KR101154022B1 - 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기에 관한 것이다. 상기 전동기는 적어도 2개 이상의 전기자 위상 쌍 권선들(armature phase pair windings)(12)을 갖는 전기자(11)를 구비한다. 선택적 전기스위치에서 종단되는 계자권선들(17)을 갖는 돌출극 회전자 배열부를 구비한다. 여기서, 상기 선택적 전기스위치는 상기 계자권선들(17)의 전기적 연속성을 결정한다. 또한, 상기 계자권선(17)의 자기화를 조절하기 위해 구성되어, 어느 주어진 순간에 하나의 전기자 위상 쌍(pair)은 상기 계자권선을 자기화시킬 수 있고, 반면에 다른 전기자 위상 쌍은 토크 생성을 초래하는 제어 수단을 구비한다.

전기자 위상, 계자권선, 회전자, 고정자

Description

전동기{Electric Motor}

본 발명은 전동기에 관한 것이다.

동기 전동기는 유도 전동기와 DC 전동기 이상으로 내재적 이점을 갖고 있다. 동기 전동기에서 회전자(rotor)의 속도는 동기 전동기에 전력을 공급하는 시스템의 주파수(진동수)에 정확하게 비례한다. 따라서, 동기 전동기는 진상 역률에서 (일정한 공급 주파수에 대한) 일정한 속도로 동작하고, 낮은 기동전류(starting current)를 갖는다는 점에서 더 특징이 있다. 이러한 전동기의 효율은 다른 전동기 형태보다 일반적으로 더 높다고 할 수 있다.

동기 전동기의 전기자(armature)는 대개 고정자(stator)나 전동기 외부의 고리모양의 링에 한세트의 AC 다상 분포식 권선들로 만들어 지는 것이 일반적이다. 그와 같이, 전동기의 계자권선은 통상 회전자 상(on)에 만들어지고, 대체로 하나 이상의 극 쌍(pole pair)으로 구성된다. 계자극(field pole)은 직류로 여자하는 것으로 일반적으로 알려져 있다. 상기 회전자 계자권선들을 여자(자기화)하는 구성과 방법은 동기 전동기의 유형(종류)을 결정한다. 일반적으로, 세퍼릿 익사이터(separate exciter), 슬립 링들(slip rings) 및 브러시들(brushes)이 요구된다.

여자기(exciter), 슬립 링들(slip rings) 및 브러시들(brushes)은 동기 유도 전동기(synchronous induction motor)에서 제거되는데, 상기 동기 유도 전동기는 리럭턴스 토크(reluctance torque)를 발생시키는데 용이하도록 상기 고정자와 회전자를 분리하는 공극(air gap)을 통해 서로 다른 저항 경로들(reluctance paths)을 갖도록 설계된 회전자를 갖는다. 상기 회전자에는 계자권선이 없다. 그러므로, 여자 소스(excitation source)가 요구되지 않는다. 그 때, 상기 고정자 계자권선들은 AC 공급라인(supply line)으로부터 직접 전력을 공급받는다.
그 때, 상기 고정자 계자권선들은 AC 공급라인(supply line)으로부터 직접 전력을 공급받는다.

상기 유도전동기는 제조하는데 단순하고, 저렴하지만, 상기 동기 전동기의 성능을 나타내지 못한다. 반면에, 슬립 링(slip ring) 동기 전동기들은 동작을 위해 필요한 상기 여자기(exciter), 상기 슬립 링들(slip rings) 및 상기 브러쉬들(brushs) 때문에 좀더 구성이 복잡하고, 비싸다. 이것은 또한 유지(보수) 요건들을 증가시키는 반면에, 유도 전동기는 실제로 유지(보수)가 필요하지 않다. 브러시 DC 전동기(brush DC motor)들은 그것들이 우수한 트랙션(traction) 특성들을 콘트롤하고 갖기 쉽지만, 유사한 단점들을 갖는다. 슬립 링들과 브러시들은 브러시리스(brushless) 동기 전동기에서 제거되지만, AC 브러시리스(brushless) 여자기 구성은 여전히 추가적인 비용, 공간 및 복잡성을 갖는다.

영구자석 동기 전동기들은 가장 매력적으로 여겨진다. 하지만, 높은 장의 세기(field strength)의 영구자석의 제조 및 높은 비용과 이러한 자석들을 회전자에 부착하는 프로세스(process)는 특히 큰 기계에 있어서, 공학적 도전이 된다. 영구자석의 최대 장의 세기는 역시 당해 기술분야의 현 상태에 의해 제한된다. 구조에 있어서 매우 단순하지만, 동기 유도 전동기는 매우 효율적이지 못하고, 유사한 성능을 내는데 있어서 슬립 링(slip ring) 동기 전동기보다 일반적으로 훨씬 크다. 실제로, 동기 유도 전동기들은 수 킬로와트 이상에서 큰 유용성을 찾을 수 없다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 전동기(electric motor)를 제공한다. 상기 전동기는 하나 이상의 고정자 위상들(stator phases)을 형성하도록 배열된 고정자 권선들(stator windings)을 가지는 고정자, 회전자(rotor)가 상기 고정자로부터 공극에 의해 분리되며, 상기 고정자 내에 있는 돌출극 회전자 배열부(salient pole rotor arrangement) 및 제어 수단(control means)을 포함한다.

상기 회전자는 상기 돌출극 배열부가 상기 공극을 통해 상기 회전자와 상기 고정자 사이에 고 자기 저항 경로 및 저 자기 저항 경로(higher and lower magnetic reluctance path)를 형성하도록 형상화되고 구성되며, 상기 회전자는 계자권선들이 하나 이상의 극 쌍(pole pair)을 형성하도록 구성된 상기 회전자의 상기 돌출극 주변의 계자권선(field winding)을 더 포함하며, 상기 계자권선은 상기 계자권선의 전기적 연속성을 결정하는 선택적 전기 스위치에서 종단(terminating)되어, 상기 스위치에 부과된 역 전압 바이어스가 상기 계자권선을 개회로(open circuit)가 되도록 한다.

상기 제어 수단은 상기 에너지화된(energized) 고정자 위상이 차례로(in turn) 유도(induction)를 통해 상기 스위치에 역 전압 바이어스를 부과하도록 상기 저 저항 경로로 상기 계자권선에 연결된 상기 고정자 위상에 전압을 가함으로써 상기 계자권선 자기화를 조절하도록 구성되고, 상기 역 전압 바이어스는 상기 계자권선들에 전류가 흐르는 것을 막지만, 상기 고정자 위상에 가해진 전압은 상기 회전자에서 자속밀도를 증가시킨다. 그 후에(thereafter), 상기 제어 수단은 상기 회전자에 미리 정해진 자속밀도에 도달하면 상기 가해진 전압을 제거하여 전압의 역전을 유도하여 상기 스위치에 순 전압 바이어스를 부과하여, 상기 회전자에 상기 자속밀도의 소멸을 막는 전류를 상기 계자권선에 흐르도록 하며, 상기 제어 수단은 적절한 순간에 상기 계자권선에 전압을 가할 필요가 없는 다른 고정자 위상에 전압을 가함으로써 토크의 생성을 조절하도록 구성되고, 어느 주어진 순간에 하나의 고정자 위상은 상기 계자권선을 자기화시킬 수 있는 반면에 다른 고정자 위상 또는 위상들은 토크 생성을 초래하도록 하여, 회전할 때, 모든 고정자 위상들은 토크를 생성하고 상기 회전자 계자권선들의 자기화를 조절하는 기능을 교대로 한다.

상기 계자권선에서 상기 선택적 스위치는 전류가 상기 계자권선에 흐르게 되면 상기 회전자에서 효과적으로 자속밀도를 얻음으로써 상기 전동기의 효율을 개선시키는 것으로 평가된다. 흔히 있는 일이지만, 이것은 예를 들어 유도 전동기들에 존재하는 토크 전류뿐만 아니라 자기화 전류를 계속적으로 공급하는 상기 고정자 권선을 더 이상 필요로 하지 않는다.

상기 전동기는 상기 회전자를 자기화시키기 위해 스위치드 모드 플라이 백 원리(switched mode flyback principle)를 채택한 것으로 더 높이 평가된다.

상기 고정자에서의 와상전류(eddy-currents)를 감소시키기 위해 상기 고정자는 복수의 꽉찬 홈이 있는 금속 라미네이션(metal lamination)들을 구비할 수 있다. 상기 회전자에서의 와상전류(eddy-currents)를 감소시키기 위해 상기 회전자는 복수의 꽉찬 홈이 있는 금속 라미네이션들을 구비할 수 있다.

상기 선택적 스위치는 프리휠링(freewheeling) 다이오드를 포함할 수 있다. 상기 선택적 스위치는 고체상태(solid-state)의 디바이스(device)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터, 사이리스터(thyristor) 또는 그런 종류의 다른 것들이다.

상기 제어 수단은 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 상기 제어 수단은 상기 고정자 위상들의 전압 공급(energizing)을 제어하기 위한 전기 스위치들을 포함할 수 있다. 상기 전기 스위치들은 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 전기 스위치들은 H-브리지 배열부에 배열될 수 있다.

상기 제어 수단은 정확한 순간에 상기 고정자 위상의 전압 공급을 조절하기 위해 상기 고정자 위상들과 관련된 상기 회전자의 위치를 센싱(sensing)하기 위한 센서들을 포함할 수 있다.

상기 제어 수단은 전기자 위상 전류와 전기자 위상 전압의 특성들로부터 상기 회전자의 위치를 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 제어 수단은 상기 전동기의 속도에 좌우되는 상기 회전자에서의 상기 자속밀도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 높은 속도에서 상기 계자권선은 상기 회전자의 몇 회전마다 단지 자기화될 필요가 있다. 반면에, 낮은 속도에서 상기 계자권선은 상기 회전자의 1 회전 동안 여러번 자기화를 필요로 한다.

상기 제어 수단은 적합한 환경하에서 발전기(generator)로써 상기 전동기를 제어하기 위해 구성될 수 있다.

고정자 위상은 상기 계자권선을 자기화시키는데 기여할 수 있다. 따라서, 고정자 위상은 상기 전동기에서 토크 생성에 기여할 수 있다.

이제 본 발명은 제한하지 않는 실시예로서 첨부도면을 참조하여 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 전동기를 나타내기 위한 반경방향에 따른 단면도이다.

도 2는 도 1의 상기 전동기를 나타내기 위한 축방향에 따른 단면도이다.

도 3은 저 자기저항 경로를 가로지르는 상기 계자권선과 상기 전기자 위상의 상호작용을 나타내는 회로 다이어그램(circuit diagram) 나타내기 위한 개략도이다.

도 4a 및 도 4b는 상기 전기자와 관련된 다른 위치들에 있는 상기 전동기의 상기 회전자를 나타내기 위한 반경방향에 따른 단면도이다.

도 5는 도 1에 나타난 상기 전동기의 동작중에 서로 다른 계자권선들과 전기자 권선들의 전류 및 자속밀도를 나타내는 그래프이다.

도 6은 상기 제어 수단의 일실시예를 나타내기 위한 개략도이다.

도 7은 상기 전동기의 다른 실시예를 나타내기 위한 반경방향에 따른 단면도이다.

도 8은 도 7에서 나타난 상기 전동기의 동작중에 상기 계자권선 전류들을 나타내는 그래프이다.

첨부도면들과 관련하여, 본 발명에 따른 전동기(electric motor)는 일반적으 로 참조번호 "10"으로 표시된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 전동기(10)의 외부 부재는 전기자 권선들(12)을 홀딩(holding)하기 위해 적층 스틸 라미네이션들(packed slotted steel laminations)(11)로 구성되는데, 그것들이 함께 모여 고정자(13)를 구성한다. 상기 전기자 권선들(12)은 두개의 분리된 권선(12.1, 12.2)으로 더 세분화되고 그것은 두개의 분리된 위상을 구성한다.

이와 유사하게, 내부 부재도 적층 스틸 라미네이션들(packed steel laminations)(15)로 구성되어 있으며, 상기 라미네이션들(laminations)은 상기 고정자(13)에 상응하여 회전할 수 있는 회전자(14)를 집합적으로 구성하는 이 실시예(this embodiment)에서, 프리휠링 다이오드(freewheeling diode) 또는 정류기(rectifier) (18)가 되는 선택적 스위치에서 종단(terminating)되는 계자권선(17)을 갖는 구동축(16)에 상대적으로 고정되어 있다.

도 1에는 설명을 위해 참조 좌표계 d-q 가 도시되어 있다. 이 좌표계는 순환적으로(rotatively) 상기 회전자(14)에 관련지어 생각할 수 있고, 참조될 수 있다. 상기 회전자(14)의 돌출극 배열부(salient pole arrangement)에 관해서, 세로축 d에서 공극(air gap)은 가로축 q에서 공극보다 훨씬 더 작다.

따라서, 상기 q 축을 따라 자기 회로의 저항은 상기 d 축을 따라 나타나는 자기 저항보다 훨씬 더 크다. 이것은 본 발명의 중요한 특징이고 본 발명의 작동 모드에 절대적으로 필요한 것이다. 상기 q 축에서 더 큰 자기 저항은 상기 회전자(14)와 함께 토크 생성 전기자 위상(torque producing armature phase)의 자기결 합을 감소시킨다. 그것은 바람직한 것이다. 또한, q 축을 따라 나타나는 더 큰 공극은 돌출극 구조를 초래하는 상기 계자권선(17)을 위한 공간을 만들어 낸다.

상기 본 발명은 대개 상기 회전자(14)가 돌출극 특성이 있는 것을 필요로 한다는 점에서 높이 평가받는다. 상기 라미네이션(15)의 형태는 릴럭턴스 전동기(미도시)의 그것과 유사하다. 그러나, 상기 전동기(10)는 릴럭턴스 토크(reluctance torque)에서 동작하지 않는다. 상기 계자권선(17)과 상기 다이오드(18) 결합 작용은 토크(회전력)의 생성에 직접적으로 관계된다.

나타난 실시예에서, 상기 회전자(14)는 1개의 극 쌍(pole pair)을 갖는다. 그러나, 다른 실시예들에서, 상기 회전자는 복합(multiple) 극 쌍들로 만들어질 수 있다. 마찬가지로, 상기 고정자(13)는 또 다른 실시예들에서 두 개 이상의 위상으로 만들어질 수 있다.

도 1에서 상기 전기자 위상 권선들(12.1, 12.2)과 관련된 상기 회전자(14)의 위치를 참조하면, 상기 발명의 한가지 독창적인 면은 상기 회전자(14) 극 쌍이 자기화(magnetizing)되는 방법 즉, 상기 계자권선(17)이 자기화되는 방법이다. 우선, 상기 계자권선(17)의 작용을 무시한다. 상기 전기자 위상(12.1)에 가해진 전류는 q 축의 방향에서 자기장(magnetic field)을 생성시킬 것이다. 유사하게, 상기 전기자 위상(12.2)에 가해진 전류는 d 축의 방향으로 자기장을 생성시킬 것이다. q축에서 훨씬 큰 자기 저항 때문에 d축에서 자기장은 q축에서 자기장보다 수배 클 것이다.

정지 또는 회전을 하는 동작을 할 때, 정확한 타이밍(timing)과 상기 전기자 위상(12.1, 12.2)의 스위칭(switching)에 의해 상기 회전자(14)의 자기장의 자기 화(magnetic field excitation)는 d 축을 따라 최대치와 q 축(실질적으로 0)을 따라 최소치를 유지할 것이다.

상기 전기자 위상 권선(12.1, 12.2) 중앙축이 상기 회전자(14) 세로축(d축)과 정렬(aligned)될 때 특정한 전기자 권선이 상기 계자권선(17)과 강하게 결합된다. 이와 같이, 상기 전기자 위상 권선(12.1 또는 12.2) 중앙축이 상기 회전자(14) 가로축(q축)과 정렬될 때 특정한 전기자 권선이 상기 계자권선(17)과 약하게 결합된다.

도 3은 상기 다이오드(18)에서 종단된(terminated) 상기 계자권선(17)과 강하게 결합된 상기 전기자 권선(12.2)의 변압기(20) 배선(transformer representation)의 개략도(schematic)를 나타낸다. 상기 전기자 권선(12.2)은 상기 변압기(20)의 1차 코일 역할을 하고, 상기 계자권선(17)은 상기 변압기(20)의 2차 코일 역할을 한다. 상기 변압기(20)가 전기자 위상 권선(12.2)의 중앙축이 상기 회전자 세로축(d축)과 정렬될 때(즉, 강하게 결합되었을 때)에만 유효(valid)하다는 점에서 높이 평가할 만하다. 상기 전기자 권선(12.2)이 상기 계자권선(17)과 직각위상(quadrature)에 있을 때, 각각의 권선의 중심축이 서로에게 수선이 되기 때문에 어떤 변압기 작용도 없다.

흑점들(black dots) (21.1, 21.2)은 동일한 극성의 각각의 권선들을 나타내는 것으로 한다. 한 주기의 회전(one full cycle of rotation)에서 상기 전기자 위상(12.2) 중심축과 상기 회전자 d 축이 정렬되게 하는 상기 회전자의 두 개의 위치(position)가 있다.

첫번째 위치에서, 양의 전압이 상기 1차 코일(12.2)에 가해지도록 스위치(22)가 닫힌 상태에서, 도 3에 나타난 것처럼 상기 다이오드(18)는 역방향 바이어스가 될 것이다. 두번째 위치에서, 상기 1차 코일(12.2)에 가해진 양의 전압으로 상기 회전자(14)가 180도 회전되면, 상기 다이오드(18)는 순방향 바이어스(미도시)가 될 것이다.

상기 첫번째 위치를 고려할 때, 상기 스위치(22)가 닫혀 있어 양의 전압이 상기 1차 코일 권선(12.2)에 가해진다. 전압이 상기 2차 코일(17)에서 유도된다. 그것은 상기 다이오드(18)에 역방향 바이어스를 가한다. 따라서, 상기 다이오드(18)는 전류가 상기 2차 코일 권선(17)에서 흐르지 못하도록 막는다. 그러나, 상기 1차 코일 권선(12.2)에서 자기화 전류(magnetizing current)와 상기 회전자 라미네이션(15)에서 자속밀도는 증가하거나 0으로 부터 끌어 올라갈 것이다. 아래 식에 따르면 그러하다.

v = L.di/dt (1)

di = dt.v/L (2)

여기서,

v 는 공급전압이다. (volts; V)

L 은 1차 코일 인덕턴스이다. (헨리(Henrys); H)

di 는 전류의 변화량이다. (암페어; A)

dt 는 시간의 변화량이다. (초 ; s)

상기 스위치(22)는 상기 자속밀도가 미리 결정된(predetermined) 또는 바람직한 수치(desired value)에 도달하면 열린다. 이는 0으로 감소해야 하는 제 1차 코일 전류를 방해한다. 따라서, 전류의 변화율 di/dt는 음의 값이 되고 (1)식으로부터 상기 1차 코일 권선에서 전압은 음의 값이 된다.

따라서, 상기 2차 코일 권선(17)은 또한 유도(induction)를 통해 전압이 반전되어, 상기 다이오드(18)가 순방향 바이어스가 되게 하고, 전기전도(conducting)를 한다. 그래서, 상기 2차 코일 권선(17)에서 흐르도록 유발된 전류는 우선 상기 1차 코일 권선(12.2)에 의해 코어 라미네이션(core lamination)(15)에서 형성된 상기 자속밀도에 비례할 것이다. 상기 회전자 계자권선(17)에서 전류는 코어 라미네이션(15)에서 자속밀도를 효율적으로 갖는다.

상기 다이오드(18) 순 전압(forward voltage)에 의해 상기 2차 코일 권선(17)에 걸리는 전압은, 상기 1차 코일(12.2)을 통해 초기에 가해진 전압보다 훨씬 낮다. 식 (1)로부터, 이것은 상기 2차 코일(17) 전류의 감소율(decay rate)(di/dt)과 상기 자속밀도의 감소는 상기 1차 코일(12.2) 전류의 증가율과 상기 자속밀도의 증가율보다 훨씬 더 느리다.

그와 같이, 상기 필드 자기화(field magnetization)의 감소 시간은 상기 1차 코일과 상기 2차 코일의 권선수 비(turns ratio)와 가해지는 전압의 정확한 선택에 의해 상기 필드 자기화의 증가시간(ramp time)보다 더 긴 측정단위(orders of magnitude)가 되도록 설정될 수 있다. 예를 들면, 전형적인 공급 전압은 300V일 수 있고, 다이오드 순 전압은 1V일 수 있다. 상기 권선수 비를 따져보면, 일단 회전자 필드(rotor field)가 최대의 자기화 상태에 있으면, 이를테면 그것의 최대값의 10% 내에 자기장 세기(field strength)를 유지하기 위해 단지 15ms마다 50us동안 충전될 필요가 있다.

이제 상기 고정자(13)에 비례하는 속도(at speed relative to the stator)로 회전하는 상기 회전자(14)와 함께 도 1의 상기 회전자(14)의 자기화를 고려한다, (토크 생성은 고려하지 않는다). 상기 제어 수단 또는 파워 드라이브 일렉트로닉스(power drive electronics)(미도시)는 상기 회전자(14) 세로축(d축)(상기 정확한 극성의 다이오드(18))이 상기 회전자(14)에 자기 전하(magnetic charge)를 주기 위한 상기 전기자 위상(12.1 또는 12.2) 중심축에 잠시 정렬될 때마다 상기 특정한 전기자 위상(12.1 또는 12.2)에 상기 정확한 극성 전압(polarity voltage)을 가한다.

시동할 때(at start up), 상기 자기 전하 시간은 초기에 그것의 최대값까지 상기 회전자(14) 자기장을 올리기 위해 예를 들어, 상기 러닝 톱 업 전하 시간(running top up charge time)보다 열 배 더 길 수 있다. 매우 낮은 속도에서 주기(cycle)마다 몇차례 토핑 업(topping up)이 필요로 하는 반면에, 높은 속도로 작동할 때, 상기 회전자(14) 자기화는 단지 수 주기마다 토핑 업(topping up)을 필요로 할 수 있다.

본 발명의 더 나은 실시예에서, 다이오드(18)는 상기 회전자 권선(17)에서 상기 스위칭 전극(switching element)으로서 사용된다. 하지만, 상기 전기자 위상 권선(12.1, 12.2)의 스위칭에 적절히 동기화(synchronized)되는 어떤 형태의 스위칭 전극이 사용될 수 있다고 평가된다. 예를 들어, 트랜지스터, 사이리스터(thyristor), 모스트랜지스터들(MOSFETs) 또한 그런 종류의 다른 것들이다.

상기 기술분야에서 숙련된 사람은 위에서 설명된 것과 유사한 원리가 스위치드 모드 파워 서플라이(switched mode power supply)에서 플라이백(flyback) 변압기의 작동에 채택된다고 평가할 것이다. 그러나, 플라이백 변압기에서 에너지는 계속적으로 상기 1차 코일 권선에서 리지스티브 로드(resistive load)에 연결되고 고정된 2차 코일 권선까지 전달된다. 반면에, 상기 전동기(10)에서 상기 플라이백 원리는 상대적으로 회전하는 회전자에서 상기 자속밀도를 유지하기 위해 사용된다.

이제 상기 전동기(10)에서 토크 생성을 고려해 보기로 한다. 자기장 안에서 그리고 자기장과 수직을 이루는 도선을 흐르는 전류에 가해지는 힘은 로렌츠 힘(Lorentz force)의 식에 의해 주어진다.

F = l.i.B (3)

여기서 F 는 힘이다. (Newtons; N)

l 은 도선의 길이이다. (metres; m)

i 는 도선에 흐르는 전류이다. (amps; A)

B 는 자속밀도이다. (Tesla; T)

전동기에서 토크는 다음과 같이 주어진다.

T = F.r

= l.i.B.r (From (3))

(4)

여기서 r 은 회전자 반경이다.

T 는 토크이다. (N.m.)

F 는 힘이다. (Newtons; N)

도 1을 참조하면, 상기 회전자(14)는 완전히 자기화된 것으로 가정한다. 상기 고정자 코어(core)(13)를 방위각으로(azimuthally) 통과하는 상기 자속 라인(line)(19)은 상기 전기자 위상(12.2)의 상기 도선들을 지나가지 않는다. 그래서, 이러한 도선들은 힘을 받지 않는다. 그러나, 전기자 위상(12.1)의 도선들은 상기 고정자(15)에서부터 상기 공극(air gap)을 가로지르는 상기 회전자(14)까지 지나가는 상기 자속 라인(line)(19)에 수직하게 있거나 직접 놓여있다. 그래서, 식(4)에 따라 토크가 생긴다.

상기 전기자 위상 권선(12.1)의 도선들이 상기 고정자(13)에 픽스(fixed)되어 있기 때문에, 그리고, 차례로 상기 회전자(14)가 반대 작용(opposite reaction)을 하기 때문에 상기 회전자(14)는 리설턴트(resultant) 토크와 움직임(motion)을 가질 것이다. 그래서 더 작은 또는 d 축의 공극(air gap)에 위치한 상기 고정자 도선들(12.1 또는 12.2)에 흐르는 전류에 의해 상기 회전자(14)에 토크가 생성된다.

동작에 있어서(in operation), 상기 전기자 위상(12.1, 12.2) 둘 다 상기 전동기가 회전할 때 교대로 토크와 자기 전하(magnetizing charge)를 생성할 것이다. 자기화(magnetization)가 순간적으로 일어날 것임에 반해 전류를 생성하는 상기 토크는 상기 회전자 주기(cycle)의 많은 부분 동안 가해질 것이다. 상기 회전자(14)의 적절한 위치감지와 함께 마이크로프로세서 컨트롤드 파워 트랜지스터들(Microprocessor controlled power transistors)과 전기자 위상 전류 피드백(armature phase current feedback)은 상기 위상들 사이에서 필요한 타이밍(timing)과 전류제어를 할 수 있다.

상기 회전자(14)의 앵귤러 포지션(angular position)은 상기 회전자(14)와 피드백 회로들에 설치된 센싱(sensing) 구성요소들(elements)을 통해 직접 결정될 수 있다. 만약 그렇지 않으면, 상기 포지션은 상기 전기자 권선들의 전압과 전류 특성들로부터 간접적으로 결정될 수 있다. 이것들은 그것의 앵귤러 포지션에 좌우되는 상기 회전자(14)에 의해 나타나는 가변하는 저항에 의해 영향을 받기 때문이다,(상기 세로축과 가로축에서 상기 공극(air gap)에서의 차이 때문).

다시 말해, 도 4a에서 나타난 첫번째 회전자 위치(position)에서, 상기 전기자 위상 권선(12.2)이 동시에 상기 회전자(14)에 자기장을 차지업(charge up) 하는 동안 전류를 흐르게 할 때, 상기 전기자 위상 권선(12.1)은 토크를 생성한다. 유사하게, 도 4b에서 나타난 두번째 회전자 위치에서, 그 역할들은 반대가 된다. 상기 전기자 위상 권선(12.1)이 상기 회전자(14)에서 자기장을 차지업(charge up)하는 동안 상기 전기자 위상 권선(12.2)은 토크를 생성한다.

상기 전기자 위상 권선들(12.1, 12.2)과 상기 회전자 계자권선(17) 각각에 대한 전류 I_{12 .1}, I_{12 .2} 와 I₁₇ 그리고 한 주기의 회전 시간에 대한 상기 회전자(14) 자속밀도 B₁₄를 보여주는 그래프들은 특정한 회전방향에 대하여 도 5에 나타나 있다. 상기 전기자 위상 전류 I_{12 .1} 과 I_{12 .2} 파형들은 그래프에서 나타난 것과 같이 한 주기에서 두개의 토크 생성 세그먼트들(segments)과 두개의 자기화 펄스들로 이루어져 있다.

상기 전기자 위상 전류들 I_{12 .1} 또는 I_{12 .2} 중 하나의 극성을 변화시킴으로써 또는 단순히 I_{12 .1}, I_{12 .2}의 타이밍 시퀀스(timing sequence)를 교환함으로써 상기 회전자(14)의 회전방향은 쉽게 반대가 될 수 있다고 본다.

상기 전동기(10)는 상기 전기자 위상 전류 I_{12 .1}, I_{12 .2} 토크 생성 세그멘트들(segments)의 극성을 반대로 함으로써 발전기(generator)로서 동작할 것이다. 그러나 그것들이 도 5에서 나타난 바와 같이, 같은 타이밍과 상기 자기화 전류 펄스의 극성과 함께 반대로 되어야 한다.

모터링(motoring)이건 제너레이팅(generating)이든지, 순방향 또는 역방향으로 상기 전류들의 타이밍은 상기 회전자(14) 위치에 동기화된다.

상기 전동기(10)를 동작시키기 위해 상기 제어 수단에 대한 전기 회로가 도 6에 나타난다. 상기 전동기(10)의 개략적인 모습이 상기 전기자 권선(12.1, 12.2), 상기 회전자(14), 상기 회전자 계자권선(17) 및 상기 프리휠링(free wheeling) 다이오드(18)를 나타내는 것에 포함되어 있다.

상기 실시예에서, 직류전원(미도시)은 상기 전동기(10)에 대해 메인 직류신호버스(DC bus)(45.1, 45.2)를 제공한다. 모스펫 트랜지스터들(MOSFET transisters)(40.1, 42.2, 42.3, 42.4)의 H-브리지(H-bridge) 배열부(arrangement)는 상기 전기자 위상 권선(12.1)에 필요한 전류를 스위칭하기 위해 이용된다. 그리고, 모스펫 트랜지스터들(42.1, 42.2, 42.3, 42.4)의 H-브리지(H-bridge) 배열부는 상기 전기자 위상 권선(12.2)에 필요한 전류를 스위칭하기 위해 이용된다.

이것은 양과 음의 전류 극성에 대해 그리고, 펄스 폭 모듈레이션(pulse width modulation), 독립적인 전류 크기의 제어를 통해 어느 위상이 독립적으로 제어되도록 한다.

마이크로프로세서(52)는 모스펫 드라이버 인터페이스(MOSFET driver interface)(50)에 의해 상기 모스펫들(MOSFETs)의 스위칭을 제어한다. 그래서 직접적으로 상기 전류 I_{12 .1}, I_{12 .2} 와 I₁₇의 타이밍, 크기 및 극성을 제어한다. 전류 센서 구성요소들(41.1, 41.2, 41.3, 41.4)은 전류 크기 제어를 위해 디지털 컨버터(54)에 아날로그 신호를 매개로 하여 피드백 신호들을 상기 마이크로프로세서(52)에 제공한다.

도 5에 따르면, 크기와 타이밍에 있어서, 상기 위상 전류 I_{12 .1}, I_{12 .2} 와 회전 자 계자전류 I₁₇ 를 상기 마이크로프로세서가 제어하기 위해 상기 고정자(13)에 대응하는 상기 회전자(14)의 위치가 필요로 한다. 회전자 위치 감지 방법의 한가지 예가 상기 회전자(14)에 고정되어 회전하는 디스크(30)를 이용함으로써 나타난다. 상기 전동기의 상기 고정자에 관하여 고정된 네 개의 광학적 반사형 센서들(31.1, 31.2, 31.3, 31.4)을 이용함으로써 나타난다. 상기 디스크(30)는 도면에 나타난 것처럼 반사되는 색(화이트)을 가진 90도의 세그먼트(segment)를 갖고, 나머지는 반사되지 않는 색을 가진 270도의 세그먼트(segment)를 갖는다.

상기 광학적 센서들(31.1, 31.2, 31.3, 31.4)로부터의 신호들은 버퍼 또는 신호 컨디셔닝 엘리먼트(signal conditioning element)(56)를 경유하여 상기 마이크로프로세서(52)로 되돌아온다. 광학적 센서(31.2) 하에 희고, 반사형의 엘리먼트(element)와 함께 포지션된 상기 디스크(30)와 함께, 광학적 센서(31.2)에 의해 되돌아온 신호는 예를 들어 디지털 1이 될 것이다. 나머지 센서들(31.1, 31.3, 31.4)에 의해 되돌아온 신호들은 디지털 0이 될 것이다. 그래서, 도 5와 일치하게 상기 광학적 센서들(31)에 의해 되돌아온 디지털 콤비네시션들(combinations)에 의해 결정되는 상기 회전자(14) 포지션에 동기화(synchronized)되는 상기 전기자 위상 권선들(12.1, 12.2)에 가해지는 전류를 상기 마이크로프로세서(52)가 제어한다.

다른 감지 수단들, 자기적으로 결합 포지션 디텍션(magnetically coupled position detection), 직접적인 슬라이드 콘택 스위치들(direct slide contact switches), 정류자(commutator) 등등과 같은 것이 채택될 수도 있다.

더 나은 실시예에서, 상기 마이크로프로세서(52)는 스위치들의 상태와 상기 전동기를 작동, 멈춤, 방향 변경하는 유저 인터페이스 패널(user interface panel)(58)에 포함된 가변하는 리지스터(resister)를 모니터한다. 상기 전동기(10)를 작동시킬 때, 상기 회전자(14)는 처음에는 완전히(completely) 자기화되어 있는 것은 아니다. 다시 말해, 전류 I₁₇은 상기 계자권선(17)과 프리휠링(free wheeling) 다이오드(18)를 통해 흐르지 않는다.

이와 같이, 상기 회전자(14)는 처음에 완전히 자기화되거나 (도 3과 그것에 상응하는 설명에 따라서) 상기 전기자 권선(12.1 또는 12.2) 중 어느 것에 의해서라도 상기 회전자 계자권선(17)에 강하게 결합됨으로써 대전(charged)되어야 한다. 상기 마이크로프로세서(52)는 센서들(31)에서 얻어진 신호들로부터 상기 전기자 권선들(12.1, 12.2)에 관하여 상기 회전자(14)의 방향을 결정한다. 그리고, 상기 회전자 계자권선(17)에 강하게 결합된 상기 전기자 권선(12.1 또는 12.2)을 선택한다. 또한, 상기 필요한 전류 방향을 결정한다. 상기 마이크로프로세서(52)는 상기 회전자(14)에 상기 자속밀도(B₁₄)를 필요한 값까지 충전(charge up)하기 위해 상기 두 개의 H-브리지(H-bridge)(40, 42)로부터 상기 필요한 모스펫(MOSFET) 트랜지스터 쌍(pair)을 스위치 온(switch on) 한다.

상기 회전자(14)는 이 과정 중에 멈춰 있다. 상기 자속밀도가 상기 필요한 수치에 도달하면, 상기 활성화된 또는 대전(charging) 전기자 권선(12.1 또는 12.2)은 스위치 오프(switch off)된다. 이전의 사용되지 않는(idle) 전기자 권 선(12.1 또는 12.2)은 그 때 토크를 생성하기 위해 스위치 온 된다. 상기 전동기(10)에 결합된 적당한 또는 가벼운 부하가 있다면, 속도를 가속화시킬 것이다. 그리고 전류들의 타이밍과 제어는 도 5에 나타난 것과 비슷할 것이다. 그러나, 상기 부하가 상기 전동기(10)에 대해 너무 크다면 다시 말해, 락크(locked) 회전자(14) 또는 높은 이너시아 로드(inertia load)라면 상기 1차 코일 전기자 권선(12.1 또는 12.2)은 상기 회전자(14) 자속밀도(B14)를 계속해서 토핑 업(topping up)해야 할 것이다. 반면에 2차 코일 전기자 권선은 상기 회전자(14)가 회전하기 시작할 때까지 계속적으로 드라이빙(driving) 또는 토크 전류를 공급해야 할 것이다. 게다가, 상기 두 개의 전기자 권선들(12.1, 12.2)이 교대로(alternately) 상기 회전자(14) 위치(position)에 따라 토크 전류와 자기화 전류를 공급하기 시작할 것이다.

상기 일반적인 설명과 메캐니컬스(mechanicals), 권선(windings) 및 일렉트로닉스(electronics)는 본 발명의 더 나은 실시예이다. 두번째 실시예는 항상 토크 생성 권선들인 전기자 권선들(12.1, 12.2), 항상 자기화 권선들이 되는 상기 고정자에 위치한 추가적인 권선들(12.3, 12.4)로 채워질 수 있다. 개략적인 이 실시예는 도 7에 나타나고 그에 상응하는 전류 그래프들이 도 8에 나타나 있다.

도 5의 그래프는 전기자 전류들(I_{12 .1}, I_{12 .2})이 나타낼 수 있는 파형들과 타이밍의 예이다. 토크 생성 전류 부분은 한 주기의 4분의 1 동안 일정한 값으로 나타난다. 또는, 단순하게 상기 회전자(14)의 90도의 메캐니컬(mechanical) 각으로 나 타난다. 이러한 파형들은 토크를 최적화하고 고조파를 감소시키도록 수정될 수 있다. 예를 들어, 이러한 파형들은 계단(stepped), 사인곡선(sinusoidal)으로 나타내거나 또는 그런 종류의 다른 것들로 나타내는 것이다.

상기 전기자 전류들(I_{12 .1}, I_{12 .2})의 자기화 전류 펄스 부분은 토크 생성 부분보다 훨씬 더 큰 양을 가질 수 있다. 하지만, 펄스폭은 백배 이상 좁게 될 것이고, 토크 전류의 평균 또는 RMS 값보다 자기화 전류의 평균 또는 RMS 값이 훨씬 작을 것이다.

예를 들어, 토크 전류의 RMS 값이 10A인 것에 대해 자기화 펄스의 RMS 값은 겨우 0.5A일 수 있다. 그러므로, 자기화 펄스 전류는 상기 토크 생성 전류와 비교해 볼 때 상기 고정자 권선들(12)에서 매우 적은 열손실을 낳을 것이다. 자기화 손실의 주된 부분은 상기 회전자 권선들(17)에서 발생한다. 상기 회전자 계자권선 전류(I₁₇)는 적당한 값에서 거의 연속적이다.

유도 전동기에서 최대의 자기화 전류는 자기포화(magnetic saturation)에 도달할 때, 사인곡선(sinusodal)의 자기화 전류의 고조파 일그러짐(harmonic distortion)과 상기 고정자 권선들의 커패시티(capicity)를 운반하는 전류에 의해 일반적으로 제한된다. 영구자석 전동기의 최대의 자기화 전류는 자석 생산과 관련된 기술의 전류 상태에 의해 제한된다.

여기서 설명된 상기 전동기(10)는 이러한 단점들이 문제되지 않는다. 유사한 효율성에서 상기 회전자의 매우 높은 자기화와 더 높은 토크 전류가 얻어지고, 유 사한 크기의 전동기들에 더 높은 전력속 밀도(power density)와 토크를 가져온다.

상기 전동기(10)의 전반적인 효율은 상기 고정자(13)의 구리 손실(copper losses)과 동등하게 상기 회전자(14)의 구리 손실을 유지함으로써 동적으로 최적화될 수 있다. 상기 마이크로프로세서(52)는 전체 속도 범위와 가변적인 로딩(loading)에 걸쳐서, 최적의 효율을 갖도록 토크 전류와 자기화 전류의 양을 조정할 수 있다.

상기 실시예들은 본 발명을 더 예를 들어 설명하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 도움을 주기 위해 제공되는 것으로 이해될 수 있다. 본 발명의 합리적인 범위를 과도하게 제한하는 것으로 해석되는 것을 의미하지 않는다.

본 발명자는 상기 전동기가 동기 전동기, 유도 전동기 및 브러시(brush) 또는 브러시리스(brushless) DC 전동기에서 보다 능가하는 전체적인 성능을 갖는다는 것을 이점으로 여긴다. 반면에, 유도 전동기의 구조적으로 단순하고 비용 효과적인 제조가능성을 추가한다.

본 발명자는 상기 전동기가 모든 다른 유형의 전동기와 비교하여 더 높은 전력밀도와 효율을 갖는다는 더 많은 이점이 있다고 생각한다. 본 발명자는 상기 전동기는 트랙션 어플리케이션(traction applications)에서 특정한 적용을 가지는 낮은 기동 전류(low starting current)에 대해 높은 가동 토크(high starting torque)를 가질 수 있는 것을 더 나은 이점으로 생각한다.

본 발명자는 역시 전체 사분면(full four-quadrant) 동작(모터링(motoring), 제너레이팅(generating), 포워드(forward), 리버스(reverse))을 갖는 전체 로드(load) 범위에 걸쳐서, 최적의 효율에서 동적인 속도와 토크 제어를 수행하기가 단순한 것이 이점이라고 생각한다.

Claims (13)

1. 고정자 위상들(stator phases)을 형성하도록 배열된 적어도 두 개의 고정자 권선들(stator windings)을 가지는 고정자;

   회전자(rotor)가 상기 고정자로부터 공극(air gap)에 의해 분리되며, 상기 고정자 내에 있는 돌출극 회전자(salient pole rotor); 및

   제어 수단을 포함하며,

   상기 회전자는 상기 공극을 통해 상기 회전자와 상기 고정자 사이에 고 자기 저항 경로 및 저 자기 저항 경로(higher and lower magnetic reluctance path)를 한정하도록 형성화되고 구성되며,

   상기 회전자는 계자권선들(field windings)이 하나의 극 쌍(pole pair)을 형성하도록 구성된 상기 회전자의 상기 돌출극에 주변의 계자권선(field winding)을 더 포함하며,

   상기 계자권선은 상기 계자권선의 전기적 연속성을 결정하는 선택적 전기 스위치에서 종단(terminating)되어, 상기 스위치에 부과된 역 전압 바이어스가 상기 계자권선을 개회로(open circuit)가 되도록 하며,

   상기 제어 수단은 에너지화된(energized) 고정자 위상이 차례로(in turn) 유도(induction)를 통해 상기 스위치에 역 전압 바이어스를 부과하도록 상기 저 저항 경로로 상기 계자권선에 연결된 상기 고정자 위상에 전압을 가함으로써, 상기 계자권선 자기화를 조절하도록 구성되고,

   상기 역 전압 바이어스는 상기 계자권선들에 전류가 흐르는 것을 막지만, 상기 고정자 위상에 가해진 전압은 상기 회전자에서 자속밀도를 증가시키고,

   상기 회전자에서 자속밀도가 증가된 상태에서, 상기 제어 수단은 상기 회전자에 미리 정해진 자속밀도에 도달하면 상기 가해진 전압을 제거하여 전압의 역전을 유도하여 상기 스위치에 순 전압 바이어스를 부과하여, 상기 회전자에 상기 자속밀도의 소멸을 막는 전류를 상기 계자권선에 흐르도록 하며,

   상기 제어 수단은 상기 계자권선에 전압을 가할 필요가 없는 다른 고정자 위상에 상기 계자권선에 전류가 흐르는 순간만 전압을 가함으로써 전동기내 토크의 생성을 조절하도록 구성되어, 다른 위상 또는 위상들은 토크 생성을 초래하는 동안 하나의 고정자 위상은 항상 상기 계자권선을 자기화시키는데 이용될 수 있어서, 차례로 모든 고정자 위상들은 토크를 생성하고, 상기 회전자 계자권선들의 자기화를 조절하는 기능을 교대로 하는 전동기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 선택적 스위치는 프리휠링(freewheeling) 다이오드를 포함하는 전동기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 선택적 스위치는 고체 상태(solid state)의 전자 디바이스(device)인 것을 포함하는 전동기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어 수단은 마이크로프로세서를 포함하는 전동기.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어 수단은 상기 고정자 위상들에 전압 공급을 제어하는 전기 스위치들을 포함하는 전동기.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어 수단은 상기 고정자 위상들에 전압 공급의 시간을 조절하기 위해 상기 고정자 위상들에 대한 상기 회전자의 위치를 센싱(sensing)하는 센서들을 포함하는 전동기.
7. 삭제
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어 수단은 상기 전동기의 속도에 따라 상기 회전자에서의 상기 자속밀도를 조절하는 전동기.
9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어 수단은 발전기로서 상기 전동기를 선택적으로 제어하도록 구성되는 전동기.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제

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