JP2022520186A - 多重多相巻線磁場結束を利用する電磁機械 - Google Patents

多重多相巻線磁場結束を利用する電磁機械 Download PDF

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Abstract

本発明は、回転軸と、多相巻線を含む固定子、多相巻線を含み、固定子と所定間隔で離隔する移動子（回転子）、及び固定子の第１磁場及び移動子（回転子）の第２磁場を独立的に制御する制御部を含む電磁機械に関するものである。本発明に係る電磁機械は、独立的に能動制御可能な巻線型固定子と移動子（回転子）から起動や必要時トルク問題を解決できて、最小の大きさで最大駆動トルクを出すことができて、効率を最大化させることができる効果がある。【選択図】図２

Description

本発明は、多重多相巻線磁場結束を利用する電磁機械に関し、特に電磁機械（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ）に独立的に回転磁場（Ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）を生成する能動制御可能な回転子と固定子を備えてこれを独立的に制御することによってモーターとして起動（Ｓｔａｒｔｉｎｇ－ｕｐ）時や運行中要求されるトルク（Ｔｏｒｑｕｅ）を増加させることができて、方向、トルクと速度をよりよく調節することができ、発電機としては、動力源（ｐｒｉｍｅ ｍｏｖｅｒ）の不安定性を排除して、安定した電力を供給できる、広い作動範囲を有し、小さい大きさで高い効率を有するだけでなく、トルクと速度も広範囲な領域で調節できる電磁機械に関する。
多くの産業分野では、システム内に回転部材を含む可逆の電磁機械を設置しようとする要求が多い。機械が設置されたシステムの動作条件に応じて、このような回転部材の回転運動による機械的エネルギーに変換して、このような機械的エネルギーで電気エネルギーを生成するのは、発電機（Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）である。このような発電機から生成された電力は、他のシステム要素に供給したり貯蔵することができる。また、機械に電気エネルギーを供給して機械的エネルギーに変換させて回転部材を回転させて回転動力を得るのは、モーター（Ｍｏｔｏｒ）である。
このようなモーター／発電機に使われる電磁機械は、我々の生活周辺で最も広く使われる電気機器で、容量が数十Ｗの小型から数ＭＷに達する大型まで家庭と産業現場で広く使われて、特に、扇風機、洗濯機、冷蔵庫、自動車、エレベーター、ポンプ、クレーンなどに広く使われている。このような電磁機械に対する通常の要求は、費用の削減だけでなく、特に地上の車両や飛行機のような輸送手段には小型化及び軽量化である。
また、電磁機械は、固定子と回転子を含んでなる。通常固定子の巻線（Ｃｏｉｌ）に電流が流れる時発生する回転磁場によって回転子に回転トルクが発生する原理で作動する。回転トルクによって回転子が回転する力を回転動力で利用するようになる。
直流モーターは、空隙に固定磁場を使って電気子コイルを駆動してトルクを生成する。電気子を切り替えるには、電流を切り替えるために整流子が必要で、誘導モーターは、空隙で移動または回転磁場を生成する多相コイルを有する固定子を有して、回転子は、永久磁石または電磁石に由来する所定の磁場を生成して、回転子軸の速度と同じ速度で回転する。言い換えると、従来の電磁機械は軸に固定された磁場回転を有する。
直流モーターでは、機械的整流器（ブラシ）を利用するため、定期的メンテナンスが必要で、高速駆動時に困難があり、設置場所も制限がある。一方、機械的整流器がない永久磁石動機モーター（ＰＭＳＭ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）では、永久磁石を使うため、最大出力時マージンが少なく、高温時磁石性能が低下する問題点がある。
通常誘導モーターでは、起動時に負荷及びモーター自らの慣性によって発生するトルクが小さくて、正常運転まで時間が必要である。また、モーター起動時、モーター巻線には一時的に突入電流（Ｉｎ－ｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ）と呼ばれる大電流が流れるようになる。従って、誘導モーター使用時、突入電流をよく調節しなければならない問題点がある。
誘導モーターは、大きく籠型誘導モーター（Ｓｑｕｉｒｒｅｌ ｃａｇｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ）と巻線型モーター（Ｗｏｕｎｄ ｍｏｔｏｒ）に区分することができる。籠型誘導モーターの場合、構造が簡単で強固であり、運転が容易で、保守が簡単である。しかし、構造特性上起動時に大きい電流が必要で、小さいトルクを生成する。従って、頻繁な起動と停止が要求され、速度を制御する必要があって、電源容量が小さい場合には適用し難い。
また、巻線型モーターの場合には、籠型モーターに比べて起動電流が小さくて、大きいトルクを生成する。しかし、大きいトルクを生成するためにモーター自らの大きさを増加させなければならず、これは費用が増加する問題点がある。また、巻線型モーターはスリップリングを必要とする。
本発明はこのような従来の問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、独立的に能動制御可能な巻線型回転子と固定子を含んだ電磁機械を提供するところにある。
本発明の他の目的は、独立的に能動制御可能な巻線型回転子と固定子を含んだ電磁機械を利用することによって、システム規模を減らして効率を上げる二重励磁電磁機械（Ｄｏｕｂｌｙ Ａｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅ）システムを提供するところにある。
前記目的を達成するための一実現例として、本発明の一実施例に係る電磁機械は、多相巻線を含む固定子と；多相巻線を含み、前記固定子と所定間隔で離隔する移動子と；前記固定子の第１磁場及び前記移動子の第２磁場を独立的に制御する制御部と；を含む。
また、前記制御部は、前記固定子の多相巻線に印加される第１電流及び前記移動子の多相巻線に印加される第２電流を制御することによって、前記第１磁場及び前記第２磁場を制御することができる。
また、前記制御部は、前記第１電流及び前記第２電流の位相及び振幅を個別制御することができる。
また、前記制御部は、直接ワイヤリング方式、スリップリング（ｓｌｉｐ－ｒｉｎｇ）方式、及び無線誘導結合方式中少なくとも一つの方式で前記固定子の多相巻線に前記第１電流を印加したり、前記移動子の多相巻線に前記第２電流を印加することができる。
また、前記制御部は、前記電磁機械を駆動初期、前記固定子の第１磁場及び前記移動子の第２磁場が互いに結束するように制御することができる。
また、前記制御部は、前記第１磁場及び前記第２磁場の移動方向を、同じ方向または反対方向に制御することができる。
また、前記移動子は、回転軸に連結されて前記回転軸を中心に回転する回転子であり得る。
また、前記制御部は、前記固定子の第１磁場及び前記移動子の第２磁場が互いに結束を維持して、前記第１磁場及び前記第２磁場を個別制御することによって、前記回転軸のトルク及び速度を生成することができる。
また、前記電磁機械は、線形電磁機械または回転電磁機械であり得る。
また、前記固定子は、第１巻線配列を含み、前記移動子は、前記第１巻線配列と所定の間隔で離隔して形成されて、離隔した方向にミラーイメージを有する第２巻線配列を含み、前記第１巻線配列は、互いに隣り合って形成される少なくとも一つの第１半周期及び少なくとも一つの第２半周期を含み、前記第１半周期は、電流が流れる方向が互いに異なる少なくとも二つの巻線を含み、前記第１半周期及び前記第２半周期は、隣り合う方向にミラーイメージを有することができる。
また、前記第１半周期を形成する二つの巻線の間で形成される磁場の方向と前記第２半周期を形成する二つの巻線の間で形成される磁場の方向が、互いに反対であり得る。
また、前記第１半周期は、電流が流れる方向が互いに異なる少なくとも二つの巻線を含み、前記第２巻線配列と隣接する第１層；前記第１層の巻線構造と同じ電流方向を有するが前記第１層巻線構造より外側に位置した第２層巻線構造を含み、前記第１層上部に位置する第２層；及び前記第２層巻線構造と互いに反対方向の電流方向を有するが前記第２層巻線構造より内側に位置した第３層巻線構造を含み、前記第２層の上部に位置する第３層を含むことができる。
また、前記第３層の巻線構造と同じ電流方向を有するが、前記第３層巻線構造より外側に位置した第４層巻線構造を含み、前記第３層上部に位置する第４層をさらに含むことができる。
また、前記第１半周期は、電流が流れる方向が互いに異なる少なくとも二つの巻線を含み、前記第２巻線配列と隣接する下層；前記下層巻線構造と互いに反対方向の電流方向を有する上層巻線構造を含み、前記下層上部に位置する上層を含むことができる。
また、前記第１巻線配列は、複数の第１半周期及び複数の第２半周期を含み、前記第１半周期及び前記第２半周期は、隣り合う方向で周期的に形成されることができる。
また、前記第１巻線配列または前記第２巻線配列は、前記電流が流れる方向に沿って長さが延びて、分離されたトロイド（Ｔｏｒｏｉｄ）や分離されたソレノイド（Ｓｏｌｅｎｏｉｄ）電流分布を含むことができる。
前記目的を達成するための一実現例として、本発明の一実施例に係る磁場同期結合（Ｆｉｅｌｄ Ｌｏｃｋ）二重励磁電磁機械システムは、多相巻線を含む固定子；多相巻線を含み、前記固定子と所定間隔で離隔する移動子；及び前記固定子の第１磁場及び前記移動子の第２磁場を独立的に制御する制御部を含む電磁機械を含む。
これにより、前記課題解決手段を介して次のような効果が期待される。
本発明に係る独立的に能動制御可能な巻線型回転子と固定子を含んだ電磁機械は、起動時に負荷及びモーター自らの慣性によって正常運転状態より大きい起動トルクを独立的に能動制御可能な巻線型回転子から発生した回転磁場で解決することができる。従って、最小の大きさで最大駆動トルクを案出できて、効率を最大化させることができる効果がある。また、制御に係る速い動作が可能で、広い動的範囲を有して、安全な作動が可能である。
本発明に係る独立的に能動制御可能な巻線型回転子と固定子を含んだ電磁機械を利用した新概念の二重励磁電磁機械（Ｄｏｕｂｌｅ－Ｆｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅ）を海上風力発電、潮流発電、波力発電などのような新再生エネルギーシステムに適用すると、ギヤボックスがなくとも駆動トルクと速度を効率的に制御することによって、大きさを減らし効率を増加させることができる長所がある。
一方、本発明に係る独立的に能動制御可能な巻線型回転子と固定子を含んだ電磁機械を利用したインホイールモーターによると、大きさを最小化して各ホイールに装着して各ホイールの駆動トルクと速度を個別的に、効率的に制御することによって、電気自動車のような未来自動車に適用することができる。
本発明の一実施例に係る電磁機械のブロック図である。 本発明の一実施例に係る電磁機械の内部構造を図示した例示断面図である。 本発明の一実施例に係る電磁機械の内部構造を図示した他の例示断面図である。 本発明の一実施例に係る電磁機械を駆動したり制御する概略的例示図である。 本発明の一実施例に係る電磁機械に対する等価回路を図示した回路図である。 本発明の一実施例に係る電磁機械を適用した概略的な風力発電二重励磁電磁機械（Ｄｏｕｂｌｙ Ａｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅ）に対する例示図である。 本発明の一実施例に係る電磁機械を適用した概略的なインホイール（Ｉｎ－ｗｈｅｅｌ）駆動電磁機械に対する例示図である。 本発明の一実施例に係る電磁機械を適用した概略的なインホイール駆動電磁機械に対する他の例示図である。 本発明の実施例に係る固定子と移動子との間の力を示す。 本発明の一実施例に係る固定子と移動子の巻線配列に係る電流の流れと磁束の大きさを概略的に図示した例示断面図である。 本発明の実施例に係る固定子と移動子の巻線配列を２個の位相差巻線セットで図示した概略的例示断面図である。 本発明の実施例に係る固定子と移動子の巻線配列に係る電流の流れと磁束の大きさを概略的に図示した例示断面図である。 本発明の実施例に係る固定子と移動子の巻線配列構造の概略的な例示斜視図である。 本発明の実施例に係る固定子と移動子の巻線配列構造によって生成した磁場と電流の相互作用を概略的に図示した概念図である。 本発明の実施例に係る固定子と移動子の巻線配列を積層型巻線を有して水平方向に適用した概略的図示した例示断面図である。 本発明の実施例に係る固定子と移動子の巻線配列を積層型巻線を有して立体的構造に適用した概略的図示した例示断面図である。 本発明の実施例に係る固定子と移動子の巻線配列を立体的構造適用した構造に対するシミュレーション結果図である。 本発明の実施例に係る固定子と移動子の巻線配列を立体的構造適用した構造に対するシミュレーション結果図である。 本発明の実施例に係る固定子と移動子の巻線配列を平面巻線構造を有して適用した概略的図示した例示断面図である。 本発明の実施例に係る固定子と移動子の巻線配列を平面巻線構造を有して立体的構造に適用した概略的図示した例示断面図である。 本発明の実施例に係る固定子と移動子の巻線配列を平面巻線構造を有して立体的に適用した構造に対するシミュレーション結果図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明することにする。本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すると明確になる。しかし、本発明はここで説明される実施例に限定されず互いに異なる形態で具体化されることもできる。かえって、ここで紹介される実施例は開示された内容が徹底して完全になるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝達できるようにするために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によって定義されるだけである。一方、明細書全文に亘って同一参照符号は同じ構成要素を指し示す。
本明細書で使われた用語は、実施例を説明するためのものであって本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数形は文面で特に言及しない限り複数形も含む。明細書で使われる‘含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）’及び／または‘含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）’は、言及された構成要素、段階、動作及び／または素子は一つ以上の別の構成要素、段階、動作及び／または素子の存在または追加を排除しない。また、好ましい実施例に従ったものであるため、説明の順序により提示される参照符号はその順序に必ずしも限定されない。これに加えて、本明細書で、ある成分や部品が言及される場合やそれ以外の成分や部品が排除されるのではなく、必要な場合別の成分や部品も追加で介在することもできることを意味する。
本明細書で提供された説明及び例示は、説明的な目的で提示されたものであって、添付された請求項の範疇（ｓｃｏｐｅ）を制限するように意図されない。本明細書は、本発明の原理を例示するためのものと考慮されるべきで、記述された実施例の請求項及び／または本発明の思想（ｓｐｉｒｉｔ）及び範疇を制限するように意図されない。本技術分野に属した通常の技術者は、本発明の特定のアプリケーションに対して本発明を変形することができるはずである。
また、本明細書で記述する実施例は、本発明の理想的な例示図である断面図及び／または平面図を参考にして説明される。図面において、膜及び領域の厚さは、技術的内容の効果的な説明のために誇張されている。従って、製造技術及び／または許容誤差などにより例示図の形態が変形されることができる。従って、本発明の実施例は図示された特定形態に制限されるのではなく、製造工程により生成される形態の変化も含むものである。例えば、直角で図示されたエッチング領域はラウンドされるか所定曲率を有する形態であり得る。従って、図面で例示された領域を概略的な属性を有して、図面で例示された領域の形は、素子の領域の特定形態を例示するためのものであって発明の範疇を制限するためのものではない。
本発明の一実施例に係る電磁機械は、固定子１１０、移動子１２０、及び制御部１３０を含む。
固定子１１０及び移動子１２０は、各々多相巻線１１１、１２１を含み、互いに所定の間隔（ｄ）で離隔して形成される。制御部１３０は、前記固定子の第１磁場及び前記移動子の第２磁場を独立的に制御する。多相巻線に流れる電流の方向を制御することによって、電流によって磁場が形成されるが、多相巻線に流れる電流を制御することによって磁場の移動や方向を制御することができる。
制御部１３０は、固定子の多相巻線１１１に印加される第１電流及び移動子の多相巻線１２１に印加される第２電流を制御することによって、前記第１磁場及び前記第２磁場を制御することができる。また、前記制御部は、第１電流及び第２電流の位相及び振幅を個別制御することができる。
制御部１３０は、電磁機械を駆動初期、前記固定子の第１磁場及び前記移動子の第２磁場が互いに結束するように制御できて、前記第１磁場及び前記第２磁場の移動方向を同じ方向または反対方向に制御することができる。
ここで、移動子１２０は、回転軸に連結されて前記回転軸を中心に回転する回転子であってもよく、制御部１３０は、固定子の第１磁場及び移動子の第２磁場が互いに結束を維持して第１磁場及び第２磁場を個別制御することによって、前記回転軸のトルク及び速度を生成することができる。
固定子１１０と移動子１２０は、原形であり共通軸を有するように形成されることができる。線形アレーで配列された多相巻線１１１、１２１は、線形モーターに適用されることができる。また、線形及び回転電磁機械のいずれに適用されることができる。
固定子と移動子との間に小さいエアーギャップが存在して、ここで移動子は、固定子に対して共通軸を中心に自由に回転することができる。固定子の多相巻線に電流が流れると、空隙で周期的磁場が生成される。類似するように、電流が移動子の多相巻線に流れると、エアーギャップで周期的磁場が生成される。
固定子の多相巻線が適切な位相差を有する正弦波入力電流によって励起されると、エアーギャップで動く磁場が生成されて、移動子の多相巻線が適切な位相差を有する正弦波入力電流によって励起されると、エアーギャップで移動磁場が生成される。
移動子が固定子に対して一定の速度で移動する場合、移動子の多相巻線を介して一定の電流によって生成された磁場は、移動子が移動するにつれ移動することになる。移動子の多相巻線を介した正弦波電流は、移動子の回転軸に対して回転磁場を生成する。移動子が回転すると、エアーギャップ内のフィールドの回転はフィールド回転速度と軸回転速度の組み合わせによって決定された速度で回転する。
停止座標系と関連して移動子によって生成されるエアーギャップにおける磁場の速度は、移動子巻線の電流によって生成された磁気要素の速度と移動子の速度の組み合わせである。
固定子及び移動子に提供された多相巻線は、電流が流れる時各巻線が角度の関数としてエアーギャップで周期的磁場を生成する二個以上の個別巻線を意味する。３６０度角度で整数の空間周期または周期を含むことができる。位相コイルが二個以上である場合、第２巻線は、第１巻線に対して固定された角度だけオフセットされて位置される。例えば、２相巻線の場合、１／４周期（または電気角度（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｇｌｅ）９０度）だけシフトされて３相コイルの場合、１／３周期だけ角度でシフトできる（または電気角度１２０度）。
巻線に電流を供給することによって、すべての巻線によって生成された総磁場は、各巻線を介したて電流によって生成された磁場の和になる。巻線の電流量を変化させることによって磁場の位相と振幅を変更することができる。
多相巻線に対する多相電流は、スリップリングまたは無線誘導結合を含む別の結合手段によって固定子及び固定子に対して自由に回転する移動子に供給されることができる。多相電流は、電力及び制御信号が電磁機械に伝達できるようにする固定ワイヤーまたは別の結合手段を介して電磁機械に供給されることができる。
本発明の一実施例に係る電磁機械は、固定子及び／または移動子巻線で異なる位相で供給される時変電流によって生成された回転磁場を利用する。電流が多重巻線に供給される時、整数多重サイクル磁場変動を生成する。
固定子と移動子によって生成された磁場の各周期の数は、同じであってもよい。移動子と固定子が、各々の電流によって磁化される時、互いに磁場結束状態にあるようになる。換言すると、移動子は固定子によって生成された磁場に固定された角度位置に位置されて、移動子によって生成された磁場と互いに引かれるようになる。固定子の多相巻線で電流の位相が変わるにつれ、移動子の位相電流は固定される一方、電流の位相が変わるにつれ固定子によって生成されたエアーギャップにおける磁場パターンが移動する。固定子磁場が移動するにつれ移動子磁場が共に移動して、フィールドロックを維持する。固定子位相が変わらないで移動子電流の位相が変わるにつれ似たようなイベントが発生する可能性がある。
固定子及び移動子の巻線の電流が変わると、多数の位相巻線によって生成された磁場が移動することができる。電流が固定子及び回転子のいずれにおいて正確に同じ方式で時間変化して、同じ方式で同じ磁場の回転を生成する場合、同じ方式で、磁場結束は移動子が反対方向に磁場回転速度の二倍回転して、その反面、固定子と移動子の磁場回転が、反対方向である場合、磁場結束によって移動子が停止状態を維持するようになる。
固定子の移動磁場の回転速度が移動子の速度及び周波数によって決定される移動子によって生成される移動磁場の速度の和と同じである時、磁場結束が形成される。
移動子と反対方向に移動子を引っ張る外力があると、機械的動力が移動子に伝達される。この場合、電磁波及び電流で小さい位相変移が生じることになる。外力は、磁場と電流によって動く要素から発生する力によって均衡を保つようになる。例えば、固定子電流振幅が固定されて、固定振幅高調波移動磁場を生成すると、移動素子電流振幅を増加させるようになる。
位相の独立的かつ同時的な制御により、固定子と移動子で電流の周波数と振幅は、ペイロード及び電磁機械の保護だけでなく広範囲な動的制御を提供することができる。
図２は、本発明の一実施例に係る独立的に能動制御可能な巻線型回転子と固定子を含んだ電磁機械の内部構造を図示した概略的例示断面図である。図２は、移動子が回転子で回転軸に連結されて固定子と間隔を維持して回転する回転電磁機械で、以下、図２の電磁機械を例で説明する。図２は、一つの実現例示で本発明の実施例に係る電磁機械はこれに限定されないのは当然である。
図２に図示したように、本発明の実施例に係る電磁機械１１００は、ケース１１１０の内側に固定される固定子（Ｓｔａｔｏｒ）１２０と、ケース１１１０を貫く回転軸（Ｓｈａｆｔ）１３０、回転軸１１３０を囲む回転子（Ｒｏｔｏｒ）１４０、固定子１１２０及び回転子１１４０の一端に置かれた制御部１１５０を含んで構成されることができる。ここでは、例示的に説明するためにケース１１１０の内部の固定子１１２０と、回転軸１１３０、回転子１１４０、制御部１１５０の位置を特定しているが、これに限定されず本発明の思想に違背されない範囲で適切な位置を再配置してもよい。
ここで、回転軸１１３０は、ケース１１１０の中心部を長さ方向に貫いて配置される。また、回転軸１１３０が支持されるケース１１１０の両端には、ベアリング１１６０が備えられる。一方、回転可能なケース１１１１は、制御部１１５０の外側に配置されて、外部電力線（図示せず）が回転時に絡まらないようにする。ここでは、ケース１１１０は、回転可能なケース１１１１を置いて外部電力線が絡まらないように例示的に図示したが、これに限定されず電力線を無線で供給したり別の方式で伝達する場合、これを固定することもできる。一方、制御部１１５０と固定子１１２０及び回転子１１４０の間の間隔（ｓ）は、無線電力及び信号供給時一側が高速で回転するので必要である。
また、ケース１１１０の内周面には、固定子１１２０が付着固定されて、固定子１１２０は、多相巻線（図示せず）を含む。固定子１１２０の内側では、回転軸１１３０と、固定子１１２０と中心を共有して、回転子１１３０方向に固定子１１２０と所定間隔、すなわち空隙（Ａｉｒ ｇａｐ，ｄ）で離隔して、回転軸１１３０を含む回転子１１４０が備えられる。一方、本発明に係る一実施例での回転子１１４０は、多相巻線（図示せず）を含む。
また、ケース１１１０の内部の固定子１１２０と、回転軸１１３０、回転子１１４０の一端には、電力をやりとりするための制御部１１５０を含む。この時、制御部１１５０は、固定子１１２０に第１電力を供給して第１回転磁場（図示せず）を発生させることができ、供給される前記第１電力を調節して、前記第１回転磁場の大きさ、周波数などを制御することができる。ここで、前記第１電力は、直接ワイヤリング方式（図示せず）、スリップリング（ｓｌｉｐ－ｒｉｎｇ）方式（図示せず）、無線誘導結合方式（図示せず）及びこれらの組み合わせから選択されたいずれか一つの方式で制御部１１５０から固定子スイッチング部１１２５を介して固定子１１２０の前記多相巻線に電力をやりとりする。また、固定子スイッチング部１１２５は、パルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）が起きる部分で、インバータとコンバータを含んで構成される。ここでは、固定子スイッチング部１１２５を固定子１１２０の一端に結合して例示的に図示したが、これに限定されず固定子スイッチング部１１２５を制御部１１５０に含ませることもできる。
また、制御部１１５０は、回転子１１４０に第２電力を供給して、前記第１回転磁場と独立的に第２回転磁場（図示せず）を発生させることができて、供給される前記第２電力を調節して前記第２回転磁場の大きさ、周波数などを制御することができる。ここで、前記第２電力は、スリップリング方式（図示せず）、無線誘導結合方式（図示せず）及びこれらの組み合わせから選択されたいずれか一つの方式で、制御部１１５０から回転子スイッチング部１１４５を介して回転子１１４０の前記多相巻線に電力をやりとりすることになる。
一方、制御部１１５０は、直接ワイヤリング方式（図示せず）、スリップリング方式（図示せず）、無線誘導結合方式（図示せず）及びこれらの組み合わせから選択されたいずれか一つの方式で固定子１１２０に制御命令を伝達することができる。また、制御部１１５０は、スリップリング方式（図示せず）、無線誘導結合方式（図示せず）及びこれらの組み合わせから選択されたいずれか一つの方式で回転子１１４０に制御命令を伝達することができる。この時、制御部１１５０が、固定子１１２０と回転子１１４０に各々第１電力と第２電力を無線誘導結合方式で供給する時、無線誘導結合方式で伝達される制御命令とは、互いに異なる周波数を利用して干渉を回避することができる。
図３は、本発明の一実施例に係る独立的に能動制御可能な巻線型回転子と固定子を含んだ電磁機械の内部構造を図示した概略的例示断面図である。
図３に示したように、本発明の一実施例に係る独立的に能動制御可能な巻線型回転子と固定子を含んだ電磁機械１２００は、ケース１２１０の内側に固定される固定子１２２０と、ケース１２１０を貫く回転軸１２３０、回転軸１２３０を囲む回転子１２４０、固定子１２２０及び回転子１２４０の一端に置かれた制御部１２５０を含んで構成されることができる。図３を参照すると、本発明の一実施例に係る電磁機械１２００は、制御部１２５０で固定子１２２０と回転子１２４０を固定子スリップリング１２２１と回転子スリップリング１２４１を介して実現する例示である。ここでは、制御部１２５０は、ケース１２１０の内部に配置するものと例示的に図示したが、これに制限されず制御部１２５０をケース１２１０の外部に配置してもよい。
図４は、本発明の一実施例に係る電磁機械を駆動したり制御する概略的例示図である。
図４を参照すると、固定子１３２０を駆動するためには、制御部１３５０の制御命令１３５２が制御回路１３５１を経て固定子スイッチング部１３２５に伝達される時、電力供給装置／グリッド１３７０から固定子スイッチング部１３２５を経て固定子１３２０の多相巻線（図示せず）に第１電力を供給して、第１回転磁場（図示せず）を生成する。一方、固定子１３２０を制御するためには、制御部１３５０の制御命令１３５２が制御回路１３５１を経て固定子スイッチング部１３２５に伝達される時、固定子１３２０から発生する電力（図示せず）が固定子スイッチング部１３２５を経て電力供給装置／グリッド１３７０に供給される。
また、回転子１３４０を駆動するためには、制御部１３５０の制御命令１３５２が制御回路１３５１を経て回転子スイッチング部１３４５に伝達される時、電力供給装置／グリッド１３７０から回転子スイッチング部１３４５を経て回転子１３４０の多相巻線（図示せず）に第２電力を供給して、第２回転磁場（図示せず）を生成する。一方、回転子１３４０を制御するためには、制御部１３５０の制御命令１３５２が制御回路１３５１を経て回転子スイッチング部１３４５に伝達される時、回転子１３４０から発生する電力（図示せず）が回転子スイッチング部１３４５を経て電力供給装置／グリッド１３７０に供給される。
一方、前記第２回転磁場は、固定子１３２０に含まれたセンサー１３８０を介して前記第１回転磁場の大きさ、周波数などを測定して、測定値１３５３を制御回路１３５１に伝達して、前記第２回転磁場の大きさ、周波数などと比較することによって、電磁機械のトルク及び効率を最適化するために、固定子１３２０と回転子１３４０を能動的に制御する。また、前記第１回転磁場も回転子１３４０に含まれたセンサー１３８０を介して前記第２回転磁場の大きさ、周波数などを測定して、測定値１３５４を制御回路１３５１に伝達して、前記第１回転磁場の大きさ、周波数などと比較することによって、電磁機械のトルク及び効率を最適化するために、固定子１３２０と回転子１３４０を能動的に制御する。一方、センサー１３８０は、固定子１３２０と回転子１３４０中少なくとも一つ以上の動的運営状態（トルク、電流、電圧、位置、速度など）を測定して、電磁機械の使用を最適化するために使う。また、センサー１３８０を介して確保した動的運営状態測定値だけでなく電力供給装置／グリッド１３７０の状態情報を介して電磁機械を効率的運行及び安全に運用することができる。
図５は、本発明の一実施例に係る独立的に能動制御可能な巻線型回転子と固定子を含んだ電磁機械に対する等価回路を図示した回路図である。
図５に図示した通り、本発明の一実施例に係る独立的に能動制御可能な巻線型回転子と固定子を含んだ電磁機械の等価回路１４００は、固定子の等価回路１４２０と回転子の等価回路１４４０を含む。この時、本発明の一実施例に係る電磁機械は、９０゜位相差を有する２相巻線と例示的説明のために記述したが、これに限定されず多相巻線の場合にも当業者なら容易に適用することができる。ローレンツ法則に係る力は、次の数式で表現されることができる。
Figure 2022520186000002
 ここで、Ｆは電線に生じる力で、ｌは棒型電線の長さで、ＢＳは固定子コイルに流れる電流によって生成された磁場の大きさで、ｉｒは移動子電線に流れる電流値である。
本発明の一実施例に係る電磁機械等価回路１４００では、固定子の等価回路１４２０で発生する回転磁場は、Ｚ軸方向に発生して、回転子の等価回路１４４０で供給される電流は、Ｙ軸方向に供給されるとして、次式で表現されることができる。特に、固定子の巻線Ａに流れる電流によって生成された磁束は、正弦波に近似されることができて、次の数式で表すことができる。
Figure 2022520186000003
固定子巻線は、電磁機械の様々なサイクルを有することができる。数２で上付き文字Ａは、巻線（位相）Ａを意味する。また、固定子の位相Ａ巻線には磁束（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｌｕｘ）が発生する。そして、位相Ｂ巻線は、位相Ａ巻線に対して電気的に９０゜位相差が生じて、位相Ｂ巻線に流れる電流によって生成された磁束は次の数式で表すことができる。
Figure 2022520186000004
従って、固定子巻線に流れる時差を置いて変化する電流によって、位相Ａ巻線と位相Ｂ巻線が重なって、下記のように移動磁場が形成される。これは次の数式で表すことができる。
Figure 2022520186000005
固定子巻線に流れる電流によって生成された回転磁場と類似するように回転子巻線に流れる電流は、正弦波に近似されることができる。回転子の位相Ａ巻線に流れる電流は、次の数式で表すことができる。
Figure 2022520186000006
そして位相Ｂ巻線は、位相Ａ巻線に対して９０゜位相差が生じて、回転子の位相Ｂ巻線に流れる電流は次の数式で表すことができる。
Figure 2022520186000007
従って、回転子巻線に流れる電流は、位相Ａ巻線と位相Ｂ巻線の重なりで下記のように表すことができる。これは次の数式で表現することができる。
Figure 2022520186000008
電磁機械の発生するローレンツ力Ｆ（ｘ，ｔ）は、数４と数７から次の数式で表現されることができる。ここでは、ローレンツ力は固定子から生成された磁場と回転子から生成された電流の相互作用で分析したが、これは例示に過ぎずその反対の場合とも解釈が可能である。
Figure 2022520186000009
ここで、φは回転子と固定子との間の位相差である。また、ｘｍがｘｓに比べて速度ｖｍ（固定子巻線に対して）で動いていると仮定すると、次の数式で表現されることができる。
Figure 2022520186000010
電磁機械の等価回路１４００で解釈されるトルクは、固定子の等価回路１４２０と回転子の等価回路１４４０から解釈されることができる磁場に比例して、次式で表現されることができる。ここでは、トルクは、固定子と回転子で発生する磁場と解釈したが、これは例示に過ぎず固定子と回転子で発生する電流と解釈することもできる。
Figure 2022520186000011
この時、Ｂｉｏｔ－Ｓａｖａｒｔ法則により回転子の等価回路１４４０で解釈される磁場は、回転子巻線に流れる電流に比例する。従って、数９からトルクは、独立的に能動制御可能な固定子と回転子に流れる電流に各々比例する。一方、通常のモーターの場合、回転子に流れる電流は、固定子から誘起や派生してこれを制御するためには、固定子を制御しなければならない。従って、本発明に係る電磁機械は、固定子と回転子の独立電流の組み合わせで駆動できて、電磁機械運用時に可能なトルク範囲が広く、反応時間も減らすことができて、効率も最適化することができる。また、本発明の一実施例に係る電磁機械運用時、安全性を確保しやすい。
図６は、本発明の一実施例に係る電磁機械を含んだ概略的な新概念の風力発電二重励磁電磁機械（Ｄｕａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅ）に対する例示図である。図６では、風力発電に対する例示だけを説明するが、適用例はこれに限定されず本発明の一実施例に係る電磁機械を包含できる潮流発電や波力発電などのような新再生エネルギーシステムに適用することができる。
図６を参照すると、本発明の一実施例に係る電磁機械を含んだ風力発電用二重励磁電磁機械１５０５は、ギヤボックスなしに、連続可変ギヤ比（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅａｒ Ｒａｔｉｏ）を電子的に実現することができて、大きい駆動トルクを発生させることができる発電または回生制御装置である。回転翼１５０１は、動力軸１５０２を介して電磁機械１５００に連結される。電磁機械１５００の出力は、電力転換装置１５０３とグリッド１５０４を経て負荷１５０６に伝達される。
従って、本発明の一実施例に係る電磁機械を含む二重励磁電磁機械システムでは、ギヤボックスがなくとも駆動トルクと速度を効率的に制御することによって、大きさを減らし効率を増加させることができる長所がある。また、物理的ギヤも存在せず故障時迅速な対処が可能である。
図７と図８は、本発明の一実施例に係る電磁機械を適用した概略的なインホイール（Ｉｎ－ｗｈｅｅｌ）駆動モーターを含んだ車両に関する例示図である。図７と図８では、インホイール駆動モーターに対する例示だけを説明するが、適用例はこれに限定されない。一方、図７は、本発明の電磁機械を含んだ車両の駆動に関する例示的構成図で、図８は、本発明の電磁機械を含んだ車両の制動に関する例示的構成図である。
図７を参照すると、エネルギー源、例えばバッテリー１６０１の直流電源は、インバータ１６０４を経て交流電源に変換される。このように変換された電力が、本発明の一実施例に係る電磁機械１６００に印可されると駆動力ができて、動力軸（図示せず）を介して各輪に伝達されて車両を駆動するようになる。
図８を参照すると、走行中の車両が有する慣性力は、制動時に前記動力軸を介して本発明の一実施例に係る電磁機械１７００に伝達されて、回生制動（Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｂｒａｋｉｎｇ）状態となる。この時発電した電力は、インバータ１７０４を経てエネルギー源、例えばバッテリー１７０１やキャパシタ１７０２に充電されたり制動抵抗１７０３で熱として消費される。
従って、本発明の一実施例に係る電磁機械を含んだインホイールモーターによると、モーターの大きさを最小化して各ホイールに装着して、各ホイールの駆動トルクと速度を独立個別的に、効率的に制御することによって、車両の安定性を確保して、運転性能を向上させることができる。特に、物理的ギヤが存在しないで回転子を独立的に制御することによって、反応時間が短く運転状況に応じた迅速な対処が可能である。
図９は、本発明の実施例に係る固定子と移動子（回転子）との間の力を示す。移動子は、ｘ方向に自由に動くことができる。（回転電磁機械で、ｘは軸回転方向）移動子は、ｙまたはｚ方向に動かなく、ｚ方向の力は移動子と固定子との間の引いたり押したりする力の方向を意味する。
固定子の多相コイルがＤＣ電流で駆動されると、エアーギャップで交流磁場が生成されて、移動子の多相コイルがＤＣ電流で駆動されると、エアーギャップで交流磁場が生成される。ｘ方向に０．０１ｍの磁場空間周期を有して、多相コイルの電流はｙ方向に磁場結束ができて、エアーギャップの磁場は、ｘ方向に周期的に変わる。
図面は、復元力、安定した平衡位置に復帰するためのｘ方向の力、（－０．５＊ｐｅｒｉｏｄ＜ｘ＜０．５＊ｐｅｒｉｏｄ）、そして反発力、移動子を安定した位置に押すための力で示すことができる。（０．５＊ｐｅｒｉｏｄ＜ｘ＜１．０＊ｐｅｒｉｏｄ）ｘ＝０．５＊ｐｅｒｉｏｄの地点は、鞍点（ｓａｄｄｌｅ ｐｏｉｎｔ）である。力と変位は、移動子オフセット角度の周期的機能の役割をする。移動子と固定子が互いに反対極性で対面する位置に復元力が存在して、この条件が満たされると、移動子と固定子は“磁場結束（Ｆｉｅｌｄ ｌｏｃｋｉｎｇ）”にあると定義される。磁場結束は、固定子と共に維持でき、移動子が回転する間移動子は別途の回転磁場を生成する。
磁場結束（Ｆｉｅｌｄ ｌｏｃｋｉｎｇ）は、移動磁場の生成が可能な多相巻線を有する固定子と別に独立的に移動磁場の生成が可能な多相巻線を有する移動子との間に一定の間隔を有する空隙（ａｉｒ ｇａｐ）があり、移動子は、電流の流れと法線方向に一定の間隔を維持して動くことができる電磁機械で形成することができる。前記移動磁場は、空隙に集束生成されて、磁場のベクトル方向、電流の流れの方向、移動体の移動方向は互いに垂直関係を有する。
固定子と移動子の各多相巻線に流れる電流によって生成された磁場は、互いに磁場極性が反対に向かい合う安定状態を維持することが磁場結束現象である。移動子が、このような安定状態から抜けて外部力によって移動することになると、本来の状態に戻ろうとする復元力が生じ、移動距離が小さい場合、復元力は、移動距離に比例し、力の方向は移動方向の反対方向である。
電磁機械が駆動を始める前にまず磁場結束を形成して、駆動時、駆動開始時Ｉｎ－ｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔを適正水準以下となるように維持して駆動を始める。駆動中には、常に磁場結束を維持することによって広い動的作動領域に要求されるトルク（ｔｏｒｑｕｅ）に迅速に応答できて、Ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｅｒ機能で安全性を確保することができる。
移動子と固定子が互いに反対極性で対面する時、回転子位置は安定的であり得る。移動子と固定子が同じ極で互いに向かい合うように変位されると、反発力が移動子を安定された領域に押し出す。復元力は、反対極が直面する時、存在する一方、類似する極が直面する時には斥力が発生する。
モーター作動でシャフトの外部荷重、例えば摩擦はｆ＿ｅｘｔ（ｆ＿ｅｘｔ＜０）で引っ張って、移動子位置は安定した平衡（ｘ＜０、ｆｘ＞０）からかけ離れる。モーターが電気エネルギーを機械エネルギーに変換する作業を行うことを意味する。
発電機作動で、外部荷重は、ｆ＿ｅｘｔ＞０を有する移動子をｘ方向に押していて、外部力は復元力ｆｘ＜０によって均衡を保つことができる。この時、発電機が、機械作業を電気エネルギーに変換することを意味する。
本発明の実施例に係る電磁機械の固定子及び移動子は、巻線配列で形成されることができる。例えば、図１０のような巻線配列で形成されることができる。以下、固定子及び移動子を構成する巻線配列について具体的に説明する。
固定子は、第１巻線配列を含み、移動子は、前記第１巻線配列と所定の間隔で離隔して形成されて、離隔した方向にミラーイメージを有する第２巻線配列を含み、前記第１巻線配列は、互いに隣り合って形成される少なくとも一つの第１半周期及び少なくとも一つの第２半周期を含み、前記第１半周期は、電流が流れる方向が互いに異なる少なくとも二つの巻線を含み、前記第１半周期及び前記第２半周期は、隣り合う方向にミラーイメージを有することができる。
図１０は、本発明の一実施例に係る固定子と移動子の巻線配列に係る電流の流れと磁束の大きさを概略的に図示した例示断面図である。図１０に図示した通り、本発明の一実施例に係る巻線配列２１００は、第１巻線配列２１１０と第２巻線配列２１２０を含む。以下、巻線配列は、固定子と移動子の巻線配列を意味する。
第１巻線配列２１１０及び第２巻線配列２１２０は、所定の間隔で離隔して形成されて、離隔した方向にミラーイメージ（Ｍｉｒｒｏｒ ｉｍａｇｅ）を有する。即ち、ｘ軸を対称軸に第１巻線配列２１１０及び第２巻線配列２１２０は、ミラーイメージを有する。ここで、ミラーイメージとは、対称軸を中心に互いに対応する構造を有するもので、鏡に映るような構造を有するものを意味する。
この時、第１巻線配列２１１０は、互いに隣り合って形成される少なくとも一つの第１半周期及び少なくとも一つの第２半周期を含む。第１半周期２１５０及び第２半周期２１６０を一周期で形成されて、空間的周期（λＳ）毎に同じ構造を繰り返す周期的な形態で形成されることができる。第１半周期２１５０は、電流が流れる方向が互いに異なる少なくとも二つの巻線を含み、前記第１半周期及び前記第２半周期は、隣り合う方向にミラーイメージを有する。即ち、第１半周期２１５０は、ｚ軸を対称軸に第２半周期２１６０とミラーイメージを有する。
図１０を参照すると、第１巻線配列２１１０と第２巻線配列２１２０は、z軸方向に所定間隔、即ち空隙（ａｉｒ ｇａｐ，ｄ）で離隔している。第１巻線配列２１１０と第２巻線配列２１２０との間の間隔は、巻線配列を利用して実現しようと磁束乃至他の部品によって設定されることができて、使用者によって設定されることができる。
第１半周期２１５０は、電流が流れる方向が互いに異なる少なくとも二つの巻線を含む。図１０は、第１半周期２１５０が、複数の層で形成される実施例を図示しているが、これは一つの例示に該当して、第１半周期２１５０は、電流が流れる方向が互いに異なる少なくとも二つの巻線を含むことができる。二つの巻線は、電流が流れる方向が互いに反対であり得る。一つの巻線は、図１０の平面内に流れる方向（＋ｙ方向）に電流が流れて、他の一つの巻線は、図１０の平面の外に流れる方向（－ｙ方向）に電流が流れることができる。巻線に電流が一方向に流れる場合、巻線には磁場が形成される。図１０の平面内に電流が流れる場合、巻線を覆う時計回りに磁場が形成されて、図１０の平面の外に電流が流れる場合、巻線を覆う反時計回りに磁場が形成される。ここで、第１半周期２１５０に含まれる二つの巻線は、図１０の第１半周期２１５０上第１層（１ｓｔ ｕｐｐｅｒ ｌａｙｅｒ）に含まれた巻線であり得る。右側に位置して、平面の外に電流が流れる巻線によって生成される反時計回り磁場と、左側に位置して、平面内に電流が流れる巻線によって生成される時計回り磁場によって、二つの巻線の間の磁場は、第２巻線配列２１２０方向に形成されて磁束が強化される。
第１半周期２１５０とミラーイメージを有する第２半周期２１６０は、第１半周期と異なって、右の側に平面内に電流が流れる巻線が形成されて、左側に平面の外に電流が流れる巻線が形成される。第２半周期２１６０の巻線は、第１半周期２１５０の巻線と電流が流れる方向が反対に形成されるため、二つの巻線の間の磁場は、第２巻線配列２１２０の反対方向に形成されて磁束が強化される。
第１巻線配列２１１０及び第２巻線配列２１２０は、複数の層で形成されることができる。２層以上の複数の層で形成されることができる。図１０で例示的に四つの層で図示されているが、これに限定されず必要に応じて層数が少なかったり追加層をさらに含んでもよい。
第１巻線配列２１１０及び第２巻線配列２１２０は、三つの層で形成されることができる。
第１半周期２１５０の第１層は、互に異なる方向に電流が流れる少なくとも１１個の巻線を含むことができる。例えば、前記第１層の左側巻線が平面内に流れる電流を表示する巻線で、右側巻線が平面の外に流れる電流を表示する巻線である。第１半周期２１５０の第２層は、前記第１層の巻線電流方向と同じか、前記第１層の巻線より相対的に外側に配置される。
また、第１半周期２１５０の第３層は、前記第２層の巻線電流方向と反対である。即ち、前記第３層の左側巻線が平面の外に流れる電流を表示する巻線で、右側巻線が平面内に流れる電流を表示する巻線である。一方、前記第３層の巻線は、前記第２層の巻線より相対的に内側に配置される。第１半周期２１５０の第４層は、前記第３層の巻線電流方向と同じか、前記第３層の巻線より相対的に外側に配置される。
または、第１巻線配列２１１０及び第２巻線配列２１２０は、下層及び上層で形成されることができる。ここで、下層は、図１０の第１層に対応して、上層は、図１０の第３層に対応することができる。第１層及び第３層だけで構成されて、第２層及び第４層を含まなくてもよい。
一方、図１０に図示された第１半周期２１５０と第２半周期２１６０の電流方向は、説明のために例示的に表示したものであり、これに限定されず時間に応じて変化する電流方向で上述した関係を有して、巻線内の電流方向は、時間に応じて変化することができる。また、図１０に図示された前記各層内の巻線の相対的位置や巻線の個数は、説明のために例示的に示したものであり、これに限定されず本発明の思想に違背されない範囲で巻線の位置や巻線個数を変更することができる。
第１巻線配列２１１０は、上述した電流分布を有する巻線構造で形成することができる。ここでは、第１巻線配列２１１０と第２巻線配列２１２０は、積層された巻線構造２１３０や、水平積層された巻線構造２１４０と垂直積層された巻線構造２１４５で例示的に図示されているが、これに限定されず必要に応じて３次元積層構造の代わりに図１０に図示された電流分布を有する平面構造に変えてもよい。
本発明の一実施例に係る巻線配列２１００は、一方向に磁束（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ）が強化されて、他方向に磁束が相殺される構造を有するようになる。即ち図１０を参照すると、第１巻線配列２１１０と第２巻線配列２１２０は、ｚ軸方向に互いに向かい合う一側にヘ磁束が強化されて、それ以外の方向では磁束が、相対的に相殺されたり略無視できる程度で現れる。従って、本発明に係る巻線配列２１００は、関心領域外部に漏洩磁場が最小化できる効果がある。
図１１は、本発明の実施例に係る巻線配列を二つの位相差巻線配列セットで図示した概略的例示断面図である。
図１１を参照すると、本発明の実施例に係る巻線配列２２００は、互いに９０度位相差が出る位相Ａのための巻線配列セット２２０１と位相Ｂのための巻線配列セット２２０２を含む。二巻線配列セットは、互に異なる位相を有するか互いに同じ位相を有してもよい。巻線配列２２００は、セットを交互に配置するように位相Ｂのための巻線配列セット２２０２を位相Ａのための巻線配列セット２２０１の間に配置する。
従って、位相Ａのための巻線配列セット２２０１と位相Ｂのための巻線配列セット２２０２に時間に応じて変化する電流を順次的位相差で供給することによって、移動磁界（図示せず）を形成することができる。このような移動電磁界を利用すると、電磁機械の固定子のような効果を出すことができる。一方、図１１では、巻線配列２２００の位相が２相と図示されているが、これに限定されず必要に応じてセットを追加して順次交互に重複することによって３相以上の巻線配列も可能である。
図１２は、本発明の実施例に係る巻線配列に係る電流の流れと磁束の大きさを概略的に図示した例示断面図である。
図１２に図示した通り、本発明の実施例に係る巻線配列２３００では、第１巻線配列２３１０と第２巻線配列２３２０を含む。この時、第２巻線配列２３２０は、図１０に図示されて上述した巻線配列と同じか、第１巻線配列２３１０は、図１２に図示されて上述した巻線配列の特殊な構造のハルバッハ配列（Ｈａｌｂａｃｈ Ａｒｒａｙ）で配置することができる。また、このような巻線配列２３００は、第１巻線配列２３１０と第２巻線配列２３２０との間で磁束が強化されて、それ以外で磁束が相対的に無視するほど小さかったり相殺されることもできる。一方、図１２では、第１巻線配列２３１０をハルバッハ配列で図示されているが、これに限定されず必要に応じて第２巻線配列２３２０をハルバッハ配列で使用したり、第１巻線配列２３１０及び第２巻線配列２３２０共にハルバッハ配列で使用することもできる。
図１３は、本発明の実施例に係る巻線配列構造の概略的な例示斜視図である。
図１３に示したように、本発明の実施例に係る巻線配列２４００では、第１巻線配列２４１０と第２巻線配列２４２０が、ｘ軸方向に沿って空間的周期毎に同じ構造を繰り返す。また、第１巻線配列２４１０と第２巻線配列２４２０は、周期的構造で電流が流れる方向（即ちｙ軸方向）に長さが延びて、分離されたトロイド（Ｔｏｒｏｉｄ）や、分離されたソレノイド（Ｓｏｌｅｎｏｉｄ）電流分布を有する。
また、本発明の一実施例に係る巻線配列２４００を含んだ移動電磁機械（図示せず）は、無鉄心構造や最小限の鉄心で実現することができる。従って、電磁機械に最小鉄心を使うことによって効率を最大化させることができて、重さと大きさを最小化することができて、鉄心使用によるコア損失を減らすことができると期待される。
また、本発明の実施例に係る巻線配列によって生成された磁場は、一方向に周期的に変わる。このようなすべての属性は、鉄心コアを使わなくても本発明の実施例に係る巻線配列だけでも可能である。特に本発明の実施例に係る巻線配列によって生成された磁場Ｂ（Ａ） Ｚ（ｘ）は、次のような正弦波に近似されることができる。
Figure 2022520186000012
 ここでλＳは、磁場の空間的周期である。移動電磁機械の場合、λＳは、固定コイルの空間的周期（単位：ｍ）であり、移動子コイルの空間的周期はλｍで表現することができる。これは、電磁機械の固定子の巻線設計要素中一つである。固定子巻線は、電磁機械の様々なサイクルを含むことができる。即ち、上付き文字（Ａ）は、巻線（位相）Ａを表示する。磁束密度は、大部分ｚ軸方向に強化されている。
一方、磁束密度の他の方向成分は、無視できる程度と仮定して、本発明の一実施例の巻線配列のように相補的巻線配列の間の空間では、特に他の方向成分は無視してもよい。固定子の磁場は、固定子電流に比例する次の数式で表現することができる。
Figure 2022520186000013
また、巻線（位相）Ｂに対して、本発明の実施例に係る巻線配列は他の磁束を生成することができる。巻線（位相）Ｂは、巻線（位相）ＡよりλＳ／４だけ物理的に移動したものであり、巻線（位相）Ｂの磁場Ｂ（Ｂ） Ｚ（ｘ）は次の式で表現することができる。
Figure 2022520186000014
 ここでｋＳは、第１巻線配列（固定子）伝播（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）ベクトルで、ｋＳ＝２π／λＳである。第２巻線配列（移動子）の電波ベクトルは、ｋｍ＝２π／λｍで表すことができる。
本発明の実施例に係る巻線配列の分析は、例示的に２相巻線構造を使って行う。このような２相巻線構造と仮定するとしても概念は同じで、一般性は損なわない。このような分析は、３相巻線構造のように多相巻線構造に拡張させることができて、分析結果及び結論は、多相システムにも同様に適用されることができる。必要なら、２相システムと３相システムの差が言及されることができる。一方、３相システムの場合、一般的にＵ、Ｖ及びＷ巻線と呼ばれる３セットの巻線が必要である。ＶとＷ巻線は、Ｕ巻線に比べて空間位相がλS／３、２λＳ／３移動する。
本発明の実施例に係る巻線配列では、相互補完的な第１巻線配列と第２巻線配列によって生成された磁場は次のような特性を有する：
第１巻線配列と第２巻線配列との間の磁場は、z軸方向中一側（即ち、巻線配列の間）に強化される。磁場が強化される一側除いて他側（即ち、巻線配列外部）には略相殺される。
一方、本発明の実施例に係る巻線配列の巻線（位相）Ａと巻線（位相）Ｂで生成される磁場は、独立的に発生して、重なる。また、巻線Ａと巻線Ｂは、電気的に９０度位相差を有して駆動されて移動磁界を生成する。このような巻線Ａと巻線Ｂによって重複変調した磁場ＢＺ（ｘ）は、次の式で表現することができる。
Figure 2022520186000015
一方、数１と数３を参照すると前記数４は次の式で表現することができる。
Figure 2022520186000016
 ここでωＳは、第１巻線配列電流の周期であり、第１巻線配列電流の周波数ｆＳとの関係はωＳ＝２πｆＳである。
前記のような磁束密度は、波形パターンが次の速度Ｖｓと共にｘ軸の正の方向に移動する移動磁界の形態である。
Figure 2022520186000017
巻線対に電流の符号の変化や時間変調によってｘ軸の負の方向に動く波動パターンの方向を変更することができる。
本発明の実施例に係る巻線配列を含んだ固定子巻線を介して電流を供給することによって生成した磁場に垂直に電流が流れることができる巻線により移動子を提供することによって電磁機械を製作することができる。
前記のような巻線配列を利用して移動電磁機械を構成することができる。本発明の一実施例に係る移動電磁機械は、固定子及び移動子を含み、前記固定子は、第１巻線配列を含み、前記第１巻線配列は、互いに隣り合って形成される少なくとも一つの第１半周期及び少なくとも一つの第２半周期を含み、前記第１半周期は、電流が流れる方向が互いに異なる少なくとも二つの巻線を含み、前記第１半周期及び前記第２半周期は、隣り合う方向にミラーイメージを有することができる。本発明の一実施例に係る移動電磁機械に含まれた巻線配列に対する詳細な説明は、先に説明した本発明の実施例に係る巻線配列に対する詳細な説明に対応しており、以下重複する説明は省略する。
または、前記固定子は、前記第１巻線配列と所定の間隔で離隔して形成されて、離隔した方向にミラーイメージを有する第２巻線配列をさらに包含できて、前記移動子は、前記第１巻線配列及び前記第２巻線配列の間に形成されることができる。
または、前記移動子は、前記第１巻線配列と所定の間隔で離隔して形成されて、離隔した方向にミラーイメージを有する第２巻線配列を含むことができる。即ち、前記本発明の実施例に係る巻線配列の第１巻線配列及び第２巻線配列は、各々固定子または移動子であり得る。
また、前記移動子は回転子であり得る。
電流がｙ軸正の方向に流れることができる電線を仮定して、移動子がｘ軸方向に移動することが許容されると仮定する。電線を介して流れる電流の量がｉだとすると、ローレンツ力δＦｘ（ｘ）は、電線の長さｌ（ｌは磁束が一定の領域の長さである）に対して次の式で表現することができる。
Figure 2022520186000018
 ここで、Ｉｙ（ｘ）は、位置ｘからｙ方向に流れる電流である。ｘの関数として電流が流れる電線配列を形成することができる。特に、移動子上に分布した電流は固定子と同じ（空間的）周期を有する。
Figure 2022520186000019
 ここで、Ｘｍは、第２巻線配列（移動子）のｘ方向座標で、第１巻線配列（固定子）のｘ方向座標はｘＳで表すことができる。
従って移動子上の電流が発生して、このような電流が移動子（または回転子であってもよい）に相対的に動くようにすることができることを意味する。原則的に、電流の正弦波分布は非常に小さい電線ループを共に積層することによって実現できて、単位長さ当り電線の数は、次の式で表すことができる。
Figure 2022520186000020
仮に電線を介して小さい電流ｉが流れる場合、次の式で表現することができる。
Figure 2022520186000021
正弦波電流密度分布を実現するのは、容易ではない場合もある。
Figure 2022520186000022
ここで、ｈ（ｘｍ）は周期λＳを有する周期関数である。例えば、φは移動子の任意の初期位相値である。
図１４は、本発明の一実施例に係る巻線配列構造によって生成した磁場と電流の相互作用を概略的に図示した概念図である。
図１４を参照すると、本発明の一実施例に係る巻線配列によって生成した磁場と電流の相互作用によって電流が流れる電線で発生するローレンツ力はｘ軸方向に次の式で表すことができる。一方、固定子に発生する力は、ｘ軸方向により半周期毎に同じ大きさであるが反対方向に発生する。
Figure 2022520186000023
ＸｍがＸＳに対する速度Ｖｍで動いていると仮定する。その関係は次のとおりである。
Figure 2022520186000024
周期当たり力は、次のように計算することができる。
Figure 2022520186000025
数１４は次の式のようにまとめることができる。
Figure 2022520186000026
数２５の初項は、空間と時間において急速に変わる。時間と関係なく多くの空間周期にわたって力が累積すると平均値は消える。空間的周期λＳ当り力（Ｍが十分に大きく、Ｍサイクルにわたって統合）は、次の式で表すことができる。
Figure 2022520186000027
任意の周期的電流分布に対する周期平均力は計算されることができる。これは同じフーリエ級数展開の高調波成分が現在平均値０で生成されることによって同じ結果が現れる。
移動子に駆動する電流の周期の関係は次の式のとおりである。
Figure 2022520186000028
即ち、移動子に発生した移動磁界は、合成された磁界が固定子によって生成された移動磁界と同期されるのを意味する。移動子と固定子の空間周期が同じ値を有するので、移動子と固定子の磁極（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｏｌｅｓ）は、反対側に引き寄せることで磁束経路は互いに同期化、結束（Ｆｉｅｌｄ ｌｏｃｋ）される。
移動子と固定子が互いに磁束結束すると、移動子（回転子）の位置は、平衡位置にあるようになって、移動子と固定子との間の平均磁気力は、平衡状態で０となる。φは、電界位相の差を示し、移動子と固定子との間の平衡からの位置オフセットに比例する。
Figure 2022520186000029
φ＝０の場合、外力またはトルクは変わらず、磁束結束は移動子を平衡位置に位置させる。移動子が平衡で移動すると磁気力が発生して、移動子は平衡の位置に移動するようになる。反対に、移動子に外力またはトルクが加えられると、反対側気局の引く動作による磁気力が外力に対応するようになる。この時、移動子の位置は外力により変わるようになる。反作用の大きさは、固定子電流と移動子電流の積に比例して、総磁気力またはトルクは、空間周期の数に比例する。
ここでｃｏｓφが正で一定であると、固定子と移動子（または回転子）の相互作用から移動子に正常状態力が発生して、力は摩擦に対抗して移動子を押している。この場合、固定子と移動子の電源供給機械は摩擦に対して遅い加速や正常状態のために移動子を動かすために動力を供給する。φ＝０の場合、最大力が発生する。
本発明の一実施例に係る移動電磁機械が、モーターで使われる時、電流が供給される間の次の式のような条件が維持される。
Figure 2022520186000030
ｃｏｓφ＜０の条件は、移動子（回転子）が外力によって押している時の正常状態条件である。負の力は外力によって仕事が実行されることを意味する。即ち、本発明の一実施例に係る移動電磁機械が、発電機として作動中である時である。電流は、移動子巻線を介して流れるので電力が生成される。
正常状態力の場合では、移動子が速度ｖｍで移動して、電流が固定子によって生成された磁場と同じ速度（ｖＳ）で動く。移動子と固定子の周波数が同じで外力がない場合、移動子は固定された位置を維持する。しかし、移動子と固定子が異なる周波数で駆動されて、磁場が同じ方向に動くと、移動子（回転子）軸は、ｖＳ－ｖｍに動く。磁気回転（Ｆｉｅｌｄ Ｒｏｔａｔｉｏｎ）が反対方向である場合、移動子（回転子）軸回転速度は、固定子磁気回転速度と移動子（回転子）磁気回転速度の和となる。これにより、速い回転を可能にすることができる。
固定子における磁場は、速度ｖＳで移動する時、次の式で表すことができる。
Figure 2022520186000031
正常状態力は、移動子で生成される時、移動子（回転子）は非常に遅い加速度で動くかその力が外力と均衡を取る場合であり、この時、等速度で動く。
図１５は、本発明の実施例に係る巻線配列を積層型巻線を有して水平方向に適用した概略的図示した例示断面図である。
図１５を参照すると、本発明の実施例に係る巻線配列２６００は、積層型巻線を有してｘ軸方向に周期的構造で実現する。この時、巻線配列２６００は、z軸方向に所定間隔離隔した第１巻線配列２６１０と第２巻線配列２６２０で実現する。また、第１巻線配列２６１０と第２巻線配列２６２０との間である一側方向に磁束密度が強化されて、第１巻線配列２６１０と第２巻線配列２６２０の内部の互いに向かい合う方向以外は、磁束密度が相殺されて、外部では漏洩磁界を最小化することができる。
図１６は、本発明の実施例に係る巻線配列を積層型巻線を有して立体的構造で適用した概略的図示した例示断面図である。
図１６を参照すると、本発明の実施例に係る巻線配列２７００は、積層型巻線を有して円形で実現する。この時、本発明の一実施例に係る巻線配列２７００は、放射（ｒａｄｉａｌ）方向に所定間隔離隔して、第１巻線配列２７１０と第２巻線配列２７２０は、接線方向に沿って空間的周期毎に同じ構造を繰り返す。また、第１巻線配列２７１０と第２巻線配列２７２０は、互いに相補的に具現される。即ち、第１巻線配列２７１０は、接線方向を基準に第２巻線配列２７２０と電流分布はミラーイメージを有すると見ることができる。また、円形で配置した第１巻線配列２７１０と第２巻線配列２７２０は、放射方向にこれらの間の一側に磁束密度が強化されて、これらの外部の他側に磁束密度が相殺される。
一方、ここでは、第１巻線配列２７１０と第２巻線配列２７２０は、円周上に配置されて、大きさが短くて略同じ大きさで例示的に図示されているが、これに限定されず本発明の思想を害しない範囲で必要に応じて、内側円周上の巻線配列の大きさを減らしたり外側円周上の巻線配列の大きさを増加させることもできる。
図１７は、本発明の実施例に係る巻線配列を立体的構造適用した構造に対するシミュレーション結果図である。
本シミュレーション結果図は、ｐｙｔｈｏｎプログラムを利用して、Ｂｉｏｔ－Ｓａｖａｒｔ法則を基本に計算した。図１７を参照すると、図１６に図示された巻線配列２７００の第１巻線配列２７１０と第２巻線配列２７２０に対するエアギャップ中間付近で得る結果を示す。従って、第１巻線配列２７１０と第２巻線配列２７２０との間にあるエアギャップ中心で放射（ｒａｄｉａｌ）方向に磁束が強化されて、軸（ａｘｉａｌ）方向や接線（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）方向には磁束が相対的に殆どない。
図１８は、本発明の実施例に係る巻線配列を立体的構造適用した構造に対するシミュレーション結果図である。
図１８を参照すると、図１６に図示された巻線配列２７００の第１巻線配列２７１０と第２巻線配列２７２０からエアギャップ半分の大きさの関心領域の外側付近で得る結果を示す。従って、すべての方向に漏洩磁束が殆どないと確認される。一方、関心領域とは、第１巻線配列２７１０と第２巻線配列２７２０を含んだその内部を意味する。
図１９は、本発明の実施例に係る巻線配列を平面巻線構造を有して適用した概略的図示した例示断面図である。
図１９を参照すると、本発明の実施例に係る巻線配列２８００は、平面巻線構造をｘ軸とｚ軸方向に周期的に実現する。この時、巻線配列２８００は、ｚ軸の＋方向に磁場は強化されて、－方向に磁場は相対的に弱くなる。
図２０は、本発明の実施例に係る巻線配列を平面巻線構造を有して立体的構造に適用した概略的図示した例示断面図である。
図２０を参照すると、本発明の実施例に係る巻線配列２９００は、平面巻線構造を有して円形で実現する。この時、本発明の実施例に係る巻線配列２９００は、放射方向に所定間隔離隔して、互いに相補的な第１巻線配列２９１０と第２巻線配列２９２０で具現される。
図２１は、本発明の実施例に係る巻線配列を平面巻線構造を有して立体的に適用した構造に対するシミュレーション結果図である。図１９を参照すると、関心領域中エアギャップ中心付近での放射方向に強い磁場を示して、軸方向や接線方向には磁場は無視できるほど相殺される。図示されなかったが、図１６との結果のように関心領域外では、漏洩磁場が殆どないことを確認した。
本発明の実施例に係る巻線配列を利用した移動電磁機械は、関心領域内の一側磁場を強化させて、関心領域の外の漏洩磁場を殆どないようにする。また、本発明の一実施例に係る移動電磁機械は、鉄心を使わない限り最小で使うことによって、その大きさと重さを最小化して、コア損失を減らし、性能限界などを克服することができる。

Claims (17)

  1. 多相巻線を含む固定子と；
    多相巻線を含み、前記固定子と所定間隔で離隔する移動子と；
    前記固定子の第１磁場及び前記移動子の第２磁場を独立的に制御する制御部と；を含む、電磁機械。
  2. 前記制御部は、
    前記固定子の多相巻線に印加される第１電流及び前記移動子の多相巻線に印加される第２電流を制御することによって、前記第１磁場及び前記第２磁場を制御することを特徴とする、請求項１に記載の電磁機械。
  3. 前記制御部は、
    前記第１電流及び前記第２電流の位相及び振幅を個別制御することを特徴とする、請求項２に記載の電磁機械。
  4. 前記制御部は、
    直接ワイヤリング方式、スリップリング（ｓｌｉｐ－ｒｉｎｇ）方式、及び無線誘導結合方式中少なくとも一つの方式で前記固定子の多相巻線に前記第１電流を印加するか前記移動子の多相巻線に前記第２電流を印加することを特徴とする、請求項１に記載の電磁機械。
  5. 前記制御部は、
    前記電磁機械を駆動初期、前記固定子の第１磁場及び前記移動子の第２磁場が、互いに結束するように制御することを特徴とする、請求項１に記載の電磁機械。
  6. 前記制御部は、
    前記第１磁場及び前記第２磁場の移動方向を同じ方向または反対方向に制御することを特徴とする、請求項１に記載の電磁機械。
  7. 前記移動子は、
    回転軸に連結されて前記回転軸を中心に回転する回転子であることを特徴とする、請求項１に記載の電磁機械。
  8. 前記制御部は、
    前記固定子の第１磁場及び前記移動子の第２磁場が、互いに結束を維持して、前記第１磁場及び前記第２磁場を個別制御することによって、前記回転軸のトルク及び速度を生成することを特徴とする、請求項７に記載の電磁機械。
  9. 前記電磁機械は、線形電磁機械または回転電磁機械であることを特徴とする、請求項１に記載の電磁機械。
  10. 前記固定子は、第１巻線配列を含み、
    前記移動子は、前記第１巻線配列と所定の間隔で離隔して形成されて、離隔した方向にミラーイメージを有する第２巻線配列を含み、
    前記第１巻線配列は、互いに隣り合って形成される少なくとも一つの第１半周期及び少なくとも一つの第２半周期を含み、
    前記第１半周期は、電流が流れる方向が互いに異なる少なくとも二つの巻線を含み、
    前記第１半周期及び前記第２半周期は、隣り合う方向にミラーイメージを有することを特徴とする、請求項１に記載の電磁機械。
  11. 前記第１半周期を形成する二つの巻線の間で形成される磁場の方向と前記第２半周期を形成する二つの巻線の間で形成される磁場の方向が、互いに反対であることを特徴とする、請求項１０に記載の電磁機械。
  12. 前記第１半周期は、
    電流が流れる方向が互いに異なる少なくとも二つの巻線を含み、前記第２巻線配列と隣接する第１層と；
    前記第１層の巻線構造と同じ電流方向を有するが、前記第１層巻線構造より外側に位置した第２層巻線構造を含み、前記第１層上部に位置する第２層と；
    前記第２層巻線構造と互いに反対方向の電流方向を有するが、前記第２層巻線構造より内側に位置した第３層巻線構造を含み、前記第２層上部に位置する第３層と；を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の電磁機械。
  13. 前記第３層の巻線構造と同じ電流方向を有するが、前記第３層巻線構造より外側に位置した第４層巻線構造を含み、前記第３層上部に位置する第４層をさらに含む、請求項１２に記載の電磁機械。
  14. 前記第１半周期は、
    電流が流れる方向が互いに異なる少なくとも二つの巻線を含み、前記第２巻線配列と隣接する下層と；
    前記下層巻線構造と互いに反対方向の電流方向を有する上層巻線構造を含み、前記下層上部に位置する上層と；を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の移動電磁機械。
  15. 前記第１巻線配列は、複数の第１半周期及び複数の第２半周期を含み、
    前記第１半周期及び前記第２半周期は、隣り合う方向に周期的に形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の電磁機械。
  16. 前記第１巻線配列または前記第２巻線配列は、
    前記電流が流れる方向に沿って長さが延びて、分離されたトロイド（Ｔｏｒｏｉｄ）や分離されたソレノイド（Ｓｏｌｅｎｏｉｄ）電流分布を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の移動電磁機械。
  17. 請求項１の電磁機械を含む磁場同期結合（Ｆｉｅｌｄ Ｌｏｃｋ）二重励磁電磁機械システム。

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