KR100604168B1 - 스위치드 릴럭턴스 기기용 라미네이션 세트 - Google Patents

Abstract

회전자의 어떠한 각도에서도 필요한 방향으로 토크를 생성하는 동작 개시 요건을 충족시키는데 필요한 것보다 더 넓은 극 아크(106)를 각각 갖는 고정자 또는 회전자 라미네이션(100, 102)을 가지는 스위치드 릴럭턴스 기기가 개시된다. 이 라미네이션에 있어서, 바람직하게는 회전자 라미네이션(100)의 표면은 각도에 관한 공극 길이(g)의 제1 도함수가 연속적이 되도록 전체 극 피치(108)에 걸쳐 연속적으로 완만하게 된다. 이것은 토크/각도 곡선에서 고조파의 제어를 가능하게 하고, 회전자(102)가 회전할 때 평활한 토크가 생성될 수 있도록 한다.

Description

스위치드 릴럭턴스 기기용 라미네이션 세트{A SET OF LAMINATIONS FOR A SWITCHED RELUCTANCE MACHINE}

도 1은 종래의 스위치드 릴럭턴스 구동 시스템의 주요 구성 소자를 도시한 도면.

도 2는 고정자 극에 접근하는 회전자 극의 개략도.

도 3은 도 1의 기기의 위상 권선의 통전(energisation)을 제어하는 전원 변환기의 통상적인 스위칭 회로를 도시한 도면.

도 4a 및 도 4b는 쵸핑 및 단일 펄스 모드에서 각각 동작하는 스위치드 릴럭턴스 구동의 통상적인 전류 파형을 도시한 도면.

도 5는 3개의 위상 권선 전류의 회전자 각도에 대한 토크의 통상적인 곡선을 도시한 도면.

도 6a는 정렬된 위치에서 종래의 회전자와 고정자 라미네이션 쌍을 도시한 도면.

도 6b는 비정렬된 위치에서의 동일 라미네이션 쌍을 도시한 도면.

도 7a 및 도 7b는 본 발명을 구체화한 고정자와 회전자 라미네이션의 일례를 도시한 도면.

도 8a는 도 6a 및 도 6b의 기기의 인덕턴스/회전자 각도 프로파일을 도시한 도면.

도 8b는 도 7a 및 도 7b의 기기의 인덕턴스/회전자 각도 프로파일을 도시한 도면.

도 9는 도 6a 및 도 6b와 도 7a 및 도 7b의 기기의 인덕턴스 프로파일의 고조파 함량을 도시한 도면.

도 10은 도 6a 및 도 6b와 도 7a 및 도 7b의 기기의 토크/각도 곡선의 고조파 함량을 도시한 도면.

도 11은 6개의 고정자 극과 8개의 회전자 극을 갖는 기기에 대하여 구체화된 회전자 라미네이션의 일례를 도시한 도면.

도 12는 종래에 설계된 기기의 프로파일과 비교했을 때의 도 11의 기기의 인덕턴스 회전자 각도 프로파일을 도시한 도면.

도 13은 도 12의 기기의 인덕턴스 프로파일의 고조파 함량을 도시한 도면.

도 14는 본 발명을 구체화하고 회전자 극의 중심선에 대하여 비대칭적인 회전자 라미네이션의 프로파일을 도시한 도면.

도 15는 본 발명에 따른 회전자 라미네이션의 또다른 형태의 프로파일을 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 고정자 라미네이션

102 : 회전자 라미네이션

108 : 돌출형 고정자 극

110 : 돌출형 회전자 극

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 기기(switched reluctance machine)의 라미네이션 세트(lamination set)에 관한 것으로, 구체적으로는 토크 리플이 저감된 스위치드 릴럭턴스 기기에 관한 것이다.

일반적으로, 릴럭턴스 기기는 그 가동 부재가 자기 회로의 릴럭턴스가 최소화되는 위치, 즉, 여자(勵磁) 권선의 인덕턴스가 최대가 되는 위치로 이동하려는 경향에 의해 토크가 생성되는 전기 기기이다. 한가지 형태의 릴럭턴스 기기에 있어서, 위상 권선의 통전(energisation)은 제어된 주파수에서 발생한다. 이러한 형태의 기기는 통상 동기식 릴럭턴스 기기로 언급되며, 모터나 발전기로 동작될 수 있다. 다른 형태의 릴럭턴스 기기에서는, 회전자의 각(角) 위치를 검출하고 회전자 위치의 함수로서 위상 권선을 통전시키는 회로가 제공된다. 이러한 형태의 기기로는 통상 스위치드 릴럭턴스 기기라 알려져 있고, 모터나 발전기일 수도 있다. 이러한 스위치드 릴럭턴스 기기의 특성은 이미 공지되어 있고, 예를 들어 1993년 6월 21~24일자로 뉘른베르크(Nurnberg)의 PCIM'93에 개시된 스테픈슨(Stephenson) 및 블레이크(Blake)의 "스위치드 릴럭턴스 모터 및 구동기의 특성, 설계 및 응용(The characteristics, design and application of switched reluctance motors and drives)"에 기술되어 있으며, 이 문헌은 본 명세서에 참고로 인용한 것이다. 본 발명은 통상적으로 모터나 발전기로 동작하는 스위치드 릴럭턴스 기기에 적용 가능하다.

도 1은 종래의 스위치드 릴럭턴스 구동 시스템의 주요 구성 소자를 도시한다. 입력 DC 전원(11)은 배터리 또는 정류 및 여과 AC 공급원일 수 있다. 전원(11)에 의해 공급되는 DC 전압은 전자 제어 유닛(14)의 제어하에서 전력 변환기(13)에 의해 모터(12)의 위상 권선(16) 양단에서 스위칭된다. 이 스위칭은 적절한 구동 동작에 대해 회전자의 회전각에 정확하게 동기되야만 한다. 회전자 위치 검출기(15)는 통상적으로 회전자의 각도 위치에 대응하는 신호를 공급하는데 사용된다. 회전자 위치 검출기(15)의 출력은 속도 피드백 신호를 발생하는데 사용될 수도 있다.

회전자 위치 검출기(15)에는 많은 형태가 있을 수 있다. 예를 들어, EP-A-0573198호에 개시된 바와 같이, 구동 시스템의 감시된 여타의 파라미터들로부터 위치를 계산하는 소프트웨어 알고리즘의 형태나, 도 1에 개략적으로 도시된 하드웨어 형태를 취할 수도 있다. 일부 시스템에서는, 회전자 위치 검출기(15)는 회전자 위치 변환기를 포함할 수 있다. 이 회전자 위치 변환기는, 회전자가 회전할 때마다 전력 변환기(13) 내의 장치들의 스위칭 배열을 바꾸어 주어야 할 위치로 상태를 변경하는 출력 신호를 제공한다.

스위치드 릴럭턴스 기기의 위상 권선의 통전은 회전자의 각 위치(angular position)의 검출에 의존한다. 이것은 모터로서 동작하는 릴럭턴스 기기의 스위칭을 설명하는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된다. 도 2는 통상적으로 화살표(22)를 따라 고정자 극(21)에 접근하는 회전자 극(20)을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전체 위상 권선(16) 중 일부(23)는 고정자 극(21) 주변에 감겨져 있다. 상술한 바와 같이 고정자 극(21)에 감겨진 위상 권선(16)의 일부가 통전될 때, 회전자에 힘이 가해져서 고정자 극(21)과 정렬되도록 회전자 극(20)을 끌어 당긴다. 회전자 극과 고정자 극 양자 모두의 극 표면(pole face)은, 회전자의 회전 축상에 중심을 두고 있는 아크(arc)로 정의된다. 이들 아크의 각도 범위는 설계자에 의한 선택의 문제이다. 아크형의 극 표면 때문에, 회전축으로부터 반경을 따라 측정된 중첩하는 극 표면들간의 방사상 거리(radial distance)는 공극의 각도 범위에 걸쳐 일정하다는 것을 당업자들은 알 수 있을 것이다.

도 3은 고정자 극(21)을 둘러싼 부분(23)을 포함하는 위상 권선(16)의 통전을 제어하는 전력 변환기(13)내의 통상적인 스위칭 회로를 도시한다. 이 회로에서, 스위치(31)는 전원의 정(+)단자와 권선(16)의 한쪽끝 사이에 접속된다. 권선(16)의 다른쪽 끝과 전원의 부(-)단자 사이에 또 다른 스위치(32)가 접속된다. 권선(16)의 한쪽끝과 스위치(32) 사이에는 다이오드(33)의 한쪽끝이 접속되고, 전원의 정단자에 다이오드(33)의 다른쪽 끝이 접속된다. 권선(16)과 스위치(31) 사이는 다른 다이오드(34)의 한쪽끝이 접속되고, 전원의 부단자에 다이오드(34)의 다른쪽 끝이 접속된다. 스위치(31, 32)를 이용하여 DC 전원에 위상 권선(16)을 결합 및 분리시키기 때문에, 권선(16)은 통전되거나 통전되지 않을 수도 있다. 많은 다른 구성의 스위칭 회로가 이미 공지되었고, 어떤 것은 스테프슨 및 블레이크의 논문에서 논의되었다.

일반적으로, 회전자의 회전을 개시하기 위해 위상 권선이 다음과 같이 통전된다. 회전자의 제1 각 위치("턴온 각", θ_ON이라 칭함)에서, 제어기(14)는 스위칭 소자(31, 32) 모두를 턴온시키는 스위칭 신호를 제공한다. 스위칭 소자(31, 32)가 온될때, 위상 권선(16)은 DC 버스에 결합되어 기기의 자속을 증가시킨다. 자속은 공극내에 자계를 발생하여 모터링 토크를 발생하도록 회전자 극에 작용한다. 기기내의 자속은 DC 전원으로부터 스위치(31, 32)와 위상 권선(16)을 통해 흐르는 전류에 의해 제공되는 기자력(mmf)에 의해 유지된다. 일부 제어기에서, 전류 귀환이 사용되고, 위상 전류의 크기는 스위칭 소자(31, 32) 중 하나 또는 양자 모두를 신속하게 온 및 오프로 스위칭하여 전류를 초핑함(chopping)으로써 제어된다. 도 4a는 2개의 고정 레벨사이에서 전류가 초핑되는 초핑 모드 동작에서의 통상적인 전류 파형을 도시한다. 모터링 동작에서, 턴온 각(θ_ON)은 회전자의 극간 공간의 중심선이 고정자 극의 중심선과 정렬되는 위치에 회전자가 있도록 종종 선택되지만, 다른 각이 선택될 수도 있다.

많은 시스템에서, 위상 권선은 "프리휠링 각(freewheeling angle)"이라고 언급되는 θ_FW에 도달하도록 회전자가 회전할때까지 DC 버스에 접속된 채로 유지된다(또는, 초핑이 사용되는 경우 간헐적으로 접속된다). 회전자가 프리휠링 각에 대응하는 각 위치(예를 들어, 도 2에 도시된 위치)에 도달할 때, 스위치 중 하나, 예를 들면 스위치(31)가 오프된다. 결과적으로, 위상 권선을 통해 흐르는 전류는 계속적으로 흐르지만, 스위치중 어느 하나(32)와 다이오드(33, 34)중 어느 하나(34)만을 통해서 흐를 것이다. 프리휠링 기간동안, 위상 권선의 양단의 전압 강하는 작고, 자속은 실질적으로 일정하다. 회로는 "턴-오프 각" θ_OFF(예를 들어, 회전자 극의 중심선이 고정자 극의 중심선과 정렬될 때)으로 공지된 각도 위치로 회전자가 회전할 때까지 프리휠링 상태를 유지한다. 회전자가 턴-오프 각에 도달할때, 모든 스위치(31, 32)는 턴오프되고 위상 권선(16)의 전류는 다이오드(33,34)를 통해 흐르기 시작한다. 그러면, 다이오드(33, 34)는 반대의 측면에서 DC 버스로부터의 DC 전압을 인가함으로써, 기기내의 자속(위상 전류)을 감소시킨다.

기기의 속도가 상승함에 따라, 전류가 초핑 레벨까지 상승하는데 걸리는 시간은 작아지고, 대개는 "단일 펄스" 동작 모드에서 구동된다. 이러한 모드에서, 턴-온 각, 프리휠링 각, 및 턴-오프 각은, 예를 들어 속도와 부하 토크의 함수로서 선택된다. 어떤 시스템은 프리휠링의 각도 주기를 사용하지 않는다. 예를 들어, 스위치(31, 32)는 동시에 온과 오프로 스위칭된다. 도 4b는 일반적으로 프리휠링 각이 0이 되는 통상적인 단일 펄스 전류 파형을 도시한다.

턴-온, 프리휠링, 및 턴-오프 각의 값이 요구되는 제어 시스템에 의한 검색용의 어떤 적절한 포멧으로 미리 결정되고 저장될 수 있거나, 실시간으로 계산되거나 추론될 수 있다는 것은 공지된 사실이다.

스위치드 릴럭턴스 기기의 위상 권선이 상술한 방식으로 통전될 때, 자기 회로의 자속에 의해 설정되는 자계는 설명한 바와 같이 고정자 극과 정렬되게 회전자 극을 당기도록 동작하는 원주력을 증가시킨다. 공극의 반경에서 동작하는 이 원주력은 축 상에 토크를 발생시킨다. 스위치드 릴럭턴스 기기에 대한 전형적인 토크 곡선 세트가 도 5에 도시되어 있다. 회전자(r)가, 회전자(r) 상의 극간 갭의 중심선이 고정자 극(s)("비정렬된 위치")의 중심선과 정렬되는 위치로부터, 회전자와 고정자 극(r 및 s)의 중심선들이 정렬되는 ("정렬된 위치") 위치를 통해, 그 다음 극간 중심선이 고정자 극의 중심선과 정렬되는 위치로 이동함에 따른, 전체 회전자 극 피치에 관한 토크가 도시되어 있다. 이 토크 곡선은 회전자 극 피치에 관해 주기적이며, 고정자 극과 연관된 권선의 인덕턴스의 주기적 변화에 대응한다.

도 5는 3개의 전류에 대한 토크 곡선을 도시한다. 공지된 바와 같이, 생성된 토크 크기는, 특히 라미네이션 스틸의 자기적인 특성의 비선형성 때문에, 전류에 대해 선형적이지 않다. 일반적으로 말하자면, 토크는 자기 회로에 여자를 제공하는 회로의 인덕턴스 변화율에 비례한다. 최소 인덕턴스(즉, 극들이 정렬되어 있지 않을때)와 최대 인덕턴스(즉, 극이 정렬되어 있을 때)사이의 차이는 회전자의 사이클에 걸쳐 발생되는 토크의 양에 직접적으로 영향을 미친다. 이 차이는 정렬된 위치에서의 공극을 가능한 작게 하고(통상적으로 수 킬로와트 출력에서 측정되는 기기에서 0.5㎜ 이하), 비정렬된 위치에서의 공극을 가능한 크게(회전자 축과, 극간의 회전자 라미네이션의 일부의 기계적인 세기에 의해 제어됨)함으로써 최대가 된다고 알고 있다. 도 6a 및 도 6b는 통상적으로 정렬된 위치 및 비정렬된 위치에서의 고정자와 회전자 라미네이션을 도시한다. 회전자 극을 그 뿌리부를 그 첨두부만큼 넓게 유지한 결과, 이러한 설계에서 추천되는 바와 같이 비정렬된 위치(도 6b)에서의 공극은 크다는 것을 알수 있을 것이다.

도 5의 토크 곡선은 극이 서로 근접하고 떨어지는 것으로 양과 음의 토크를 표시한다. 실제적인 구동에서, 곡선의 양의 부분 전부 또는 일부가 회전의 한 방향으로 토크를 제공하는데 사용되고, 곡선의 음의 부분 전부 또는 일부는 반대 방향으로 회전시키는데 사용된다. 토크가 각의 함수로서 변하기 때문에, 모든 위상의 여자에 의해(선택된 여자 패턴에 따라 차례로 또는 동시에) 초래되는 토크는, 평활하지 않고, 리플 성분을 포함한다. 이것은 공지된 방법에 의해 분석될 수 있으며 일련의 고조파 성분을 상수 레벨에 더한 것으로 토크를 표시한다. 많은 응용에서, 리플 성분이 중요하지 않은 반면에, 토크 리플이 축에 결합된 로드에 악영향을 주는 응용이 있을 수 있다.

권선의 여자 패턴을 변경함으로써 토크 리플을 최소화하기 위한 많은 시도가 있어왔다. 예를 들어, 미국 특허 제5,319,297호는 더욱 평활한 토크를 생성하도록 전류를 성형(current shaping)하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 방법 및 이와 유사한 여자 제어의 방법은 여자를 공급하는 전자 제어기에서 요구되는 스위치의 크기에 영향을 미치고, 요구되는 스위치 크기의 증가는 구동 비용에 큰 영향을 미친다. 이러한 결과는 예를 들어, 1997년 9월, Lovatt, HC & Stepheson, JM, IEE Proc Electr Power Appl의 제5권 144판의 "Computer-optimised smooth-torque current waveforms for switched-reluctance motors"의 pp310~316에 논의되어 있다.

여자 제어와 관련된 비용을 줄이기 위한 한 시도에서, 토크를 평활하게 하는 다른 방법은 제공되는 여자를 처리하기 보다는 기기를 처리하였다. 예를 들어, 미국 특허 제5,619,113호는 토크 리플을 평활화하도록 서로 변위된 2개의 고정자를 갖는 스위치드 릴럭턴스 기기에 대해 기술하고 있으며, 미국 특허 제4,647,802호는 토크 곡선을 평평하게 하도록 극의 첨두에 의도적으로 포화 상태를 도입시킴으로써 리플을 감소시키는 스위치드 릴럭턴스 모터를 개시한다. 그러나, 이런 방법은 기기의 특정 출력에 저하를 가져오기 때문에 만족스럽지 못하다.

기기의 고정자와 회전자 극 아크의 각도 범위는, 비록 이들이 기기의 위상 개수, 라미네이션의 극의 개수 비율, 및 구동의 개시 요건에 의해 설정되는 범위를 갖긴 하지만, 설계자의 통제하에 있는 2개의 설계 파라미터에 해당한다. 기기의 고정자와 회전자 극 아크의 각 범위는 설계자의 제어 하에서 설계 파라미터중 두개이다. 이들 범위를 설정하는 규칙은 논문["Variable-speed switched reluctance motors" by Lawrenson, PJ, Stephenson, JM, Blenkinsop, PT, Corda, J and Fulton, NN, IEE Proc, Vol 127, Pt B, No 4, 1980년 7월, pp 253~265]에서 알 수 있다. 일부 연구자들은 이들 아크의 실제 값을 선택하고 토크 리플에 영향을 주도록 공극의 반경을 변화하는 방법을 언급하여 왔다. 예를 들어, 미국 특허 제5,148,090호는 기기의 축 길이에 관하여 회전자 극 아크의 각 범위를 변화시키는 기술 방법을 기술하고 있지만, 이는 매우 기계적으로 복잡하고 실제 채택되지 않는다. 미국 특허 제5,146,127호는 이들 아크에 관하여 고정자와 회전자 극을 형성하는 복잡한 방법을 기술하고 있다. 이는 문제점의 일부를 처리하긴 하지만, 평활한 토크를 생성하는 데 있어서 어떤 전반적인 이점을 나타내지 못했다.

토크 곡선을 제어기에 의해 제공될 여자 패턴에 적절하게 처리할 수 있는 기기가 요구된다. 기기에 의해 생성되는 최종 토크가 그 응용에 있어서 충분히 평활하도록 각 위상의 토크 곡선의 고조파 스펙트럼을 제어할 필요가 있다. 이러한 방법에서, 여자 제어에 관한 비용은 최소화될 것이다. 어떠한 종래의 기술도 이러한 문제에 대해 만족스런 해결책을 나타내지 못했다.

본 발명의 목적은 스위치드 릴럭턴스 기기의 토크 리플 문제점을 해결하고, 토크 리플이 감소되고 고조파 토크 성분이 감소된 기기를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 양상에 따르면, 릴럭턴스 기기의 라미네이션 세트는 회전자 라미네이션과 고정자 라미네이션을 포함하며, 각 라미네이션은 다른 라미네이션 쪽으로 연장하는 돌출형 극편(salient pole pieces)의 어레이를 정의하는 프로파일을 가지며, 극간 축은 각 라미네이션의 인접한 극편들 사이에서 정의되고, 각 극편의 표면은 이들 사이에서 가변 공극을 정의하도록 서로를 지나 이동할 수 있고, 공극의 변화는 고정자와 회전자 라미네이션의 상대적인 위치에 대한 공극 변화의 제1 도함수가 회전자 라미네이션상의 극간 축사이에서 실질적으로 연속적이 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

한 형태에서, 라미네이션은 선형과는 반대되는 회전 기기용이다. 극편은 회전자와 고정자 라미네이션 양자 모두에 공통인 축을 중심으로 회전함으로써 서로를 지나 이동할 수 있다.

2개의 인접한 극편간의 접합은 가파를 수도 있고(abrupt) 부드러울 수 있다(smooth).

바람직하게는, 제1 도함수는 극간 축의 주변 영역에서 연속적이다.

대안으로서, 제1 도함수는 극간 축에서는 불연속적일 수 있다.

따라서, 회전자 라미네이션의 각 극편의 프로파일이 볼록하고, 극간 축의 주변 영역의 프로파일이 오목한 한 형태에서, 볼록한 부분은 오목한 부분보다 각 범위나 선형 거리가 더 크다. 또 다른 형태에서, 고정자 라미네이션의 극편의 표면의 프로파일이 볼록한 영역에 의해 경계지워져서 함께 제1 영역을 함께 형성하고, 이 제1 영역은 오목한 부분보다 범위가 더 크다. 상기의 2가지 형태는 동일 라미네이션 세트에 포함될 수 있다.

회전자 극이 고정자 극보다 더 넓을 수도 있다. 이와는 달리, 고정자 극은 회전자 극보다 더 넓을 수도 있다. 바람직하게는, 고정자나 회전자 극은 어떠한 각도에서도 요구되는 방향으로 토크를 생성하는 동작 개시 요구 조건을 충족시키는데 필요한 것보다 더 넓다.

바람직하게는, 회전자 라미네이션은 실질적으로 연속적인 프로파일을 갖는다. 고정자 라미네이션은 실질적으로 연속적인 프로파일을 가질 수도 있다.

본 발명의 한 형태에서, 회전자 극이 고정자 극보다 더 많이 제공될 수 있다. 가능한 하나의 구성으로서, 6개의 돌출형 고정자 극과 8개의 돌출형 회전자 극이 제공될 수 있다.

고정자 및/또는 회전자 라미네이션은 그들의 중심선에 대하여 대칭일 수 있다. 고정자 및/또는 회전자 라미네이션은 비대칭일 수도 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 릴럭턴스 기기용 회전자가 제공되는데, 그 회전자는 프로파일이 실질적으로 연속적인 라미네이션을 포함한다.

바람직하게는, 회전자는 라미네이션의 스택으로 제조된다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 릴럭턴스 기기용 고정자가 제공되는데, 그 고정자는 프로파일이 연속적인 라미네이션을 포함한다.

바람직하게는, 고정자는 상기 라미네이션의 스택으로 이루어지며, 중심선에 대하여 대칭적이다. 고정자는 비대칭일 수도 있다.

또한, 본 발명은 고정자에 대한 임의의 회전자의 임의의 배향 위치에서 개시 토크를 생성하는 폭을 갖는 고정자 극을 포함하는 회전자/고정자 구성에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 정의된 한 세트의 라미네이션을 포함하는 릴럭턴스 기기에 관한 것이기도 하다.

본 발명은 다양한 방법으로 실시될 수 있고, 이들 중 일부가 첨부된 도면을 참조하여 예를 들어 설명될 것이다.

도 7a 및 도 7b는 6개의 돌출형 고정자 극(108)과 4개의 돌출형 회전자 극(110)으로 된 스위치드 릴럭턴스 기기용의 고정자 라미네이션(100)과 회전자 라미네이션(102)을 도시한다. 고정자 라미네이션(100)은 본체(130)를 가지며, 이 본체로부터, 규칙적인 어레이의 고정자가 축을 중심으로 배열되고 회전자 극쪽으로 연장하고 있다. 고정자 라미네이션에서와 같이, 회전자 라미네이션(102)은 본체(132)를 가지며, 이 본체로부터, 규칙적인 어레이의 회전자 극이 동일한 축을 중심으로 배열되고, 고정자 라미네이션쪽으로 연장되고 있다. 라미네이션은 종래의 기술에서와 같이 전기적 판형 강철(electrical sheet steel)로 제조될 수 있다.

종래의 기기에서와 같이, 이러한 라미네이션의 스택은 회전자 코어 팩과 고정자 코어 팩을 형성하는데 사용된다. 도 7a 및 도 7b는 이러한 회전자/고정자 코어 팩의 단면을 도시하고 있다. 이들은, 예를 들어 도 1의 구동 시스템에 내장된 스위치드 릴럭턴스 기기의 자기 회로를 형성한다. 도 7a는 회전자 극의 중심선이 고정자 극의 중심선과 방사상으로 정렬되어 있는 회전자 위치, 즉 고정자 극 둘레의 위상 권선의 인덕턴스가 최대가 되는 회전자 위치를 도시한다. 도 7b는 회전자의 내부 자극의 중심선이 고정자 극의 중심선과 방사상으로 정렬되도록 회전자가 회전자 극 피치의 절반만큼 회전한 회전자 위치 즉, 위상 권선의 인덕턴스가 최소가 되는 위치를 도시한다.

용어 '공극(air gap)'이 회전자의 임의의 위치에 대한 고정자와 회전자 사이의 자속 경로의 일부를 나타낸다는 것을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 또한, 회전자가 회전할 때, 공극의 유효 길이가 회전자와 고정자 극 축이 정렬되는 위치에서의 최소 값과, 회전자 극간 축이 고정자 극 축과 정렬되는 위치에서의 최대값 사이에서 변화한다는 것도 이해할 것이다.

도 7a 및 도 7b의 구성에서, 고정자 극 표면(104)은 회전자의 회전 축상에 중심을 둔 아크 형태의 종래의 프로파일을 갖는다. 회전자 프로파일은 그 회전축으로부터 연장되는 중심선 A에 관해 대칭적이다. 각 회전자 극(110)은 다양한 부분을 포함한다. 제1 부분(106)은 중심이 회전자 라미네이션(102)의 중심과 일치하는 볼록한 극 아크이다. 이 부분(106)에는 무시할 만한 각도 스팬(angular span)이 있을 수 있다. 제1 부분(106)의 어느 한 편상에 각도상 인접하게 볼록한 제2 부분(112)이 있다. 제2 부분(112)은 고정자 극 표면으로부터 멀어지면서 회전자의 중심쪽으로 방사상 안쪽으로 평활하게 점진적으로 변화하고 있다. 제2 부분(112)의 점진적 변화는 제1 부분(106)과 불연속되지 않도록 되어 있다. 각각의 제2 부분(112)에 각도상으로 인접하게 볼록한 제3 부분(114)이 있다. 이 제3 부분(114)은, 불연속점이 없도록 제2 부분(112)으로부터 연장되고 있다. 이 예에서 제3 부분(114)의 윤곽은 방사 형태이다. 더 복잡한 형태일 수도 있으나, 모든 경우에서 제2 부분(112)과 불연속되지 않는다. 각각의 제3 부분(114)에 각도상으로 인접하게 오목한 제4 부분(116)이 있다. 제4 부분(116)은 회전자의 주 본체쪽으로 연장되며 둥글게 만곡되어 인접한 극(110)의 인접한 제4 부분(116) 속으로 뭉쳐 들어간다. 그리하여, 인접한 제4 부분(116)은 회전자 극들 사이에 있는 극간 축까지에 도달하는 극간 영역을 형성한다. 제4 부분(116)의 프로파일은 제3 부분(114) 또는 서로간에 연속적이 되도록 한다. 그러므로, 회전자 라미네이션의 전체 프로파일은 실질적으로 연속적이다.

다른 실시예에서, 인접한 제4 부분 사이에 다소 불연속적인 부분이 있을 수 있다. 즉, 두 극간의 "결합"이 완벽하게 매끄럽지 않을 수도 있다. 이는 공극 프로파일에 적은 영향을 미칠 수 있고 수용 가능한 성능을 야기하기도 한다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 회전자의 변경에서, 회전자 극간의 변화는 도 15에 도시된 바와 같이 돌발적일 수 있다(즉, 불연속적이다). 인접한 극의 측면은 극간 축에서 접한다.

극간 영역과 회전자 극(110)의 프로파일이 서로 뭉쳐 들어가므로, 회전자 축에 중심을 둔 어떤 원의 원주 주변에 존재하는 라미네이션 재료의 "마크(mark)" 대 "스페이스(space)"의 비율을 고려함으로써, 상대적인 폭의 측정이 얻어질 수 있다. 각 회전자 극(110)의 폭은 극간 영역보다 훨씬 넓고, 종래의 기술, 예를 들어 로렌슨(Lawrenson) 등의 논문에서 추천하는 것보다 상당히 넓다. 전형적으로, 극 아크(106)는, 어떠한 회전자 각도에서도 필요한 방향으로 토크를 생성하는 개시 요건을 충족하는데 요구되는 것보다 더 넓다. 또한, 극간 영역은 통상적으로 매우 짧아서 비교적 좁은 영역에 저임피던스를 제공한다. 이러한 특징들의 결합은 회전자와 고정자 라미네이션 사이의 공극(g)의 변화가 회전자 각(θ)로 완전히 평탄하게 하도록 즉, 함수 g(θ)의 제1 도함수가 연속적이 되도록 한다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 종래의 기기의 인덕턴스 프로파일과 도 7a 및 도 7b에 도시된 기기의 인덕턴스 프로파일은 각각 도 8a 및 도 8b에 도시된다. 종래 기기의 인덕턴스 프로파일은 낮은 값에서 상당한 각도 스팬을 갖는 반면에, 도 7a 및 도 7b의 기기의 프로파일은 더 높고 더 좁은 범위의 최소값을 가진다는 것을 도 8(a)로부터 알 수 있다.

종래 기술의 가르침에 따르면, 최소 인덕턴스를 높힘으로써 기기의 성능은 저하될 것이다. 통상 이러한 것은 피해야 한다. 그러나, 상승된 값의 최소 인덕턴스를 수용하는 것에 대해 자명하지 않은 이득이 있다는 것을 이하에서 설명한다.

도 9는 도 8a 및 도 8b에 도시된 인덕턴스 프로파일의 푸리에 변환을 도시하며, 높은 주파수의 고조파들에서의 차이를 명확하게 드러내기 위해 고조파 성분들의 로그 크기를 플롯팅한다. 이 특정 실시예에서, 8번째 및 9번째 고조파가 상당히 감소되었다. 이것은 토크 곡선에서의 감소된 고조파로 이어지게 된다. 도 10은 도 8a 및 도 8b의 인덕턴스 곡선에 대응하는 토크 곡선에 대한 푸리에 변환을 도시하고 있으며, 토크의 8번째 및 9번째 고조파에서의 감소가 명확하게 나타나 있다.

극간 영역들 사이에 정의된 도 7a 및 도 7b의 회전자 극(110)(즉, 제1 부분(106), 제2 부분(112) 및 제3 부분(114))의 각도 범위는 고정자 극(108)의 각도 범위보다 더 크다. 상술된 프로파일링은 회전자 극에 대해 설명한 것과 결합하여 또는 단독으로 고정자 극(108)에 제공될 수 있다. 그러나, 이 프로파일링이 고정자에 적용되면, 충분한 공간을 확보하기 어렵고 고정자 권선을 맞추고 고정시키는데 더 많은 주의를 요한다. 따라서, 바람직한 방법은 회전자 극(110)만을 프로파일링하고 고정자 극(108)은 다소 종래 프로파일로 유지하는 것이다.

스위치드 릴럭턴스 기기의 설계상에 있어서 종래의 가르침은, 비록 고정자 극보다 더 많은 회전자 극을 가지는 것이 가능하더라도, 이상적으로는 회전자 극의 수가 고정자 극의 수보다 더 적어야 한다는 것이다(예를 들어, 로렌슨의 논문 참조). 그러나, 위에서 논의된 프로파일링은 예를 들어 6개의 돌출형 고정자 극과 8개의 돌출형 회전자 극으로 된 기기에 효과적으로 적용될 수 있음이 파악되었다. 본 발명에 따라 프로파일링된 이러한 회전자의 예가 도 11에 도시되어 있다. 종래의 가르침은 이러한 기기가 좋지 않은 출력을 생성한다는 결론을 이끌어내는 반면에, 본 발명은 그렇지 않다는 것을 보였다.

도 12는 도 11의 회전자 프로파일을 사용하는 기기의 인덕턴스/각도 곡선(상위 곡선)과 종래의 설계된 6개의 돌출형 고정자 극과 8개의 돌출형 회전자 극 기기의 곡선(하위 곡선) 사이의 비교를 도시한다. 이 곡선은 동일한 스케일로 그려진 것이다. 위쪽 곡선은 (좁은 극간 갭 때문에) 더 높은 최소의 인덕턴스를 갖는 반면에, 아래쪽 곡선은 완전히 정렬된 위치의 하위 자기 회로때문에 더 낮은 최대 인덕턴스를 갖는다. 도 13은 2개 기기의 고조파 함량(harmonic content)의 비교를 도시하며 도 9와 동일한 방식으로 플롯팅되었다. 고조파 성분의 감소, 특히 낮은 차수의 짝수 고조파에서 명확히 볼 수 있다.

본 발명은, 종래의 기술에서는 행하지 않았던 전체 회전자 극 피치를 통털어공극 길이의 평활한 변화를 제공하여, 연속적인 공극 함수가 된다. 회전자 극 프로파일에 의해 정의되는 공극은 회전자가 회전할 때 종래의 회전자/고정자 구성에서 존재하는 유효 공극에서의 갑작스런 변화를 피할 수 있는 장점을 갖는다. 그러므로, 생성되는 평균 토크를 제어하는 것이 가능할 뿐만 아니라 임의의 가용 여자 구성과 정합하도록 토크 프로파일의 고조파 함량을 수정하는 것도 가능하다. 이것은 토크 리플의 크기를 감소시킬 뿐만 아니라 특정 응용에서 특별히 문제를 발생시키는 고조파 성분을 최소화하는 한 방법을 제공한다.

도 7a 및 도 7b 및 도 11에 도시된 회전자는 대칭적이다. 이것은, 양쪽 모두의 회전 방향에서 성능이 동일해야 하는 전기 기기에 대해서는 통상적인 것이다. 그러나, 일부 응용에서는 한 방향의 회전만이 요구되고, 예를 들어, 상술된 스테픈슨 앤드 블레이크의 논문에서의 2-상 기기에 대해 도시된 바와 같이, 회전자를 비대칭적으로 제조함으로써 선호하는 방향에서의 성능을 개선하기 위한 것이 통상적이다. 본 발명은 비대칭 회전자에도 마찬가지로 적용한다. 도 14는 본 발명이 구현된 비대칭적으로 프로파일링된 회전자의 일례를 도시한다. 라미네이션의 프로파일이 회전자 극의 중심선에 관해 비대칭적이지만, 여전히 연속적이어서 기기로부터 소망의 토크 프로파일을 생성할 수 있다.

마찬가지로, 본 발명은 주행 방향이 선형적인 선형 기기에도 적용될 수 있다. 고정자 및/또는 가동 부재(movable member)의 극 형태는 효과를 동일하게 하기 위해 변경될 수 있다. 용어 '회전자'를 가동 부재로서 취급하여 선형 모터의 환경에서 사용될 수 있다. 또한, 통상적인 릴럭턴스 기기가 고정자의 내부에서 회전하도록 배열된 회전자를 갖는 반면에, 본 발명은 회전자가 고정자 주변을 회전하거나 또는 고정자의 외부를 따라 동작하는 '인버티드(inverted)' 기기에 적용될 수도 있다. 이 구성에서, 고정자 극은 방사상으로 바깥쪽으로 연장되고, 회전자 극은 방사상으로 안쪽으로 연장된다. 따라서, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 앞서 기술된 구성의 다양한 변경이 가능하다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 따라서, 몇몇 구체화된 실시예는 실시예로서 설명될 뿐 발명의 범위를 한정하지는 않는다. 본 발명은 이하의 특허청구범위의 사상과 범위에 의해서만 제한되어야 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 스위치드 릴럭턴스 기기의 토크 리플의 문제점을 처리하고 고조파 토크의 스펙트럼 및 토크 리플을 감소시키는 기기를 제공할 수 있게 된다.

Claims (19)

1. 회전자 라미네이션과 고정자 라미네이션을 구비한 릴럭턴스 기기용 라미네이션 세트로서, 각 라미네이션은 다른 라미네이션을 향해 연장하는 돌출형 극편의 어레이를 정의하는 프로파일을 가지며, 상기 각 라미네이션상의 인접한 극편들 사이에 극간 축이 형성되며, 상기 각 극편의 표면은 이들 사이에 가변 공극을 형성하도록 서로를 지나서 이동 가능하고, 상기 공극의 변화는 회전자와 고정자 라미네이션의 상대적인 위치에 대한 공극 변화의 제1 도함수가 회전자 라미네이션상의 극간 축 사이에서 실질적으로 연속적인 것인 라미네이션 세트.
2. 제1항에 있어서, 상기 극편은 상기 회전자 라미네이션과 고정자 라미네이션의 모두에 대해 공통인 축을 중심으로 회전함으로써 서로를 지나서 이동 가능한 것인 라미네이션 세트.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 도함수는 상기 극간 축의 주변 영역에서 연속적인 것인 라미네이션 세트.
4. 제3항에 있어서, 상기 회전자 라미네이션의 각 극편의 프로파일은 볼록하고, 상기 극간 축의 주변 영역의 프로파일은 오목하며, 상기 볼록부는 상기 오목부보다 범위가 더 넓은 것인 라미네이션 세트.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 고정자 라미네이션의 극편의 표면의 프로파일은 볼록부에 의해 경계지어져 함께 제1 영역을 정의하고, 상기 극간 축의 주변 영역의 프로파일은 오목하며, 제1 영역은 상기 오목부보다 범위가 더 넓은 것인 라미네이션 세트.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 도함수는 상기 극간 축에서 불연속적인 것인 라미네이션 세트.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 극은 상기 고정자 극보다 폭이 더 넓은 것인 라미네이션 세트.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 극은 상기 회전자 극보다 폭이 더 넓은 것을 특징으로 라미네이션 세트.
9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 라미네이션은 상기 공극에 인접한 프로파일로서 실질적으로 연속적인 것인 라미네이션 세트.
10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 라미네이션은 상기 공극에 인접한 프로파일로서 실질적으로 연속적인 것인 라미네이션 세트.
11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 극의 수가 상기 고정자 극의 수 보다 더 많은 것인 라미네이션 세트.
12. 제11항에 있어서, 상기 고정자는 6개의 돌출형 고정자 극을 가지며, 상기 회전자는 8개의 돌출형 회전자 극을 갖는 것인 라미네이션 세트.
13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 라미네이션 및/또는 상기 회전자 라미네이션은 그들의 중심선에 관해 대칭적인 것인 라미네이션 세트.
14. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 라미네이션 및/또는 상기 회전자 라미네이션은 비대칭적인 것인 라미네이션 세트.
15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 라미네이션 세트의 스택을 포함하는 릴럭턴스 기기용 회전자/고정자 장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 회전자는 상기 고정자 내에서 회전 가능한 것인 릴럭턴스 기기용 회전자/고정자 장치.
17. 제15항에 있어서, 제7항에 기재된 라미네이션 세트에 따라, 상기 회전자 극은, 상기 고정자에 관한 상기 회전자의 임의의 배향 위치에서 토크를 개시할 수 있는 폭을 갖는 것인 릴럭턴스 기기용 회전자/고정자 장치.
18. 제15항에 있어서, 청구항 제8항에 기재된 라미네이션 세트에 따라, 상기 고정자 극은 상기 회전자에 관한 상기 고정자의 임의의 배향 위치에서 토크를 개시할 수 있는 폭을 갖는 것인 릴럭턴스 기기용 회전자/고정자 장치.
19. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 기재된 라미네이션 세트를 포함하는 릴럭턴스 기기.

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