用这种机械能生成电能的是发电机(generator)。由这种发电机生成的电力可以供应给或存储于其他系统要素。另外，向机械供应电能并变换成机械能从而使旋转构件旋转而获得旋转动力的是电动机(motor)。
3.这种电动机/发电机中使用的电磁机械是我们生活周边最广泛使用的电气设备，容量从数十w的小型到数mw的大型，在家庭和工业现场广泛使用，特别是广泛用于电风扇、洗衣机、电冰箱、汽车、电梯、水泵、起重机等。对这种电磁机械的一般要求不仅是节省费用，特别是在诸如地面车辆或飞机的运输装置中，还要小型化及轻量化。
4.另外，电磁机械包括定子和转子构成。一般而言，利用转子借助于电流在定子线圈(coil)中流动时产生的旋转磁场而产生旋转扭矩的原理进行工作。将转子借助于旋转扭矩而旋转的力用作旋转动力。
5.直流电动机在空隙中使用固定磁场驱动电枢线圈而生成扭矩。如要转换电枢，则为了转换电流而需要整流子，感应电动机具有在空隙中生成移动或旋转磁场的具有多相线圈的定子，转子生成来源于永磁铁或电磁铁的预设磁场，以与转子轴的速度相同的速度旋转。换句话说，以往的电磁机械具有固定于轴的磁场旋转。
6.在直流电动机中，由于利用机械式整流器(电刷)，因而需要定期维护，在高速驱动时存在困难，安装场所也有限制。另一方面，在无机械式整流器的永磁同步电动机(pmsm：permanent magnet synchronous motor)中，由于使用永磁铁，因而存在最大输出时盈余少、高温时磁铁性能低下的问题。
7.一般而言，在感应电动机中，在启动时由于负载及电动机本身的惯性而发生的扭矩小，正常运转需要时间。另外，在电动机启动时，在电动机线圈中暂时流动被称为浪涌电流(in
‑
rush current)的大电流。因此，使用感应电动机时，存在需良好地调节浪涌电流的问题。
8.感应电动机大致可以分为笼型感应电动机(squirrel cage induction motor)和绕线型电动机(wound motor)。就笼型感应电动机而言，结构简单而坚固，运转容易，维护简
单。但在结构特性上，启动时需要大电流，生成小扭矩。因此，在要求频繁的启动与停止或需要控制速度或电源容量小的情况下难以适用。
9.另外，就绕线型电动机而言，相比笼型电动机，启动电流小，生成大扭矩。但为了生成大扭矩，需增加电动机本身大小，这存在费用增加的问题。另外，绕线型电动机需要滑环。


技术实现要素：

10.本技术旨在解决如上所述以往问题，本技术的目的在于提供一种包括能够独立地主动控制的绕线型转子和定子的电磁机械。
11.本技术的另一目的在于提供一种利用包括能够独立地主动控制的绕线型转子和定子的电磁机械，从而减小系统规模、提高效率的双馈电磁机械(doubly active electromagnetic machine)系统。
12.作为旨在达成上述目的的一个体现例，根据本技术一个实施例的电磁机械包括：定子，所述定子包括多相线圈；动子，所述动子与所述定子隔开预设间隔，包括多相线圈；及控制部，所述控制部独立地控制所述定子的第一磁场及所述动子的第二磁场。
13.另外，所述控制部可以控制接入所述定子的多相线圈的第一电流及接入所述动子的多相线圈的第二电流，从而可以控制所述第一磁场及所述第二磁场。
14.另外，所述控制部可以分别控制所述第一电流及所述第二电流的相位及振幅。
15.另外，所述控制部可以以直接接线方式、滑环(slip
‑
ring)方式及无线感应耦合方式中至少一种方式，将所述第一电流接入所述定子的多相线圈或将所述第二电流接入所述动子的多相线圈。
16.另外，所述控制部可以在驱动初期以使所述定子的第一磁场及所述动子的第二磁场相互锁定的方式控制所述电磁机械。
17.另外，所述控制部可以向相同方向或相反方向控制所述第一磁场及所述第二磁场的移动方向。
18.另外，所述动子可以是连接于旋转轴并以所述旋转轴为中心旋转的转子。
19.另外，所述控制部可以保持所述定子的第一磁场及所述动子的第二磁场相互锁定，分别控制所述第一磁场及所述第二磁场，从而可以生成所述旋转轴的扭矩及速度。
20.另外，所述电磁机械可以是线性电磁机械或旋转电磁机械。
21.另外，所述定子可以包括第一线圈阵列，所述动子可以包括第二线圈阵列，所述第二线圈阵列与所述第一线圈阵列隔开预设间隔形成，在隔开的方向上具有镜像，同时，所述第一线圈阵列可以包括彼此相邻形成的至少一个第一半周期及至少一个第二半周期，所述第一半周期可以包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，且所述第一半周期及所述第二半周期可以在相邻方向上具有镜像。
22.另外，在形成所述第一半周期的两个线圈之间形成的磁场的方向与在形成所述第二半周期的两个线圈之间形成的磁场的方向可以彼此相反。
23.另外，所述第一半周期可以包括：第一层，所述第一层与所述第二线圈阵列邻接，包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈；第二层，所述第二层位于所述第一层上部，包括具有与所述第一层的线圈结构相同的电流方向但位于比所述第一层线圈结构更外侧的第二层线圈结构；及第三层，所述第三层位于所述第二层上部，包括具有与所述第二层线圈
结构彼此相反方向的电流方向但位于比所述第二层线圈结构更内侧的第三层线圈结构。
24.另外，可以还包括：第四层，所述第四层位于所述第三层上部，包括具有与所述第三层的线圈结构相同的电流方向但位于比所述第三层线圈结构更外侧的第四层线圈结构。
25.另外，所述第一半周期可以包括：下层，所述下层与所述第二线圈阵列邻接，包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈；上层，所述上层位于所述下层上部，包括具有与所述下层线圈结构彼此相反方向的电流方向的上层线圈结构。
26.另外，所述第一线圈阵列可以包括多个第一半周期及多个第二半周期，且所述第一半周期及所述第二半周期可以向相邻方向周期性地形成。
27.另外，就所述第一线圈阵列或所述第二线圈阵列而言，长度可以沿着所述电流流动方向延长，可以包括分节的环形(toroid)或分节的螺线管(solenoid)电流分布。
28.作为旨在达成上述目的的一个体现例，根据本技术一个实施例的磁场同步耦合(field lock)双馈电磁机械系统包括电磁机械，所述电磁机械包括：定子，所述定子包括多相线圈；动子，所述动子与所述定子隔开预设间隔，包括多相线圈；及控制部，所述控制部独立地控制所述定子的第一磁场及所述动子的第二磁场。
29.因此，通过上述问题解决方案，预期如下效果。
30.根据本技术的包括能够独立地主动控制的绕线型转子和定子的电磁机械可以利用由能够独立地主动控制的绕线型转子产生的旋转磁场，解决启动时由于负载及电动机本身惯性导致的比常运转状态更大的启动扭矩。因此，具有以最小大小即可产生最大驱动扭矩、能够使效率最大化的效果。另外，可实现基于控制的快速运转，具有宽泛的动态范围，能够安全运转。
31.如果将利用了根据本技术的包括能够独立地主动控制的绕线型转子和定子的电磁机械的新概念双馈电磁机械(double
‑
fed electromagnetic machine)应用于诸如海上风力发电、潮汐发电、波浪发电等的新再生能源系统，则无需变速箱即可高效控制驱动扭矩和速度，从而具有可以减小大小、增加效率的优点。
32.另一方面，如果借助于利用了根据本技术的包括能够独立地主动控制的绕线型转子和定子的电磁机械的轮内电动机，则可以使大小最小化，加装于各轮并分别、高效地控制各轮的驱动扭矩和速度，从而可以应用于诸如电动汽车的未来汽车。
附图说明
33.图1是根据本技术一个实施例的电磁机械的框图。
34.图2是示出根据本技术一个实施例的电磁机械的内部结构的示意剖面图。
35.图3是示出根据本技术一个实施例的电磁机械的内部结构的另一示意剖面图。
36.图4是驱动或控制根据本技术一个实施例的电磁机械的概略示意图。
37.图5是示出对于根据本技术一个实施例的电磁机械的等效电路的电路图。
38.图6是对于应用根据本技术一个实施例的电磁机械的概略性风力发电双馈电磁机械(doubly active electromagnetic machine)的示意图。
39.图7是对于应用根据本技术一个实施例的电磁机械的概略性轮内(in
‑
wheel)驱动电磁机械的示意图。
40.图8是对于应用根据本技术一个实施例的电磁机械的概略性轮内驱动电磁机械的
另一示意图。
41.图9显示根据本技术实施例的定子与动子之间的力。
42.图10是概略地示出根据本技术一个实施例的定子与动子的线圈阵列的电流流动与磁通量大小的示意剖面图。
43.图11是以2个相位差线圈组来示出根据本技术实施例的定子与动子的线圈阵列的概略性示意剖面图。
44.图12是概略地示出根据本技术实施例的定子与动子的线圈阵列的电流流动与磁通量大小的示意剖面图。
45.图13是根据本技术实施例的定子与动子的线圈阵列结构的概略性示意立体图。
46.图14是概略地示出由根据本技术实施例的定子与动子的线圈阵列结构而生成的磁场与电流的相互作用的概念图。
47.图15是概略地示出具有层叠型线圈并沿水平方向应用根据本技术实施例的定子与动子的线圈阵列的示意剖面图。
48.图16是概略地示出具有层叠型线圈并以立体结构应用根据本技术实施例的定子与动子的线圈阵列的示意剖面图。
49.图17是对于以立体结构应用根据本技术实施例的定子与动子的线圈阵列的结构的模拟结果图。
50.图18是对于以立体结构应用根据本技术实施例的定子与动子的线圈阵列的结构的模拟结果图。
51.图19是概略地示出具有平面线圈结构并应用根据本技术实施例的定子与动子的线圈阵列的示意剖面图。
52.图20是概略地示出具有平面线圈结构并以立体结构应用根据本技术实施例的定子与动子的线圈阵列的示意剖面图。
53.图21是对于具有平面线圈结构并立体地应用根据本技术实施例的定子与动子的线圈阵列的结构的模拟结果图。
具体实施方式
54.下面参照附图，详细说明本技术的优选实施例。如果参照后面与附图一同详细叙述的实施例，本技术的优点及特征以及达成其的方法将会明确。但是，本技术并不限定于在此说明的实施例，也可以以彼此不同的形态具体化。相反，此处介绍的实施例提供用于使得公开的内容能够彻底、完全，并使得本技术的思想能够充分传递给所属技术领域的技术人员，本技术只由权利要求项的范畴所定义。另一方面，在通篇说明书中，相同附图标记指称相同构成要素。
55.本说明书中使用的术语用于说明实施例，并非要限制本技术。在本说明书中，只要在语句中未特别提及，单数型也包括复数型。说明书中使用的“包括(comprises)”及/或“包括的(comprising)”不排除提及的构成要素、步骤、动作及/或元件存在或添加一个以上的其他构成要素、步骤、动作及/或元件。另外，由于是根据优选实施例，因而根据说明顺序而提示的附图标记并非必须限定于该顺序。而且，在本说明书中，意指并不排除提及某种成分或部件的情形或其之外的成分或部件，必要时，也可以追加插入其他成分或部件。
56.本说明书中提供的说明及示例是出于说明性目的而提示的，不是要限制附带的权利要求项的范畴(scope)。本说明书应被认为用于对本技术的原理进行举例说明，而不是要限制所记述的实施例的权利要求项及/或本技术的思想(spirit)及范畴。本技术领域的普通技术人员可以针对本技术的特定应用而变形本技术。
57.另外，本说明书中记述的实施例将参考作为本技术理想示意图的剖面图及或俯视图进行说明。在附图中，膜及区域的厚度为了有效说明技术内容而进行了夸张。因此，示意图的形态会因制造技术及/或容许误差等而变形。因此，本技术的实施例并非限定于示出的特定形态，也包括根据制造工序而生成的形态的变化。例如，示出为直角的蚀刻区域可以为具有圆形或预设曲率的形态。因此，在附图中示出的区域具有概略性属性，在附图中示出的区域的模样，用于示出元件区域的特定形态，并非用于限定发明的范畴。
58.根据本技术一个实施例的电磁机械包括定子110、动子120及控制部130。
59.定子110及动子120分别包括多相线圈111、121，彼此隔开预设间隔d形成。控制部130独立地控制所述定子的第一磁场及所述动子的第二磁场。通过控制多相线圈中流动的电流的方向，从而借助于电流而形成磁场，通过控制多相线圈中流动的电流，从而可以控制磁场的移动或方向。
60.控制部130控制接入定子的多相线圈111的第一电流及接入动子的多相线圈121的第二电流，从而可以控制所述第一磁场及所述第二磁场。另外，所述控制部可以分别控制第一电流及第二电流的相位及振幅。
61.控制部130可以在驱动初始，以使所述定子的第一磁场及所述动子的第二磁场相互锁定的方式控制电磁机械，可以向相同方向或相反方向控制所述第一磁场及所述第二磁场的移动方向。
62.其中，动子120可以是连接于旋转轴并以所述旋转轴为中心旋转的转子，控制部130保持定子的第一磁场及动子的第二磁场相互锁定，分别控制第一磁场及第二磁场，从而生成所述旋转轴的扭矩及速度。
63.定子110和动子120可以为圆形，以具有同轴的方式形成。以线阵排列的多相线圈111、121可以应用于线性电动机。另外，线性及旋转电磁机械均可以应用。
64.在定子与动子之间存在小气隙，其中，动子可以相对于定子而以同轴为中心自由旋转。如果电流在定子的多相线圈中流动，则在空隙中生成周期性磁场。类似地，如果电流在动子的多相线圈中流动，则在气隙中生成周期性磁场。
65.如果定子的多相线圈被具有适宜相位差的正弦波输入电流所激励，则在气隙中生成移动的磁场，如果动子的多相线圈被具有适宜相位差的正弦波输入电流激励，则在气隙中生成移动磁场。
66.当动子相对于定子以预设速度移动时，通过动子的多相线圈而由预设电流生成的磁场随着动子的移动而移动。通过动子的多相线圈的正弦波电流相对于动子的旋转轴生成旋转磁场。如果动子旋转，则气隙内磁场的旋转按照根据磁场旋转速度与轴旋转速度的组合而决定的速度旋转。
67.与静止坐标系相关联，由动子生成的气隙中磁场的速度是由动子线圈的电流而生成的磁要素的速度与动子的速度组合。
68.定子及动子中提供的多相线圈意指当电流流动时，各线圈按角度函数在气隙中生
成周期性磁场的2个以上的分别线圈。在360度角度中，可以包括整数的空间周期或周期。当相位线圈为两个以上时，第二线圈相对于第一线圈按固定角度偏移并配置。例如，当为2相线圈时，可以按1/4周期(或电角度(electrical angle)90度)移动，当为3相线圈时，可以按1/3周期的角度(或电角度120度)移动。
69.通过向线圈供应电流，由所有线圈生成的总磁场为由通过各线圈的电流所生成的磁场之和。通过变化线圈的电流量，可以变更磁场的相位和振幅。
70.对于多相线圈的多相电流可以借助于包括滑环或无线感应耦合的不同耦合手段，供应给定子及相对于定子自由旋转的动子。多相电流可以通过使电力及控制信号能够传递到电磁机械的固定导线或其他耦合手段而供应给电磁机械。
71.根据本技术一个实施例的电磁机械利用了由定子及/或动子线圈中以不同相位供应的时变电流而生成的旋转磁场。电流供应给多重线圈时，生成整数多重周期磁场变动。
72.由定子和动子生成的磁场的各周期的数可以相同。动子和定子被各个电流磁化时，处于彼此磁场锁定状态。换言之，动子位于由定子生成的磁场的固定角度位置，与由动子所生成的磁场彼此吸引。在定子的多相线圈中，随着电流相位的改变，动子的相位电流固定不变，相反，随着电流相位的改变，由定子所生成的气隙中的磁场图案进行移动。随着定子磁场的移动，动子磁场一同移动而保持磁场锁定。随着定子相位不变而动子电流的相位改变，会发生类似的事件。
73.如果定子及动子的线圈的电流改变，则由多相位线圈生成的磁场会移动。当电流在定子及转子中均准确地以相同方式随时间变化，以相同方式生成相同磁场的旋转时，以相同的方式，磁场锁定使动子向相反方向，以磁场旋转速度的两倍旋转，相反，当定子与动子的磁场旋转为相反方向时，动子由于磁场锁定而保持静止状态。
74.定子的移动磁场的旋转速度等于根据动子的速度及频率而决定的由动子生成的移动磁场的速度之和时，形成磁场锁定。
75.如果有向与动子相反方向吸引动子的外力，则机械动力传递到动子。此时，在电磁波及电流中产生小的相移。外力借助于在因磁场和电流而移动的要素中产生的力而实现均衡。例如，如果定子电流振幅固定，生成固定振幅谐波移动磁场，则使移动元件电流振幅增加。
76.随着相位的独立的、同时的控制，在定子和动子中，电流的频率和振幅不仅保护有效载荷及电磁机械，而且可以提供广泛的动态控制。
77.图2是示出根据本技术一个实施例的包括能够独立地主动控制的绕线型转子和定子的电磁机械的内部结构的概略性示意剖面图。图2是动子作为转子连接于旋转轴并与定子保持间隔进行旋转的旋转电磁机械，下面以图2的电磁机械为例进行说明。图2是一个体现例，根据本技术实施例的电磁机械当然不限于此。
78.如图2所示，根据本技术实施例的电磁机械1100可以包括固定于外壳1110内侧的定子(stator)120、贯通外壳1110的旋转轴(1shaft)130、环绕旋转轴1130的转子(rotor)140、置于定子1120及转子1140的一端的控制部1150构成。其中，为了示例性地说明，对外壳1110内部的定子1120、旋转轴1130、转子1140、控制部1150的位置进行了特定，但不限于此，也可以在不违反本技术思想的范围内重新配置适宜的位置。
79.其中，旋转轴1130沿长度方向贯通外壳1110的中心部而配置。另外，在旋转轴1130
所支撑的外壳1110的两端具备轴承1160。另一方面，可旋转的外壳1111配置于控制部1150外侧，使得外部电力线(图上未示出)在旋转时不会缠绕。其中，外壳1110虽然示例性地示出了设有可旋转的外壳1111而使得外部电力线不会缠绕，但不限于此，当以无线方式供应电力或以其他方式传递时，也可以将其固定。另一方面，在供应无线电力及信号时，由于一侧高速旋转，因而需要控制部1150与定子1120及转子1140之间的间隔1s。
80.另外，在外壳1110的内周面附着固定有定子1120，定子1120包括多相线圈(图上未示出)。在定子1120的内侧具备包括旋转轴1130的转子1140，所述转子1140与旋转轴1130和定子1120共享中心，沿转子1130方向与定子1120隔开预设间隔，即隔开空隙(air gap)d。另一方面，根据本技术的一个实施例中的转子1140包括多相线圈(图上未示出)。
81.另外，在外壳1110内部的定子1120、旋转轴1130、转子1140的一端，包括用于收发电力的控制部1150。此时，控制部1150可以向定子1120供应第一电力而产生第一旋转磁场(图上未示出)，可以调节所供应的所述第一电力，控制所述第一旋转磁场的大小、频率等。其中，所述第一电力以在直接接线方式(图上未示出)、滑环(slip
‑
ring)方式(图上未示出)、无线感应耦合方式(图上未示出)及他们的组合中选择的任一方式，从控制部1150通过定子切换部1125，向定子1120的所述多相线圈收发电力。另外，定子切换部1125是发生脉冲宽度调制(pwm：pulse width modulation)的部分，可以包括逆变器和转换器构成。在此将定子切换部1125结合于定子1120的一端并示例性地示出，但不限于此，也可以将定子切换部1125包括于控制部1150。
82.另外，控制部1150可以向转子1140供应第二电力，与所述第一旋转磁场独立地发生第二旋转磁场(图上未示出)，可以调节所供应的所述第二电力，控制所述第二旋转磁场的大小、频率等。其中，所述第二电力以在滑环方式(图上未示出)、无线感应耦合方式(图上未示出)及他们的组合中选择的任一方式，从控制部1150通过转子切换部1145，向转子1140的所述多相线圈收发电力。
83.另一方面，控制部1150可以以在直接接线方式(图上未示出)、滑环方式(图上未示出)、无线感应耦合方式(图上未示出)及他们的组合中选择的任一方式，向定子1120传递控制命令。另外，控制部1150可以以在滑环方式(图上未示出)、无线感应耦合方式(图上未示出)及他们的组合中选择的任一方式，向转子1140传递控制命令。此时，当控制部1150以无线感应耦合方式分别向定子1120和转子1140供应第一电力和第二电力时，可以利用与以无线感应耦合方式传递的控制命令互不相同的频率来避免干涉。
84.图3是示出根据本技术一个实施例的包括能够独立地主动控制的绕线型转子和定子的电磁机械的内部结构的概略性示意剖面图。
85.如图3所示，根据本技术一个实施例的包括能够独立地主动控制的绕线型转子和定子的电磁机械1200可以包括固定于外壳1210的内侧的定子1220、贯通外壳1210的旋转轴1230、环绕旋转轴1230的转子1240、置于定子1220及转子1240的一端的控制部1250构成。如果参照图3，根据本技术一个实施例的电磁机械1200是在控制部1250中通过定子滑环1221和转子滑环1241体现定子1220和转子1240的示例。其中，控制部1250示例性地示出为配置于外壳1210内部，但不限于此，也可以将控制部1250配置于外壳1210外部。
86.图4是驱动或控制根据本技术一个实施例的电磁机械的概略性示意图。
87.如果参照图4，为了驱动定子1320，当控制部1350的控制命令1352经控制电路1351
传递给定子切换部1325时，从电力供应装置/电网1370，经定子切换部1325，向定子1320的多相线圈(图上未示出)供应第一电力，生成第一旋转磁场(图上未示出)。另一方面，为了控制定子1320，当控制部1350的控制命令1352经控制电路1351传递给定子切换部1325时，从定子1320产生的电力(图上未示出)经定子切换部1325供应给电力供应装置/电网1370。
88.另外，为了驱动转子1340，当控制部1350的控制命令1352经控制电路1351传递给转子切换部1345时，从电力供应装置/电网1370，经转子切换部1345，向转子1340的多相线圈(图上未示出)供应第二电力，生成第二旋转磁场(图上未示出)。另一方面，为了控制转子1340，当控制部1350的控制命令1352经控制电路1351传递给转子切换部1345时，从转子1340产生的电力(图上未示出)经转子切换部1345供应给电力供应装置/电网1370。
89.另一方面，所述第二旋转磁场通过定子1320包括的传感器1380，测量所述第一旋转磁场的大小、频率等，将测量值1353传递给控制电路1351，与所述第二旋转磁场的大小、频率等进行比较，从而为了优化电磁机械的扭矩及效率而能动地控制定子1320和转子1340。另外，所述第一旋转磁场也通过转子1340包括的传感器1380，测量所述第二旋转磁场的大小、频率等，将测量值1354传递给控制电路1351，与所述第一旋转磁场的大小、频率等进行比较，从而为了优化电磁机械的扭矩及效率而能动地控制定子1320和转子1340。另一方面，传感器1380测量定子1320与转子1340的至少一个以上的动态运用状态(扭矩、电流、电压、位置、速度等)，用于优化电磁机械的使用。另外，不仅是通过传感器1380而确保的动态运用状态测量值，还可以通过电力供应装置/电网1370的状态信息，高效运行及安全地运用电磁机械。
90.图5是示出对于根据本技术一个实施例的包括能够独立地主动控制的绕线型转子和定子的电磁机械的等效电路的电路图。
91.如图5所示，根据本技术一个实施例的包括能够独立地主动控制的绕线型转子和定子的电磁机械的等效电路1400，包括定子的等效电路1420和转子的等效电路1440。此时，根据本技术一个实施例的电磁机械为了示例性说明而记述为具有90
°
相位差的2相线圈，但不限于此，即使是多相线圈，只要是从业人员，便可以容易地应用。根据洛伦兹定律的力可以以如下数学式表达。
92.【数学式1】
93.f＝lb
s
i
r
94.其中，f是电线中产生的力，l是棒状电线的长度，b
s
是由定子线圈中流动的电流生成的磁场的大小，i
r
是动子电线中流动的电流值。
95.在根据本技术一个实施例的电磁机械等效电路1400中，假定在定子的等效电路1420中产生的旋转磁场沿z轴方向产生，在转子的等效电路1440中供应的电流沿y轴方向供应，可以用下面公式表达。特别是由在定子的线圈a中流动的电流生成的磁通量可以近似为正弦波，可以用下面数学式表示。
96.【数学式2】
[0097][0098]
定子线圈可以具有电磁机械的多个周期。在数学式2中，上标a意指线圈(相位)a。另外，在定子的相位a线圈中发生磁通量(magnetic flux)。而且，相位b线圈相对于相位a线圈，在电气上出现90
°
相位差异，由在相位b线圈中流动的电流生成的磁通量可以用下面数
学式表示。
[0099]
【数学式3】
[0100][0101]
因此，借助于在定子线圈中流动的、设置时差进行变化的电流，相位a线圈与相位b线圈重叠，如下所示形成移动磁场。这可以用下面数学式表示。
[0102]
【数学式4】
[0103][0104]
或
[0105]
b
z
(x，t)＝b0cos(k
s
x
s
)cos(ω
s
t) b0sin(k
s
x
s
)sin(ω
s
t)＝b0cos(k
s
x
s
‑
ω
st
)
[0106]
与由在定子线圈中流动的电流生成的旋转磁场类似，在转子线圈中流动的电流可以近似为正弦波。在转子的相位a线圈中流动的电流可以用下面数学式表示。
[0107]
【数学式5】
[0108][0109]
而且，相位b线圈相对于相位a线圈出现90
°
相位差异，在转子的相位b线圈中流动的电流可以用下面数学式表示。
[0110]
【数学式6】
[0111][0112]
因此，在转子线圈中流动的电流由于相位a线圈与相位b线圈的重叠而可以如下所示。这可以用下面数学式表达。
[0113]
【数学式7】
[0114][0115]
或
[0116]
i
y
(x，t)＝i0cos(k
m
x
m
‑
ω
m
t)
[0117]
电磁机械发生的洛伦兹力f(x，t)可以从数学式4和数学式7，以下面数学式表示。其中，洛伦兹力通过从定子生成的磁场与从转子生成的电流的相互作用进行了分析，但这只是示例性的，也可以解析为其相反的情形。
[0118]
【数学式8】
[0119]
f(x，t)＝1b0i0cos[k
s
x
s
‑
ω
s
t]cos[k
m
x
m
‑
ω
mt
‑
φ]
[0120]
其中，φ是转子与定子之间的相位差。另外，如果假定x
m
相比x
s
以速度v
m
(相对于定子线圈)移动，则可以用下面数学式表达。
[0121]
【数学式9】
[0122]
x
m
＝x
s
‑
v
m
t
[0123]
在电磁机械的等效电路1400中解析的扭矩与可以从定子的等效电路1420和转子的等效电路1440解析的磁场成正比，可以用下面公式表达。其中，扭矩解析为在定子和转子中发生的磁场，但这只是示例性的，也可以解析为在定子和转子中发生的电流。
[0124]
【数学式10】
[0125]
τ＝kb
s
b
m
[0126]
此时，根据毕奥
‑
萨伐尔定律(biot
‑
savart)，在转子的等效电路1440中解析的磁场与在转子线圈中流动的电流成正比。因此，从数学式9可知，扭矩分别与在能够独立地主动控制的定子和转子中流动的电流成正比。另一方面，当是普通电动机时，转子中流动的电流从定子感应或衍生，为了对其进行控制，需控制定子。因此，根据本技术的电磁机械可以以定子与转子的独立的电流组合进行驱动，在运用电磁机械时，可能的扭矩范围宽，还可以缩短反应时间，效率也可以优化。另外，根据本技术一个实施例的电磁机械在运用时容易确保安全性。
[0127]
图6是对于包括根据本技术一个实施例的电磁机械的概略性风力发电双馈电磁机械(doubly active electromagnetic machine)的示意图。在图6中，只说明对风力发电的示例，但应用例不限于此，可以应用于能够包括根据本技术一个实施例的电磁机械的诸如潮汐发电或波浪发电等的新再生能源系统。
[0128]
如果参照图6，包括根据本技术一个实施例的电磁机械的风力发电用双馈电磁机械1505无需变速箱即可以以电磁方式体现无极变速齿轮比(continuously variable gear ratio)，是可以产生较大的驱动扭矩的发电或再生制动装置。旋转叶片1501通过动力轴1502连接于电磁机械1500。电磁机械1500的输出经电力变换装置1503和电网1504传递给负载1506。
[0129]
因此，在包括根据本技术一个实施例的电磁机械的双馈电磁机械系统中，无需变速箱即可高效控制驱动扭矩和速度，从而具有可以减小大小、增加效率的优点。另外，由于不存在物理齿轮，在故障时可以迅速应对。
[0130]
图7和图8是对于包括应用根据本技术一个实施例的电磁机械的概略性轮内(in
‑
wheel)驱动电动机的车辆的示意图。在图7和图8中，只说明对轮内驱动电动机的示例，但应用例不限于此。另一方面，图7是关于包括本技术的电磁机械的车辆的驱动的示意构成图，图8是关于包括本技术的电磁机械的车辆的制动的示意构成图。
[0131]
如果参照图7，能量源，例如电池1601的直流电源经逆变器1604变换为交流电源。如此变换的电力如果接入根据本技术一个实施例的电磁机械1600，则产生驱动力，通过动力轴(图上未示出)传递给各轮，驱动车辆。
[0132]
如果参照图8，行驶中的车辆具有的惯性力在制动时，通过所述动力轴传递给根据本技术一个实施例的电磁机械1700，成为再生制动(regenerative braking)状态。此时，发电的电力经逆变器1704对能量源，例如对电池1701或电容器1702充电，或在制动电阻1703中消化为热。
[0133]
因此，借助于包括根据本技术一个实施例的电磁机械的轮内电动机，使电动机大小实现最小化，加装于各轮并独立分别、高效地控制各轮的驱动扭矩和速度，从而可以确保车辆的稳定性，提高驾驶性能。特别是不存在物理齿轮，独立地控制转子，从而反应时间短，可以迅速应对驾驶状况。
[0134]
图9显示根据本技术实施例的定子与动子(转子)之间的力。动子可以向x方向自由移动(在旋转电磁机械中，x为轴旋转方向)。动子不向y或z方向移动，z方向的力意指动子与定子之间的吸引或排斥的力的方向。
[0135]
如果定子的多相线圈以dc电流驱动，则在气隙生成交流磁场，如果动子的多相线
圈以dc电流驱动，则在气隙生成交流磁场。沿x方向具有0.01m的磁场空间周期，多相线圈的电流沿y方向实现磁场锁定，气隙的磁场沿x方向周期性地改变。
[0136]
图可以显示为复原力、用于回归稳定的平衡位置所需的x方向的力、(
‑
0.5*周期<x<0.5*周期)、以及斥力、用于将动子推向稳定的位置所需的力。(0.5*周期<x<1.0*周期)x＝0.5*周期的地点是鞍点(saddle point)。力和变位发挥动子偏移角度的周期性功能作用。在动子与定子以彼此相反极性面对面的位置存在复原力，如果满足该条件，则定义为动子和定子处于“磁场锁定(field locking)”。磁场锁定可以与定子一同保持，在动子旋转期间，动子生成另外的旋转磁场。
[0137]
磁场锁定(field locking)可以在电磁机械中形成，所述电磁机械在具有能够生成移动磁场的多相线圈的定子与具有能够另行独立地生成移动磁场的多相线圈的动子之间有具有预设间隔的空隙(air gap)，动子可以沿电流流动方向和法线方向保持预设间隔并移动。所述移动磁场在空隙聚集生成，磁场的矢量方向、电流流动的方向、移动体的移动方向具有相互垂直关系。
[0138]
磁场锁定现象是由在定子和动子各多相线圈中流动的电流所生成的磁场以磁场极性彼此相反方式保持相向的稳定状态。如果动子脱离这种稳定状态并因外部力而移动，则产生要回到原来状态的复原力，当移动距离小时，复原力与移动距离成正比，力的方向是移动方向的相反方向。
[0139]
电磁机械开始驱动前，先形成磁场锁定，驱动时，将开始驱动时的起动电流(in
‑
rush current)保持在额定水平以下并开始驱动。在驱动中始终保持磁场锁定，从而可以迅速响应在宽泛的动态运转区域要求的扭矩(torque)，可以利用双向电力传输(bi
‑
directional power transfer)功能确保安全性。
[0140]
动子和定子以彼此相反极性相向时，转子位置可以是稳定的。如果动子与定子以同极彼此面对的方式变位，则斥力将动子推向稳定的区域。复原力在相反极面对面时存在，相反，在类似的极面对面时发生斥力。
[0141]
在电动机运转中，轴杆的外部负载，例如摩擦可以施加f_ext(f_ext<0)，动子位置可以远离稳定的平衡(x<0、fx>0)。电动机意指执行将电量变换成机械能的作业的装置。
[0142]
在发电机运转中，外部负载将具有f_ext>0的动子向x方向推动，外部力可以借助于复原力fx<0而实现均衡。此时，发电机意指将机械功变换成电能的装置。
[0143]
根据本技术实施例的电磁机械的定子及动子可以以线圈阵列形成。例如，可以以如图10所示的线圈阵列形成。下面，对构成定子及动子的线圈阵列进行具体说明。
[0144]
定子包括第一线圈阵列，动子包括第二线圈阵列，所述第二线圈阵列与所述第一线圈阵列隔开预设间隔形成，在隔开的方向上具有镜像，所述第一线圈阵列包括彼此相邻形成的至少一个第一半周期及至少一个第二半周期，所述第一半周期可以包括电流流动方向互不相同的至少两个线圈，且所述第一半周期及所述第二半周期可以在相邻方向上具有镜像。
[0145]
图10是概略地示出根据本技术一个实施例的定子与动子的线圈阵列的电流流动与磁通量大小的示意剖面图。如图10所示，根据本技术一个实施例的线圈阵列2100包括第一线圈阵列2110和第二线圈阵列2120。下面，线圈阵列意指定子和动子的线圈阵列。
[0146]
第一线圈阵列2110及第二线圈阵列2120隔开预设间隔形成，在隔开的方向上具有
镜像(mirror image)。即，以x轴为对称轴，第一线圈阵列2110及第二线圈阵列2120具有镜像。其中，所谓镜像是具有以对称轴为中心而相互对应的结构，意指具有如同照镜子一样的结构。
[0147]
此时，第一线圈阵列2110包括彼此相邻形成的至少一个第一半周期及至少一个第二半周期。将第一半周期2150及第二半周期2160形成为一个周期，可以以每个空间周期λ
s
重复相同结构的周期性形态形成。第一半周期2150包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，且所述第一半周期及所述第二半周期在相邻方向上具有镜像。即，第一半周期2150以z轴为对称轴，与第二半周期2160具有镜像。
[0148]
如果参照图10，第一线圈阵列2110与第二线圈阵列2120沿z轴方向隔开预设间隔，即隔开空隙(air gap)d。第一线圈阵列2110与第二线圈阵列2120之间的间隔为了利用线圈阵列体现，可以由磁通量乃至其他部件进行设定，可以由使用者进行设定。
[0149]
第一半周期2150包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈。图10示出了第一半周期2150以多个层形成的实施例，但这只相当于一个示例，第一半周期2150可以包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈。两个线圈的电流流动方向可以彼此相反。一个线圈的电流可以向流入图10的平面内的方向( y方向)流动，另一个线圈的电流可以向流入图10的平面外的方向(
‑
y方向)流动。在线圈中当电流向一个方向流动时，在线圈中形成磁场。当电流向图10的平面内流动时，向缠绕线圈的顺时针方向形成磁场，当电流向图10的平面外流动时，向缠绕线圈的逆时针方向形成磁场。其中，第一半周期2150内包括的两个线圈可以是图10的第一半周期2150上第一层(1st upper layer)中包括的线圈。借助于由位于右侧且电流向平面外流动的线圈所生成的逆时针方向磁场与位于左侧且电流向平面内流动的线圈所生成的顺时针方向磁场，两个线圈之间的磁场向第二线圈阵列2120方向形成，磁通量被强化。
[0150]
与第一半周期2150具有镜像的第二半周期2160以不同于第一半周期的方式，在右侧形成电流向平面内流动的线圈，在左侧形成电流向平面外流动的线圈。第二半周期2160的线圈与第一半周期2150的线圈，由于电流流动方向相反地形成，因而两个线圈之间的磁场向第二线圈阵列2120的相反方向形成，磁通量被强化。
[0151]
第一线圈阵列2110及第二线圈阵列2120可以以多个层形成。可以以2层以上的多个层形成。在图10中示例性地示出为4个层，但不限于此，根据需要，层数可以更少或还包括追加层。
[0152]
第一线圈阵列2110及第二线圈阵列2120可以以3个层形成。
[0153]
第一半周期2150的第一层可以包括电流向彼此不同的方向流动的至少11个线圈。例如，所述第一层的左侧线圈是显示向平面内流动的电流的线圈，右侧线圈是显示向平面外流动的电流的线圈。第一半周期2150的第二层与所述第一层的线圈电流方向相同，但配置于比所述第一层的线圈相对更外侧。
[0154]
另外，第一半周期2150的第三层与所述第二层的线圈电流方向相反。即，所述第三层的左侧线圈是显示向平面外流动的电流的线圈，右侧线圈是显示向平面内流动的电流的线圈。另一方面，所述第三层的线圈配置于比所述第二层的线圈相对更内侧。第一半周期2150的第四层与所述第三层的线圈电流方向相同，但配置于比所述第三层的线圈相对更外侧。
[0155]
或者，第一线圈阵列2110及第二线圈阵列2120可以以下层及上层形成。其中，下层可以对应于图10的第一层，上层可以对应于图10的第三层。可以只以第一层及第三层构成而不包括第二层及第四层。
[0156]
另一方面，图10所示的第一半周期2150与第二半周期2160的电流方向是为了说明而示例性显示的，并不限于此，可以在随着时间而变化的电流方向上具有上述关系，线圈内的电流方向可以随时间而变化。另外，图10所示的所述各层内的线圈的相对位置或线圈的个数是为了说明而示例性显示的，并不限于此，可以在不违背本技术思想的范围内，变更线圈的位置或线圈个数。
[0157]
第一线圈阵列2110可以以具有上述电流分布的线圈结构形成。其中，第一线圈阵列2110与第二线圈阵列2120示例性示出为层叠的线圈结构2130，或水平层叠的线圈结构2140和竖直层叠的线圈结构2145，但不限于此，根据需要，也可以代替三维层叠结构，用具有图10所示的电流分布的平面结构替代。
[0158]
根据本技术一个实施例的线圈阵列2100具有磁通量(magnetic flux)向一个方向被强化而向其他方向被抵消的结构。即，如果参照图10，第一线圈阵列2110与第二线圈阵列2120在z轴方向上，向彼此相向的一侧，磁通量被强化，在此外的方向上，磁通量相对被抵消或表现为几乎可以忽略的程度。因此，根据本技术的线圈阵列2100具有可以在关心区域外部使泄漏磁场最小化的效果。
[0159]
图11是以2个相位差线圈阵列组来示出根据本技术实施例的线圈阵列的概略性示意剖面图。
[0160]
如果参照图11，根据本技术实施例的线圈阵列2200包括彼此出现90度相位差的用于相位a的线圈阵列组2201和用于相位b的线圈阵列组2202。两个线圈阵列组既可以具有彼此不同的相位，也可以具有彼此相同的相位。线圈阵列2200以使组交替配置的方式，将用于相位b的线圈阵列组2202配置于用于相位a的线圈阵列组2201之间。
[0161]
因此，向用于相位a的线圈阵列组2201和用于相位b的线圈阵列组2202，按相位差依次供应随时间变化的电流，从而可以形成移动磁场(图上未示出)。如果利用这种移动电磁场，则可以显示出与电磁机械的定子相同的效果。另一方面，在图11中，线圈阵列2200的相位以二相示出，但不限于此，也可以根据需要而添加组并依次交替重叠，从而实现三相以上的线圈阵列。
[0162]
图12是概略地示出根据本技术实施例的线圈阵列的电流流动与磁通量大小的示意剖面图。
[0163]
如图12所示，在根据本技术实施例的线圈阵列2300中，包括第一线圈阵列2310和第二线圈阵列2320。此时，第二线圈阵列2320与图10中示出并详细叙述的线圈阵列相同，但第一线圈阵列2310可以以图12中示出并详细叙述的作为线圈阵列特殊结构的海尔贝克阵列(halbach array)配置。另外，对于这种线圈阵列2300，在第一线圈阵列2310与第二线圈阵列2320之间磁通量可以被强化，在此处之外磁通量可以减小到相对忽略的程度或被抵消。另一方面，在图12中，将第一线圈阵列2310以海尔贝克阵列示出，但不限于此，也可以根据需要而将第二线圈阵列2320用作海尔贝克阵列，或将第一线圈阵列2310及第二线圈阵列2320全部用作海尔贝克阵列。
[0164]
图13是根据本技术实施例的线圈阵列结构的概略性示意立体图。
[0165]
如图13所示，在根据本技术实施例的线圈阵列2400中，第一线圈阵列2410与第二线圈阵列2420沿着x轴方向，按每个空间性周期重复相同的结构。另外，第一线圈阵列2410与第二线圈阵列2420在周期性结构中，长度向电流流动方向(即y轴方向)延长，具有分节的环形(toroid)或分节的螺线管(solenoid)电流分布。
[0166]
另外，包括根据本技术一个实施例的线圈阵列2400的移动电磁机械(图上未示出)可以以无铁芯结构或最小限度的铁芯来体现。因此，在电磁机械中使用最少铁芯，从而可以使效率最大化，可以使重量和大小最小化，有望能够减小因使用铁芯导致的铁芯损耗。
[0167]
另外，由根据本技术实施例的线圈阵列而生成的磁场向一个方向周期性地变化。即使不使用铁芯，只以根据本技术实施例的线圈阵列，也可以实现所有这些属性。特别是由根据本技术实施例的线圈阵列而生成的磁场可以近似为如下正弦波。
[0168]
【数学式11】
[0169][0170]
其中，λ
s
为磁场的空间性周期。就移动电磁机械而言，λ
s
为固定线圈的空间性周期(单位m)，动子线圈的空间性周期可以以λ
m
表达。这是电磁机械的定子的线圈设计要素之一。定子线圈可以包括电磁机械的多个周期。即，上标(a)表示线圈(相位)a。磁通量密度大部分向z轴方向被强化。
[0171]
另一方面，磁通量密度的其他方向成分假定足以忽略，如本技术一个实施例的线圈阵列所示，在互补的线圈阵列之间的空间，尤其是其他方向成分足以忽略。定子的磁场可以以与定子电流成正比的如下数学式表达。
[0172]
【数学式12】
[0173]
b0＝k
s
i
s
[0174]
另外，对于线圈(相位)b，根据本技术实施例的线圈阵列可以生成不同磁通量。线圈(相位)b相比线圈(相位)a在物理上移动λ
s
/4，线圈(相位)b的磁场可以以如下公式表达。
[0175]
【数学式13】
[0176][0177]
其中，k
s
为第一线圈阵列(定子)传播(2propagation)矢量，k
s
＝2π/λ
s
。第二线圈阵列(动子)的传播矢量可以以k
m
＝2π/λ
m
表示。
[0178]
根据本技术实施例的线圈阵列的分析，示例性地使用二相线圈结构执行。即使假定为这种二相线圈结构，概念也相同，一般性不受损害。这种分析也可以扩展为多相线圈结构，例如三相线圈结构，分析结果及结论也可以同样地应用于多相系统。如果需要，则二相系统与三相系统的差异可以被提及。另一方面，就三相系统而言，一般需要被称为u、v及w线圈的三组线圈。v和w线圈相比u线圈，空间相位移动λ
s
/3、2λ
s
/3。
[0179]
在根据本技术实施例的线圈阵列中，由互补的第一线圈阵列与第二线圈阵列生成的磁场具有如下特性：
[0180]
第一线圈阵列与第二线圈阵列之间的磁场向z轴方向中的一侧(即，线圈阵列之
间)被强化。除磁场被强化的一侧之外，向其他侧(即，线圈阵列外部)几乎被抵消。
[0181]
另一方面，在根据本技术实施例的线圈阵列的线圈(相位)a与线圈(相位)b中生成的磁场独立发生并重叠。另外，线圈a与线圈b在电气上具有90度相位差并驱动，生成移动磁场。由这种线圈a与线圈b重叠调制的磁场b
z
(x)可以以如下公式表达。
[0182]
【数学式14】
[0183][0184]
另一方面，如果参照数学式1和数学式3，上述数学式4可以以如下公式表达。
[0185]
【数学式15】
[0186]
b
z
(x)＝b0(k
s
x)cos(ω
s
t) b0(k
s
x)sin(ω
s
t)＝b0cos(k
s
x
‑
ω
s
t)
[0187]
其中，ω
s
是第一线圈阵列电流的周期，与第一线圈阵列电流的频率f
s
的关系为ω
s
＝2πf
s
。
[0188]
如上所述的磁通量密度的波形图案是与如下速度v
s
一同向x轴两个方向移动的移动磁场的形态。
[0189]
【数学式16】
[0190][0191]
在线圈对中，可以借助于电流的符号变化或时间调制而变更向x轴负方向移动的波动图案的方向。
[0192]
通过包括根据本技术实施例的线圈阵列的定子线圈来供应电流，从而生成磁场，沿着电流能够垂直于所述磁场而流动的线圈提供动子，从而可以制作电磁机械。
[0193]
可以利用如上所述的线圈阵列而构成移动电磁机械。根据本技术一个实施例的移动电磁机械可以包括定子及动子，且所述定子可以包括第一线圈阵列，所述第一线圈阵列可以包括彼此相邻形成的至少一个第一半周期及至少一个第二半周期，所述第一半周期可以包括电流流动方向彼此不同的至少两个线圈，且所述第一半周期及所述第二半周期可以在相邻方向上具有镜像。对根据本技术一个实施例的移动电磁机械包括的线圈阵列的详细说明，与前面说明的对根据本技术实施例的线圈阵列的详细说明对应，下面省略重复的说明。
[0194]
或者，所述定子还可以包括第二线圈阵列，所述第二线圈阵列与所述第一线圈阵列隔开预设间隔形成，在隔开的方向上具有镜像，所述动子可以在所述第一线圈阵列及所述第二线圈阵列之间形成。
[0195]
或者，所述动子可以包括第二线圈阵列，所述第二线圈阵列与所述第一线圈阵列隔开预设间隔形成，在隔开的方向上具有镜像。即，所述根据本技术实施例的线圈阵列的第一线圈阵列及第二线圈阵列可以分别为定子或动子。
[0196]
另外，所述动子可以为转子。
[0197]
假定电流可以向y轴两个方向流动的电线，假定允许动子向x轴方向移动。通过电线而流动的电流的量如果称为i，则洛伦兹力δf
x
(x)相对于电线长度1(1为磁通量预设的区域的长度)可以以如下公式表达。
[0198]
【数学式17】
[0199]
δf
x
(x)＝li
y
(x)b
z
(x)
[0200]
其中，i
y
(x)是从位置x向y方向流动的电流。通过x的函数，可以形成电流流动的电线阵列，特别是在动子上分布的电流，具有与定子相同的(空间性)周期。
[0201]
【数学式18】
[0202][0203]
其中，x
m
可以是第二线圈阵列(动子)的x方向坐标，第一阵列(定子)的x方向坐标可以用x
s
表示。
[0204]
因此，意指发生动子上的电流，这种电流可以在动子(或可以是转子)中相对移动的情形。原则上而言，电流的正弦波分布可以通过与极小的电路回路一同层叠而实现，每单位长度的电线数可以以如下公式表示。
[0205]
【数学式19】
[0206][0207]
当小电流i通过电线流动时，可以以如下公式表达。
[0208]
【数学式20】
[0209]
i0＝n0i
[0210]
实现正弦波电流密度分布并不容易。
[0211]
【数学式21】
[0212][0213]
时为h(x
m
)＝1，时为h(x
m
)＝0。
[0214]
其中，h(x
m
)是具有周期λ
s
的周期函数。例如，φ是动子的任意的初始相位值。
[0215]
图14是概略地示出由根据本技术一个实施例的线圈阵列结构而生成的磁场与电流的相互作用的概念图。
[0216]
如果参照图14，借助于由根据本技术一个实施例的线圈阵列而生成的磁场与电流的相互作用而在电流流动的电线中发生的洛伦兹力，可以沿x轴方向以如下公式表示。另一方面，在定子中发生的力，沿着x轴方向，每半周期大小相同但向相反方向发生。
[0217]
【数学式22】
[0218]
δf
x
(x)＝lb
s
i
m
cos{k
s
x
s
‑
ω
s
t}cos{k
s
(x
s
‑
v
m
t)
‑
ω
m
t
‑
φ}
[0219]
假定x
m
以相对于x
s
的速度v
m
移动。其关系如下。
[0220]
【数学式23】
[0221]
x
m
＝x
s
‑
v
m
t
[0222]
每周期的力可以如下计算。
[0223]
【数学式24】
[0224]
δf
x
(xs)＝lb
s
i
m
cos{k
s
x
s
‑
ω
s
t}cos{k
s
(x
s
‑
v
m
t)
‑
ω
m
t
‑
φ}
[0225]
δf
x
(x
s
)＝lb
s
i
m
cos{k
s
x
s
‑
ω
s
t}cos{k
s
x
s
‑
(ω
m
k
s
v
m
)t
‑
φ}
[0226]
数学式14可以以如下公式所示整理。
[0227]
【数学式25】
[0228][0229]
数学式25的第一项在空间和时间上均急速变化。与时间无关，如果力经过许多空间周期累积，则平均值消失。每个空间性周期λ
s
的力(m充分大，经m周期合并)可以以如下公式表示。
[0230]
【数学式26】
[0231][0232]
对任意周期性电流分布的周期平均力可以计算。相同傅里叶级数展开的谐波成分生成为当前平均值0，从而显示出相同的结果。
[0233]
在动子中驱动的电流的周期关系如以下公式所示。
[0234]
【数学式27】
[0235]
(ω
m
k
s
v
m
)＝ω
s
[0236]
即，在动子中发生的移动磁场意指合成的磁场与由定子生成的移动磁场实现同步。动子与定子的空间周期具有相同的值，因而动子与定子的磁极(magnetic poles)向相反侧吸引，所以磁通量路径彼此同步并被场锁定(field lock)。
[0237]
如果动子与定子彼此场锁定，则动子(转子)的位置处于平衡位置，动子与定子之间的平均磁力在平衡状态下为0。φ表示电场相位差，与距离动子与定子之间平衡的位置偏移成正比。
[0238]
【数学式28】
[0239][0240]
当φ＝0时，外力或扭矩不变，场锁定使动子位于平衡位置。如果动子从平衡状态移动，则发生磁力，动子移动到平衡位置。相反，如果对动子施加外力或扭矩，则因相反侧磁极吸引的动作而产生的磁力对应于外力。此时，动子的位置随着外力而变化。反作用的大小同定子电流与动子电流之积成正比，总磁力或扭矩与空间周期的数成正比。
[0241]
其中，如果cosφ为正且预设，则由于定子与动子(或转子)的相互作用，在动子中发生稳态力，力对抗摩擦，推动动子。此时，定子与动子的电源供应机械为了相对于摩擦保持缓慢加速或稳态，为了移动动子而供应动力。当φ＝0时，发生最大力。
[0242]
根据本技术一个实施例的移动电磁机械用作电动机时，在供应电流期间，保持如下公式所示条件。
[0243]
【数学式29】
[0244]
cos{(ω
s
‑
ω
m
k
s
v
m
)t
‑
φ}≥0
[0245]
cosφ＜0的条件是动子(转子)被外力推动时的稳态条件。负的力意指由外力来执行工作。即，是根据本技术一个实施例的移动电磁机械作为发电机而工作时。电流通过动子线圈流动，因而生成电力。
[0246]
在稳态力的情况下，动子以速度v
m
移动，电流以与由定子生成的磁场相同的速度v
s
移动。当动子与定子的频率相同且无外力时，动子保持固定的位置。但是，如果动子与定子以不同频率驱动，磁场向相同方向移动，则动子(转子)轴以v
s
‑
v
m
移动。当场旋转(2field rotation)为相反方向时，动子(转子)轴旋转速度为定子场旋转速度与动子(转子)场旋转速度之和。由此，可以实现快速旋转。
[0247]
定子中的磁场以速度v
s
移动时，可以以如下公式表示。
[0248]
【数学式30】
[0249]
v
s
＝ω
s
/k
s
[0250]
当稳态力在动子中生成时，是动子(转子)以极缓慢的加速度移动或该力与外力实现均衡的情形，此时，以匀速移动。
[0251]
图15是概略地示出具有层叠型线圈并沿水平方向应用根据本技术实施例的线圈阵列的示意剖面图。
[0252]
如果参照图15，根据本技术实施例的线圈阵列2600具有层叠型线圈，向x轴方向以周期性结构体现。此时，线圈阵列2600由向z轴方向隔开预设间隔的第一线圈阵列2610和第二线圈阵列2620体现。另外，磁通量密度向作为第一线圈阵列2610与第二线圈阵列2620之间的一侧方向被强化，除第一线圈阵列2610与第二线圈阵列2620内部的彼此相向的方向之外，磁通量密度被抵消，可以在外部使泄漏磁场最小化。
[0253]
图16是概略地示出具有层叠型线圈并以立体结构应用根据本技术实施例的线圈阵列的示意剖面图。
[0254]
如果参照图16，根据本技术实施例的线圈阵列2700具有层叠型线圈，以圆形体现。此时，根据本技术一个实施例的线圈阵列2700向辐射(radial)方向隔开预设间隔，第一线圈阵列2710与第二线圈阵列2720沿切线方向，按每个空间周期重复相同结构。另外，第一线圈阵列2710与第二线圈阵列2720彼此互补地体现。即，第一线圈阵列2710可以视为以切线方向为基准，与第二线圈阵列2720的电流分布具有镜像。另外，以圆形配置的第一线圈阵列2710与第二线圈阵列2720向辐射方向，磁通量密度向他们之间的一侧被强化，磁通量密度向他们外部的其他侧被抵消。
[0255]
另一方面，其中，第一线圈阵列2710与第二线圈阵列2720配置于圆周上，示出为大小较短且为几乎相同的大小，但不限于此，也可以在不损害本技术思想的范围内，根据需要而减小内侧圆周上的线圈阵列的大小，或增加外侧圆周上的线圈阵列的大小。
[0256]
图17是对于以立体结构应用根据本技术实施例的线圈阵列的结构的模拟结果图。
[0257]
本模拟结果图利用python程序，基于毕奥萨伐尔定律(biot
‑
savart)进行了计算。如果参照图17，显示出在对图16所示线圈阵列2700的第一线圈阵列2710与第二线圈阵列2720的空隙中间附近获得的结果。因此，在处于第一线圈阵列2710与第二线圈阵列2720之间的空隙中心，磁通量向辐射(radial)方向被强化，向轴(axial)方向或切线(tangential)方向，相对而言几乎没有磁通量。
[0258]
图18是对于以立体结构应用根据本技术实施例的线圈阵列的结构的模拟结果图。
[0259]
如果参照图18，显示出从图16所示线圈阵列2700的第一线圈阵列2710与第二线圈阵列2720起，在空隙一半大小的关心区域外侧附近获得的结果。因此，确认了在所有方向几乎没有泄漏磁通量。另一方面，所谓关心区域，意指包括第一线圈阵列2710与第二线圈阵列
2720在内的其内部。
[0260]
图19是概略地示出具有平面线圈结构并应用根据本技术实施例的线圈阵列的示意剖面图。
[0261]
如果参照图19，本技术实施例的线圈阵列2800向x轴和z轴方向周期性地体现平面线圈结构。此时，线圈阵列2800向z轴的 方向磁场被强化，向
‑
方向磁场相对变弱。
[0262]
图20是概略地示出具有平面线圈结构并以立体结构应用根据本技术实施例的线圈阵列的示意剖面图。
[0263]
如果参照图20，本技术实施例的线圈阵列2900具有平面线圈结构，以圆形体现。此时，本技术实施例的线圈阵列2900向辐射方向隔开预设间隔，以彼此互补的第一线圈阵列2910与第二线圈阵列2920体现。
[0264]
图21是对于具有平面线圈结构并立体地应用根据本技术实施例的线圈阵列的结构的模拟结果图。如果参照图19，向关心区域中空隙中心附近的辐射方向出现强磁场，向轴方向或切线方向磁场被抵消为可以忽略的程度。虽然未示出，但如图16的结果所示，确认了在关心区域之外几乎没有泄漏磁场。
[0265]
利用根据本技术实施例的线圈阵列的移动电磁机械强化了关心区域内的一侧磁场，而几乎消除了关心区域之外的泄漏磁场。另外，根据本技术一个实施例的移动电磁机械不使用或最小限度使用铁芯，从而可以使其大小和重量最小化，减小铁芯损耗，克服性能界限等。