KR101115641B1 - 고효율 영구 자석 브러시리스 모터 - Google Patents

고효율 영구 자석 브러시리스 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전통적인 설계로 된 비슷한 크기의 모터에 비해 토크의 향상을 가져오는 최적화된 모터 설계를 제공한다. 또한, 본 발명은 낮은 속도에서 모터가 부드럽고, 리플없는 동작을 할 수 있도록 한다. 전술한 이점을 제공하는 슬롯/폴 비율의 공개를 통해 이러한 향상이 구현된다.
브러시리스, 모터, 폴, 슬롯, 영구자석, 코깅, 리플, 설계, 토크, 스테이터.

Description

고효율 영구 자석 브러시리스 모터 {Highly efficient permanent magnet brushless motor}
본 발명은 영구 자석 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낮은 코깅 토크(cogging torque) 성분과 낮은 MMF 하모닉 토크(MMF harmonic torque) 성분을 포함하는 낮은 토크 리플(torque ripple)을 갖는 높은 토크를 효율적으로 발생시킬 수 있는 서보모터에 관한 것이다.
효율은 모터 디자인에 있어서 항상 주된 목표이다. 이상적인 모터는 작고, 낮은 토크 리플(torque ripple)로 파워풀하며, 비싸지 않으며, 에너지 효율적이다. 그러나, 이러한 이상은 구현될 수 없다. 실제 설계 분야에서는 절충이 이루어지고, 목표의 우선순위가 매겨져야 한다.
고성능의 서보모터를 디자인함에 있어서 비용, 에너지 효율, 크기는 파워와 성능 품질보다 종종 낮은 우선순위를 갖는다. 일반적으로, 서보모터는 장기간에 걸친 연속 동작 및 단기간의 피크 동작에 있어서 넓은 속도 범위에 걸쳐서 코깅(cogging), 토크 리플(torque ripple), 또는 속도 리플(speed ripple)이 없이 부드럽고 파워풀한 토크를 발생시켜야 한다. 게다가 많은 서보 어플리케이션은 낮은 속 도에서 부드러운 성능과 함께 특히 높은 토크를 요한다.
서보모터와 서보드라이브 전자소자들로 이루어진 서보시스템에서 서보모터로부터 발생되는 토크 리플에는 많은 원인이 있다. 일반적으로 주 원인으로는 코깅 토크(cogging torques), MMF 하모닉 토크(MMF harmonic torques), 전류 하모닉 토크(current harmonic torques)를 들 수 있다. 코깅 토크는 어떠한 전류도 모터에 가해지지 않은 상태로 로터(rotor)가 회전함에 따라 로터 자석에 의해 보여지는 투자도(透磁度)의 변화에 기인한다. MMF 하모닉 토크(MMF harmonic torque)는 스테이터(stator) 주위를 감고있는 권선의 비정현파 분포(distibution)의 결과인데, 이는 권선들이 전형적으로 별개의 슬롯들에 위치하기 때문이다. 전류 하모닉 토크(current harmonic torque)는 같은 값이 아닌, 그리고/또는 비정현파인 삼상 전류를 발생시키는 드라이브의 결과이다.
전통적인 서보모터는 특별한 드라이브 응용에서 정확한 토크 속도 조합을 제공하기 위한 기어박스(gearbox)와 함께 고속 모터를 사용함으로써 위의 문제들을 해결한다. 이러한 모터는 코깅, 속도 리플(speed ripple), 토크 리플(torque ripple)이 심각한 문제가 되지 않는 높은 속도에서 효율적으로 구동되도록 설계된다. 기어박스는 모터의 높은 속도 동작을 구동 디바이스에 의해 요구되는 낮은 속도/높은 토크 동작으로 변환하기 위해 사용된다.
그러나, 이러한 해결책은 주로 기어박스로 인한 비효율을 발생시킨다. 기어박스는 비싸고, 비효율적이고, 시끄러우며, 부가적인 유지 비용이 들 수 있는 토크 리플(torque ripple)을 발생시킨다. 또한, 기어박스의 사용은 기어의 백래시 (backlash), 요구되는 커플링에서 더 낮은 비틀림 공명, 그리고 기어박스 그 자체 때문에, 모터와 구동 디바이스의 단단한 결합을 막는다. 이로 인하여 시스템 대역폭은 더 낮아지고, 기어박스를 수용하기 위해 필요한 여분의 공간이 있는 물리적으로 더 큰 시스템에서 전반적으로 시스템 성능이 감소된다.
다이렉트 드라이브/카트리지 모터를 사용함으로써 기어박스의 비효율을 피할 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제6,577,036호를 보라. 다이렉트 드라이브 모터는 직접 구동 머신에 결합될 수 있다. 이로써 높은 수준의 기계적인 단순도, 기계적인 단단함, 그리고 효율을 얻는다. 따라서, 다이렉트 드라이브 시스템은 기어박스와 기어박스 시스템의 한계와 기어박스에 관련된 비용을 제거한다. 그러나, 기어박스의 제거는 또한 그 기능적 이익, 즉 가장 효율적인 속도로 모터를 구동시킬 수 있는 능력과 요구되는 속도에 요구되는 토크를 발생시킬 수 있는 기어를 사용할 수 있는 능력의 손실을 초래한다. 결과적으로, 다이렉트 드라이브 모터는 구동 디바이스에서 요구하는 속도에 최적화되어 동작하도록 설계되어야 한다. 그러므로, 위에서 기술한 낮은 속도/높은 토크 응용은 기어가 있는 솔루션에 비하여 비교적 큰 모터를 요한다. 또한, 모터의 구동중에 낮은 속도 코깅(speed cogging), 속도 리플(speed ripple), 토크 리플(torque ripple)은 더 중요한 이슈가 된다. 물론, 비교적 크고 더 비싼 모터가 필요하다는 점은 기어박스를 제거함으로써 얻는 비용 이득을 부분적으로 상쇄시킨다.
영구 자석 브러시리스 모터의 설계에서 최적의 슬롯/폴 비율(폴에 대한 슬롯의 비율, slot to pole ratio)을 사용한 고효율 모터 설계를 제공함으로써, 이 기술분야에서 전술한 문제를 해결하고 진보를 달성한다.
1보다 작고 0.5보다 큰 슬롯/폴 비율을 제공하는 것은 본 발명의 독특한 이득이다. 이러한 슬롯/폴 비율은 높은 토크 효율을 가능하게 한다.
본 발명의 다른 특징은 뛰어난 코깅 성능을 제공하는 슬롯/폴 조합을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 특징은 발란스드 와인딩(balanced winding)을 제공하는 슬롯/폴 조합을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 특징은 낮은 토탈 하모닉 디스토션(total harmonic distortion)을 제공하는 슬롯/폴 조합을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징은 자동 권선 머신으로 제작하기 쉬운 모터를 만들 수 있는 슬롯/폴 조합을 찾아내는 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 모터의 단면도를 묘사한다.
도 2A-2D는 본 발명에 따른 슬롯/폴 디자인의 실시예에서 다양한 파라메타를 보여주는 표이다. 첨부된 표 1의 표는 더 다양한 실시예를 보여준다.
도 3은 다양한 생산 오차를 갖는 슬롯/폴 조합에서 코깅을 비교하는 표이다.
본 발명은 종래 설계된 비슷한 크기의 모터에 비해 토크를 많이 증가시킬수 있는 최적화된 모터 설계를 제공한다. 부가적으로, 본 발명에서 모터는 낮은 속도에서 부드럽고, 리플 없는 토크 동작을 수행할 수 있다. 이러한 진보는 종래 기술에는 없었던 독특한 효율의 모터 설계 토폴로지(topology)를 통해 제공된다.
본 발명의 특징은 첨부한 도면들의 참조를 통해 가장 잘 설명된다. 본 발명의 일 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 이 모터는 전통적인 영구 자석 브러시리스 모터의 많은 특징을 공유한다. 권선 어셈블리(1)는 슬롯(5)이 형성된 투과성 라미네이션(lamination)과 슬롯 내에 감겨져 있는 절연 동선을 갖는다. 절연선은 1 투쓰(tooth) 스팬(span)의 코일로 감겨진다. 즉 각 코일은 하나의 투쓰(tooth) 주위에 감겨져 있다. 필드 어셈블리(10)는 투과성 구조물(17) 위에 정렬된 폴(15)을 가지며, 필드 어셈블리와 권선 어셈블리는 권선 어셈블리의 전기적 위상이 여기될 때 기동력이 발생되도록 정렬된다.
본 발명은 슬롯 번호와 폴 번호 조합의 알려진 선택을 통한 최적의 설계가 가능함에 의해 놀랄만한 유리한 결과를 얻는다. 전통적인 영구 자석 모터 설계에서 머신에 구비된 슬롯의 숫자는 자석 폴의 숫자보다 항상 많다. 이 역사적인 결과는 거의 모든 삼상 권선이 인덕션 모터에 대해서 개발되었다는 사실에 기인한다. 폴은 스테이터(stator)와 로터(rotor) 권선 사이의 커플링 결과이기 때문에 슬롯보다 많은 폴을 구비한 인덕션 모터를 구현하는 것은 불가능하다. 삼상 브러시리스 모터 권선의 개발은 인덕션 모터의 전통을 따랐다.
본 발명은 이렇게 오랫동안 인정된 관행을 뒤집음으로써 토크 효율이 증가하는 이점을 얻는다. 특히, 슬롯보다 많은 폴을 구비하도록 설계된 모터가 주어진 방출 전력량에 대해서 증가된 모터 토크를 제공할 것이라는 사실이 발견되었다. 이러한 사실은 주어진 폴의 숫자에 대해서 더 많은 슬롯 영역을 생성하는 보다 적은 수의 슬롯에 기인한다. 더 많은 슬롯 영역이란 필요한 슬롯 벽 절연체와 위상 절연체가 가용 슬롯 영역에서 낮은 퍼센테이지를 차지함을 의미하고, 더 많은 가용 슬롯 공간을 동(copper)을 위해 사용할 수 있게 된다. 그러므로, 정보에 근거하여 슬롯/폴 조합을 선택하여 설계를 시작하면 원천적으로 더 나은 모터를 만들 수 있다는 것을 알 수 있었다. 더군다나, 이러한 이점들은 순전히 슬롯/폴 비율에 의해 제공되는 구조 및 모터 권선 어셈블리와 필드 어셈블리 사이의 관계에 대한 이 구조의 영향에서 비롯된다.
본 발명의 슬롯/폴 비율은 몇가지 면에서 더욱 자유롭게 디자인할 수 있도록 함으로써 부가적인 이점을 제공한다. (1) 투쓰 길이/투쓰 폭은 증가된 슬롯 폭에 비하여 감소되므로, 사용되는 폴의 숫자가 많아질 수 있다. 토크 회전과 인덕턴스의 증가를 야기시키는 크로스 슬롯 자속 누설의 증가로 인하여, 그리고 동반되는 슬롯 폭의 감소에 의해 악화되어 투쓰 길이/투쓰 폭 비율은 최종적으로 제한된다. (2) 말단 턴(end turn) 길이가 짧아질수록 코일 저항은 감소하기 때문에, 폴의 숫자가 커질수록 더 많은 토크를 제공한다. 이에 더하여 말단 턴이 짧아질수록, 말단 턴 길이를 포함하는 같은 총 길이 내에 더 많은 스택이 더하여 질 수 있다. (3) 투쓰가 넓어질수록 스테이터(stator)의 내경/외경(ID/OD's) 범위가 더 넓어질 수 있 다.
본 발명의 장점은 뛰어난 슬롯/폴 조합을 판정함으로써 주어진다. 물론 특정 모터에 가장 잘 맞는 특정 슬롯/폴 조합은 가령, 투과성 라미네이션(permeable lamination)의 외경과 투과성 라미네이션의 스택 길이 등과 같이 설계시에 주어지는 특수한 파라미터에 의존할 것이다. 다시 말해서, 본 발명에 의해 판정된 슬롯/폴 조합을 사용하는 것은 필요한 특정한 크기 또는 속도의 모터에 유익을 줄 수 있다. 판정된 조합은 특정 모터 파라미터가 요구하는 최적의 슬롯/폴 조합을 용이하게 제공할 것이다. 예를 들어, 판정된 슬롯/폴 조합을 사용하는 것은 높은 토크 효율을 발생시킨다. 또한, 주어진 응용분야의 다른 특수한 요구를 구현하기 위한 본 발명에 따른 모터 설계를 가능하게 하는 그 외 다른 특성을 본 발명에서 판정한다.
도 2A-2D는 본 발명에 따른 슬롯/폴 디자인의 다양한 파라미터를 보여주는 표이다(더 많은 실시예를 보여주는 표가 표 1에 첨부되어 있다). 표에 기재된 슬롯/폴 조합은 특정 응용 분야에서 요구하는 것에 적합한 모터 설계에 사용될 수 있는 유리한 시작점을 제시한다. 유리한 슬롯/폴 비율이 1보다 작은 값이 주어진다면, 이러한 조합은 1 투쓰의 코일 스팬으로 가정한다. 그러나, 마지막 모터 설계를 위해 가장 중요한 상세 특성은 특정 응용 분야의 요소에 의해 좌우될 것이다. 예를 들어, 특정 응용은 코깅 성능을 약간씩 희생하여 약간 증가된 토크를 요구할 수 있다. 도 2A-2D와 표 1은 가령 권선 발란스(winding balance), 코깅, 토크, 토탈 하모닉 디스토션(total harmonic distortion)과 같은 많은 설계 특성들을 맞추기 위한 슬롯/폴 조합을 선택하는 것을 설계자에게 안내한다. 본 발명은 특정 설계에서 가장 유리한 슬롯/폴 조합을 제공할 뿐만 아니라, 피해야할 나쁜 슬롯/폴 조합을 판정한다.
예를 들어, 특정 모터 설계에서 요구된 속도 능력 특성을 맞추기 위해 하나의 폴 카운트를 선택할 수 있다. 특정 폴 수를 선택하는 것은 어떤 모터 설계에 있어서 기초적인 결정 중의 하나이다. 주로 이러한 선택은 모터가 동작하기 위해 요구되는 최대 스피드와 전원이 제공할 수 있는 최대 주파수에 달려있다. 다른 방법으로 비슷하게 설계된 모터에서, 일반적으로 연속동작 및 피크동작 모두에서 폴의 숫자가 커질수록 발생시킬 수 있는 토크도 커진다. 그러나, 폴의 숫자가 커질수록 주어진 전원의 최대 주파수에서 모터의 최대 속도는 낮아진다. 예를 들어, 일반적으로 더 낮은 최대 속도에서 사용되는 다이렉트 드라이브 모터는 더 높은 폴 카운트가 이득이 될 것이다.
설계자는 폴 카운트가 선택되면, 요구되는 다른 파라미터에 맞는 슬롯/폴 조합을 선택하기 위해 도 2A-2D 또는 표 1을 사용할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 디자인은 예를 들어, 20 또는 그 이상으로 폴의 숫자가 증가하는 경우에 특별히 유리하다. 왜냐하면, 폴 카운트가 커질수록 선택할 슬롯/폴 조합이 많아지기 때문이다.
위에서 기재한 바와 같이, 최적의 토크 효율은 1보다 작은 슬롯/폴 비율을 갖는 모터에서 얻어진다. 1보다 작은 슬롯/폴 비율을 갖는 모터의 성능은 1보다 큰 슬롯/폴 비율을 갖는 전통적인 모터 토폴로지(motor topology)에서 얻어지는 성능보다 훨씬 더 좋다. 예를 들어, 테스트된 1.125의 슬롯/폴 비율을 갖는 45슬롯/40 폴 모터는 현재 이용가능한 최고의 토크 효율 성능 중의 하나를 나타낸다. 그러나, 본 발명에 따라 설계된 비교할 수 있는 크기의 36슬롯/40폴 모터는 알려진 45슬롯/40폴보다 36% 높은 토크 효율을 발생시킨다. 더 작은 슬롯/폴 비율에 의해 얻어지는 이득은 무한히 연속되는 것은 아니고, 비율이 0.5에 접근할 수록 슬롯/폴 비율을 줄여서 얻는 많은 이득은 상쇄되는 성질에 의해 손상된다. 예를 들어, 36슬롯/46폴 모터는 24슬롯/46폴 모터보다 2.3배 더 높은 토크를 또한 갖는다.
많은 요소들이 본 발명의 설계를 통해 성취될 수 있는 최적의 토크에 기여한다. 이러한 요소들은 최대의 토크를 제공하는 비율이 설계마다 달라지도록 만들지만, 최대 토크는 슬롯/폴 비율이 0.5보다 크고 1보다 작은 설계에서 발생한다. 이러한 최적화에는 다음과 같은 이유가 있다.
첫번째, 슬롯 벽(slot wall) 위 및 슬롯 내에서 다른 위상의 코일 사이에 사용되는 필요한 절연체는 고정된 굵기를 갖기 때문에, 슬롯 숫자가 낮아질수록 좀 더 개방된 폴당 슬롯 영역(slot area per pole)이 생성된다. 그러므로, 더 적은 슬롯으로 설계를 함에 있어서 절연체는 총 슬롯 영역중에서 더 낮은 퍼센트를 차지한다. 이것은 권선 어셈블리에 포함되는 토크 생성 동선(torque producing copper wire)을 위한 영역을 훨씬 더 많이 남기게 된다. 권선 어셈블리가 로터(rotor)상에서 이동되는 설계에서 권선 어셈블리에서 동선을 위한 공간이 감소되기 때문에 이 효과는 특히 유익하다. 주어진 폴 숫자에 대해서 슬롯 숫자를 줄이는 이득은 코일이 걸쳐진 슬롯간 거리가 길어져서 생기는 저항의 증가와, 이에 따른 권선의 말단 턴에 요구되는 선 길이의 증가에 의해서 결국 상쇄된다. 실제로, 말단 턴에서 사용 되는 선의 퍼센티지가 커질수록 모터의 토크는 감소하는데, 왜냐하면 말단 권선은 모터의 토크에 기여하는 바 없이 모터의 위상에 단지 부가적인 저항을 더하고 사용가능한 토크 생성 라미네이션(lamination)의 스택 길이를 제한할 뿐이기 때문이다.
두번째, 슬롯/폴 비율이 감소하면 모터 권선은 점점 더 오버 피치(over pitch)된다. 다시 말해서, 슬롯/폴 비율이 감소하면 각 코일의 스팬(span)된 피치가 1 투쓰로 동일하게 유지되는 반면, 폴 피치는 감소하게 되고, 그러므로 피치 지수(pitch factor) Kp 또한 감소된다. Kp는 sin(1-(pitch pu-1)*90.0)이고, 출력 토크에 직접적으로 비례하며, 여기서 pitch pu=(span pitch/pole pitch)이다. 브러시리스 모터의 토크는 다음과 같이 표시될 수 있다.
T = m*(dΨ/dt)*I
m = 비례 상수
Ψ = Kp*f(geometry, material properties)
I = rms 위상 전류
그러므로, 모터 토크는 Kp 성분에 직접적으로 비례한다. 도 2A-2D와 표 1은 각 슬롯/폴 조합에서의 Kp 성분을 보여주고 있다. 그러나, 위에서 논의한 저항 손실의 증가와 같이, 모터의 슬롯/폴을 감소시키는 이득은 모터 피치의 증가로 인한 상쇄되는 토크 손실에 의해 경감된다.
최대로 성취할 수 있는 토크 이외에도, 많은 다른 고려사항들이 특정 슬롯/폴 설계가 서보모터에 적합할 것인지 아닌지를 결정할 것이다. 고성능 서보모터의 설계에 있어서 가장 중요한 요소중의 하나는 코깅이 최소값으로 감소하도록 하는 것이다. 코깅 문제는 다소 낮은 전기적 주파수에서 동작하는 다이렉트 드라이브 모터에서 더 문제가 된다. 본 발명에 따라 설계된 모터는 코깅 성능을 위해 가능한 슬롯/폴 조합을 스크린함에 의해 이러한 문제를 보완할 수 있다. 모터의 코깅 성능을 결정하기 위한 첫번째 접근은 슬롯과 폴 사이의 비율이 비반복 소수(non-repeating decimal)인가 하는 것이다. 예를 들어, 0.750의 비율을 갖는 36슬롯 48폴 모터는 0.7826086957...의 비율을 갖는 36슬롯 46폴 모터보다 안좋은 코깅 성능을 나타낼 것이다.
특정 슬롯/폴 설계의 성능을 결정하는 다른 접근은 코깅 값(CT)를 구하는 방정식을 사용함으로써 정량적인 결과치를 제공한다. 도 2A-2D와 표 1은 각 슬롯/폴 조합의 CT값을 보여주고 있다. CT는 다양한 슬롯/폴 조합의 상대적 코깅 성능을 결정하기 위해 사용될 수 있는 객관적 성능지수이다. CT는 방정식 CT=pQS/NC 의해 결정된다. 변수는 (1) p=모터 폴의 숫자, (2) QS=슬롯 숫자, (3) NC=슬롯 숫자와 폴 숫자의 최소공배수(즉, 슬롯 숫자와 폴 숫자의 공통된 배수로서 0이 아닌 최소값)이다. 주어진 폴 숫자에서 다양한 슬롯 수의 선택에 따라 CT값이 결정된다. 주어진 슬롯/폴 조합에서 CT값이 낮을수록 최종 모터 코깅 성능은 더 좋아진다.
원하는 폴 카운트를 구체화한 다양한 슬롯/폴 조합으로부터 CT가 결정될 수 있다. 놀랍게도, 1보다 작은 비율을 갖는 다른 가용 슬롯/폴 조합에 비하여 정확히 0.75의 슬롯/폴 비율을 갖는 모터가 굉장히 더 높은 CT값을 가질 것을 알아내었다. 예를 들어, 표 1에서 보는 바와 같이 16폴 12슬롯(0.75 비율)설계는 1보다 작은 슬롯/폴 비율을 갖는 16폴 모터중에서 최대값인 CT=4의 값을 갖는다. 이러한 경향은 32폴/24슬롯 CT=8; 40폴/30슬롯 CT=10; 44폴/33슬롯 CT=11; 48폴/36슬롯 CT=12; 그리고 52폴/39슬롯 CT=13에서 계속된다. 이러한 경우 각각의 설계는 정확히 0.75는 아닌 0.75 근방의 비율에서 훨씬 더 나은 코깅 성능을 갖는다. 0.75 슬롯/폴 비율 설계가 스큐잉(skewing) 같은 코깅을 감소시키는 다른 기술을 사용할 수 있는 반면에, 이들은 낮은 CT값의 슬롯/폴 비율을 갖는 유사한 모터에 의해 얻어지는 낮은 코깅 토크를 얻기 위해 항상 더 많은 노력과 더 광범위한 코깅 감소 기술 비용을 필요로 한다.
도 3은 모터의 코깅에 대한 생산 허용 오차의 영향을 나타낸다. 보다시피, 0.75 슬롯/폴 비율 모터는 원래부터 안좋은 코깅을 가질 뿐만 아니라 높은 수준의 생산 정확도를 요한다. 왜냐하면 0.75 모터 구조에서 아무리 작은 결점도 낮은 CT모터에서의 같은 변화에 비해 엄청나게 더 높은 코깅 토크(cogging torque)를 초래할 것이기 때문이다. 따라서, 0.75 슬롯/폴 비율을 갖는 설계에서 주어진 코깅 레벨(cogging level)을 달성하는 것은 낮은 CT값을 갖는 슬롯/폴 비율의 설계보다 본래 더 어렵다.
도 3에서 보는 바와 같이, 심지어 0.75 조합으로 낮은 코깅 값을 달성하는 것은 여전히 가능하다. 이것은 에어갭(airgap)과 마주하는 자석측 상의 로터(rotor)의 중앙이 아닌, 중앙에서 최적화된 반경내에 이상적인 자석 위치를 갖는 자석을 이용하여 달성될 수 있다. 이 반경은 로터(rotor) 중앙으로부터 자석을 둘러싸는 반경보다 더 작다. 이 방법으로 자석의 반경을 정하면 평균 에어갭(airgap)이 증가하기 때문에 총 로터 플럭스가 감소된다. 이것은 다른 파라미터는 일정하게 유지된 채로 모터 토크 효율이 감소된다는 것을 의미한다.
그러나, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 30슬롯/40폴 조합의 코깅은 기계 구조의 변화에 더 민감하다. 이러한 경우에 폴중의 하나가 0.005''의 에어갭(airgap)안으로 이동된다면, 36슬롯/46폴 조합의 코깅은 30슬롯/40폴의 1.9배 증가보다 덜한 1.59배 증가한다. 이에 더하여 로터(rotor) OD가 구조 변화를 감소시키기 위하여 그라운드되면(0.005''고자석(high magnet)을 제거), 코깅은 9배 증가할 것이고, 반면 라운드 로터(rotor)에서 코깅은 감소할 것이다.
스큐잉(skewing)은 0.75조합(36/46조합뿐만 아니라)의 코깅을 감소시키는 또 다른 조건이다. 스큐잉은 다음과 같은 두가지 불리한 점이 있다. (1) 다른 파라미터가 상수로 유지된 상태에서 모터의 토크 효율을 감소시킨다; (2) 기계 권선이 매우 어려울 수 있다.
0.75 설계의 파라미터 변화에 대한 원천적으로 더 안좋은 코깅과 더 높은 민감도는 더 낮은 CT값을 갖는 거의 동일한 비율과 비교하였을 때 이 설계를 덜 바람직한 슬롯/폴 조합으로 만든다.
바람직한 모터를 구현하기 위하여 여전히 더 많은 설계 고려조건들이 설명되어져야 한다. 도 2A-2D에 묘사된 슬롯/폴 조합은 또한 최대 병렬 경로를 갖는 모터를 판정한다. 1의 최대 병렬 경로를 갖는 슬롯 폴 조합은 코일당 더 적은 권선수를 가질 것이고, 주어진 선의 퍼센티지에 맞게 슬롯을 채우기 위해 2 또는 그 이상의 병렬 경로를 갖는 권선보다 더 긴 선을 요할 것이다. 이러한 점은 기계의 형태에 의존하는 자동 권선 머신을 갖는 모터가 선을 감는것이 더 어려게 만들 수 있는데, 왜냐하면 더 긴 선을 잡아당겨야하고, 선을 위치시키기 위해 통과해야 하는 슬롯 개구부가 더 커져서 머신의 토크 효율을 감소시키기 때문이다. 따라서, 설계자는 상황에 고려하여 이러한 슬롯/폴 조합을 피해야한다.
또한, 발란스드 와인딩에 적절한 폴 숫자가 발생되도록 슬롯/폴 조합이 선택될 수 있다. 도 2A-2D와 표 1은 차트에서 0값을 가진 것들과 함께 모든 슬롯이 채워진 발란스드 와인딩(balanced winding)을 주는 슬롯/폴 조합을 보여주고 있다. 언밸런스드 와인딩(unbalanced winding)은 다음과 같은 결과를 초래할 것이다. (1) 전형적인 드라이브에 의해 발란스드 정현파 전류가 발생될 때의 중대한 토크 리플(torque ripple); (2) 동작중에 모터의 고르지 않은 열 발생; (3) 와인딩이 델타 연결될 때의 순환 전류. 3의 배수인 QS슬롯을 구비한 삼상 모터는 각 위상마다 QS/3 코일을 가질 것이다. 발란스드 삼상 와인딩을 달성하는데 있어서 목표는 스테이터(stator) 주위에 주어진 슬롯 위치에 각 위상 코일을 위치시키는 것이고, 다음과 같은 두가지 조건을 만족시키는 것이다. (1) 삼상의 각 상을 구비하는 직렬/병렬 코일 조합으로부터 발생된 총 전압은 동일하다. (2) 전압은 시간상에서 120 전기각 만큼씩 떨어져 있다. 이것은 조사, 표에 의한 방법, 또는 컴퓨터 프로그램에 의해 이루어질 수 있다. 또한 3에 의해 나누어 지지 않는 슬롯 숫자에서도 거의 발란싱된 와인딩(balanced winding)을 발생시킬 수 있다. 이것은 하나 또는 두가지 부가적인 슬롯과 티쓰(teeth)를 구비함에 의해 이루어질 수 있으나, 이 부가적인 티쓰(teeth) 주위에 코일 권선은 없다.
또한 도 2A-2D와 표 1은 모든 슬롯이 채워지지 않은 상태에서의 발란스 와인딩(balanced winding)을 생산하는 슬롯/폴 조합을 나열한다. 이론적으로 완벽하게 발란싱되지 않아도, 실제적으로 충분히 효과적인 값에 가까운 값을 제공할 수 있다. 그러나, 다른 슬롯/폴 와인딩 조합은 전기적으로 언발란싱한 위상 대 위상(unbalanced phase to phase)으로 존재할 수 있다. 이러한 점은 약간 불균형에서 큰 위상 불균형으로까지 변할 수 있고, 어떠한 경우든 덜 바람직한 성능에서 극단적으로 나쁜 성능까지 야기시킨다. 이러한 조합은 발란스드 와인딩(balanced winding) 열에서 0값을 가졌을 수 있으나, 목록에서 걸러내었다. 이것이 표에서 0.5보다 크고 1보다 작은 모든 가능한 조합이 다 표시되지 않은 이유이다.
와인딩 선택에 있어서 하나 더 고려해야할 것은 완전한 삼상 정현파 전류가 와인딩에 인가될 때, 와인딩에 의해 발생되는 MMF의 파형이다. 이것은 완전한 정현 플럭스 전원이 사용될 때, 와인딩의 발생 전압 파형을 보는것과 동일하다. 삼상 전현파 전류원을 갖는 모터를 사용할 때의 목표는 고조파없는 전압 파형을 발생시키는 것이다. 슬롯된 스테이터(stator)와 코일마다 같은수의 회전수를 갖는 모터에서 고조파를 갖지 않는다는 목표를 달성하기는 불가능하고, 단지 목표에 근접할 수 있을 뿐이다. 토탈 하모닉 디스토션(total harmonic distortion), 즉 THD는 이 목표의 지표이다. 이것은 다음과 같이 정의된다:
THD=√((V2/V1)2+(V3/V1)2+(V4/V1)2+(V5/V1)2+(V6/V1)2...)/V1 %
여기서 V1, V2, V3는 발생된 파형의 기본 고조파와 더 높은 차수의 고조파이다. THD가 도 2에서 보여진다. 명백하게, 더 낮은 값이 더 좋다. 이것은 원하는 와인딩을 선택할 때 사용되는 또 다른 중요한 규칙이 된다.
위에서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 설계는 특히 높은 토크-저속-모터에서 잘 맞는다. 본 발명에서 설명된 접근법에 의해 두가지 예시적인 모터가 설계되고, 제작되고, 실험되었다. 첫번째 모터는 12.5'' 스테이터(stator) 라미네이션(lamination) 외경을 갖고, 8.1'' 스택 길이와, 0.045'' 에어갭(airgap)을 갖는 36슬롯/46폴 설계이다. 두번째 모터는 8.6'' 스테이터(stator) 라미네이션(lamination) 외경을 갖고, 5.8'' 스택 길이와, 0.040'' 에어갭(airgap)을 갖는 30슬롯/38폴 설계이다. 완성된 모터들은 각각 23.9와 6.73의 Km을 구비했다. Km은 전기 모터의 객관적 성능지수로서 소비전력에 대한 모터에 의해 발생되는 토크의 비율을 나타낸다. Km은 모터로부터 발산되는 열, 즉 소비전력이 일정하게 유지되었을 때의 모터의 연속적인 토크와 등가이고, 따라서, 더 높은 Km은 더 효율적인 모터를 나타낸다. Km은
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로 정의된다. 위에서 설명한 본 발명에 따라 설계된 모터의 Km 성능은 이 크기의 모터에 비할 수 없이 좋다.
본 발명의 많은 특징과 이점은 이처럼 상세한 설명으로부터 명백하고, 첨부된 청구항은본 발명의 진정한 사상과 범위 내에 있는 발명의 모든 이러한 특징과 이점들을 포괄한다.
또한, 이 기술분야에서 숙련된 자는 이러한 기술들에 다양한 수정과 변화를 용이하게 할 수 있으므로, 여기서 설명되고 기술된 설명과 동작으로 엄격하게 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 따라서, 모든 적당한 수정과 사용될 수 있는 등가물은 청구항의 범위내에 포함된다.
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Claims (13)

  1. 슬롯이 형성된 투과성 라미네이션(permeable lamination)을 포함하는 권선 어셈블리;
    상기 슬롯 내에 감겨있으며, 전기적 위상을 제공하기 위한 절연된 동선 권선;
    투과성 구조물과 다수의 정렬된 자석 폴을 포함하는 필드 어셈블리를 포함하고;
    상기 권선 어셈블리의 전기적 위상이 여기될 때 기동력이 발생되도록 상기 권선 어셈블리와 필드 어셈블리가 정렬되고;
    상기 권선 어셈블리는 1 미만의 폴에 대한 슬롯의 비율(이하, '슬롯/폴 비율'이라 함)을 가지고 있어서 토크 효율을 높이며, (1) pitch pu = (투쓰 스팬 피치(tooth span pitch) / 폴 피치(pole pitch))일 때 Kp=sin(1-|(pitch pu-1)|*90.0)이고, (2) p가 폴 수, QS가 슬롯 수, NC가 슬롯 수와 폴 수의 최소공배수일 때 CT=pQS/NC 일 때 CT 값이 6보다 작고, Kp 값이 0.9보다 크도록 상기 슬롯/폴 비율이 선택되는 영구 자석 브러시리스 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모터는 36 슬롯과 46 폴을 갖는 영구 자석 브러시리스 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모터는 30 슬롯과 38 폴을 갖는 영구 자석 브러시리스 모터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 권선 어셈블리는 회전하고 필드 어셈블리는 정지해 있는, 영구 자석 브 러시리스 모터.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    폴에 대한 슬롯의 비율이 0.90보다 작은 영구 자석 브러시리스 모터.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    발란스드 와인딩을 발생시키기 위한 슬롯/폴 비율이 선택된 영구 자석 브러시리스 모터.
  10. 제1항에 있어서,
    코깅 성능을 향상시키도록 슬롯/폴 비율이 선택된 영구 자석 브러시리스 모터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 권선 어셈블리의 와인딩에 사용되는 기계의 효율을 향상시키도록 슬롯/폴 비율이 선택된 영구 자석 브러시리스 모터.
  12. 제1항에 있어서,
    토탈 하모닉 디스토션을 최소화하도록 슬롯/폴 비율이 선택된 영구 자석 브러시리스 모터.
  13. 제1항에 있어서,
    발란스드 와인딩을 발생시키고, 코깅 성능을 향상시키고, 상기 권선 어셈블리의 와인딩에 사용되는 기계의 효율을 향상시키도록 슬롯/폴 비율이 선택된 영구 자석 브러시리스 모터.
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