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KR20180063237A - 인쇄 회로 기판의 손실을 제어하기 위한 구조체 및 방법 - Google Patents

인쇄 회로 기판의 손실을 제어하기 위한 구조체 및 방법 Download PDF

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KR20180063237A
KR20180063237A KR1020187012460A KR20187012460A KR20180063237A KR 20180063237 A KR20180063237 A KR 20180063237A KR 1020187012460 A KR1020187012460 A KR 1020187012460A KR 20187012460 A KR20187012460 A KR 20187012460A KR 20180063237 A KR20180063237 A KR 20180063237A
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스티븐 로버츠 쇼
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이-서킷 모터스 인코퍼레이티드
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Abstract

본 개시 내용은 인쇄 회로 기판 모터 그리고 구체적으로 모터 및 발전기에서 사용되는 인쇄 회로 기판에 관한 것이다. 인쇄 회로 기판 상의 구리로 형성되는 권선은 영구 자석 무브러시 DC(영구 자석 동기) 머신에 포함될 수 있는, 안테나, 인덕터, 변압기, 및 고정자를 형성하기 위해 사용된다. 최신의 영구 자석 재료 및 PCB 고정자를 사용하는 에너지 변환 디바이스에 대해, 자기장은 자성에 민감한 재료에 의해 강하게 국한되지 않는다. 따라서, (다층 구성에 대한) 인접한 층 상의 권선, 및/또는 권선들의 인접한 턴으로부터의 필드 간의 상호작용이 중요할 수도 있다. 이하에 개시된 구조체는 권선 내의 유효 저항을 감소시키고, 그리고 따라서 회전하는 에너지 변환 디바이스 부분 내의 감소된 전류 밀도를 달성하도록 연관된 손실을 감소시킨다. 개시된 구조체의 효과는 현재 입수 가능한 디바이스와 비교하여, 증가하는 주파수의 함수로서 손실 기구의 측정 가능한 감소이다. 이들 효과는 에너지 변환 프로세스뿐만 아니라 일반적인 제어 전략, 예를 들어, 펄스-폭 변조에 중요한 주파수 범위 내에서 상당하다.

Description

인쇄 회로 기판의 손실을 제어하기 위한 구조체 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 개시 내용은 35 U.S.C. § 119(e) 하에서 미국 특허 가출원 제62/236,407호(발명의 명칭: STRUCTURES TO REDUCE LOSSES IN PRINTED CIRCUIT BOARD WINDINGS, 출원일: 2015년 10월 2일, 발명자: Steven R. Shaw)에 대한 이득을 주장한다. 본 개시 내용은 또한 35 U.S.C. § 119(e) 하에서 특허 가출원 제62/236,422호(발명의 명칭: STRUCTURES FOR THERMAL MANAGEMENT IN PRINTED CIRCUIT BOARD STATORS, 출원일: 2015년 10월 2일, 발명자: Steven R. Shaw)에 대한 이득을 주장한다. 본 개시 내용은 또한 35 U.S.C. § 120 하에서 미국 특허 출원 일련번호 제15/199,527호(발명의 명칭: STRUCTURES AND METHODS FOR THERMAL MANAGEMENT IN PRINTED CIRCUIT BOARD STATORS, 출원일: 2016년 6월 30일, 발명자: Steven R. Shaw)에 대한 이득을 주장한다. 각각의 전술한 출원의 내용은 모든 목적을 위해, 이들의 전문이 참고로 편입된다.
본 명세서에 기술된 실시형태는 일반적으로 인쇄 회로 기판 디바이스의 손실을 감소시키는 분야에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 명세서에 개시된 바와 같은 실시형태는 전기 모터 및/또는 발전기를 위해 다층 인쇄 회로 기판 상에 만들어진 고정자의 권선 손실 관리의 분야에 관한 것이다.
본 발명자는 인쇄 회로 기판(printed circuit board: PCB) 내에서 전기 리드를 통해 높은 전류를 다루는 전류 전기 모터 및 다른 전기 디바이스가 PCB 내의 전류 흐름으로부터 발생하는 다수의 문제에 직면한다는 것을 인지하고 이해했다. 이러한 문제는, 기생 또는 와상 전류에 기인한 원치 않은 열의 생성을 포함하고, 이는 모터 또는 발전기의 회전자에 의한 파괴적 기계적 간섭 및 기계 고장뿐만 아니라 모터 또는 발전기의 작동 시 다른 비효율성을 초래할 수 있다. 전기 회로의 구역 내의 증가된 전류 밀도 흐름의 부작용으로서, 그 중에서도, 높은 전류 기울기에 의해 야기되는 PCB 내의 고온 기울기는 기판 내의 전기 리드 또는 유전체 재료의 층간 박리, 또는 국부적인 고장 또는 열화와 같은, PCB의 구조적 손상을 초래할 수도 있다. 더 중요하게, 아마도, 이들 높은 전류 밀도는 예를 들어, 전기 회로의 물리적으로 인근 구역에 기생 및 와상 전류를 생성할 수 있는 바람직하지 않은 더 큰 전자기장을 생성하도록 작용하고, 이는 결국 모터 또는 발전기 회전자 상의 드래그(drag)로서 작용할 수 있고 이에 따라 모터 또는 발전기 회전자의 전력 출력 및 효율을 감소시킬 수 있다.
이하에 기술된 유리한 피처 없이 만들어진 인쇄 회로 기판 전기 디바이스는 이들 디바이스에서 발견되는 유전체 기판의 다층판 디바이스의 경우에 PCB 표면, 또는 표면들 상에 놓이는 전류 전달 트레이스(trace) 간에 연결을 형성하도록 다양한 전략을 채용한다. 그러나, 이들 전략은 어떤 실질적인 방식으로, 전기 회로 트레이스의 부분의 향상된 전류 밀도로부터 발생하는 단점 및 그로부터의 부정적인 결과를 다루거나 인지하지 못한다.
본 개시 내용의 특정한 예시적인 실시형태는 인쇄 회로 기판 모터 및 발전기에 관한 것이다. 인쇄 회로 기판 내에서 구리로 형성되는 권선은 영구 자석 무브러시(brushless) DC(영구 자석 동기) 머신에 포함될 수 있는, 안테나, 인덕터, 변압기, 및 고정자를 형성하기 위해 사용된다. 최신의 영구 자석 재료 및 PCB 고정자를 사용하는 에너지 변환 디바이스에 대해, 자기장은 자성에 민감한 재료에 의해 강하게 국한되지 않는다. 따라서, (다층 구성에 대한) 인접한 층 상의 권선, 및/또는 권선들의 인접한 턴(turn)으로부터의 필드 간의 상호작용이 중요할 수도 있다. 이하에 개시된 구조체는 권선 내의 유효 저항을 감소시키고, 그리고 따라서 회전하는 에너지 변환 디바이스 내의 특정한 전류 밀도를 달성하도록 연관된 손실을 감소시킨다. 개시된 구조체의 효과는 현재 입수 가능한 디바이스와 비교하여, 증가하는 주파수의 함수로서 손실 기구의 측정 가능한 감소이다. 이들 효과는 에너지 변환 프로세스뿐만 아니라 일반적인 제어 전략, 예를 들어, 펄스-폭 변조에 중요한 주파수 범위 내에서 상당하다.
제1 예시적인 실시형태에서, 본 개시 내용은 적어도 하나의 유전체 층 및 복수의 전도성 층을 가진 평면의 복합재 구조체(planar composite structure: PCS)를 포함하는 전기 모터 또는 발전기 고정자의 구조체에 관한 것이다. PCS는 적어도 부분적으로 중심 원점 및 주변부를 특징으로 한다. 고정자는 또한 내측 방사상 거리(rs)로부터 외측 방사상 거리(r1)로 연장되는, 전도성 트레이스를 방사상으로 연장시키는, 복수의 제1 구성요소를 포함할 수 있고, 반경은 중심 원점으로부터 PCS의 주변부를 향하여 측정된다. 트레이스는 일반적으로 PCS 상에 각지게 배치된다. 복수의 제1 방사상으로 연장되는 구성요소는 각각 구성요소의 내측 단부 및 외측 단부에서 권선 루프, 및 다른 회로 구조체가 형성되게 하도록 연결된다. 구성요소가 이러한 루프로 연결될 때, 이하에 더 상세히 기술되는 바와 같이, 구성요소의 외측 단부는 외측 루프 상호연결부를 사용하여 연결되고 그리고 구성요소의 내측 단부는 내측 루프 상호연결부를 사용하여 연결된다. 게다가, 본 개시 내용의 일부 예시적인 실시형태에 따르면, 제1 방사상 전도성 구성요소 중 적어도 하나는 그 각각의 외측 반경 단부에서 방사상 전도성 구성요소 중 적어도 하나의 다른 방사상 전도성 구성요소에 연결된다. 또한, 제1 전도성 구성요소는 그 내측 반경 단부에서 다른 방사상으로 전도성 구성요소에 연결된다. 다수의 권선을 갖고 그리고 예를 들어, 전기 모터 또는 발전기의 고정자를 형성하는 복수의 폐루프가 발생할 수 있다.
본 개시 내용의 제2 예시적인 실시형태는 적어도 하나의 유전체 층 및 적어도 하나의 전도성 층을 구비한 PCS를 포함하는 고정자를 가진 전기 모터 또는 발전기에 관한 것이고, PCS는 적어도 부분적으로 중심 원점 및 주변부를 특징으로 한다. 고정자는 또한 중심 원점으로부터 PCS의 주변부를 향하여, 시작 반경(r0)으로부터 방사상으로 연장되고 그리고 PCS 상에 각지게 배치되는 복수의 제1 전기적으로 전도성 트레이스를 포함할 수 있다. 복수의 전도성 트레이스는 각각의 연관된 상호연결부를 통해 중심 원점으로부터 방사상으로 외향으로 PCS의 주변부를 향하여 내측 반경(r0)으로부터 방사상으로 연장되고 그리고 연관된 전도성 트레이스로부터 각지게 배치되는 적어도 하나의 다른 전도성 트레이스에 연결된다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 고정자는 적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 구비한 평면의 복합재 구조체(PCS)를 갖는다. 전도성 패턴은 각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 갖고, 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 트레이스에 그 외측 반경에서 연결된다. 제1 상호연결부가 내측 에지와 외측 에지 간에 경계를 이룬다. 제1 상호연결부는 시작 구역, 전이 구역, 및 종료 구역을 갖고, 그리고 시작 구역은 제1 전도성 트레이스로부터 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션(section)을 갖고, 그리고 종료 구역은 전이 구역으로부터 다른 전도성 트레이스로 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 갖고; 그리고 적어도 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 제2 반경의 내측 에지 섹션은, 각각 적어도 부분적으로, θS 및 rs로 시작되고 그리고 θ > θS로 평가된 코너에 대한 코너 방정식(Corner Equation),
Figure pct00001
, 또는 θ < θS로 평가되고 그리고 θS 및 rs로 종료되는 코너에 대한 등가의 반영된 버전,
Figure pct00002
을 특징으로 한다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 고정자는 적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 가진 평면의 복합재 구조체(PCS)를 갖는다. 적어도 하나의 전도성 패턴은, 각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 갖는다. 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 제1 전도성 구성요소 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 구성요소에 그 외측 반경에서 연결되고, 그리고 적어도 제1 상호연결부는 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이루고, 그리고 시작 구역, 전이 구역, 및 종료 구역을 가지며, 그리고 시작 구역은, 제1 전도성 트레이스로부터 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션과 제1 반경의 외측 에지 섹션, 및 전이 구역으로부터 다른 전도성 트레이스로 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션과 제2 반경의 외측 에지 섹션을 갖는다. 적어도 제1 반경의 내측 및 외측 에지 섹션과 제2 반경의 내측 및 외측 에지 섹션은, 각각 적어도 부분적으로, θS 및 rs로 시작되고 그리고 θ > θS로 평가된 코너에 대한 코너 방정식,
Figure pct00003
, 또는 θ < θS로 평가되고 그리고 θS 및 rs로 종료되는 코너에 대한 등가의 반영된 버전,
Figure pct00004
을 특징으로 한다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 고정자는 적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 구비한 평면의 복합재 구조체(PCS)를 갖는다. 적어도 하나의 전도성 패턴은, 각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 갖는다. 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 제1 전도성 구성요소 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 구성요소에 그 외측 반경에서 연결된다. 제1 상호연결부가 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이룬다. 제1 상호연결부는 시작 구역, 전이 구역, 및 종료 구역을 갖고, 그리고 시작 구역의 내측 에지는 제1 전도성 트레이스로부터 그 외측 반경에서 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 전이 구역으로부터 다른 전도성 트레이스로 그 외측 반경에서 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 갖는다. 적어도 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 제2 반경의 내측 에지 섹션은, 각각, 하나의 전도성 트레이스로부터 전이 구역으로 r(θ)의 선형 함수인 기울기(dr/dθ)를 특징으로 하고 그리고 여기서 기울기는 전이 구역으로부터 다른 전도성 트레이스로의 상이한 선형 함수이다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 고정자는 적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 포함하는 평면의 복합재 구조체(PCS)를 갖는다. 적어도 하나의 전도성 패턴은, 각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 갖는다. 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부의 시작 구역에 연결된다. 제1 상호연결부가 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이루고, 그리고 제1 상호연결부는 시작 구역, 전이 구역, 및 종료 구역, 그리고 하나의 전도성 트레이스의 외측 반경으로부터 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션, 및 전이 구역으로부터 다른 전도성 트레이스로 그 외측 반경에서 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 갖는다. 내측 에지와 외측 에지 간의 임의의 지점에서, 직류 여기 하의 가장 작은 전류 밀도 크기는 상기 지점을 통과하는 내측 에지와 외측 에지 간 가장 짧은 라인을 따라 평가된 가장 큰 전류 밀도 크기의 50% 미만이 아니다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 고정자는, 적어도 2개의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 가진 평면의 복합재 구조체(PCS)를 갖는다. 적어도 하나의 전도성 패턴은, 각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 유전체 표면 중 상이한 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 갖는다. 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 층간 상호연결부에 의해 상이한 표면 상의 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 트레이스에 그 외측 반경에서 연결된다. 상호연결부가 내측 에지 및 외측 에지에 의해 실질적으로 경계를 이룬다. 제1 층간 상호연결부는 제1 층 상의 시작 구역, 전이 구역, 및 상이한 층 상의 종료 구역을 갖고, 그리고 제1 전도성 트레이스로부터 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션, 및 전이 구역으로부터 다른 전도성 트레이스로 그 외측 반경에서 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 더 가지며; 적어도 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 제2 반경의 내측 에지 섹션은, 각각 적어도 부분적으로, 축방향으로 인접한 전도성 표면 구조체 상의 기생 및 와상 전류 효과를 감소시키도록 디자인된 구조를 특징으로 한다.
추가의 예시적인 실시형태에서, 고정자는 적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 가진 평면의 복합재 구조체(PCS)를 갖는다. 적어도 하나의 전도성 패턴은, 각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 갖는다. 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 제1 전도성 구성요소 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 구성요소에 그 외측 반경에서 연결된다. 제1 상호연결부가 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이룬다. 제1 상호연결부는 시작 구역, 전이 구역, 종료 구역, 그리고 연결된 제1 전도성 트레이스로부터 그 외측 반경에서 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션, 및 하나의 다른 전도성 트레이스의 외측 반경에 전이 구역을 연결하는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 갖는다. 적어도 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 제2 반경의 내측 에지 섹션은, 각각 상호연결부의 외측 전도성 부분 내의 와상 전류를 감소시키기 위한 구조를 특징으로 한다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 고정자는 적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 구비한 평면의 복합재 구조체(PCS)를 갖는다. 적어도 하나의 전도성 패턴은, 각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 가지며; 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 트레이스에 그 외측 반경에서 연결되고, 제1 상호연결부는 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이룬다. 제1 상호연결부는 시작 구역, 전이 구역, 및 종료 구역, 그리고 제1 전도성 트레이스로부터 그 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 및 외측 에지 섹션, 및 전이 구역으로부터 하나의 다른 전도성 트레이스로 그 외측 반경에서 연장되는 제2 반경의 내측 및 외측 에지 섹션을 갖는다. 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 제2 반경의 내측 에지 섹션의 적어도 각각의 기울기는, 각각 하나의 전도성 트레이스로부터 다른 전도성 트레이스로 회전각의 함수로서 단조적으로 변화되는 기울기의 값을 특징으로 한다.
추가의 예시적인 실시형태에서, 고정자는 적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 구비한 평면의 복합재 구조체(PCS)를 갖는다. 적어도 하나의 전도성 패턴은, 각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 갖고, 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 트레이스에 그 외측 반경에서 연결된다. 제1 상호연결부가 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이룬다. 제1 상호연결부는 시작 구역, 전이 구역, 종료 구역, 그리고 제1 전도성 트레이스로부터 전이 구역으로 연장되는, 제1 반경의 내측 에지 섹션과 제1 반경의 외측 에지 섹션, 및 전이 구역으로부터 하나의 다른 전도성 트레이스로 다른 전도성 트레이스의 외측 반경에서 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션과 제2 반경의 외측 에지 섹션을 갖는다. 적어도, 전이 구역의 상호연결부의 내측 에지 섹션과 외측 에지 섹션 간에, 상호연결부가 상호연결부의 하나의 단부로부터 상호연결부의 다른 하나의 단부로 전기 전도율을 상당히 감소시키지 않는 적어도 하나의 슬릿-같이 길쭉한 구역을 갖고, 슬릿-같이 길쭉한 구역은 상호연결부의 전이 구역 내의 내측 에지 섹션과 실질적으로 평행하게 연장된다.
개시 내용의 또 다른 예시적인 실시형태에서, 고정자는 적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 가진 평면의 복합재 구조체(PCS)를 갖는다. 적어도 하나의 전도성 패턴은, 각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 갖는다. 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 트레이스에 그 외측 반경에서 연결된다. 제1 상호연결부는 적어도 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이룬다. 제1 상호연결부는 시작 구역, 전이 구역, 및 종료 구역, 그리고 제1 전도성 트레이스로부터 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션, 및 전이 구역으로부터 하나의 다른 전도성 트레이스로 다른 전도성 트레이스의 외측 반경에서 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 갖는다. 제1 전도성 트레이스와 전이 구역의 시작으로의 시작 구역 간의 연결로부터 상호연결부의 내측 에지는 "CT 내측 에지" 거리로 명시된다. 예시적인 실시형태는, 제1 전도성 트레이스로부터 전이 구역을 향하여 상호연결부의 내측 에지를 따라 측정된 CT 내측 에지의 처음 20% 내에서, FEA/FEM 산출에 의해 결정된 바와 같이, 최대 전류 밀도 값의 적어도 90%를 달성한다.
도 1은 본 개시 내용의 일부 실시형태에 따라 예시되는, 적어도 하나의 유전체 층과 복수의 전도성 층 중 하나의 전도성 층을 가진 PCS를 포함하는 고정자의 평면도;
도 2a는 날카로운 코너를 구비한 엔드-턴 코너(end-turn corner)에서 전류 밀도에 대한 FEM 해결책의 컬러 예시의 흑백 복사본;
도 2b는 도 2a에 도시된 FEM 해결책의 회색조 버전;
도 3a는 반경 코너를 구비한 엔드-턴 코너 구조체의 전류 밀도에 대한 FEM 해결책의 컬러 예시의 흑백 복사본으로, 반경은 더 작은 트레이스의 절반-폭과 일치함;
도 3b는 도 3a에 도시된 FEM 해결책의 회색조 버전;
도 4a는 본 개시 내용의 예시적인 실시형태에 따른, 전류 밀도에 대한 FEM 해결책의 컬러 예시의 흑백 복사본;
도 4b는 도 4a에 도시된 FEM 해결책의 회색조 버전;
도 5는 날카로운 코너를 가진 종래 기술의 구조체에 따른 PCS를 포함하는 고정자의 평면도;
도 6은 코너가 일정한 선회 반경을 갖는, PCS를 포함하는 고정자의 평면도;
도 7은 개시 내용의 일부 실시형태에 따라, 고정자의 외측 루프 연결의 상세도를 예시한 도면으로, 각각의 연결 구성은 결국 종단 구역에 연결되는 전이 구역에 제1 시작 구역을 연결하는 것을 포함함;
도 8은 크게 확대된, z 축으로의, 모터 고정자 더미(stack up)를 예시한 도면;
도 9는 길이 방향으로 나눠지는 상호연결 트레이스를 가진 엔드-턴 루프를 예시한다;
도 10a는 도 9에 예시된 좁고 길쭉한 슬릿-같은 구역 없이, 발생한 전류 밀도를 도시한 FEM 해결책의 컬러 예시의 흑백 복사본;
도 10b는 도 10a에 도시된 FEM 해결책의 회색조 버전;
도 11a는 도 9에 예시된 좁고 길쭉한 슬릿-같은 구역을 구비한, 발생한 전류 밀도를 도시한 FEM 해결책의 컬러 예시의 흑백 복사본;
도 11b는 도 11a에 도시된 FEM 해결책의 회색조 버전이다;
도 12는 일부 실시형태에 따른, 고정자(100)의 섹션의 단면도;
도 13은 PCS 상에 배치되는 복수의 전도성 구성요소(111)를 포함하는 고정자(100)의 상세도;
도 14는 중심 원점에 근접한 고정자의 내측 영역의 상세도;
도 15는 본 개시 내용의 일부 실시형태에 따른, 연결 구성의 사시도; 및
도 16은 일부 실시형태에 따른, 적어도 하나의 유전체 층 및 복수의 전도성 층을 가진 평면의 복합재 층(PCS)을 포함하는 고정자를 제작하기 위한 방법의 흐름도.
도면에서, 동일하거나 유사한 참조 부호로 표기된 구성요소 및 단계는 달리 명시되지 않는 한, 동일하거나 유사한 구성요소 및 단계와 연관된다.
도 1을 참조하면, 본 개시 내용의 예시적인 실시형태에서, 전기적으로 구동된 모터 또는 회전하는 발전기에서 사용되는 고정자(100)의 평면도는 적어도 하나의 유전체 층 및 유전체 층 상의 전도성 트레이스(111)를 가진 복수의 기판 층을 구비한 평면의 복합재 구조체(PCS)(110)를 갖는다. 도 1에 도시된 고정자의 직경은 대략 수 ㎝ 내지 수십 미터일 수 있다. 전도성 트레이스(111)는 PCB 구조체의 외측 고리 및 내측 섹션에서 연결될 수 있는, 본 개시 내용의 실시형태에 따른, 권선 구조체의 일부일 수 있다. PCS(110)는 적어도 부분적으로 중심 원점(101) 및 외측 주변부(102)를 특징으로 한다. 고정자(100)는 반경(140)(r0)(중심 원점(101)으로부터 측정됨)으로부터 반경(142)(r1)(중심 원점(101)으로부터 측정됨)으로 PCS(110)의 주변부(102)를 향하여 방사상으로 연장되고 그리고 PCS 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스(111)를 포함한다. 제1 전도성 트레이스 중 하나 이상의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 단부에서, 일반적으로 반경(r1)에서, 제1 전도성 트레이스(들) 중 하나 이상의 다른 제1 전도성 트레이스에 그 외측 반경(r1)에서 연결된다. 외측 루프로서 명시되는, 이러한 상호연결부는 시작 구역(144), 전이 구역(148), 및 종료 구역(150)을 갖는다.
상호 보완적인 방식으로, 복수의 전도성 트레이스는 그 내측 단부에서, 반경(r0)에서, 내측 전도성 루프(151)에 의해 연결되고, 각각의 내측 전도성 루프는 유사하게 시작 구역, 전이 구역, 및 종료 구역을 갖는다. 이 방식으로, 전도성 트레이스(111)의 조합, 및 전도성 트레이스의 연결 구조체는 유전체 층(들)의 표면(들) 상에 권선 구조체를 제공한다.
더 복잡한 구조체에서, 전도성 트레이스(111)는 비아 또는 다른 내부 층 링크와 같은 내부 층 연결부를 사용하여 다른 층 상의 전도성 트레이스에 연결될 수 있다. 이들 층간 연결에서, 예를 들어, 2개(또는 그 이상)의 층 각각 상의 전도성 트레이스의 조합은 분야에서 잘 알려진 바와 같이 다층 권선의 유리한 구조체를 형성하도록 결합된다.
그러나, 하나의 전도성 트레이스(111)로부터 다음의 전도성 트레이스로 흐르는 전류가 모터 또는 발전기의 작동 시스템의 효율을 손상시키거나 감소시킬 수 있는 전자기장을 생성하지 않는다는 우려가 있다. 이러한 부정적인 효과는 예를 들어, 시스템 상의 드래그로서 작용할 수 있는, 인근의 전기적으로 전도성 구조체 내의 기생 전류 또는 와상 전류를 발생시킬 수 있다. 이하에 더 설명되는 바와 같이, 이러한 드래그는 효율을 감소시키고, 그리고 도 1의 모터 또는 발전기의 구조적 디자인에서 일반적으로 고려되지 않는다. 그러나 본 개시 내용은 상호연결 엔드 루프(151, 153)의 적절한 성형 및 디자인에 의해, 이러한 바람직하지 않은 전자기장을 상당히 감소시키는 것에 관한 것이다.
따라서, 고정자(100)는 도 1의 평면도에 예시된 층과 유사한 다수의 층을 포함할 수도 있다. 다수의 층은 모터 또는 발전기의 폴(pole)을 형성하기 위해, 보통 직렬로 연결되는 코일 또는 권선의 시퀀스를 제공하도록 배열될 수도 있다. 이어서 폴은 일반적으로 그룹으로 분리되고, 각각의 전류의 위상에 대한 적어도 하나의 그룹이 모터로 공급된다(또는 발전기에 의해 생성됨). 집합적으로, 외부의 전기 회로에 의해 적절히 제어될 때, 전도체(예를 들어, PCS(110) 내의 트레이스(111), 및 상호연결 전도성 트레이스(151 및 153))의 배열이 회전 전류 밀도 및 연관된 자기장을 생성한다. 이 회전 전류 밀도(및 자기장)는 (모터를 위한) 주변의 자기 구조체에 토크를 가할 수 있거나 (발전기를 위한) 전류 출력을 생성할 수 있다. 방사상 구조체(111)를 가진 인쇄 회로 기판의 일부("활성 영역")는 이 상호작용에 참여하도록 디자인된 고정자의 일부이다. 따라서, 고정자(100)의 활성 영역은 회전 전류를 형성하도록 상호연결 전도성 트레이스(151 및 152)를 통해 연결된 전도성 트레이스(111)를 포함할 수도 있다. 일부 실시형태는 컴팩트한(compact), 고효율 축방향 필드 동기 전기 디바이스를 형성하는, PCS(110)의 중심 원점(101)을 통과하는 샤프트에 고정된 희토류 자석의 2개의 세트를 포함한다. 비균질한 자기장과 상호작용하는 회전 전류 밀도를 포함한 활성 영역에 더하여, 고정자(100)는 주변 영역 내에 전도성 구성요소 그리고 내부 영역 내에 전도성 구성요소를 포함할 수도 있다. 전도성 구성요소는 작동하는 동안, 고정자(100)에 의해 생성된 열을 소산시킬 수 있다.
본 개시 내용의 구조체에 따르면, 예를 들어, 회전식 전기 모터 또는 발전기를 위한 평면의 PCB는 고정자 성능을 최적화하도록 성형되는 내측, 외측, 및 중간의 엔드-턴 구조체를 갖는다. 평면의 PCB 모터 고정자, 또는 평면의 복합재 고정자(PCS)에서, 엔드-턴 디자인은, 권선 계획에서 상이한 역할을 하는 엔드-턴이 단일 층 상에 공존할 수 없고 그리고 또한 총 저항을 감소시키는 방법으로서 다수의 층 상에 나타나지 못할 수 있다는 단순한 이유로 매우 중요하다. 엔드-턴에 대한 또 다른 고려사항은, 엔드-턴이 다른 전도성 재료, 예를 들어, 동일한 또는 인접한 층 상의 다른 구조체에 아주 근접하고, 이는 고주파수의 와상 전류 및 기생 부하를 초래할 수 있다는 것이다.
본 개시 내용은 이슈 둘 다를 다루고, 그리고 유한 구성요소 측정(finite element measurement: FEM)의 사용을 통해 다른 디자인 전략 및 구조체와 비교될 수 있다. 다음의 설명에서 "엔드-턴"의 사용은 내측 및 외측 단부 턴 내, 폴 그룹 간의 링크 내, 교차 층 링크 내, 전력 연결 내, 그리고 중간의 기준점 구조체 내의 유사한 피처를 포함한다고 이해되어야 한다. 본 명세서에 개시된 기술의 주요한 사용이 찢어짐(tear)과 발전기를 위한 것이 아니지만, 임의의 인쇄 회로 기판, 단일 층 또는 다층에 대한 기술의 적용은 회로의 손실을 감소시키는데 유리할 수 있다는 것을 인지하는 것이 또한 중요하다. 모터/발전기 필드 내에서, 엔드-턴의 수 및 엔드-턴의 기능이 위상(phase), 턴, 및 모터를 위한 폴의 수에 따라 가변될 것임을 주의하는 것이 또한 중요하다.
상기에 주지된 바와 같이, 내측 또는 외측 단부 턴은 수개의 연결된 구역을 갖는다. 엔드-턴의 기본 기능부는, 턴 또는 코너가 실행된 후 활성 구역 방사상 전도체 또는 트레이스로부터 미리 규정된 반경으로 전류를 연결하여, 일반적으로 평면의 표면 상의 전류의 방향을 실질적으로 방사상으로 유도된 전류로부터 각지게 유도된 전류로 변화시키는, 코너, 구역이다. 종종, 턴은 턴의 처음 연결 지점에서 좁은 폭의 방사상 트레이스에 연결되고, 방사상으로 유도된 트레이스의 폭은 평면의 활성 구역 내의 전도체의 간격 및 턴의 각진 부분을 위해 이용 가능한 공간에 의해 영향을 받는다. 예시를 위해, 그리고 고려사항 하에서 피처가 대략(국부적으로) 데카르트(Cartesian)이기 때문에, 다음의 실시형태에서 각진 이동은 x-축 상에 표시되지만 방사상 이동은 y-축 상에 표시된다. 이 경우와 축방향 필드 머신을 위한 PCS에 바로 적용 가능한 원통 좌표 경우 간에 등각 맵(conformal map)이 있다.
엔드-턴 디자인의 구조 또는 형상과 엔드-턴의 성능 간의 관계를 조사하기 위해서, 디자인된 구조체의 수개의 실시예 및 이전의 디자인의 실시예의 FEM 시뮬레이션이 각각의 구조체가 동일한 총 전류를 정확하게 전달하는 조건으로 기술된다. 구조체 내의 전류 밀도 크기의 플롯이 나중에 FEM 해결책으로부터 생산되고, 그리고 도 2 내지 도 4에 예시된다. 이들 플롯의 스케일은 플롯이 비교될 수 있도록 조정된다. 본 명세서에 제시된 컬러 도면의 흑백 버전(즉, 도 2a, 도 3a, 도 4a, 도 10a 및 도 11a)에서, 더 어두운 구역이 반드시 FEM 해결책에서 더 높은 전류 밀도 구역에 해당하진 않고 그리고 더 밝은 구역이 반드시 FEM 해결책에서 더 낮은 전류 밀도 구역에 해당하진 않는다는 것이 이해되어야 한다. 이것은, 컬러 버전에 대한 스케일의, 상단 및 하단, 각각 근방의 적색 구역 및 청색 구역이 둘 다 흑백 버전에서 더 어두운 컬러로 복사되기 때문에 참이다. 따라서, 다양한 구역 내의 관련된 전류 밀도를 더 잘 이해하기 위해, FEM 해결책의 회색조 버전(즉, 도 2b, 도 3b, 도 4b, 도 10b 및 도 11b)을 FEM 해결책의 컬러 버전의 흑백 복사본과 함께 고려하는 것이 도움이 된다.
이전의 인쇄 회로 기판 CAD 패키지가 도 5에 예시된 바와 같이, 직각 코너를 구비하며 상이한 폭의 라인을 합치는 것은 흔하다. 이 방식으로 도시된 코너를 구비한 엔드-턴은 예를 들어, 미국 특허 제7, 109,625호에 나타난다. 도 2a 및 도 2b의 FEM 생산된 전류 밀도 맵에 도시된 바와 같이, 이 구조체의 부정적인 결과는, 전류가 엔드-턴의 내측 에지 섹션(251)의 내측 코너(250)에 상당히 집중된다는 것이다. 이것은 전류의 집중화, 그리고 따라서 내측 에지 코너에서의 에너지 손실을 생성하고, 그리고 전류가 본질적으로 외측 코너 에지(252)에서 0이 된다. 내측 에지 코너에서의 전류의 집중화는 내측 에지 코너 바로 가까이에 훨씬 더 강한 자기장(H)(미터당 암페어, 또는 A/m)을 초래한다. 외측 코너 구리가 구조체의 전도율에 본질적으로 어떤 작용을 하지 않지만, 내측 코너 에지 및 PCS 상의 다른 전류원에서의 높은 전류 밀도로의 근접에 의해, 이러한 다른 소스로부터의 시변 자기장에 바람직하지 않은 기생 2차를 야기할 수 있다. 게다가, 내측 코너는 전류를 집중시키고 그리고 PCS 내의 다른 구조체와 바람직하지 않게 상호작용할 수도 있는 자기장을 생산한다. 집합적으로 이들 효과는 더 높은 주파수에서의 증가된 손실뿐만 아니라 (코너의 외측 에지에서의 구리가 상기에 주지된 바와 같이, 실질적으로 전류를 전달하지 않기 때문에) 사용된 구리량에 대한 상대적으로 더 높은 저항을 초래한다.
도 5의 구조체의 실제의 엔드-투-엔드(end-to-end) 전도율은 재료의 전도율, 두께, 및 스케일의 함수로서 예측 가능한 방식으로 가변된다. 비교를 위해 그리고 이들 다른 변수와 관계없이 엔드-턴 코너 형상의 중요성을 강조하기 위해, 도 5의 구조체의 전도율이 1.000으로 명시된다.
도 5의 형상/구조에 대해, 엔드-턴의 시작 구역(254)에 진입하는 전류가 트레이스의 전체 단면 정도에 걸쳐 실질적으로 균일하지만, 날카로운 턴을 만들 시, 내향으로 모이려는 경향을 보이는 것을 주의하는 것이 중요하다.
CAD 툴의 또 다른 통례는, 턴에서 명시된 일정한 선회 반경의 적용으로 라인을 합치는 옵션을 제공하는 것이다. 종종, 도 5의 날카로운 코너를 대체하도록 사용되는 내측 반경의 코너(642) 및 외측 반경의 코너(645)에서의 반경은 합쳐질 라인의 폭에 기초하여 선택된다. 도 6에 예시된 코너의 기하학적 구조는 이 타입의 엔드-턴 코너를 도시한다. 도 6에서, 3개의 네스팅된 엔드 루프(nested end loop)(635)가 있다는 것을 주의하라. 이 경우에, 내측 에지(640) 및 외측 에지(650)에 대한 내측 및 외측 반경은 수직 트레이스 세그먼트(segment)를 위해 사용된 개구의 반경과 동일하다. 도 6에 예시된 구조체의 작동은 도 5에 예시된 구조체에 비해 개선되지만(도 3a 및 도 3b의 FEM 시뮬레이션에 의해 도시된 바와 같음), 도 6의 구조/형상은 여전히 내측 코너 에지 근방에서 전류 집중화를 보이고, 그리고 외측 코너 에지에서 일부 구리는 여전히 상당한 전류를 전하지 못한다. 도 5에 비해 도 6에 예시된 구조체의 전도율은 1.046이다. 따라서, 도 6의 구조체가 더 적은 저항 손실을 제공하지만; 전류 밀도가 여전히 바람직하지 않게 내측 코너 에지에서 높아서, 도 5의 구조체와 관련하여 주지된 동일한 바람직하지 않은 효과를 발생시키지만, 다소 더 낮은 레벨이다.
따라서 본 명세서에 기술된 예시적인 실시형태는, 내측 코너, 그리고 구체적으로 내측 코너 에지를 따른 전류 밀도의 집중화를 상당히 감소시키는 디자인 형상 및 기능을 결정하도록, 도 2 및 도 5, 그리고 도 3 및 도 6에 예시된 이전의 구조체의 높은 전류 밀도의 추가의 감소와, 도 2 및 도 3에 예시된 전류 밀도의 고 집중화에서 발생하는 부정적인 효과의 결과적 감소를 획득할 필요를 인지한다.
도 7을 참조하면, 본 명세서에 예시된 엔드-턴 구조체는 그 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이루고, 그리고 x 및 y(또는 r 및 θ)의 제1차 미분 방정식의 국부적인 해결책에 대응한다. 이 실시예 및 바람직한 실시형태는, 엔드-턴 코너(712)의 시작 폭 및 위치(710)로부터, 코너를 통해, 엔드-턴의 x 또는 세타 유도된 부분(714)으로 연속적인 전이의 단일-변수 매개변수화에 대응한다. 이하에 더 상세히 기술되는 매끄러운 전이는 도 5 및 도 6의 실시예에서 발견되는 코너 전이의 전류의 국부적인 집중화를 방지하고 그리고 턴 내에 전류 밀도를 집중시키려는 경향을 보이지 않는다. 따라서 이전의 구조체(도 5 및 도 6)에 의해 생산되는 바람직하지 않은 자기장이 최소화된다. 턴의 매개변수화는 상이한 디자인에서 최적화 목적을 위해 사용될 수 있는 독립 변수를 제공한다. 도 4에 예시된 바와 같이, 이 엔드-턴 디자인은 전류 밀도의 집중화 및 자기장을 방지하고 그리고 도 5에 예시된 엔드-턴 구조체보다 거의 20% 더 높은, 1.197의 상대 전도율을 갖는다. 게다가, 본 개시 내용의 하나의 특정한 예시적인 실시형태에서, 내측 에지 및 외측 에지는, θS 및 rs로 시작되고 그리고 θ > θS로 평가된 코너에 대한 소위 "코너 방정식",
Figure pct00005
, 또는 θ < θS로 평가되고 그리고 θS 및 rs로 종료되는 코너에 대한 등가의 반영된 버전,
Figure pct00006
에 따라 성형될 수 있다. 이 방정식은 에지를 따른 곡률 반경의 점진적인 변화를 제공하고 그리고 에지의 시작 지점과 종료 지점에 따라 선택된, 단일의 매개변수(α)에 의해 제어 가능하다. 바람직한 실시형태에서, 기울기는 0인 2차 도함수를 가진 연속적으로 변화하는 변수이다. 이것은, 반경 에지가 시작 지점(시작 구역과 전도성 트레이스 간의 교차지점)으로부터 전이 구역으로의 r의 선형 함수인, 기울기를 특징으로 하고 그리고 기울기가 전이 구역으로부터 종료 구역의 끝으로의 상이한 선형 함수라고 말하는 것과 다름없다. 전체 루프 에지 구조체는 단일 방정식:
Figure pct00007
에 의해 개시 트레이스(111)로부터 최종 트레이스(111)로 기술될 수 있고, 여기서 rsl, θ1은 개시 트레이스(111)에서 구조체의 시작 지점이고, rs2, θ2는 구조체의 종료 지점이고, α는 코너의 매개변수이고, 그리고 rd는 구조체가 주로 각진 방향으로 연장되는 반경이다.
루프(내측 또는 외측) 내의 전류 밀도의 집중화의 방지는 시작 구역 내에서 루프의 내측 에지를 따라 전류 밀도를 측정함으로써 보여질 수 있다. 일반적으로, 전류 밀도 측정값은 시작 구역이 전도성 방사상 트레이스에 연결되는 시작 구역의 시작점에서 더 높을 것이고, 그리고 시작 구역과 전이 구역의 교차지점에서 내측 에지에서 가장 낮을 것이다. 제1 전도성 트레이스와 시작 구역 간 연결부로부터 전이 구역의 시작점으로의 상호연결부의 내측 에지 섹션이 "CT 내측 에지" 거리로 명시된다면, 그러면 예시적인 실시형태에서, 전류 밀도는, 제1 전도성 트레이스로부터 전이 구역을 향하여 상호연결부의 내측 에지를 따라 측정된 CT 내측 에지의 처음 20% 내에서, FEA/FEM 산출에 의해 결정되는 바와 같은, 최대 전류 밀도 값의 적어도 90%를 달성한다. 이것은, 피크가 인근 전도체 내의 기생 및 와상 전류에 더 부정적으로 영향을 줄 것 같은 위치에서 방사상 전도체로부터 훨씬 더 이격되어 발생하는, 도 5 및 도 6의 구조체와는 상당히 상이하다.
상기에 주지된 바와 같이, 전자기 방사원으로의 전도체의 거리는 전도체 상에 충돌하는 전자기장의 강도 및 그 부정적인 결과에 상당히 영향을 줄 수 있다. 이 "근접" 효과는 1차 전도체 내의 전류의 분포에 영향을 주도록 인접한 전도체 내의 전류에 대한 경향이고, 그 역도 마찬가지이다. 이 효과는 1차 전도체 내의 전류 분포의 변화뿐만 아니라 전도체 둘 다의 손실을 발생시키고, 그리고 전류 주파수가 증가될 때 1차 전도체의 전기 저항의 증가로 보여진다. 밀접하게 조정된 개념은: 1차 전도체 내의 시변 전류에 의해 유도된 전류 밀도에 기인하여 기생 "2차"가 되도록 DC로 회로의 일부가 아닌 전도성 재료의 경향이다. 이 효과는, (i) 주파수가 증가될 때, (ii) 자기장의 강도가 증가될 때, 그리고 (iii) 1차 전도체로의 기생 전도성 재료의 근접성이 감소될 때, 증가된다. 이들 고려사항은 예를 들어, 도 7에 예시된 코너 형상 구조체의 실시예에 의해, 전자기장의 집중화를 감소시키는 것, 그리고 가능하다면 인접한 전도체에 대한 전도체의 근접성을 감소시키는 것, 둘 다로 완화된다. 본 개시 내용의 바람직한 예시적인 실시형태에서, 이하에 명시되는 "코너 방정식"은 이들 효과 둘 다를 개선하는 것을 돕는다.
상기의 방정식 중 어느 하나에 대해, 매개변수(α)는 엔드-턴이 엔드-턴의 본질적으로 일정한 반경, 고정자 구조체의 각지게 유도된, 부분(전이 구역)에 다가가는 속도를 결정한다. 중요한 고려사항은 코너가 인근 구조체의 간섭을 방지할 필요가 있다는 것이다. 인근 구조체가 코너 방정식에 의해 기술되고 그리고 도 1에서 153으로 예시된 코너와 같은, 네스팅된 코너라면, 내측 단부 턴의 외측 에지는 인접한 외측 단부 턴의 내측 에지의 "일정한" 반경 미만이어야 한다. 게다가, α의 큰 값은, 코너 방정식에 의해 좌우되지 않는 종단 구조체와 같은, 인쇄 회로 기판 상의 인접한 구조체의 간섭 또는 최소 간격 침해를 생산할 수도 있다. 이들 고려사항을 염두에 두고, α의 적합한 값의 결정은 도 1에 도시된 트레이스와 같은 2개의 인접한 방사상 트레이스(111)의 각진 변위(δ로서 명시됨)로부터 추론될 수 있다. 예를 들어, 120개의 방사상 트레이스를 가진 일반적인 고정자에서, 각 거리(δ)는 예를 들어, 대략 3°(또는 2π/120 라디안) 이하일 수도 있다. 게다가, 최소 제조 간격이 미리결정된 디자인에 대해 가장 큰 가능한 α의 정확한 산출로 인수분해되지만, 구조체의 증가하는 DC 저항의 효과로, 완전한 엔드-턴 구조체의 폭이 감소될 수도 있기 때문에 매우 큰 α를 사용하는 것은 바람직하지 않다. 반면에, α를 매우 작은, 예를 들어 0.1 미만의 값으로 설정하는 것은 직각 코너 형상을 효과적으로 생산하고 그리고 본 명세서에 식별된 이점을 감소시킨다. 따라서, 인접한 방사상 트레이스 간의 각 거리인 α에 대한 잠재적인 "범위"는 약 0.2δ 내지 0.06δ 라디안이다.
상기에 기술된 코너 방정식에 더하여, 코너가 "날카로울" 때 보이는 효과를 또한 개선하는 엔드 루프 또는 트레이스의 코너를 형성하고 성형하는 다른 설명이 있다. 따라서, 예를 들어, 상기에 기술된 바와 같이, 그리고 도 7과 관련된 상기에 기술된 바와 같은 엔드 루프, 예를 들어, 도 7에 예시된 루프(714)의 맥락에서, 루프의 시작 및 종료 구역에서 엔드 루프의 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 제2 반경의 내측 에지 섹션은 각각 제1 전도성 트레이스로부터 전이 구역으로 r(θ)의 선형 함수인 기울기(dr/dθ)를 특징으로 하고 그리고 여기서 기울기는 전이 구역으로부터 연결될 전도성 트레이스로의 상이한 선형 함수이다.
엔드 루프 내에 코너를 형성하고 성형하는 또 다른 설명에서, 루프의 내측 에지와 외측 에지 간에 임의의 지점을 선택할 수 있고, 그리고 루프를 형성할 수 있어서, 상기 지점에서 직류 여기 하에 가장 작은 전류 밀도 크기는, 루프의 내측 에지와 외측 에지 간의 가장 짧은 라인을 따라 평가되고 그리고 상기 지점을 통과하는 가장 큰 전류 밀도 크기의 50% 미만이 아니다. 따라서 이 방식은 또한 총 전류 밀도의 부정적인 효과를 감소시킨다.
엔드 루프의 코너를 형성하고 성형하기 위한 또 다른 설명에서, 루프의 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 제2 반경의 내측 에지 섹션의 각각의 기울기는, 각각 하나의 전도성 트레이스로부터 연결될 전도성 트레이스로 회전각의 함수로서 기울기의 값을 단조적으로 변화시키는 것을 특징으로 한다. 이는 또한 코너에서의 총 전류 밀도를 감소시킴으로써 유도 전류를 감소시킨다. 총 전류 밀도를 감소시키기 위한 또 다른 방식에서, 예시적인 실시형태는, 제1 전도성 트레이스로부터 전이 구역을 향하여 상호연결부의 내측 에지를 따라 측정된 CT(상기에 규정된 바와 같음) 내측 에지의 처음 20% 내에서, FEA/FEM 산출에 의해 결정된 바와 같은, 최대 전류 밀도 값의 적어도 90%를 달성한다.
실현 가능한 고정자 디자인에서, 면외 구조체는 또한 기생 2차 구성요소를 형성할 수도 있다. 도 8은 모터 고정자 더미의 (z-축으로) 크게 확대된 도면을 도시한다. 실제의 구성에서, 구리 간의 간격은 구리 두께와 거의 동일할 것이다. 이것은 "근접성"의 개념의 상당한 복잡성을 예시하고, 이는 폴 수, 턴의 수, 등과 같은 고정자 디자인 매개변수에 기초하여 가변될 수 있다. 따라서, 도면에 도시된 바와 같이, 전도성 표면은 전체 디바이스의 필수 효율성을 유지하기 위해서 그룹(도 8에 도시된 바와 같은 3개의 그룹은 하나의 실시예 구성임)으로, 구조적으로, 기능적으로 스테거링될(staggered) 수 있다. 따라서, 예를 들어, 모든 외측 루프는 모터/발전기 고정자의 적층된 층의 최대 높이를 위해 정렬되지 않을 것이고, 그리고 이점이 판의 활성 영역과는 다른 영역에서 생성된 감소된 전자기장에서 획득될 것이다.
도 9를 참조하면, 엔드-턴 루프(700)는 그 길이의 최대로 2개 이상의 평행한 경로(704)로 길이 방향으로 나눠지는 상호연결 트레이스를 갖는다. 길이 방향의 분열(들)은 엔드-투-엔드 전도율에 관한 작은 효과를 갖지만, 시변 플럭스가 구조체에 의해 연결되는 방식을 변화시킨다. (실질적으로 없거나 0인 전기 전도율의 좁고 길쭉한 구역(들)에 의해 야기된) 슬릿(들)(706)에 의해 분리된 엔드-턴 세그먼트에서 유도된 결과로 발생한 전류 밀도는, 효과가 형상 및 크기 둘 다에 있어서, 상이한 실시형태에 걸쳐 비교될 수 있도록, 동일한 조건을 사용하여, 시뮬레이션에 의해 도 10 및 도 11에 예시된다. 게다가, 슬릿의 효과는 슬릿이 사용되지 않거나 소수의 슬릿이 사용될 때 종종 보이는 전류 밀도의 상당한 증가를 방지하는 것이다.
도 10에 나타낸 FEM 결과는 길쭉한 트레이스(1002)의 원점(1004)에서 외부 시변 필드에 의해 야기된 유도 전류의 상당한 효과를 도시한다. 유도 전류는 특히 원점, 및 원점과 수직으로 정렬된 표면 구역(1006 및 1008)에서 크다. 도 11의 길이 방향 슬릿(706)은, 엔드-턴을 위한 특정한 방사상 간격을 고려하면, 반드시 단면적을 감소시키고 그리고 따라서 엔드-턴 세그먼트의 DC 저항을 증가시킨다는 것을 주의하라. 게다가, 슬릿의 폭은 구리 두께에 의존적이고, 이는 인쇄 회로 기판이 만들어지는 포토레지스트/에칭 프로세스를 사용하여 달성 가능한 최소 피처 크기를 결정한다. 따라서, 임의의 미리결정된 디자인의 슬릿의 수는, 플럭스 누출, 다른 dB/dt 소스, 엔드-턴을 위한 방사상 간격, 및 모터 또는 발전기 디자인의 작동 속도에 의존적이다. 그러나, 유리하게, 도 11에 예시된 바와 같이, 이들 새로운 슬릿의 존재는, 원점 및 정렬된 표면 구역 둘 다에서, 고정자 디자인의 엔드-턴, 링크, 중간의, 전력 연결, 및 유사한 피처 내의 유도 전류 분포를 상당히 감소시킨다. 유도 전류의 물리적인 효과 범위가 또한 감소된다.
고정자(100)의 디자인 고려사항은 고정자 활성 영역의 전도 손실과 와상 전류 손실 간의 균형을 수반한다. 전도 손실을 감소시키기 위해서, 전도체는 더 넓어야 한다(또는 다음의 층과 평행하게 연결됨). 와상 전류 손실을 감소시키기 위해서, 시변 플럭스를 포획하는 유효 영역은 더 작아야 하고, 따라서 전도체가 더 좁아야 한다.
제3 열 소스는 전류 전달 전도체로부터의 자기장에 기인한 와상 전류를 수반한다. 이 효과는 상이한 층이 상이한 기능을 수행할 수도 있는, PCB의 내측 및 외측 구역에 있어서 고려하는 것이 중요하다.
도 12는 일부 실시형태에 따른, 고정자(100)의 부분 단면도를 예시한다. 제한 없이 그리고 예시 목적을 위해, "z" 축은 고정자(100)의 상이한 층의 적층의 방향으로 도시되고, 그리고 수직 축 'r'은 고정자의 단면을 따라 도시된다. 보이는 바와 같이, 고정자(100)는 전도성 층(161a 및 161b) 간에 샌드위치된 유전체 기판(162)을 포함할 수도 있다. 비아(125)는 전도성 층(161a 및 161b) 간의 전기 전도율을 제공한다. 또한, 전기적으로 전도성인 비아(또는 비아들)(125)는 또한 일반적으로 이들 구성요소에서 사용되는 전도성 재료(예를 들어, 구리, 알루미늄, 주석, 텅스텐, 및 파생 화합물)에 기인하여 층(161a 및 161b) 간의 열 전도율을 제공할 수도 있다. 유전체 기판(162)은 에폭시 수지 바인더를 구비한 직조된 섬유 유리(예를 들어, FR-4 등)를 포함한 복합재 재료와 같은, PCB 내에서 사용되는 임의의 재료를 포함할 수도 있다. 도 12에 예시된 바와 같이, 크로스해치되지 않은(non-crosshatched) 구역, 즉, 깨끗한 구역은 전기적으로 전도성이고 그리고 비아(125)는 하나의 표면 상의 트레이스로부터 기판의 마주보는 표면 상의 트레이스로 전기적 접촉을 제공하는 기판을 통해 연장된다.
따라서, 일부 실시형태에서, 고정자(100)는 상이한 전도성 층(161a 및 161b) 상에 위치되는, 전도성 구성요소(111) 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, 전도성 구성요소(111a)는 고정자(100)의 활성 영역 내의 복수의 전도성 구성요소(111) 중 하나의 전도성 구성요소일 수도 있고 그리고 전도성 층(161a) 상에 배치될 수도 있다. 이에 대응하여, 전도성 구성요소(111b)는 고정자(100)의 활성 영역 내의 복수의 전도성 구성요소(111) 중 하나의 전도성 구성요소일 수도 있고 그리고 상이한 전도성 층(161b) 상에 배치될 수도 있다.
도 13은 일부 실시형태에 따른, PCS(110) 상에 방사상으로 배치되는, 복수의 전도성 구성요소(111)를 포함하는 고정자(100)의 상세도를 예시한다. 전도성 구성요소(152), 내측 루프가 PCS(110) 상에 각지게 배치되고 그리고 이 예시적인 실시형태에서, 외측 루프가 슬릿(157)을 따라 나눠진다. 본 명세서에 예시된 내측 루프는 고정자의 중심에 더 가까운 이용 가능한 제한된 공간에 기인하여 나눠지지 않는다. 일부 실시형태에서, 고정자(100)는 중심 원점(101)으로부터 주변부(102)를 향하여 r1보다 더 큰 반경으로부터 방사상으로 연장되고 그리고 PCS(110) 상에 각지게 배치되는 복수의 제3 전도성 구성요소를 더 포함하고, 제3 전도성 구성요소 중 적어도 하나 및 제2 전도성 구성요소 중 적어도 하나는 일치하지만 상이한 전도성 층 상에 위치된다. 예를 들어, 그리고 대부분의 손실 없이, 제3 전도성 구성요소가 전도성 층(161a) 내에 포함될 수도 있고, 그리고 제2 전도성 구성요소(121b)가 전도성 층(161b) 내에 포함될 수도 있다.
도 13의 예시된 실시형태에서, 방사상 전도성 트레이스(111)는 중심 원점(101)으로부터의 거리(142)(r1)에서 종단 연결장치(191)로 종결될 수 있다. 이들 연결장치는 상기에 참조로 편입되고 식별되는, 공동 계류중인 미국 출원 일련번호 제15/199,527호에 더 상세히 기술된다.
도 14는 일부 실시형태에 따른, PCS(110) 상에 방사상으로 배치된 복수의 전도성 구성요소(111) 및 PCS(110) 상에 각지게 배치된 전도성 구성요소(151)를 포함하는, 고정자(100)의 중심 원점(101)에 근접한 내측 영역의 상세도를 예시한다. 중심 원점(101) 근방의 공간적 제약에 기인하여, 일부 실시형태에서 특정한 전도성 구성요소(151)만이 대응하는 전도성 구성요소(111)에 전기적으로 연결된다. 이 배열은 중심 원점(101) 근방의, 인접한 전도성 구성요소, 예컨대, 열 에너지 소산을 향상시키도록 사용되는 전도성 구성요소 간의 바람직하지 않은 전기적 접촉을 방지한다. 또한, PCS(110)의 내측 영역의 매우 제약된 공간 내의 열 전도율 및 전기 전도율의 이슈를 다루기 위해서, 전도성 구성요소, 예컨대, 엔드 루프(151)가 다층 PCS(110)의 하나의 층 상에 있는 하나의 엔드 루프 및 PCS(110)의 인접한 층 상에 있는 다른 엔드 루프를 사용하여 대체되거나 스테거링될 수 있다. 엔드 루프를 스테거링함으로써, 상이한 전도성 층에서, 엔드 루프가 동일한 전도성 층 상의 인접한 전도성 구성요소 간의 원하는 간격을 유지하면서 내향으로 연장될 수 있다. 이 특징과 일치하는 다른 스테거링 구성이 구상 중일 수도 있고, 예를 들어 비아를 통해 모든 제3 또는 제4 전도성 구성요소를 연결하는 것이 있다. 비아는 단일 기판의 표면 상의 전도성 층 사이뿐만 아니라 또한 다수의 층에 걸쳐 연장될 수 있다.
일부 실시형태는 층 간의 전기적 연결을 제공하도록 종단 구조체(115)의 외측 부분 근방의 층 간에 하나 이상의 비아를 포함한다. 이들 비아는 일반적으로 디바이스에 의해 필수 권선 구조체를 제공하도록, 인터링크(interlink) 연결에, 그리고 특히 외측 및 내측 루프와의 연결에 채용된다. 이들 연결은 필수 회로를 위해 필요한 연결을 가능하게 하도록 다수의 층을 통해 연장되는, 다수의 비아, 또는 단 하나의 비아를 채용할 수 있다. 따라서, 내측 또는 외측 루프의 시작 구역이 제1 층 상에 있을 수 있고, 또한 제2 층 상의 종료 구역, 및 전이 구역이 인터링크 연결부(예를 들어, 시작 구역에 연결되는 트레이스 와이어, 비아 또는 다른 층간 연결장치, 및 종료 구역에 연결되는 제2 연결 트레이스)를 포함할 수 있다. 이 구성에서, 예를 들어 도 7에 도시된 구성에서와 같이, 시작 구역 및 종료 구역의 트레이스는 예를 들어, 코너 방정식의 항을 충족하길 원할 것이다.
도 15는 일부 실시형태에 따른, 연결 구성(615a)의 사시도를 도시한다. 연결 구성(615a)은 2개의 상이한 전도성 층(예를 들어, 전도성 층(161a 및 161b) 내의 전도성 구성요소(111a, 111b 및 121a, 121b)를 포함하고, 종단 구조체(115)에서 전기적 연결을 형성한다. 더 구체적으로, 연결 구성(615a)은 전도성 구성요소(111a, 111b)와 전도성 구성요소(121a, 121b) 간의 전기적 연결을 제공한다.
도 16은 일부 실시형태에 따른, 적어도 하나의 유전체 층 및 복수의 전도성 층을 가진 평면의 복합재 층(PCS)을 포함하는 고정자를 제작하기 위한 방법(800)의 흐름도를 예시한다(예를 들어, 고정자(100), PCS(110), 유전체 기판(162), 전도성 층(161a, 161b)).
본 개시 내용과 일치하는 방법은, 방법(800)에 예시된 단계 중 적어도 일부를 포함할 수도 있지만, 모든 단계를 반드시 포함하지 않을 수도 있고, 일부 실시형태에서 상이한 시퀀스로 수행될 수도 있다. 또한, 본 개시 내용과 일치하는 방법은, 방법(800)이 시간적으로 중첩되거나, 거의 동시에 수행되는 바와 같이, 적어도 2개 이상의 단계를 포함할 수도 있다.
단계(802)는 각각 PCS의 중심 원점으로부터의 제1 거리로부터 시작되고 그리고 고정된 외측 반경으로 방사상으로 연장되는 유전체 기판 상의 제1 전도성 구성요소를, 본 명세서의 개시 내용에 따라, 방사상으로 배치함으로써 PCS의 하나의 표면 상에 제1 전도성 층을 형성하는 것을 포함한다. 단계(804)는 PCS의 중심 원점으로부터의 미리 규정된 거리로부터 방사상으로 연장되는 제2 전도성 구성요소를 배치함으로써, 제1 전도성 층과 마주보는 측면 상에 제2 전도성 층을 형성하는 단계를 포함한다.
단계(806)는 기판의 양면 상에, 개시 내용의 실시형태에 따라, 복수의 외측 엔드 루프를 형성하고, 그리고 본 명세서의 개시 내용에 따라, 제1 전도성 구성요소를 서로 그리고 외측 루프를 사용한 인터링크 연결을 통해 제2 전도성 구성요소에 연결시키는 것을 포함한다. 단계(808)는 기판의 양면 상에, 개시 내용의 실시형태에 따라, 복수의 내측 엔드 루프를 형성하고, 그리고 본 명세서의 개시 내용에 따라, 제1 전도성 구성요소를 서로 그리고 내측 루프를 사용한 인터링크 연결을 통해 제2 전도성 구성요소에 연결시키는 것을 포함한다. 단계(810)에서, 표면 연결부 간에 비아 또는 다른 것이 채용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 전도성 구성요소와 제2 전도성 구성요소를 연결하는 것은 열적 연결을 포함할 수도 있다. 게다가, 연결은 하나의 전도성 층으로부터 또 다른, 비인접한, 전도성 층으로 유전체 기판을 통과하는 비아(예를 들어, 비아(125)를 사용함)를 포함하는 인터링크 구조체를 가진 연결 구성을 포함할 수 있다.
당업자는 본 개시 내용이 본 개시 내용의 정신 또는 본질적인 특성을 벗어나지 않고 다른 특정한 형태로 구현될 수도 있다는 것을 깨달을 것이다. 따라서 전술한 실시형태는 본 명세서에 기술된 개시 내용을 제한한다기보다는 모든 점에 있어서 예시적인 것으로 고려된다. 따라서 본 개시 내용의 범위는 전술한 기술에 의해서라기보다, 첨부된 청구항에 의해 나타내지고, 그리고 따라서 청구항의 등가성의 범위 및 의미 내에 있는 모든 변화가 본 명세서에 포함된다고 의도된다.
본 발명의 다양한 양상이 단독으로, 결합하여, 또는 전술한 내용에 기술된 실시형태에서 구체적으로 논의되지 않은 다양한 배열로 사용될 수도 있고 그리고 따라서 이 출원에서 전술한 설명에 제시되거나 도면에 예시되는 컴포넌트의 배열 및 상세 내용으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 하나의 실시형태에 기술된 양상은 다른 실시형태에 기술된 양상과 임의의 방식으로 결합될 수도 있다.
또한, 본 발명이 방법의 실시예가 제공되는 방법으로서 구현될 수도 있다. 방법의 일부로서 수행되는 작용은 임의의 적합한 방식으로 배열될 수도 있다. 따라서, 실시형태는 작용이 예시된 순서와 상이한 순서로 수행되는 것으로 구성될 수도 있고, 이는 예시적인 실시형태에서 순차적인 작용으로 도시될지라도, 일부 작용이 동시에 수행되는 것을 포함할 수도 있다.
청구항 구성요소를 수정하기 위해서 청구항 내의 서수 용어, 예컨대, "제1," "제2," "제3" 등의 사용은, 그 자체가 하나의 청구항 구성요소에 대한 또 다른 청구항 구성요소의 임의의 우선권, 우선순위 또는 순서 또는 방법의 작용이 수행되는 시간적 순서를 함축하지 않지만, 단지 청구항 구성요소를 구별하기 위해 특정한 명칭을 가진 하나의 청구항 구성요소를 동일한 명칭을 가진 또 다른 구성요소(하지만, 서수 용어를 사용함)로부터 구별하기 위한 라벨로서 사용된다.
또한, 본 명세서에 사용되는 어구 및 전문용어는 기술의 목적을 위해 사용되고 그리고 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 본 명세서에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)" 또는 "가진(having)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", 및 그 변형의 사용은, 나중에 나열되는 물품 및 물품의 등가물뿐만 아니라 부가적인 물품을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (14)

  1. 고정자로서,
    적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 포함하는 평면의 복합재 구조체(planar composite structure: PCS)를 포함하되, 상기 전도성 패턴은,
    각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 상기 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 포함하며;
    상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 트레이스에 그 외측 반경에서 연결되고;
    적어도 상기 제1 상호연결부는 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이루고, 그리고 시작 구역, 전이 구역, 종료 구역을 가지며, 그리고 상기 시작 구역은 상기 제1 전도성 트레이스로부터 상기 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션을 갖고, 그리고 상기 종료 구역은 상기 전이 구역으로부터 상기 다른 전도성 트레이스로 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 가지며; 그리고
    적어도 상기 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 상기 제2 반경의 내측 에지 섹션은 각각 적어도 부분적으로, θS 및 rs로 시작되고 그리고 θ > θS로 평가된 코너에 대한 코너 방정식(Corner Equation),
    Figure pct00008
    , 또는 θ < θS로 평가되고 그리고 θS 및 rs로 종료되는 코너에 대한 등가의 반영된 버전
    Figure pct00009
    을 특징으로 하고, 그리고
    α는 상기 고정자의 요구된 물리적 구조에 따라 조정되는 매개변수인, 고정자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상호연결부의 전체 내측 에지 구역에 대한 상기 코너 방정식은 하기 단일 방정식을 특징으로 하는 고정자:
    Figure pct00010

    식 중, rsl, θ1은 개시 트레이스에서 상기 구조체의 시작 지점이고, rs2, θ2는 상기 구조체의 종료 지점이며, α는 상기 코너의 매개변수이고, 그리고 rd는 상기 구조체가 주로 각진 방향으로 연장되는 반경이다.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고정자는 다층 고정자이고, 그리고 하나의 전도성 트레이스의 상기 시작 구역을 상이한 층 상의 제2 전도성 트레이스의 상기 종료 구역에 상호연결하기 위한 연결 구조체를 더 포함하는, 고정자.
  4. 제1항에 있어서, 2개의 인접한 제1 전도성 트레이스 간의 각 거리는 δ 라디안이고, 그리고 α는 0.06δ 내지 0.2δ 라디안 범위인, 고정자.
  5. 고정자로서,
    적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 포함하는 평면의 복합재 구조체(PCS)를 포함하되, 적어도 하나의 상기 전도성 패턴은,
    각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 상기 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 포함하며;
    상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 제1 전도성 구성요소 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 구성요소에 그 외측 반경에서 연결되고;
    적어도 상기 제1 상호연결부는 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이루고, 그리고 시작 구역, 전이 구역, 종료 구역을 가지며, 그리고 상기 시작 구역은 상기 제1 전도성 트레이스로부터 상기 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션과 제1 반경의 외측 에지 섹션, 및 상기 전이 구역으로부터 상기 다른 전도성 트레이스로 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션과 제2 반경의 외측 에지 섹션을 가지며; 그리고
    적어도 상기 제1 반경의 내측 에지 섹션과 상기 제1 반경의 외측 에지 섹션 및 상기 제2 반경의 내측 에지 섹션과 상기 제2 반경의 외측 에지 섹션은 각각 적어도 부분적으로, θS 및 rs로 시작되고 그리고 θ > θS로 평가된 코너에 대한 코너 방정식,
    Figure pct00011
    , 또는 θ < θS로 평가되고 그리고 θS 및 rs로 종료되는 코너에 대한 등가의 반영된 버전,
    Figure pct00012
    을 특징으로 하고, 그리고
    α는 상기 고정자의 요구된 물리적 구조에 따라 조정되는 매개변수인, 고정자.
  6. 고정자로서,
    적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 포함하는 평면의 복합재 구조체를 포함하되, 적어도 하나의 상기 전도성 패턴은,
    각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 상기 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 포함하되;
    상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 제1 전도성 구성요소 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 구성요소에 그 외측 반경에서 연결되고;
    적어도 상기 제1 상호연결부는 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이루고, 그리고 시작 구역, 전이 구역, 종료 구역을 가지며, 그리고 상기 시작 구역은 상기 제1 전도성 트레이스로부터 그 외측 반경에서 상기 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션, 및 상기 전이 구역으로부터 상기 다른 전도성 트레이스로 그 외측 반경에서 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 가지며; 그리고
    적어도 상기 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 상기 제2 반경의 내측 에지 섹션은, 각각, 상기 하나의 전도성 트레이스로부터 상기 전이 구역으로 r(θ)의 선형 함수인 기울기(dr/dθ)를 특징으로 하고 그리고 상기 기울기(dr/dθ)는 상기 전이 구역으로부터 상기 다른 전도성 트레이스로의 상이한 선형 함수인, 고정자.
  7. 고정자로서,
    적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 포함하는 평면의 복합재 구조체를 포함하되, 적어도 하나의 상기 전도성 패턴은,
    각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 상기 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 포함하며;
    상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부의 시작 구역에 그 외측 반경에서 연결되고, 상기 제1 상호연결부는 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이루고, 그리고 상기 시작 구역, 전이 구역, 및 종료 구역, 그리고 상기 하나의 전도성 트레이스의 상기 외측 반경으로부터 상기 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션, 및 상기 전이 구역으로부터 상기 다른 전도성 트레이스로 그 외측 반경에서 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 가지며; 그리고 상기 내측 에지와 상기 외측 에지 간의 임의의 지점에서, 직류 여기 하의 가장 작은 전류 밀도 크기는 상기 지점을 통과하는 상기 내측 에지와 상기 외측 에지 간의 가장 짧은 라인을 따라 평가된 가장 큰 전류 밀도 크기의 50% 미만이 아닌, 고정자.
  8. 고정자로서,
    적어도 2개의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 포함하는 평면의 복합재 구조체(PCS)를 포함하되, 적어도 하나의 상기 전도성 패턴은,
    각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 상기 유전체 표면 중 상이한 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 포함하며;
    상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 층간 상호연결부에 의해 상이한 표면 상의 상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 트레이스에 그 외측 반경에서 연결되고;
    적어도 상기 제1 층간 상호연결부는 제1 층 상의 시작 구역, 전이 구역, 및 상이한 층 상의 종료 구역을 갖고, 그리고 상기 제1 전도성 트레이스로부터 상기 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션, 및 상기 전이 구역으로부터 상기 다른 전도성 트레이스로 그 외측 반경에서 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 더 포함하며;
    적어도 상기 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 상기 제2 반경의 내측 에지 섹션은, 각각 적어도 부분적으로, 축방향으로 인접한 전도성 표면 구조체 상의 기생 및 와상 전류 효과를 감소시키도록 디자인된 구조를 특징으로 하는, 고정자.
  9. 고정자로서,
    적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 포함하는 평면의 복합재 구조체(PCS)를 포함하되, 적어도 하나의 상기 전도성 패턴은,
    각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 상기 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 포함하며;
    상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 상기 제1 전도성 구성요소 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 구성요소에 그 외측 반경에서 연결되고;
    적어도 상기 제1 상호연결부가 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이루고 그리고 시작 구역, 전이 구역, 종료 구역, 그리고 연결된 제1 전도성 트레이스로부터 그 외측 반경에서 상기 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션, 및 하나의 다른 전도성 트레이스의 외측 반경에 상기 전이 구역을 연결하는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 가지며; 그리고
    적어도 상기 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 상기 제2 반경의 내측 에지 섹션은, 각각 상기 상호연결부의 외측 전도성 부분 내의 와상 전류를 감소시키기 위한 구조를 특징으로 하는, 고정자.
  10. 고정자로서,
    적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 포함하는 평면의 복합재 구조체(PCS)를 포함하되, 적어도 하나의 상기 전도성 패턴은,
    각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 상기 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 포함하며;
    상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 트레이스에 그 외측 반경에서 연결되고,
    적어도 상기 제1 상호연결부는 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이루고, 그리고 시작 구역, 전이 구역, 및 종료 구역, 그리고 상기 제1 전도성 트레이스로부터 상기 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 제1 반경의 외측 에지 섹션, 및 상기 전이 구역으로부터 상기 하나의 다른 전도성 트레이스로 그 외측 반경에서 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션 및 제2 반경의 외측 에지 섹션을 가지며; 그리고
    상기 제1 반경의 내측 에지 섹션과 상기 제1 반경의 외측 에지 섹션 및 상기 제2 반경의 내측 에지 섹션과 상기 제2 반경의 외측 에지 섹션의 적어도 각각의 기울기는, 각각 상기 하나의 전도성 트레이스로부터 상기 다른 전도성 트레이스로 회전각의 함수로서 단조적으로 변화되는 기울기의 값을 특징으로 하는, 고정자.
  11. 고정자로서,
    적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 포함하는 평면의 복합재 구조체(PCS)를 포함하되, 적어도 하나의 상기 전도성 패턴은,
    각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 상기 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 포함하며;
    상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 트레이스에 그 외측 반경에서 연결되고;
    적어도 상기 제1 상호연결부는 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이루고, 그리고 시작 구역, 전이 구역, 종료 구역, 그리고 상기 제1 전도성 트레이스로부터 상기 전이 구역으로 연장되는, 제1 반경의 내측 에지 섹션과 제1 반경의 외측 에지 섹션, 및 상기 전이 구역으로부터 상기 하나의 다른 전도성 트레이스로 상기 다른 전도성 트레이스의 상기 외측 반경에서 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션과 제2 반경의 외측 에지 섹션을 가지며; 그리고
    적어도, 상기 전이 구역의 상기 상호연결부의 상기 내측 에지 섹션과 상기 외측 에지 섹션 간에, 상기 상호연결부가 상기 상호연결부의 하나의 단부로부터 상기 상호연결부의 다른 하나의 단부로 전기 전도율을 상당히 감소시키지 않는 적어도 하나의 슬릿-같이 길쭉한 구역을 갖고, 상기 슬릿-같이 길쭉한 구역은 상기 상호연결부의 상기 전이 구역 내의 상기 내측 에지 섹션과 실질적으로 평행하게 연장되는, 고정자.
  12. 고정자로서,
    적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 포함하는 평면의 복합재 구조체(PCS)를 포함하되, 적어도 하나의 상기 전도성 패턴은,
    각각 내측 반경으로부터 외측 반경으로 방사상으로 연장되고 그리고 상기 유전체 표면 중 하나의 유전체 표면 상에 각지게 배치되는, 복수의 제1 전도성 트레이스를 포함하며;
    상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 그 외측 반경에서 제1 상호연결부에 의해 상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 다른 제1 전도성 트레이스에 그 외측 반경에서 연결되고;
    상기 제1 상호연결부는 적어도 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이루고 그리고 시작 구역, 전이 구역, 및 종료 구역, 그리고 상기 제1 전도성 트레이스로부터 상기 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션, 및 상기 전이 구역으로부터 상기 하나의 다른 전도성 트레이스로 상기 다른 전도성 트레이스의 외측 반경에서 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 가지며; 그리고
    상기 제1 전도성 트레이스와 상기 전이 구역의 시작으로의 상기 시작 구역 간의 연결로부터 상기 상호연결부의 상기 내측 에지는 "CT 내측 에지" 거리로 명시되고, 그리고 상기 제1 전도성 트레이스로부터 상기 전이 구역을 향하여 상기 상호연결부의 상기 내측 에지를 따라 측정된 CT 내측 에지의 처음 20% 내에서, FEA/FEM 산출에 의해 결정된 바와 같이, 최대 전류 밀도 값의 적어도 90%를 달성하는, 고정자.
  13. 인쇄 회로 기판으로서,
    적어도 하나의 유전체 층 및 각각의 상기 유전체 층의 표면 상의 전도성 패턴을 포함하는 평면의 복합재 구조체(PCS)를 포함하고, 상기 전도성 패턴은,
    복수의 제1 전도성 트레이스를 포함하며
    상기 제1 전도성 트레이스 중 적어도 하나의 제1 전도성 트레이스는 제 1 단부에서 서로로부터 각지게 오프셋되는 상기 전도성 트레이스의 연결된 단부에서 제1 상호연결부에 의해 적어도 하나의 다른 전도성 트레이스에 연결되고;
    적어도 상기 제1 상호연결부는 내측 에지 및 외측 에지에 의해 경계를 이루고, 그리고 시작 구역, 전이 구역, 종료 구역을 가지며, 그리고 상기 시작 구역은 상기 제1 전도성 트레이스로부터 상기 전이 구역으로 연장되는 제1 반경의 내측 에지 섹션을 갖고, 그리고 상기 종료 구역은 상기 전이 구역으로부터 상기 다른 전도성 트레이스로 연장되는 제2 반경의 내측 에지 섹션을 가지며; 그리고
    적어도 상기 제1 반경의 내측 에지 섹션 및 상기 제2 반경의 내측 에지 섹션은 각각 적어도 부분적으로, θS 및 rs로 시작되고 그리고 θ > θS로 평가된 코너에 대한 코너 방정식,
    Figure pct00013
    , 또는 θ < θS로 평가되고 그리고 θS 및 rs로 종료되는 코너에 대한 등가의 반영된 버전,
    Figure pct00014
    을 특징으로 하고, 그리고
    α는 연결된 트레이스의 요구된 물리적 구조에 따라 조정되는 매개변수인, 인쇄 회로 기판.
  14. 제13항에 있어서, 판은 다층 구조를 갖고 그리고 상기 상호연결부는 제1 판층 상의 하나의 트레이스와 제2 판층 상의 제2 트레이스를 연결하는, 인쇄 회로 기판.
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