KR100609519B1 - 각 스테이터 전자석용의 개별 제어 모듈을 구비한 로터리전기 모터 - Google Patents

Abstract

브러시가 없는 로터리 전기 모터는 환상의 스테이터 링을 둘러싸는 원통형의 로터 하우징 구조 내에 형성된다. 스테이터는 복수의 개별 파워 모듈과 상응하는 코어 세그먼트로 형성되며, 각 모듈은 스테이터 내에 병합된 전원 장치에 의해서 공급되는 전기 제어 및 구동 요소를 포함한다. 이와 같은 평행 구조는 각 모듈에 비교적 독립적으로 제어되는 기능을 제공한다. 각 모듈과 스테이터 코어 세그먼트는 다른 유닛들을 방해하지 않으면서 개별적으로 설치되고 분리될 수 있다. 개별 모듈 또는 스테이터 코어 세그먼트가 동작 불능 상태가 되는 경우에는, 수리 또는 교체 및 재설치를 위해서 쉽게 분리될 수 있다.

Description

각 스테이터 전자석용의 개별 제어 모듈을 구비한 로터리 전기 모터 {ROTARY ELECTRIC MOTOR HAVING SEPARATE CONTROL MODULES FOR RESPECTIVE STATOR ELECTROMAGNETS}

관련 출원

본 특허 출원은 2001년 4월 5일자로 출원된 마슬로브(Maslov) 외의 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 제09/826,423호, 2001년 4월 5일자로 출원된 마슬로브 외의 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 제09/826,422호, 및 2001년 10월 1일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제09/966,102호에 관련된 내용을 포함하고 있다. 이들 특허 출원은 본 특허 출원과 함께 일반 양도되어 있다. 이들 공동계류 중인 특허 출원의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 병합되어 있다.

본 발명은 로터리 전기 모터에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 스테이터가 개별 모듈로 형성되며, 각 모듈은 그 내부에 집적된 코어 및 권선 구조와, 전기 제어 및 구동 요소, 및 전원 장치를 포함하는 모터에 관한 것이다.

모터 제어를 위한 마이크로컨트롤러 및 마이크로프로세서 기반의 애플리케이션과 같은 전자 시스템의 진보 및 향상된 휴대용 전원 장치의 이용 가능성으로 인해, 내연 기관에 대한 실현 가능한 대안으로서 효율적인 차량용 전기 모터 구동장 치의 개발은 매력적인 도전이 되고 있다. 모터 권선에 대한 전자 제어에 의한 펄스식 전압 인가는 모터 특성의 보다 신축적인 관리의 전망을 제공한다. 펄스 폭, 듀티 사이클(duty cycle), 및 적합한 스테이터 권선으로의 배터리 소스의 전환 적용을 제어함으로써, 사실상 교류 동기식 모터의 동작과 구별할 수 없는 기능적인 다용성이 얻어질 수 있다. 이러한 권선과 함께 영구 자석의 사용은 전류 소비를 제한한다는 측면에서 이점이 있다.

위에서 언급된 마슬로브 외의 공동 계류중인 관련 미국 특허 출원 제09/826,422호에서는, 제작의 단순화가 용이하며 효율적이고 신축적인 동작 특성이 가능한 개선된 모터에 대한 필요성을 인식하여 다루고 있다. 차량 구동 환경에서는, 최소 동력 소비로 높은 토크 출력을 유지하면서 넓은 속도 범위에 걸쳐서 원활한 동작을 달성하는 것이 매우 바람직하다. 이러한 차량 모터 구동부는 불편을 최소화하는 상태로 부품 교체를 위한 다양한 구조적인 구성 요소로의 접근성을 유익하게 제공해야 한다. 상기 공동 계류중인 관련 미국 출원에서는 유익한 효과를 제공하기 위해서, 전자기 극(electromagnetic pole)이, 반경 방향으로 비교적 얇은 환상 링으로 구성된 절연 자기 투과성 구조로서 병합되어 있다. 이러한 구조에 의해서, 종래 기술의 실시예와 비교하여, 전자석 코어에서 거의 손실 없이 혹은 유해한 트랜스포머 간섭 효과 없이 자속이 집중될 수 있다. 언급된 공동 계류중인 특허 출원의 구조에 의해서 토크 특성 및 효율의 향상이 달성될 수 있지만, 여전히 추가적인 개선이 요구된다.

이러한 목적으로, 위에서 언급된 마슬로브 외의 공동 계류중인 관련 미국 특 허 출원 제09/826,423호에서는, 자석의 등급, 자기 회로의 에너지 밀도 및 전체적인 자기 특성, 로터의 일부가 될 때 자석의 전반적인 작동 조건 및 영구성을 조정할 수 있는 크기 및 치수, 자석의 온도 안정성, 의도하는 적용을 위한 자석의 제조시에 취해지는 마무리작업, 코팅 및 후 처리 단계, 자석의 곡선 표면에 걸친 자화(magnetization) 안정성, 자석의 반경 방향 극성화의 균일성, 2개의 개별 자석 사이의 인접 틈새, 자석의 모서리의 기계적인 특징, 및 백 아이언 링(back iron ring) 섹션에 의해서 제공되는 자석의 복귀 자속 경로와 같은 로터의 파라미터를 최적화하기 위한 방안을 모색한다.

휴대성 및 크기가 중요한 요소가 되는 환경에서는, 복잡한 제어 기능성을 희생시키지 않으면서 넓은 범위의 동작 특성이 가능한 구동 모터에 대한 요구가 존재한다. 브러시가 없는 모터 시스템은 정확한 정류(commutation) 시퀀싱 및 개별 스테이터 권선으로의 적절한 전력의 인가를 이룰 수 있도록 복수의 전자 스위치 각각을 제어할 수 있는 능력을 구비해야 한다. 위에서 언급된 마슬로브 외의 공동 계류 중인 관련 미국 특허 출원(정리 번호 57357-016)에는, 복잡하고 다양한 제어 요소가 스테이터의 경계 내에 포함되는 모터의 구조적인 구성이 설명되어 있다. 하지만, 요소들이 내부에 배치될 수 있도록 비교적 얇은 환상 구조로 단순화된 스테이터 자속 발생 구조는, 낮은 동작 속도에서 높은 토크를 제공하면서 적절한 자속 출력을 발생시킬 수 있다.

스테이터 몸체 내의 단일의 공통 경로와 비교하여 복수의 개별 스테이터 자기 경로의 제공에 기인하는 다양한 이점들이 위에 설명되었다. 스테이터의 내부 및 그 안에 있는 구조 및 전기 구성 요소에 대한 용이한 접근성은 동작의 개선에 대한 부가적인 기회를 제공한다.

본 발명은 위에서 언급된 마슬로브 외의 특허 출원에 개시되어 있는 절연된 개별 극의 쌍 배치(pair arrangement)의 부가적인 이점을 제공하는 동시에, 상기와 같은 필요들을 충족시킨다. 스테이터는 복수의 개별 파워 모듈 및 상응하는 코어 세그먼트로 형성되며, 각 모듈은 스테이터의 내부에 병합된 전원 장치에 의해서 전력이 공급되는 전기 제어 및 구동 요소를 포함한다. 이러한 병렬 구성은 각 모듈에 대해서 비교적 독립적으로 제어되는 기능성을 제공한다. 각 모듈의 성능은 정상 작동시에 원래의 위치에서 또는 보다 광범위한 소프트웨어 제어식의 진단 절차를 실행함으로써 개별적으로 측정될 수 있다. 테스트 결과에 기초하여, 모듈은 수리 또는 교체를 위해서 자동적으로 재조정되거나, 분리되거나 또는 표시된다. 독립적인 모듈의 특성을 조합함으로써 산출된 전반적인 모터의 성능이, 필요한 조치를 최소화하는 다양한 수리 옵션들을 분석할 수 있게 원래의 기준과 비교될 수 있다.

각 모듈과 스테이터 코어 세그먼트는 다른 유닛들을 방해하지 않으면서 개별적으로 설치되고 분리될 수 있다. 특정의 모듈 또는 스테이터 코어 세그먼트가 동작 불능 상태가 되면, 남아있는 스테이터 모듈의 전반적인 성능에 별다른 영향을 미치지 않으면서 그 불능 상태의 모듈 또는 스테이터 코어 세그먼트가 작동 정지될 수 있다. 그리고 나서, 모터는 그 남아있는 모듈에 의해서 동작되도록 하면서, 그 결함이 있는 요소가 수월하게 외부로 제거되어 테스트될 수 있다. 그 후에, 그 결 함이 있는 요소는 확인이 이루어지고, 수리되거나 교체될 수 있다. 편한 시간에, 수리된 유닛 또는 교체 유닛이 그 스테이터의 구획 내에 수월하게 재설치될 수 있다.

스테이터의 전자석 코어 요소의 얇은 환상 링 구조는, 스테이터 구조의 경계 내에 비교적 복잡한 전기 제어 시스템의 (전체 부분이 아니라면) 상당부분을 배치할 수 있는 충분한 공간을 제공한다. 스테이터 자속 발생 구조 내부의 차폐 공간(shield space) 내에 전기 제어 요소를 집적하는 것은 여러 가지 이점을 제공한다. 모터와 외부 환경 사이에서뿐만 아니라 제어 회로와 전환되는 스테이터 권선 사이에서도 전자기 간섭을 회피하는 동시에, 집적의 단순화가 얻어진다. 예를 들면, 자동차 구동부와 같은 특정 적용에 사용될 때, 모터 구조와 전기 제어 시스템 모두를 차량 휠 내에 병합하게 되면 유닛의 중량을 감소시킬 수 있음과 동시에, 음향 노이즈 및 기계적인 노이즈를 또한 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 종래의 자동차의 조작을 모방하기 위한 사용자의 관점으로부터의 조작이 단순화될 수 있다.

전술한 이점들은 적어도 부분적으로 본 발명의 구조적인 특징에서 분명하게 드러나는데, 모터는 환상 링 형태로 각각 배치되고 환상 에어 갭(air gap)에 의해서 서로 이격된 로터와 스테이터를 포함한다. 스테이터는 코일이 권취되어 있는 복수의 자기 투과성 코어 세그먼트를 포함하며, 이 코어 세그먼트는 서로 직접 접촉하지 않도록 분리되어 있으며 반경 방향의 에어 갭을 따라서 배치된다. 그래서 이들 세그먼트는 개별 전자석이 된다. 스테이터의 반경 방향 내주(內周)는 실질적으로 자속이 통과하지 않는 공간을 구획 형성한다. 이 스테이터 공간 내에는 복수의 개별 모듈이 포함되며, 모듈 각각은 이들 모듈에 동작 전류를 공급하기 위한 각각의 스테이터 전자석에 대응된다. 모터는 차폐 하우징 내에 포함되며, 그래서 외부 전자기 간섭을 회피한다.

각 모듈은 전원 장치와 각 전자석에 접속된 전자 스위치 및 구동 회로를 포함할 수 있으며, 전자 스위치는 전원 장치로부터 전자석의 권선으로 전류 펄스를 안내하기 위해서 구동 회로에 응답한다. 내부 스테이터 공간에는 배터리 또는 배터리 팩과 같은 전원 장치가 포함될 수 있다. 스테이터에 적절하게 위치된 로터 위치 센서는 컨트롤러에 로터 위치 신호를 출력한다. 컨트롤러, 스위치 구동 회로, 및 스위치는 모두 하나의 기판상에 장착될 수 있다. 각 전자석 및 그 각각의 모듈은 그래서 개별적으로 동작할 수 있는 독립적인 유닛을 포함한다. 물론, 스테이터 유닛은 효율적인 모터 작동을 위해서 서로에 대해서 기능할 수 있다. 각 유닛에 요소의 복제물이 배치되므로, 어떠한 개별 유닛의 동작 불능도 남아있는 유닛의 독립적인 동작을 방해하지 않게 된다.

다른 형태의 바람직한 실시예에서는, 유닛들의 동작을 조정 및 조화시키기 위해서 스테이터의 경계 내에 마스터 컨트롤러가 제공될 수 있다. 마스터 컨트롤러는 하나 이상의 로터 위치 센서로부터 로터 위치 센서를 수신하며, 이에 응답하여, 복수의 스테이터 모듈 각각의 구동 회로로 타이밍 신호를 공급한다.

본 발명의 유익한 특징으로서, 각 스테이터 모듈은 개별 전원 장치를 포함할 수 있으며, 그에 따라 배터리 내부 저항의 영향을 최소화할 수 있다. 모터 동작 중에, 구동 요소는 (전체 권선이 아니라면) 복수개의 권선의 전류 인가가 임의의 특 정 시간에 중첩되도록 권선의 전류 인가 위상을 제어한다. 경량의 저전압 배터리가 이상적인 전류원은 아니다. 단일 전원 장치로부터 유도된 전류의 총합은 그 전원 장치의 내부 저항으로 인해서 상당한 전압 강하가 발생한다. 그래서, 특히 단일의 전원 장치가 복수의 권선에 구동 전류를 동시에 공급해야 하는 때에는 각 권선에 대한 동작 전류가 제한된다. 이에 반해, 각 모듈 권선에 별도의 에너지 공급원을 제공하는 경우에는, 하나의 권선에만 전류가 유도됨에 따라 다른 권선들에 전류가 인가되었는지 여부에 의해서 그 권선에 대한 에너지 공급이 영향받지 않는다. 추가적인 이점으로서, 각각의 위상 전환되는 전류 인가로부터의 위상들 사이의 간섭이 최소화된다.

복수의 모듈의 전원 장치는 각각 사용자가 쉽게 접근할 수 있는 하나 이상의 교체 가능한 배터리를 포함할 수 있다. 배터리는 스테이터의 내부에서 혹은 스테이터로부터 분리될 때 외부 전원으로부터 재충전될 수 있다. 그래서, 배터리는 사용자가 가장 접근하기 쉬운 영역에 위치 될 수 있는데, 그 각 유닛 내에 분산되거나 또는 중앙에 위치된다. 배터리는 또한 모터 동작 중에 재생식으로 재충전될 수도 있다.

이하의 상세한 설명으로부터 본 발명의 다른 이점들이 당해 업자에게 보다 자명하게 드러날 것이며, 단지 본 발명을 실행하기 위해 고려되는 최상의 형태의 예시로서 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명된다. 알 수 있다시피, 본 발명은 다른 다양한 실시예도 가능하며, 그 몇 가지 구체적인 사항은 모두 본 발명을 벗어남이 없이 여러 가지 자명한 측면에서 변형이 가능하다. 따라서, 도면 및 상세 한 설명은 본질상 예시적인 것으로 간주되어야 하지, 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다.

본 발명은 첨부된 각 도면에서 일례로서 예시되는 것이지 제한 사항으로서 예시되는 것은 아니며, 이들 도면에서 유사 참조 번호는 유사한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명에 따른 모터의 부분적인 3차원 사시도.

도 2는 다양한 요소들 사이의 위치 관계를 예시하는, 도 1의 모터의 구조적인 구성요소의 분해도.

도 3은 도 1 및 도 2의 모터의 외관 사시도.

도 4는 도 1 내지 도 3의 모터에 사용하는데 적합한 제어 시스템의 블록도.

도 5는 도 4의 시스템의 권선 스위칭 회로의 부분적인 블록도.

도 6은 본 발명에 따른, 도 1에 도시된 모터 구조 배치의 변형예의 부분적인 3차원 사시도.

도 7a 내지 7c는 본 발명에 따른 스테이터 구조의 다른 예를 예시하는 도면.

본 발명의 모터는 자동차, 모터사이클, 자전거 등의 차량 휠의 구동에 사용하는데 적합하다. 그래서, 도면의 예시에서는 차량 휠 내에 수용될 수 있는 모터 구조를 도시하며, 스테이터는 고정 샤프트에 견고하게 장착되어 휠을 구동하기 위한 로터에 의해 둘러싸여 진다. 하지만, 차량 적용의 환경은 본 발명의 모터가 사용될 수 있는 다수의 특정 적용의 일례일 뿐이라는 것을 이해해야 한다.

도 1은 모터 구조의 절취도로서, 그 요소들은 도 2에 분해도로 보다 상세하게 도시되어 있다. 모터(10)는 환상의 영구 자석 로터(20)와 반경방향의 에어 갭에 의해서 분리된 환상의 스테이터 구조(30)로 이루어진다. 로터와 스테이터는 고정 샤프트(36)의 중심에 위치하는 회전축에 대해서 동심(同心) 상에 있도록 배열된다. 스테이터는 복수의 강자성 절연 요소(ferromagnetically isolated element), 즉 스테이터 그룹을 포함한다. 자기 투과성 재료로 만들어지며 서로 직접 접촉하지 않도록 분리된 코어 세그먼트(32)는 각각의 극에 형성된 각각의 권선부(34)를 구비한다. 7개의 스테이터 그룹이 도시되어 있으며, 각 그룹은 에어 갭을 따라서 원주 방향으로 배치된 2개의 돌출형 전자기 극으로 이루어진다. 로터는, 에어 갭의 둘레에 원주 방향으로 분포되며 비자성의 환상 백 플레이트(24)에 부착되는 복수의 영구 자석(22)을 포함하며, 백 플레이트(24)는 알루미늄이나 다른 자기 비투과성 재료로 형성될 수 있다. 이 백 플레이트는 측벽(26)이 부착되는 모터 하우징의 일부를 이룬다.

로터 자석에 의해서 발생되는 자속 분포는, 로터 자석의 후면에 장착되는 자기 투과성 요소(도시하지 않음)를 제공함으로써 증강될 수 있다. 16개의 로터 자석이 도시되어 있다. 도시된 스테이터의 극과 로터 자석의 개수는 단지 예시하기 위한 것일 뿐, 원하는 동작 파라미터에 따라서 다양한 비율이 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 더 넓은 간격으로 이격된 더 적은 개수의 전자석은 다른 속도 특성을 발생시키게 된다. 스테이터의 코어 세그먼트는 샤프트(36)에 중앙이 고정되는 강성의 뼈대 구조(40)에 고정된다. 스테이터 그룹의 개수와 동일한 수 의 스파인 부재(42)는 뼈대 구조(40)의 중심으로부터 U형상의 플레이트(44)까지 반경 외측 방향으로 뻗어있다. U형상의 플레이트의 측면 및 스테이터의 코어 세그먼트는 맞물림 구멍을 포함하며, 이 맞물림 구멍을 통해서 스테이터 세그먼트는 뼈대 구조에 고정된다. 각각의 U형상의 플레이트는 인접한 한 쌍의 스테이터 세그먼트에 맞물린다.

각각의 스테이터 세그먼트 및 인접한 한 쌍의 스파인 부재는 함께 회로 요소가 포함되는 공간을 구획 형성한다. 강성의 스파인 부재(42)는 요구되는 구조적인 지지 기능을 제공함과 동시에 회로 기판(46)을 수용할 수 있는 충분한 표면적을 갖는다. 회로 기판은 임의의 종래 방식으로 각각의 스파인 부재에 부착될 수 있다. 각 회로 기판은, 스파인 부재가 부착되는 스테이터의 코어 세그먼트의 권선에 적절한 배선 접속을 통해서 동작 전류를 인가하는데 필요한 스위치 및 제어 회로 요소를 포함한다. 공간 및 중량에 있어서 보다 더 우수한 경제성을 제공할 수 있도록, 모든 제어 회로 요소 및 스위치가 단일 회로 기판에 집적될 수 있다는 것을 알 수 있다. 배터리(48)로 나타내어진 모터의 전원 장치도 또한 스테이터의 공간 내에 자체 포함된다. 배터리를 위한 적절한 리셉터클(도시하지 않음)이 스파인 부재(42)에 고정될 수 있다. 리셉터클은 임의의 종래의 것들 중 하나 일 수 있으며, 교체 혹은 재충전을 위한 배터리의 제거를 용이하게 한다. 각 공간에 하나의 배터리가 도시되어 있지만, 이러한 예시는 배터리 팩, 복수의 배터리, 또는 잘 알려진 전압원의 다양한 변형물의 형태를 취할 수 있는 에너지원을 대표적으로 나타낸 것이다. 즉, 필요한 모터 동력을 공급할 수 있는 충분한 용량을 갖는 시중에서 구매 가능한 임의 의 배터리 타입 또는 배터리 팩이 사용될 수 있다. 그래서, 개별 배터리 특성 및 모터 구동 요건에 따라서, 다른 요소를 배치하는데 모듈 공간을 사용하는 것도 가능하다.

도 3은 도 1 및 도 2의 모터 시스템의 3차원 외관도이다. 로터 하우징의 외측 링(24)과 측벽(26)은 타이어(도시하지 않음)가 장착될 수 있는 휠 허브(wheel hub)를 형성하도록 구성된다. 로터 휠 하우징은 베어링(38)을 통해서 고정 샤프트(36)를 중심으로 회전 가능하도록 저널 결합된다. 원통형의 로터 하우징 구조는, 에어 갭을 가로질러 로터와 함께 축방향으로 공통 공간에 정렬되는 스테이터의 환상 링을 둘러싼다.

도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 모터 구조를 구동하는데 사용될 수 있는 전형적인 제어 시스템의 블록도이다. 스테이터 권선(34)은 전원 장치(50)로부터 전자 스위치 세트(52)를 통해서 공급되는 구동 전류에 의해서 스위칭 가능하게 전력을 공급받는다. 전류 펄스의 타이밍은 위치 센서(62)로부터 수신된 피드백 신호에 응답하는 시퀀스 컨트롤러(60)의 제어를 받는다. 시퀀스 컨트롤러는 마이크로프로세서 또는 상응하는 디지털 신호 프로세서를 포함할 수 있다. 위치 센서(62)는 비록 단일 유닛으로 개략적으로 나타냈지만, 로터 자석의 회전을 검출할 수 있도록 에어 갭을 따라서 스테이터 섹션에 수 개의 센서가 적절히 배치될 수 있다. 위치 센서는 홀 효과 장치, GMR(giant magneto resistive) 센서, 리드 스위치(reed switch), 펄스 와이어 센서, 아모퍼스 센서(amorphous sensor), 리졸버(resolver) 또는 광 센서와 같은 임의의 알려진 자기 감지 장치를 포함할 수 있다.

모터의 권선에 동작 전류를 인가하기 위한 제어식 전자 스위치의 사용은 당해 업계에 일반적으로 알려져 있다. 도 5는 개별 스테이터 코어 세그먼트 권선용의 스위치 세트 및 드라이버의 부분적인 회로도이다. 스테이터 권선(34)은 4개의 FET의 브리지 회로에 접속된다. 예를 들면 바이폴라 트랜지스터와 같이, 적절한 방향으로 스테이터 권선(34)으로 구동 전류를 안내하기 위해서, 알려진 다양한 전자 스위칭 요소 중 임의의 것이 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. FET(53)와 FET(55)는 전원 장치를 가로질러 직렬로 접속되며, FET(54)와 FET(56)도 마찬가지이다. 스테이터 권선(34)은 2개의 직렬 FET 회로의 접속 노드 사이에 접속된다. 게이트 드라이버(58)는 FET의 게이트 단자에 작동 신호를 인가하기 위해서 시퀀스 컨트롤러(60)로부터 수신된 제어 신호에 응답한다. FET(53과 56)는 일방향으로의 모터 전류 흐름에 대해서 동시에 작동한다. 반대 방향으로의 전류 흐름에 대해서는, FET(54와 55)가 동시에 작동한다. 게이트 드라이버(58)는 시퀀스 컨트롤러(60) 내에 집적되거나 별도의 드라이버 회로를 포함할 수 있다.

도 6은 도 1에 도시된 모터 구조 배치의 변형예의 부분적인 3차원 사시도이다. 전자석 스테이터의 극 각각에 개별 권선부를 제공하는 대신에, 극을 연접시키는 코어 섹션 상에 각 스테이터 코어 세그먼트의 권선(34)이 형성된다. 스테이터 코어 섹션 각각에 인접하게 위치 센서(62)가 있으며, 이 위치 센서(62)는 상응하는 스테이터 코어 섹션에 대한 로터의 위치를 나타내는 출력 신호를 발생시킨다. 이 출력 신호는 회로 기판(46) 상에 포함된 제어 회로에 인가된다.

도 7a 내지 7c는 본 발명에 따른 스테이터의 구조적인 배치의 다른 형태를 예시한다. 복수의 15개의 코어 세그먼트(31)가 도시되어 있으며, 각 세그먼트는 한 쌍의 돌출형 극(32)과 연접부(33)를 포함한다. 코어 세그먼트는 각각 자기 투과성 재료로 구성된다. 각 세그먼트 극의 쌍은 회전축에 평행한 방향으로 정렬되며, 각 극에 형성된 권선(34)을 구비한다. 연접부(33)는 그 외측 주변 표면이 돌출형 극(32)에 연접되는 한편 약간 오목한 내측 주변 표면을 갖는 비교적 얇은 세그먼트이다. 그 오목한 정도는 코어 세그먼트가 대체로 원주를 따라서 구성되도록 회전축으로부터의 코어 세그먼트의 반경 방향의 간격에 따라 상응하는 값을 갖는다. 연접부(33)는 돌출형 극 너머로 양측으로 원주를 따라서 뻗어있다.

스테이터의 코어 세그먼트는 샤프트(36)에 중앙이 고정되는 강성의 뼈대 구조(140)에 고정된다. 뼈대 구조(140)는 플라스틱이나 알루미늄과 같은 자성 비투과성 재료로 형성된다. 샤프트(36)에 고정되는 뼈대 구조는 대략적인 원주형 부분(144)에 일체로 형성된 스파인 부재(142)를 포함한다. 도 7b와 도 7c에 보다 분명하게 도시된 바와 같이, 원주형 부분(144)은 그 반경 방향의 외주에 리브 부재(146)를 구비한 비교적 얇은 원통형 슬리브(145)를 포함한다. 리브 부재는 슬리브로부터 외측으로 돌출하며, 회전축에 대체로 평행하다. 각 리브 부재는 슬리브(145)와의 사이에 홈을 형성하도록 그 외측 경계부 근처에 플랜지부(148)를 구비한다. 인접한 리브(146)는 추가적인 리브 형성 홈부(149)에 의해서 슬리브의 일단부에서 연결된다.

인접한 리브와 그 사이의 인접한 홈부는 스테이터의 연접부(33)를 수용하는 외측 슬롯을 형성한다. 그래서, 15개의 스테이터의 코어 세그먼트에 대해서, 뼈대 구조에 의해서 15개의 슬롯이 제공된다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 스테이터 세그먼트는 코어 세그먼트의 연접부(33)를 외측 슬롯 안으로 슬라이딩시킴으로써 뼈대 구조 안으로 쉽게 삽입될 수 있다. 스테이터 세그먼트는 코어 세그먼트의 연접부(33)를 외측 슬롯으로부터 밖으로 슬라이딩시킴으로써 뼈대 구조로부터 쉽게 분리될 수 있다.

슬리브(145)의 반경 방향 내주는 홈과 내측 슬롯을 형성하도록 리브가 유사하게 구성된다. 파워 모듈(47)을 수용하는 내측 슬롯은 외측 슬롯과 반경 방향으로 정렬된다. 각 쌍을 이루는 슬롯의 비교적 중앙부에서, 슬리브(145)에는 절취부(150)가 형성된다. 파워 모듈은 반대편 슬롯에 있는 스테이터 세그먼트 상에 형성된 스테이터 권선(34)의 제어식 전류 인가를 위한 제어 및 스위치 회로를 포함한다. 절취부는 파워 모듈과 스테이터 권선 사이의 전기 접속을 가능케 한다. 도 7c에 도시된 바와 같이, 파워 모듈 패키지는 내측 슬롯의 치수에 적합하게 되며, 이 내측 슬롯에 수월하게 삽입되거나 또는 내측 슬롯으로부터 수월하게 분리될 수 있다.

도시된 스테이터 세그먼트의 개수는 예시를 목적으로 선택된 것일 뿐이며, 원하는 동작 기준에 따라, 임의의 특정 개수의 스테이터 극이 제공될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 도시된 실시예에서 스파인(142) 사이의 거리는 3세트의 스테이터 코어 세그먼트의 간격에 해당하며, 에너지원 및 하나 또는 복수의 컨트롤러의 배치를 위한 공간을 제공한다. 물론, 스파인의 개수는 구조적인 고려 사항에 따라서 변경될 수 있다.

상기 개시 내용에서는, 본 발명의 바람직한 실시예 및 그 다용성의 몇 가지 예만 도시되고 설명되었다. 본 발명은 다양한 다른 조합 및 환경에도 사용할 수 있고 본 명세서에 언급된 바와 같은 신규 개념의 범위 내에서 변경 또는 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 예를 들면, 알 수 있다시피, 본 발명의 모터는 차량 구동부 이외에 매우 다양한 적용에도 사용될 수 있다. 또, 전술한 이유들로 인해서 각 모듈에 개별적인 에너지 공급원을 제공하는 것이 바람직하지만, 복수의 스테이터 세그먼트 권선에 공급하기 위해서 충분한 용량의 단일 에너지 공급원이 사용될 수도 있다.

도 7a 내지 7c의 실시예는 도시된 축방향의 정렬 구조뿐만 아니라, 코어 세그먼트의 극의 쌍의 원주 방향 정렬에도 적용할 수 있다는 것이 고려될 수 있다. 그래서, 예를 들면 도 1과 6에 도시된 스테이터의 코어 섹션은 예컨대 도 7a 내지 7c에 도시된 것과 같은 스테이터 지지 구조의 외측 슬롯에 그 형상이 일치되는 연접부를 포함할 수 있다. 내측 슬롯은 전기적인 구성요소의 격납을 위해서 제공될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 로터리 전기 모터, 보다 구체적으로는 스테이터가 개별 모듈로 형성되며, 각 모듈은 그 내부에 집적된 코어 및 권선 구조와, 전기 제어 및 구동 요소, 및 전원 장치를 포함하는 모터에 이용할 수 있다.

Claims (23)

1. 환상의 링 형태로 배치된 복수의 영구 자석을 구비한 영구 자석 로터와,

   환상의 링 형태의 복수의 개별적인 강자성 절연 전자석을 포함하는 스테이터로서, 상기 전자석의 권선에는 상기 스테이터를 상기 로터로부터 격리시키는 반경 방향의 에어 갭을 따라서 교호식 극성의 자기극을 형성하도록 선택적으로 전류가 인가되는 스테이터와,

   각각의 스테이터 전자석에 동작 전류를 제공하기 위한 상기 각각의 스테이터 전자석에 대응되는 복수의 개별 파워 모듈을

   포함하는 로터리 전기 모터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스테이터는 상기 로터에 의해 둘러싸여지는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
3. 제1항에 있어서, 상기 파워 모듈 각각은,

   구동 회로와,

   전원 장치 및 상기 각각의 전자석에 연결되며, 상기 전원 장치로부터 상기 전자석의 권선으로 전류 펄스를 안내하기 위해서 상기 구동회로에 응답하는 전자 스위치를

   포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
4. 제3항에 있어서,

   상기 파워 모듈 각각은 각 구동 회로와 각 스위치가 장착된 회로 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
5. 제4항에 있어서,

   각 모듈의 상기 구동 회로에 타이밍 신호를 인가하기 위해서 상기 각 모듈의 상기 구동 회로에 접속된 시퀀스 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
6. 제5항에 있어서,

   로터의 위치를 나타내는 출력 신호를 제공하는 적어도 하나의 로터 위치 센서를 더 포함하며,

   상기 시퀀스 컨트롤러는 상기 출력 신호에 응답하는

   것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
7. 제3항에 있어서,

   상기 전원 장치는 복수의 배터리를 포함하며,

   상기 배터리 각각은 상기 모듈의 각 하나에만 전력을 공급하는

   것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
8. 제3항에 있어서, 상기 파워 모듈 각각은,

   각각의 파워 모듈에 대해서 로터의 위치를 나타내는 출력 신호를 제공하는 로터 위치 센서와,

   상기 스위치의 동작을 제어하기 위한 타이밍 신호를 인가하기 위해서 상기 구동 회로와 상기 로터 위치 센서에 접속된 시퀀스 컨트롤러를

   더 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
9. 제8항에 있어서,

   전류의 흐름 방향 및 각 전류 펄스의 지속 시간은 상기 구동 회로에 의한 상기 스위치의 선택적인 작동에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
10. 제1항에 있어서,

    상기 모터는 차폐 하우징 내에 포함되며, 그에 따라 외부의 전자기 간섭을 회피하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
11. 제1항에 있어서,

    상기 복수의 개별 파워 모듈은 상기 스테이터 전자석의 반경 내측 방향으로 상기 스테이터 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
12. 로터리 전기 모터에 있어서,

    환상의 링 형태로 배치된 복수의 영구 자석을 구비한 영구 자석 로터와,

    상기 로터와 동축을 이루며 축방향의 에어 갭에 의해서 상기 로터로부터 격리되어 있는 스테이터를 포함하며,

    상기 스테이터는 복수의 독립적인 스테이터 유닛을 포함하며, 상기 유닛 각각은 권선이 형성된 강자성 절연 코어와 상기 권선의 전류 인가를 제어하는 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
13. 로터리 전기 모터에 있어서,

    환상의 링 형태로 배치된 복수의 영구 자석을 구비한 영구 자석 로터와,

    상기 로터와 동축을 이루며 축방향의 에어 갭에 의해서 상기 로터로부터 격리되어 있는 스테이터를 포함하며,

    상기 스테이터는 복수의 독립적인 스테이터 유닛을 포함하며, 상기 유닛 각각은 권선이 형성된 강자성 절연 코어와 전원 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
14. 로터리 전기 모터에 있어서,

    환상의 링 형태로 배치된 복수의 영구 자석을 구비한 영구 자석 로터와,

    상기 로터와 동축을 이루며 축방향의 에어 갭에 의해서 상기 로터로부터 격리되어 있는 스테이터를 포함하며,

    상기 스테이터는 복수의 독립적인 스테이터 유닛을 포함하며, 상기 유닛 각각은 권선이 형성된 강자성 절연 코어와 로터 위치 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
15. 로터리 전기 모터에 있어서,

    환상의 링 형태로 배치된 복수의 영구 자석을 구비한 영구 자석 로터와,

    상기 로터와 동축을 이루며 축방향의 에어 갭에 의해서 상기 로터로부터 격리되어 있는 스테이터를 포함하며,

    상기 스테이터는 복수의 독립적인 스테이터 유닛을 포함하며, 상기 유닛 각각은 권선이 형성된 강자성 절연 코어와, 상기 권선의 전류 인가를 제어하는 회로와, 로터 위치 센서, 및 전원 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
16. 제15항에 있어서,

    상기 로터는 상기 스테이터를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
17. 제15항에 있어서, 상기 회로는

    상기 전원 장치 및 각 전자석의 권선에 접속된 전자 스위치와,

    상기 전원 장치로부터 상기 전자석의 권선으로 전류 펄스를 인가할 수 있도록 상기 스위치에 구동 펄스를 인가하기 위해서 컨트롤러에 응답하는 스위치 구동부를

    포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
18. 제16항에 있어서,

    상기 유닛 각각은 구조적으로 자체 포함된 구성요소인 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
19. 외측의 영구 자석 로터를 구비한 로터리 전기 모터용 스테이터로서, 상기 로터에 의해서 둘러싸여진 환상의 링 구조를 가지며 축방향의 에어 갭에 의해서 상기 로터로부터 격리된 스테이터에 있어서,

    스테이터 권선을 형성할 수 있도록 코일이 각각 권취된 복수의 강자성 절연 코어 세그먼트로서, 상기 에어 갭에 위치한 반경 방향 외주와, 내부에 실질적으로 자속이 통과하지 않는 체적을 구획 형성하는 반경 방향 내주를 가지는 코어 세그먼트와,

    상기 코어 세그먼트를 서로 강자성 절연 상태로 격납하며 복수의 개별 파워 모듈을 지지하기 위한 비(非)-강자성 지지 구조로서, 상기 모듈 각각은 각 스테이터 전자석에 권선 동작 전류를 공급하기 위해서 상기 각각의 스테이터 전자석에 대 응되는 비-강자성 지지 구조를

    포함하는 스테이터.
20. 제19항에 있어서, 상기 비-강자성 지지 구조는

    대체로 원주 형상의 슬리브 부분과,

    제1단부는 상기 슬리브 부분과 일체로 형성되고 제2단부는 고정 샤프트에 고정되도록 형성된 복수의 스파인 부재로서, 상기 슬리브는 상기 샤프트로부터 반경 방향의 일정 거리에 위치되며 상기 샤프트와 동축을 이루도록 된 복수의 스파인 부재를

    포함하는 것을 특징으로 하는 스테이터.
21. 제20항에 있어서,

    상기 슬리브 부분은 슬롯을 형성하도록 그 외측 표면에 복수의 대체로 평행한 리브를 포함하며,

    상기 코어 세그먼트 각각은:

    한 쌍의 돌출형 극과,

    상기 극을 연결하며 상기 슬롯의 하나와 맞물려지도록 구성된 연접부를 포함하며,

    상기 코어 세그먼트는 상기 슬롯과 슬라이딩 가능하게 맞물려질 수 있고 상기 슬롯으로부터 슬라이딩 가능하게 분리될 수 있는

    것을 특징으로 하는 스테이터.
22. 제21항에 있어서,

    상기 슬리브 부분은 상기 파워 모듈을 슬라이딩 가능하게 수용하기 위한 슬롯을 형성하도록 그 내측 표면에 복수의 대체로 평행한 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이터.
23. 제22항에 있어서,

    상기 외측 표면의 리브는 상기 내측 표면의 리브와 대체로 정렬되며, 인접한 세트의 리브들 사이의 상기 슬리브 부분은 파워 모듈과 스테이터의 권선 사이에 전기적인 접속을 가능케 하는 절취부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이터.

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