KR101264884B1

KR101264884B1 - 전기 모터 시스템

Info

Publication number: KR101264884B1
Application number: KR1020117022448A
Authority: KR
Inventors: 켄지 후지와라; 츠토무 바바
Original assignee: 무그 재팬 리미티드
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2013-05-20
Also published as: WO2010110483A2; WO2010110483A3; JP5350034B2; US9231513B2; KR20120000069A; EP2412091B1; EP2412091A2; US20120187893A1; JP2010226899A; CN102625977A

Abstract

전기 모터 시스템이 제공되며, 상기 전기 모터 시스템은 회전자(9)와; 고정자(8)와; 제 1 코일 세트(1A) 및 제 2 코일 세트(1B)와; 그리고 제 1 삼상 전압(U1, V1, W1)으로 상기 제 1 코일 세트를 구동시킴과 아울러 제 2 삼상 전압(U2, V2, W2)으로 상기 제 2 코일 세트를 구동시키도록 구성된 구동기(2)를 포함하며, 상기 회전자와 상기 고정자는 서로 상대적으로 운동하도록 장착되고, 상기 회전자는 복수의 자극들(11)을 구비하고; 상기 고정자는 상기 자극들을 마주 보고 있는 복수의 돌극들(12)을 구비하고, 상기 제 1 코일 세트는 세 개의 위상들을 가지며, 이 위상들 각각은 직렬로 연결됨과 아울러 상기 회전자에 대해 서로 다른 방향으로 상기 돌극들을 서로 다르게 둘둘 감고 있는 제 1 코일(u1, v1, w1) 및 제 2 코일(u1', v1', w1')로 이루어지고, 상기 제 2 코일 세트는 세 개의 위상들을 가지며, 이 위상들 각각은 직렬로 연결됨과 아울러 상기 회전자에 대해 서로 다른 방향으로 상기 돌극들을 서로 다르게 둘둘 감고 있는 제 1 코일(u2, v2, w2) 및 제 2 코일(u2', v2', w2')로 이루어지고, 상기 구동기는 상기 제 1 삼상 전압의 제 1 위상 및 상기 제 2 삼상 전압의 제 1 위상을 상대적 위상 변이로 구동시키도록 구성된다.

Description

전기 모터 시스템{ELECTRIC MOTOR SYSTEM}

본 발명은 일반적으로 전기 모터 시스템에 관한 것으로, 특히 적어도 하나의 영구 자석(permanent magnet), 돌극(salient pole)들을 갖는 고정자, 고정자의 돌극 상에 감긴 코일들을 갖는 복수의 다상 코일 세트(multi-phase coil set)들, 그리고 복수의 다상 전류를 공급하는 구동기를 구비하는 전기 모터 시스템에 관한 것이다.

최근에, 시장에서의 강력한 희토류 자석(rare-earth magnets)의 출현으로 인해, 회전자에서 희토류 자석을 사용하는, 작고, 고효율의, 높은 파워 영구 자석형 동기 모터의 개발이 가능하게 되었다. 이러한 모터들은 다양한 산업에서 모티브 소스(motive source)들 및 제어 드라이버 소스(control driver source)들로서 사용된다. 이러한 모터들을 높은 파워에서 사용하기 위해서, 모터의 인버터의 전류 능력에서의 증가가 있어 왔다.

종래 전기 모터 시스템의 일 예가 도 7에 예시된다. 이러한 전기 모터 시스템은, 분기 연결된 분배형 권선들을 구비한 두 개의 삼상 코일 세트와, 그리고 개별 코일들과 직렬로 연결된 두 개의 인버터를 구비한다. 인버터들 각각에는 상보적으로 연결된 여섯 개의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)들이 제공된다. 각각의 IGBT들은 PWM 방법을 사용하여 제어되는 게이트 드라이버들에 의해 구동되어, 전류 병렬 리액터들(L)을 통해 IGBT들로부터의 삼상 AC 파워를 전기 모터의 두 개의 코일들에 제공한다. 또 다른 인버터가 동일한 방식으로 구성되어, 병렬로 연결된 각각의 삼상 코일 세트들을 두 개의 인버터들을 통해 병렬로 구동시킨다. 즉, 이러한 타입의 구조를 갖는 전기 모터에서, 두 개의 인버터들은 두 개의 삼삼 코일 세트들에 병렬로 연결된다. 이러한 타입의 구조에서, 전류 병렬 리액터(L)는 두 개의 인버터들로부터의 각각의 전류들 간의 불평형을 경감시키기 위해 필수적인 것이다.

도 8은 또 다른 종래의 전기 모터 시스템을 나타낸다. 이러한 전기 모터 시스템은, 분기 연결된 단일의 삼상 코일 세트를 구비한 전기 모터와, 그리고 병렬로 연결된 IGBT들을 갖는 인버터들(71, 72 및 73)을 갖는다. 이러한 전기 모터 시스템은 상대적으로 저렴한 저전류 IGBT들을 병렬로 연결시킴으로써 큰 전류의 공급을 가능하게 한다. 그러나, IGBT들이 병렬로 연결되기 때문에 IGBT들 간의 전류의 평형은 어렵고, 그리고 전형적으로 10% 내지 30%의 정격저감(derating)을 고려하는 회로 설계가 필요하다(왜냐하면 파워 사용에 대해 마진(margin)이 있는 정격을 갖는 디바이스를 사용하는 것이 필요하기 때문). 이러한 이유 때문에, 전기 모터가 요구하는 최대 전류 값에 대해 큰 정격 파워를 갖는 IGBT들을 사용하는 것이 필요하고, 이것은 인버터들의 제조 비용을 증가시킨다.

일본 특허 출원 공개문인 JP-A-9-331694는 유도형 모터를 개시하며, 여기서 코일들을 각각의 위상에 대해 분할함으로써 여러 개의 복수의 분할 코일들이 형성되고, 그리고 분할된 다상 코일들에 개별적으로 다상 교류 파워를 인가할 수 있는 복수의 인버터 1차 회로들이 제공된다. 이러한 모터는 고전력 스위칭 소자(이러한 소자는 저전력 스위칭 소자와 비교했을 때 상대적으로 가격이 비쌈)를 요구함이 없이 고전력 인버터 모터를 제공한다.

일본 특허 출원 공개문 JP-A-7-298685는 두 개의 삼상 PWM 인버터들을 사용하여 6상 유도형 모터를 구동하기 위한 시스템을 개시한다. 6상 유도형 모터는 6상 코일들(u1, y1, w1, x1, v1, 및 z1)을 가지며, 여기서 코일들(u1, w1, 및 v1)은 삼상 권선(W1)을 형성하고, 그리고 코일들(y1, x1, 및 z1)은 삼상 권선(W2)을 형성한다. 두 개의 삼상 PWM 인버터들은 위상차가 180도인 파형들을 갖는 전압을 생성하고, 이것은 각각의 삼상 권선들(W1 및 W2)에 연결된다. 따라서, 동상(in-phase) 혹은 역상(anti-phase) 대칭 전압 파형을 각각의 권선에 제공하는 고전력 구동 시스템이 개시되는바, 여기서 두 개의 서로 다른 권선들은 6상 유동형 모터를 형성함으로써 복수의 인버터들에 연결되고, 이 경우 삼상 유도형 모터에서의 단일 위상에 대해 반대편 극(pole)들 상에 형성되는 권선들은 분리된다.

일본 특허 출원 공개문 JP-A-2004-64893은 유도형 모터를 개시하고, 여기서 두 개의 삼상 인버터들 및 두 개의 삼상 권선들은 각각 분할되어 연결된다. 두 개의 삼상 인버터들의 위상은 서로 180도 다르다.

일본 특허 출원 공개문 JP-A-2006-203957은 유도형 모터를 개시하고, 여기서 두 개의 삼상 인버터들 및 두 개의 삼상 권선들이 서로 분할되어 연결된다. 단일 코일이 각각의 위상에 연결되고, 여기서 단일의 삼상 연결을 구성하는 코일들은 고정자 상에 120도 각도로 배치되고, 그리고 두 개의 삼상 연결은 서로로부터 60도 변이되도록 배치된다. 동일한 위상의 두 개의 삼상 인버터들이 각각의 삼상 연결들에 파워를 제공한다.

그러나, 앞서 설명된 참조 문헌에서 개시된 모터들은 유도형 모터이고, 따라서 회전자에 영구 자석을 사용하는 동기 모터와는 근본적으로 다른 구조를 갖는다.

본 개시되는 실시예의 대응하는 성분, 부분 혹은 표면의 삽입적 언급은 단지 예시적 목적이며, 비한정적 의미로서, 본 발명은 넓게는 개선된 전기 모터 시스템을 제공하는바, 상기 전기 모터 시스템은 회전자(9)와; 고정자(8)와; 제 1 코일 세트(1A) 및 제 2 코일 세트(1B)와; 그리고 제 1 삼상 전압(U1, V1, W1)으로 상기 제 1 코일 세트를 구동시킴과 아울러 제 2 삼상 전압(U2, V2, W2)으로 상기 제 2 코일 세트를 구동시키도록 구성된 구동기(2)를 포함하며, 상기 회전자와 상기 고정자는 서로 상대적으로 운동하도록 장착되고, 상기 회전자는 복수의 자극(magnetic pole)들(11)을 구비하고; 상기 고정자는 상기 자극들을 마주 보고 있는 복수의 돌극(salient pole)들(12)을 구비하고, 상기 제 1 코일 세트는 세 개의 위상들을 가지며, 이 위상들 각각은 직렬로 연결됨과 아울러 상기 회전자에 대해 서로 다른 방향으로 상기 돌극들을 서로 다르게 둘둘 감고 있는 제 1 코일(u1, v1, w1) 및 제 2 코일(u1', v1', w1')로 이루어지고, 상기 제 2 코일 세트는 세 개의 위상들을 가지며, 이 위상들 각각은 직렬로 연결됨과 아울러 상기 회전자에 대해 서로 다른 방향으로 상기 돌극들을 서로 다르게 둘둘 감고 있는 제 1 코일(u2, v2, w2) 및 제 2 코일(u2', v2', w2')로 이루어지고, 상기 구동기는 상기 제 1 삼상 전압의 제 1 위상 및 상기 제 2 삼상 전압의 제 1 위상을 상대적 위상 변이로 구동시키도록 구성된다.

상기 위상 변이는 30도일 수 있다. 상기 코일들은 인접하는 돌극들을 둘둘 감고 있을 수 있으며, 아울러 상기 구동기로 상기 인접하는 돌극들이 약 210도의 상대적 자속 위상 변이를 갖도록 구성될 수 있다. 상기 제 1 코일 세트(1A)의 제 1 위상의 제 1 코일(u1)과 상기 제 2 코일 세트(1B)의 제 1 위상의 제 2 코일(u2')은, 인접하는 돌극들이 약 210도의 상대적 자속 위상 변이(relative magnetic flux phase shift)를 갖도록 상기 회전자에 대해 서로 다른 방향으로, 상기 인접하는 돌극들을 둘둘 감고 있다. 자극들의 수는 14×n일 수 있고, 돌극들의 수는 12×n일 수 있으며, 여기서 n은 양의 정수이고, 또는 자극들의 수는 10×n일 수 있고, 돌극들의 수는 12×n일 수 있으며, 여기서 n은 양의 정수이다. 상기 제 1 코일 세트의 제 1 위상의 제 1 코일과 상기 제 2 코일 세트의 제 1 위상의 제 2 코일은, 상기 회전자에 대해 서로 다른 방향으로 그 인접하는 돌극들을 둘둘 감고 있을 수 있다.

상기 자극들은 상기 회전자의 표면 상에 형성될 수 있다. 상기 자극들은 상기 회전자에 내장될 수 있다. 상기 제 1 코일 세트와 상기 제 2 코일 세트는 서로 독립적으로 상기 구동기에 연결될 수 있다. 상기 고정자 및 상기 회전자는 공통축(common axis)에 대해 서로 상대적으로 회전 운동하도록 장착될 수 있다. 상기 구동기는 복수의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)들(511-515), AC 대 DC 인버터(AC to DC inverter)(3)(이것은 AC 대 DC 정류기(AC to DC rectifier)(3A)로 구성됨), 정류 커패시터(rectifying capacitor)(41), CPU(611), 펄스폭변조 모듈(pulse-width-modulation module)(612) 및 게이트 드라이버(613)를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 상기 CPU와 통신하는 전류 센서(current sensor)를 더 포함할 수 있으며, 상기 전류 센서는 상기 구동기의 출력 라인에서의 전류 흐름을 측정하도록 구성된다. 상기 구동기는 그 출력 라인들 중 하나의 출력 라인에 리액터(reactor)(L)를 포함하지 않을 수 있다. 상기 n은 정수 1 또는 2일 수 있다. 상기 시스템은 제 3 코일 세트(1C) 및 제 4 코일 세트(1D)를 더 포함할 수 있다. 상기 구동기는 상기 제 1 삼상 전압을 생성하도록 구성된 여섯 개의 IGBT들을 포함할 수 있다.

또 다른 실시형태에서, 본 발명은 전기 모터 시스템에 관한 것으로, 이 전기 모터 시스템은, 회전자(9)와; 상기 회전자(9)의 바깥쪽 외면 상의 복수의 자극들(11)과; 상기 회전자(9)를 에워싸는 고정자(8)와; 상기 고정자(8)의 안쪽 외면 상에 형성된 복수의 돌극들(12)과; 복수의 독립 연결된 삼상 코일 세트들(1A, 1B)과; 그리고 제어 수단(2)을 포함한다. 각각의 위상(예를 들어, u)은, 직렬로 연결되지만 서로 다른 돌극들 상에 서로 반대 방향으로 감겨있는, 제 1 코일(u1) 및 제 2 코일(u1')을 갖는다. 상기 제어 수단(2)은 서로 다른 위상들을 갖는 적어도 두 개의 서로 다른 삼상 전류들(U1, V1, W1; U2, V2, W2)을 복수의 삼상 코일 세트들(1A, 1B)에 제공한다. 상기 제어 수단(20)은 제어 유닛들(61, 62, 63, 64) 및 인버터 유닛들(51, 52, 53, 54)을 포함한다.

전기 모터 시스템의 일 실시예는, 자극들의 수가 14×n이고, 돌극들의 수가 12×n인 것을 특징으로 한다(여기서, n은 양의 정수임).

전기 모터 시스템의 또 다른 실시예는, 자극들의 수가 10×n이고, 돌극들의 수가 12×n인 것을 특징으로 한다(여기서, n은 양의 정수임).

전기 모터 시스템의 또 다른 실시예는, 제어 수단이, 30도의 상호 위상차를 갖는 두 가지 타입의 삼상 전력을, 복수의 삼상 코일 세트들에 제공하는 것을 특징으로 하며, 여기서, 30도만큼의 차이가 나는 위상을 갖는 파워를 공급받는 인접하는 코일은 반대 방향으로 감겨있다.

전기 모터 시스템의 또 다른 실시예는 자극들이 회전자의 표면 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.

전기 모터 시스템의 또 다른 실시예는 자극들이 회전자에 내장되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 하나 이상의 실시형태들의 몇 가지 장점으로는, 인버터에 사용되는 IGBT와 같은 스위칭 소자의 파워를 증가시킴 없이 높은 파워, 고효율의 전기 모터 시스템을 제공할 수 있는 것, 그리고 전기 모터 시스템의 크기 및 제조 비용을 감소시킬 수 있는 것이다. 하나 이상의 실시형태들의 이러한 장점 및 다른 장점은 다음과 같은 설명 및 첨부되는 도면을 고려함으로써 명백하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는 제 1 실시예의 14-극, 12-슬롯 전기 모터의 단면도이다.
도 3은 제 1 실시예의 구동 전압의 위상을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 제 2 실시예의 28-극, 24-슬롯 전기 모터의 단면도이다.
도 6은 제 2 실시예의 구동 전압의 위상을 나타낸 그래프이다.
도 7은 선행 기술에 있어서의 종래의 전기 모터 시스템이다.
도 8은 선행 기술에 있어서의 또 다른 종래의 전기 모터 시스템이다.

처음에 명확히 이해해야 하는 바로서, 동일한 참조 번호가 수개의 도면에 걸쳐 동일한 구조적 요소, 부분, 혹은 표면을 일관적으로 나타내도록 의도되었는바, 이러한 요소, 부분, 혹은 표면이 본 명세서 전체에 걸쳐 더 기술되거나 설명되며, 그 상세한 설명은 본 명세서를 구성하는 부분이다. 달리 표시되지 않는다면, 도면은 상세한 설명과 함께 판독되도록 의도되었고(예를 들어, 크로스-해칭(cross-hatching), 구성요소들의 배치, 비율, 각도 등), 그리고 본 발명의 본 명세서 전체의 일부인 것으로 고려돼야 한다. 다음의 상세한 설명에서 사용되는 바로서, 용어 "수평", "수직", "왼쪽", "오른쪽", "위쪽" 및 "아래쪽", 그리고 형용사 및 부사적 그 파생어(예를 들어, "수평으로", "오른쪽으로", "윗쪽으로" 등)는 간단히, 예시된 구조의 배향(특정 도면이 판독자를 마주보고 있을 때의 배향)을 나타낸다. 유사하게, 용어 "안쪽으로" 및 "바깥쪽으로"는 일반적으로, 신장축 혹은 회전축에 대한 표면의 배향을 적절하게 나타낸다.

도 1은 전기 모터 시스템의 제 1 실시예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 전기 모터 시스템은 넓게는 전기 모터(1) 및 구동 회로(2)를 포함한다. 전기 모터(1)는 고정자(8) 및 회전자(9)를 구비한다. 두 개의 삼상 코일 세트들(1A 및 1B)이 고정자(8)의 극(pole)들(12)을 둘둘 감는다. 회전자(9)는 영구 자석들(11)을 구비한다. 구동 회로(2)는 전기 모터(1)를 구동시키기 위한 두 개의 삼상 구동 전압을 생성한다.

구동 회로(2)는 컨버터 유닛(3)(삼상 교류 파워 소스(5)를 직류로 변환하기 위한 것), 정류 커패시터들(41 및 42), 제어 유닛들(61 및 62)(각각의 삼상 PWM 신호들을 발생시키기 위한 것), 그리고 제 1 인버터 유닛(51) 및 제 2 인버터 유닛(52)(제어 유닛들(61 및 62)에 의해 제어되는 바와 같이 스위칭 동작을 통해 직류를 원하는 교류로 변환하기 위한 것)을 포함한다.

제어 유닛(61)은 인버터 유닛(51)에 적절한 스위칭 신호를 제공하여 적절한 주파수 및 위상을 갖는 삼상 구동 전압(U1, W1, 및 V1)을 발생시킨다. 제어 유닛(61)은 CPU(611), PWM 회로(612), 및 게이트 드라이버(613)를 포함한다. CPU(611)는 PWM 회로(612)에 신호를 제공하며, PWM 회로(612)는 CPU(611)의 연산 결과에 근거하여 삼상 PWM 신호를 발생시킨다. 게이트 인버터(613)는 PWM 회로(612)로부터 제공된 PWM 신호의 전류 증폭을 수행한다. CPU(611)에는 소정의 제어 프로그램이 기입되는 메모리와, 연산 유닛과, 그리고 구동 전압(W1)의 측정치를 나타내는 센서 값을 입력하기 위한 인터럽트 포트(interrupt port)가 제공된다. 구동 전압(W1)을 기준치로 사용하여, CPU(611)는 정밀한 위상차로 구동 전압(U1 및 V1)의 발생을 제어할 수 있다. PWM 회로(612)는 CPU(611)에 의한 연산 결과에 근거하여 삼상 PWM 신호를 발생시킨다. 게이트 트라이버(613)는 삼상 PWM 신호뿐만 아니라 역 PWM 신호(inverse PWM signal)의 전류 증폭을 수행하고, 그리고 이들을 인버터 유닛(51)에 출력한다.

제어 유닛(62)은 제어 유닛(61)과 동일하게 구성된다. 그러나, CPU들(611 및 621)은 동기화되어, 동기화된 연산을 통해 제 1 인버터 유닛(51)과 제 2 인버터 유닛(52) 간의 원하는 위상차를 갖는 구동 신호를 발생시킨다. 제어 유닛들(61 및 62)은 공유 CPU를 통해 교번적으로 제어될 수 있다. 더욱이, PAM(Pulse Amplitude Modulation)과 같은 제어가 PWM 제어 대신 사용될 수 있다.

제 1 인버터(51)는 U1 위상을 위한 IGBT들(511 및 512), V1 위상을 위한 IGBT들(513 및 514), 그리고 W1 위상을 위한 IGBT들(515 및 516)로부터 구성된다. IGBT들의 쌍들 각각은 컨버터 유닛(3)의 직류 양의 출력과 직류 음의 출력 사이에 직렬로 연결된다. IGBT들(511 내지 516)의 게이트들은 게이트 트라이버(613)에 연결되고, 그리고 삼상 펄스 신호에 의해 스위칭 동작이 수행된다. 소정의 위상에 대한 두 개의 IGBT들, 예를 들어, 위상 U1에 대한 IGBT들(511 및 512)은 서로 간의 상호 인버스(inverse)들인 게이트 신호들에 의해 구동된다. 이렇게 함으로써, IGBT(511)의 이미터와 IGBT(512)의 컬렉터에서 적절한 구동 전압(U1)이 생성된다. 구동 전압(V1)이 유사하게 IGBT들(513 및 514)로부터 출력되고, 그리고 구동 전압(W1)이 유사하게 IGBT들(515 및 516)로부터 출력된다.

아래에서 설명되는 바와 같이, 삼상 구동 전압들(U1, V1 및 W1)은 서로 간에 120도의 위상차를 갖는다. 제 2 인버터 유닛(52)이 또한, 제 1 인버터 유닛(51)과 동일한 방식으로, 여섯 개의 IGBT들(521 내지 526)로 구성되고, 그리고 삼상 구동 전압들(U2, V2 및 W2)을 출력한다. 추가적으로, 비록 IGBT들이 본 실시예에서 제 1 인버터 유닛(51) 및 제 2 인버터 유닛(52)을 위한 스위칭 소자들로서 사용되고 있지만, 파워 MOSFET, 양극성 트랜지스터 등과 같은 다른 스위칭 소자가 대신 사용될 수 있음에 유의해야 한다.

삼상 구동 전압들(U1, V1 및 W1)이 인버터 유닛(51)으로부터 전기 모터의 삼상 코일 세트(1A)에 공급되고, 그리고 삼상 구동 전압들(U2, V2 및 W2)이 인버터 유닛(52)으로부터 삼상 코일 세트(1B)에 제공된다. 삼상 코일 세트들(1A 및 1B)이 서로 독립적으로 연결되고, 그리고 개별 인버터 유닛들(51 및 52)에 의해 각각 구동된다.

도 1에 예시된 바와 같이, 제 1 삼상 코일 세트(1A)는 코일들(u1, u1', v1, v1', w1, 및 w1')로부터 구성되고, 그리고 노드(N1)를 중심으로 분기 연결된다. 각각의 코일 쌍들은 직렬로 연결된다. 예를 들어, 코일들(u1 및 u1')은 직렬로 연결된다. 유사하게, 코일들(v1 및 v1') 및 코일들(w1 및 w1')이 또한 직렬로 연결된다. 구동 전압(U1)이 도 1에 제시된 바와 같이 코일(u1)의 단부에 인가된다. 유사하게, 구동 전압(V1)이 코일(v1)에 인가되고, 그리고 구동 전압(W1)이 코일(w1)에 인가된다. 유사하게, 제 2 삼상 코일 세트(1B)가 또한 노드(N2)를 중심으로 분기 연결된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 삼상 구동 전압들(U2, V2 및 W2)이 코일들(u2, v2 및 w2)에 인가된다.

도 2는 제 1 실시예의 전기 모터(1)의 단면도를 나타낸다. 전기 모터(1)는 14-극/12-슬롯 표면 영구 자석 동기 전기 모터이다. 회전자(9)의 바깥쪽 외면 상에 제공되는 교번 극성의 14개의 영구 자석들(11)이 존재한다. 고정자(8)의 안쪽 외면 상에는 회전자(9)의 회전 중심을 향해 돌출된 12개의 돌극들(12)이 존재한다. 돌극들(12)은 30도의 간격으로 정렬된다.

각각의 코일(u1, u2', w1', w2, v1, v2', u1', u2, w1, w2', v1' 및 v2)이 도 2에 도시된 바와 같이 자기 자신의 돌극 상에 감겨있다. 추가적으로, 코일들(u1, v1, w1, u2, v2 및 w2)의 감긴 방향은 서로 동일하고, 코일들(u1', v1', w1', u2', v2' 및 w2')의 감긴 방향과는 반대 방향이다. 이 때문에, 앞서 언급된 코일 쌍들(예를 들어, 코일들(u1 및 u1')과 같은 것) 각각에서 발생되는 자계 벡터는 회전자(9)의 회전 중심에 대해 반대 극성을 갖는다. 서로 다른 방향으로 서로 다른 돌극들 상에 동일한 와이어를 연속적으로 감음으로써, 단일의 구동 전류로부터 180도의 위상차를 갖는 자력들을 얻을 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 코일의 감긴 방향은, 고정자 둘레를 따라 시계방향으로 움직이는, 매 두 개의 슬롯 세트마다 번갈아 나타난다. 예를 들어, 코일들(v2 및 u1)은 동일한 방향으로 감기고, 이 방향은 코일들(u2' 및 w1')의 방향과는 반대이다.

제 1 실시예의 14-극, 12-슬롯 전기 모터 시스템에서, 인접하는 돌극들의 전기각(electric angles)은 서로 간에 210도(14×180도/12)이다. 즉, 인접하는 코일들에 의해 생성되는 자속들의 위상들 간에는 210도의 차이가 존재한다.

도 3은 제 1 실시예에서의 삼상 구동 전압의 위상들을 나타낸다. 도 3의 수평축은 구동 전압의 위상을 표시하고, 수직축은 구동 전압(상대 전압)을 표시한다. 제 1 인버터 유닛(51)으로부터의 구동 전압들(U1, V1 및 W1)은, 구동 전압(U1)을 기준치로서 사용하는 경우, 각각 0도, 120도 및 240도의 위상차를 갖는다. 더욱이, 제 2 인버터 유닛(52)으로부터의 구동 전압들(U2, V2 및 W2)은, 구동 전압(U1)을 기준치로서 사용하는 경우, 각각 30도, 150도 및 270도의 위상차를 갖는다. 결과적으로, 도 3에 제시되는 바와 같이, 제 1 인버터 유닛(51)으로부터의 구동 전압들(U1, V1 및 W1)과 제 2 인버터 유닛(52)으로부터의 구동 전압들(U2, V2 및 W2)은, 서로 30도의 위상차를 각각 갖는다. 예를 들어, U1과 U2는 위상 30도 만큼 떨어져 있고, 이 경우, U2는 U1보다 30도 더 이르다.

인접하는 코일들은 그들의 구동 전압에서의 위상 차이의 결과인 자속 차이를 가지며, 그리고 만약 코일들이 반대 방향으로 감겨있다면 가능하게는 부가되는 위상 차이를 갖는다. 도 1 내지 도 3을 함께 참조하여, 어떻게 각각의 코일이 전압(이 전압은 그 결과적으로 발생되는 자속으로 하여금 그 다음 시계방향 코일에 대해 210도의 위상 지연을 갖도록 하는 전압임)으로 구동되는지가 설명된다. 예를 들어, 코일(u1)의 자속의 위상은 코일(u2')의 자속의 위상보다 210도 더 늦고, 그리고 이와 유사하게, 코일(u2')의 자속 위상은 코일(w1')보다 210도 더 늦다.

코일(u1)은 구동 전압(U1)에 의해 구동된다. 코일(u2')은 구동 전압(U2)에 의해 구동된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 구동 전압(U2)은 30도만큼 구동 전압(U1)에 선행한다. 달리 말하면, U1은 U2에 대해 30도의 위상 지연을 갖는다. 도 2에 도시되고 앞서 설명된 바와 같이, 코일들(u1 및 u2')은 그들의 각각의 슬롯 둘레에 반대방향으로 감겨있다. 감긴 방향이 반대인 것은 동일한 구동 전압이 주어지는 경우 코일에서 반대방향의 자속이 발생되도록 한다. 감긴 방향이 반대인 것의 효과는 위상차가 180도인 것과 동등하다. 감긴 방향의 반대로 인한 180도 위상차와 결합된, 구동 전압들 간의 30도 위상 지연은, 코일들(u1 및 u2')이 그들의 자속에서 210도의 위상차(u1이 u2'에 대해 210도만큼 지연됨)를 갖도록 한다.

코일(u2')과 코일(w1') 간의 위상차가 또한 210도이다. 그러나 지연의 발생은 약간 다르다. 코일(u2')과 코일(w1')이 양쪽 모두 "1차(prime)" 코일이기 때문에, 이들의 감긴 방향은 동일한 방향을 갖는다. 따라서 감긴 방향으로 인한 상대적 자속 위상 변이는 없다. 그러나, 도 3을 참조하면, 구동 전압(U2)과 구동 전압(W1)이 210도의 위상차를 갖고, U2는 W1에 대해 210도 지연되어 있음을 알 수 있다. 210도의 구동 전압 지연은 직접적으로 코일들(u2' 및 w1') 간의 210도의 자속 지연을 일으킨다.

반대 반향 감김이 있고 30도의 구동 전압 변이를 갖거나, 혹은 반대 방향 감김이 없고 210도의 구동 전압 변이를 갖는, 인접하는 코일들의 패턴이 고정자 둘레에 시계방향으로 반복된다. 예를 들어, 30도의 구동 전압 위상 변이와 반대 방향 감김이, 인접하는 코일 쌍들(u1과 u2'; w1'와 w2; v1과 v2'; u1'와 u2; w1과 w2'; 그리고 v1'와 v2) 간에 관측된다. 대안적으로, 210도의 구동 전압 변이와 동일 방향 감김이, 인접하는 코일 쌍들(u2'와 w1'; w2와 v1; v2'와 u1'; u2와 w1; w2'와 v1'; 그리고 v2와 u1)에서 발견된다. 이러한 패턴은 임의의 두 개의 인접하는 코일 쌍들이 210도의 자속 위상 변이를 갖도록 하는 효과를 일으킨다. 도 2를 참조하면, 회전자 둘레에 시계 방향으로 각각의 그 다음 코일은 이전 코일보다 210도 더 증가된 자속 위상 변이를 갖는다. 예를 들어, 코일(u2')은 코일(u1)에 대해 210도의 자속 위상 편이를 갖고, 코일(w1')은 u1에 대해 420도(420도 - 360도 = 60도)의 자속 위상 편이를 갖고, w2는 u1에 대해 630도(630도 - 360도 = 270도)의 위상 편이를 갖고, v1은 u1에 대해 840도(840도 - 360도 = 120도)의 위상 편이를 갖는다.

앞서 설명된 바와 같이, 30도의 상대적 위상차를 갖는 두 개의 삼상 구동 파워 서플라이를 구비함으로써, 12개의 코일들 각각에 대해 그 인접하는 코일들 간의 210도 다른 전기각을 생성할 수 있다. 이것은 제 1 실시예에서 설명된 바와 같이 14-극, 12-슬롯 전기 모터의 동기화된 구동을 가능하게 한다.

더욱이, 이 실시예에서, 인접하는 코일들(u1 및 u2')에 인가되는 전류가 거의 동일한 위상(전류들에서의 위상들은 30도만큼 차이가 남)일 뿐만 아니라, 코일들이 반대 방향으로 감겨있기 때문에, 인접하는 코일들 간의 자기 결합(magnetic coupling)은 강하다. 예를 들어, 코일(u1)에서 커다란 전류가 존재할 때, 그 유도된 자계 라인들은 전기자(armature)를 통과해 코일(u2')로 흐르고, 이것은 코일(u2')에 의해 발생되는 자속을 강화시킨다. 그 결과는, 인접하는 암(arm)들 간의 강한 자기 결합으로 인해 자속 밀도가 증가될 수 있는 것이며, 이에 따라 모터 성능이 증가될 수 있는 것이다. 이에 반해, 전형적인 분배형 권선 구조의 경우에 있어서, 인접하는 코일들 간의 자기 결합은 약하다.

전형적으로, 코일들이 복수의 슬롯들에 걸쳐 감겨있는 분배형 권선을 구비한 전기 모터에서, 또 다른 슬롯에 감기게 되는 권선 와이어들은 돌극의 끝(tip) 부분까지 선회해야 하고, 따라서 코일들이 단일의 돌극에 감기게 되는 집중형 권선을 구비한 전기 모터와 비교해 볼 때, 코일의 길이는 고정자의 코일 단부까지의 와이어링의 길이만큼 더 길다. 더욱이, 분배형 권선에서, 돌극의 단부에서 또 다른 슬롯에 감기게 되는 권선 와이어는 둘둘 감기어 층을 이루게 되며, 이에 따라 집중형 권선의 경우와 비교해 볼 때, 고정자의 코일 단부는 더 두껍게 된다. 본 발명에서 설명되는 바와 같은 전기 모터 시스템에서, 코일들은 집중형 권선들로서 감겨져 있고, 따라서 고정자의 코일 단부의 두께를 감소시킬 수 있으며, 이것은 코일 부분의 소형 설계(compact design)를 가능하게 한다. 추가적으로, 권선 와이어들의 저항은 감소될 수 있는데, 이는 권선 와이어의 길이가 집중형 권선을 통해 감소되기 때문이며, 이에 따라 구동 회로의 크기를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

추가적으로, 삼상 코일 세트들(1A 및 1B)은 독립적으로 연결되고(즉, 이들 간에 직접적인 전기 연결이 없음), 그리고 서로 다른 인버터 유닛들(51 및 52)에 의해 각각 구동되는바, 이것은 (도 7에 도시된 종래 기술에서 사용되는 것과 같은) 리액터들(L)의 밸런싱(balancing)을 필요 없게 한다. 더욱이, 단일의 IGBT는 단일의 위상만을 처리하기 때문에, IGBT들의 정격저감 없이 구동 회로를 설계할 수 있다. 이로 인해, 구동 회로의 크기가 감소될 수 있고, 전기 모터 시스템의 제조 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

전기 모터 시스템의 제 2 실시예가 도 4 내지 도 6에 도시된다. 제 2 실시예의 구조가 제 1 실시예의 구조와 많은 측면에서 동일하기 때문에, 구조적으로 동일한 부분에 관한 설명은 생략되며, 제 1 실시예에서의 컴포넌트들과는 다른 제 2 실시예에서의 그러한 컴포넌트들만이 아래에서 상세히 설명된다.

도 4는 전기 모터 시스템의 제 2 실시예의 회로도이다. 본 실시예에서, 전기 모터(10)는 삼상 코일 세트들(1A, 1B, 1C, 및 1D)과, 그리고 네 개의 삼상 구동 전압(제 1 삼상 구동 전압(U1, V1, W1); 제 2 삼상 구동 전압(U2, V2, W2); 제 3 삼상 구동 전압(U3, V3, W3); 그리고 제 4 삼상 구동 전압(U4, V4, W4))을 생성하는 구동 회로(20)를 구비한다. 구동 회로(20)는 제 1 실시예로부터의 제어 유닛들(63 및 64)에 추가하여, 제 3 인버터 유닛(53) 및 제 4 인버터 유닛(54)을 구비한다. 제어 유닛들(61, 62, 63 및 64)에서, CPU들(611, 621, 631 및 641)은 상호 동기화된 연산을 수행하여 인버터 유닛들(51 내지 54)에서 특정 위상차를 갖는 구동 전압들이 생성되도록 한다. CPU들(611, 621, 631 및 641)은 제어 유닛들(61 내지 64)에 대한 단일의 공유된 CPU로 대체될 수 있음에 유의해야 한다.

제 1 인버터 유닛(51) 및 제 2 인버터 유닛(52)과 동일하게 구성된 제 3 인버터 유닛(53) 및 제 4 인버터 유닛(54)은 각각 여섯 개의 IGBT들(531 내지 536 및 541 내지 546)로부터 구성된다. 제 3 인버터 유닛(53)은 삼상 구동 전압들(U3, V3 및 W3)을 구동시킨다. 이와 유사하게, 제 4 인버터 유닛(54)은 삼상 구동 전압들(U4, V4 및 W4)을 구동시킨다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제 3 삼상 구동 전압(U3, V3 및 W3) 및 제 4 삼상 구동 전압(U4, V4 및 W4)은 서로 120도 다른 위상을 갖는다. 제 3 삼상 구동 전압들(U3, V3 및 W3)은 제 1 삼상 구동 전압들(U1, V1 및 W1)과 동일한 위상을 갖는다. 이와 유사하게, 제 4 삼상 구동 전압들(U4, V4 및 W4)은 제 2 삼상 구동 전압들(U2, V2 및 W2)과 동일한 위상을 갖는다.

도 4에 도시된 바와 같이, 전기 모터(10)에는, 제 1 실시예에서와 같은 두 개의 삼상 코일 세트들(1A 및 1B)에 추가하여, 제 3 삼상 코일 세트(1C) 및 제 4 삼상 코일 세트(1D)가 제공된다. 제 3 삼상 코일 세트(1C)는 코일들(u3, u3', v3, v3', w3 및 w3')로부터 구성되고, 그리고 구동 전압들(U3, V3 및 W3)은 도시된 바와 같이 이러한 코일들에 인가된다. 이와 유사하게, 제 4 삼상 코일 세트(1D)는 코일들(u4, u4', v4, v4', w4 및 w4')로부터 구성되고, 그리고 구동 전압들(U4, V4 및 W4)은 도시된 바와 같이 이러한 코일들에 인가된다.

도 5는 전기 모터(10)의 단면도를 나타낸다. 전기 모터(10)는 28-극, 24-슬롯 표면 영구 자석 전기 모토이다. 즉, 28개의 영구 자석들(110)이 회전자(90)의 바깥쪽 외면 상에 교번 극성을 갖도록 배치되고, 그리고 회전자(90)의 회전 중심을 향해 돌출된 24개의 돌극들(120)이 고정자(80)의 안쪽 외면 상에 15도 간격으로 배치된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 코일들(u1, u2', w1', w2, v1, v2', u1', u2, w1, w2', v1', v2, u3, u4', w3', w4, v3, v4', u3', u4, w3, w4', v3' 및 v4)이, 그 대응하는 돌극들(120)에 감겨, 고정자를 따라 시계방향으로 정렬된다. 추가적으로, 코일들(u1, v1, w1, u2, v2, w2, u3, v3, w3, u4, v4 및 w4)의 감긴 방향은 서로 동일하고, 코일들(u1', v1', w1', u2', v2', w2', u3', v3', w3', u4', v4', 및 w4')의 감긴 방향과는 반대 방향이다. 이 때문에, 앞서 언급된 코일 쌍들(예를 들어, 코일들(u1 및 u1')과 같은 것) 각각에서 발생되는 자계 벡터는 회전자(90)의 회전 중심에 대해 반대 극성을 갖는다.

도 6은 제 2 실시예에서의 삼상 구동 전압의 위상들을 나타낸다. 본 도면에서, 수평축은 구동 전압의 위상을 보여주고, 수직축은 구동 전압(상대 전압)을 보여준다. 제 3 인버터 유닛(53)의 구동 전압들(U3, V3 및 W3)은, 구동 전압(U1)을 기준치로서 사용하는 경우, 각각 0도, 120도 및 240도의 위상차를 갖는다. 더욱이, 제 4 인버터 유닛(54)의 구동 전압들(U4, V4 및 W4)은, 구동 전압(U1)을 기준치로서 사용하는 경우, 각각 30도, 150도 및 270도의 위상차를 갖는다. 결과적으로, 도 6에 제시되는 바와 같이, 제 1 인버터 유닛(51)으로부터 출력되는 구동 전압들(U1, V1 및 W1)과 제 3 인버터 유닛(53)으로부터 출력되는 구동 전압들(U3, V3 및 W3)은 실질적으로 동일한 위상들을 갖는다. 이와 유사하게, 제 2 인버터 유닛(52)으로부터 출력되는 구동 전압들(U2, V2 및 W2)과 제 4 인버터 유닛(54)으로부터 출력되는 구동 전압들(U4, V4 및 W4)은 실질적으로 동일한 위상들을 갖는다. 제 3 인버터 유닛(53)으로부터 출력되는 구동 전압들(U3, V3 및 W3)과 제 4 인버터 유닛(54)으로부터 출력되는 구동 전압들(U4, V4 및 W4)은 각각 30도의 위상차를 갖는다. 30도의 위상차를 갖는 전류를 공급받는 인접하는 코일들은 반대 방향으로 감겨 있다.

제 2 실시예의 28-극, 24-슬롯 전기 모터 시스템 구성에서도, 인접하는 돌극들의 전기각은 서로 210도(28×180도/24)만큼 다르다. 즉, 인접하는 코일들에 의해 형성되는 자속들의 위상은 서로 210도만큼 다르다. 제 1 실시예에서와 같이, 30도의 위상차를 갖는 두 개의 삼상 구동 파워 서플라이를 구비함으로써 인접하는 코일들 간의 전기각이 210도가 될 수 있다. 유사하게, 제 2 실시예의 28-극, 24-슬롯 전기 모터의 동기 구동이 가능하다. 제 2 실시예의 구조는 제 1 실시예의 전기 모터 시스템과 동일한 효과를 갖는다.

제 1 실시예(14-극, 12-슬롯 전기 모터), 그리고 제 2 실시예(28-극, 24-슬롯 전기 모터)가 예시적 예로서 설명된다. 제 1 실시예가 (14×1)-극, (12×1)-슬롯 전기 모터이고 제 2 실시예가 (14×2)-극, (12×2)-슬롯 전기 모터임에 유의해야 한다. 전기 모터 시스템은 앞서의 예들로만 한정되는 것이 아니며, 동일한 효과가 (14×n)-극, (12×n)-슬롯 전기 모터 시스템에서 얻어질 수 있다(여기서, n은 양의 정수임). 더욱이, 동일한 효과가 (10×n)-극, (12×n)-슬롯 전기 모터 시스템에서도 얻어질 수 있다(여기서, n은 양의 정수임).

더욱이, 비록 제시된 실시예들이 표면 영구 자석 전기 모터를 갖는 것으로 설명되었지만, 개시되는 전기 모터 시스템으로만 한정되는 것은 아니며, 오히려 내장형 자석-타입 전기 모터에도 또한 적용될 수 있고, 아울러 동일한 효과가 얻어 질 수 있음에 유의해야 한다.

본 발명에 대해 여러 가지 변형 및 수정이 행해질 수 있음이 고려된다. 따라서, 전기 모터 시스템의 다수의 실시예들이 제시 및 설명되었고 다수의 대안적 실시예가 설명되었지만, 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자들은, 다음의 특허청구범위에 의해 차별화되고 정의되는 바와 같은, 본 발명의 본질을 벗어남이 없이, 다양한 추가적 변경 및 수정이 행해질 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.

Claims

전기 모터(electric motor)로서,
회전자와;
고정자와;
제 1 코일 세트 및 제 2 코일 세트와; 그리고
제 1 삼상 전압으로 상기 제 1 코일 세트를 구동시킴과 아울러 제 2 삼상 전압으로 상기 제 2 코일 세트를 구동시키도록 되어 있는 구동기를 포함하여 구성되며,
상기 회전자와 상기 고정자는 서로 상대적으로 운동하도록 장착되고;
상기 회전자는 복수의 자극(magnetic pole)들을 구비하고;
상기 고정자는 상기 자극들을 마주 보고 있는 복수의 돌극(salient pole)들을 구비하고;
상기 제 1 코일 세트는 세 개의 위상들을 가지며, 상기 위상들 각각은, 직렬로 연결됨과 아울러 상기 회전자에 대해 서로 다른 방향으로 상기 돌극들을 서로 다르게 둘둘 감고 있는 제 1 코일 및 제 2 코일로 이루어지고,
상기 제 2 코일 세트는 세 개의 위상들을 가지며, 상기 위상들 각각은, 직렬로 연결됨과 아울러 상기 회전자에 대해 서로 다른 방향으로 상기 돌극들을 서로 다르게 둘둘 감고 있는 제 1 코일 및 제 2 코일로 이루어지고,
상기 구동기는 상기 제 1 삼상 전압의 제 1 위상 및 상기 제 2 삼상 전압의 제 1 위상을 상대적 위상 변이로 구동시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 위상 변이는 30도인 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 코일들은 인접하는 돌극들을 둘둘 감고 있고, 아울러 상기 구동기로 상기 인접하는 돌극들이 210도의 상대적 자속 위상 변이를 갖도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제2항에 있어서,
상기 제 1 코일 세트의 제 1 위상의 상기 제 1 코일과 상기 제 2 코일 세트의 제 1 위상의 상기 제 2 코일은, 인접하는 돌극들이 210도의 상대적 자속 위상 변이를 갖도록 상기 회전자에 대해 서로 다른 방향으로, 상기 인접하는 돌극들을 둘둘 감고 있는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
자극들의 수는 14×n이고, 돌극들의 수는 12×n이며, 여기서 n은 양의 정수인 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
자극들의 수는 10×n이고, 돌극들의 수는 12×n이며, 여기서 n은 양의 정수인 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제2항에 있어서,
상기 제 1 코일 세트의 제 1 위상의 상기 제 1 코일과 상기 제 2 코일 세트의 제 1 위상의 상기 제 2 코일은, 상기 회전자에 대해 서로 다른 방향으로, 인접하는 돌극들을 둘둘 감고 있는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 회전자는 표면을 포함하고, 상기 자극들은 상기 회전자의 상기 표면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 자극들은 상기 회전자에 내장되는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 제 1 코일 세트와 상기 제 2 코일 세트는 서로 독립적으로 상기 구동기에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 고정자 및 상기 회전자는 공통축에 대해 서로 상대적으로 회전 운동하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 구동기는 복수의 스위칭 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제12항에 있어서,
상기 복수의 스위칭 소자들은 복수의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 구동기는 AC 대 DC 인버터(AC to DC inverter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 구동기는 펄스폭변조(pulse-width-modulation)를 사용하여 동작하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 구동기는 AC 대 DC 정류기(AC to DC rectifier), 정류 커패시터(rectifying capacitor), CPU, 펄스폭변조 모듈, 게이트 드라이버(gate driver), 및 복수의 절연 게이트 양극성 트랜지스터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제16항에 있어서,
상기 구동기의 출력 라인에서의 전류 흐름을 측정하도록 되어 있는 전류 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제17항에 있어서,
상기 전류 센서는 상기 CPU와 통신하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 구동기는 전류 병렬 리액터(current parallel reactor)를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제5항에 있어서,
n은 1인 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제5항에 있어서,
n은 2이고, 제 3 코일 세트 및 제 4 코일 세트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 구동기는 상기 제 1 삼상 전압을 생성하도록 되어 있는 여섯 개의 IGBT들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.