KR101748626B1 - 모듈식 다상 전기 기계 - Google Patents

Abstract

로터 및 스테이터를 포함하는 다상 전기 기계가 제안된다. 로터는 스테이터를 향하는 다수의 자석들을 포함하고, 스테이터는 자석들을 향하는 복수 개의 위상 권선들을 포함한다. 위상 권선들은 로터를 회전을 일으키기 위해 로터의 자석들에 작용하는 전자기력을 유도하기 위해 상기 위상 권선에 전류를 선택적으로 인가하기에 적합한 제어 유닛에 연결된다. 모터는 적어도 두 개의 제어 유닛들을 포함하고, 각 제어 유닛은 3개의 위상 권선들로, 3개의 위성 권선 각각에 다른 위상 전류가 공급되며, 상기 다른 위상 전류들 사이의 위상 변이가 120°가 되도록 형성되며, 어떠한 제어 유닛도 같은 전류 위상을 활용하지 않는다. 여섯 개의 위상에 걸쳐 전류를 분포시키고, 간단한 3상 제어기로서 작동하는 두 개 이상의 제어 유닛들을 활용함으로써, 고 위상 전류의 불리함과 무관하게 저전압 작동이 가능하며, 동시에 제어는 종래의 시스템들에 비해 엄청나게 간단해진다.

Description

모듈식 다상 전기 기계{MODULAR MULTI-PHASE ELECTRIC MACHINE}

본 발명은 전기 기계들, 특히 전기 자동차의 휠 허브에 이용되는 다상 전기 모터들에 관한 것이다.

전기를 동력을 하는 자동차들은 간단하고 안전하며 고효율이며, 좋은 성능을 제공하는 전기 모터들이 요구된다. 전기 모터들은 일반적으로 높은 작동 전압을 가지는 모터들과 낮은 작동 전압(일반적으로 50V 또는 그 이하)을 가지는 모터들 두 가지 타입 중 하나로 나뉜다. 고 전압 전기 모터들은 자동차에 사용되었을 때 사람들 또는 동물들에게 전기적 쇼크를 줄 수 있다는 더 큰 문제가 명백하게 제기되며, 따라서 엄격한 안전성 요건을 따라야하며, 이는 고 전압 전기 모터들을 복잡하고 또 따라서 고 비용책으로 만든다. 동일한 전력을 제공하기 위해, 전력은 전류와 전압의 곱이므로 저전압 전기 모터들은 더 높은 작동 전류를 요구한다. 하지만, 종래의 저 전압 3상 전기 모터들을 높은 권선 전류들로 작동시키는 것은 더 큰 케이블과 커넥터, 높은 전류의 스위칭을 위한 더욱 복잡한 컨트롤러의 필요성, 더 큰 커패시턴스의 요구 및 낮은 인덕턴스를 포함하는 여러가지 문제들이 제기된다. 또한, 권선의 저항 때문에 열 손실 또는 동손(copper losses; 코일 저항 ×코일 전류의 제곱)이 심각해진다.

WO 2004073157은 이러한 문제를 다루기 위한 의도에서 분포권을 채용한 저전압 전기 모터를 기술하고 있다. 이 모터에서 총 전류는 여러 코일들 또는 권선들에 분포되며, 이는 권선 전류(winding current)를 상당히 줄일 수 있다. 하지만, 각 코일은 별도로 제어되고, 이는 많은 전자장치를 가지는 복잡한 컨트롤러를 요구하게 된다. 저전압의 휠 내의 3상 전기 모터가 또한 GB2462940A에 개시되어 있다. 이 모터는 스테이터의 주위에 분포된 몇 개의 독립적으로 제어되는 코일 셋트들을 구비한다. 각 코일 세트는 3개의 코일 서브 세트들로 이루어지며, 각 코일 서브 세트는 다른 상으로 구동된다. 하지만, 동일한 3상이 각 코일 세트에 이용된다. 이러한 구성은 WO2004073157에 개시된 내용들에 비해 얼마간의 단순성을 제공하지만, 각 코일 세트를 위해 별도의 CPU 컨트롤러를 요구하기 때문에, 컨트롤러는 여전히 복잡하다.

따라서, 저전압 고전류 전기 모터들을 제공하는 것이 알려져 있음에도, 간단하고 비용효율이 높으면서도 성능을 해하지 않는 방법으로 이러한 모터들을 제공할 필요가 있다.

상기한 그리고 다른 목적들은, 로터 및 스테이터를 포함하며, 로터는 스테이터를 향하는 다수의 자석들(7)을 포함하고, 스테이터는 상기 스테이터의 외주 표면 둘레에 배치되고 상기 자석들을 향하는 복수 개의 위상 권선들을 포함하고, 상기 위상 권선들은 로터를 회전을 일으키기 위해 로터의 자석들에 작용하는 전자기력을 유도하기 위해 상기 위상 권선에 전류를 선택적으로 인가하기에 적합한 제어 유닛에 연결되는 다상 전기 모터에 의해 달성된다. 모터는 적어도 두 개의 제어 유닛들을 포함하고, 각 제어 유닛은 3개의 위상 권선들로, 3개의 위성 권선 각각에 다른 위상 전류가 공급되며, 상기 다른 위상 전류들 사이의 위상 변이가 120°가 되도록 전류 공급을 제어하도록 형성된다. 또한, 어떠한 두 개의 제어 유닛도 동일한 전류 위상을 활용하지 않는다.

각각이 본질적으로 120°떨어진 전류 위상들을 제어하는 간단한 3상 제어기로서 작동하면서, 다른 제어 유닛 또는 유닛들과 다른 위상들을 제어하는 둘 이상의 제어 유닛들을 활용함으로써, 전류는 적어도 6개의 위상들에 걸쳐 분포된다. 따라서 저전압 작동이 높은 전류의 불리함과 무관하게 가능하며, 제어는 종래의 시스템들에 비해 엄청나게 간단해진다.

바람직하게는 위상 권선들은 m 개의 다른 전류 위상들 중 어느 하나에 의해 구동되며, m은 6 이상인 3의 배수이다. 이때, 전류 위상들 사이의 위상 변이는 360°/m인 것이 바람직하다.

최적 제어를 달성하기 위해, 스테이터의 외주면 주위로의 위상 권선들의 배열은 각 위상 권이 인접한 위상 권선에서의 전류에 대해 180°+180°/m 만큼 이동된 전류에 의해 구동되는 것이 특히 바람직하다. 제어 유닛들은 따라서 순차로 배열된 위상 권선들에 연결되지 않는다. 대신에, 모든 코일 유닛들의 위상 권선들은 맞물려있다. 따라서 두 개의 제어 유닛들이 제공될 때, 제1 제어 유닛은 첫 번째, 세 번째, 다섯 번째 위상 권선들을 제어하는 반면 제2 제어 유닛은 두 번째, 네 번째, 여섯 번째 위상 권선을 제어한다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 단일한 제어 유닛에 의해 제어되는 위상 권선들은 다음의 일련의 위상 권선들로부터 선택된다: 만약 일련의 위상 권선들에 총 m 개의 위상 전류의 공급을 제어하는 제어 유닛들의 갯수가 k라면, k개의 제어 모듈들 각각은 위상 권선 i, i+m/3, i+m*2/3을 제어하도록 형성되며, 이때 i는 1≤i≤k를 만족하는 정수이다.

각 제어 유닛에 의해 제어되는 3개의 위상 권선들은 Y 배열 또는 델타 배열로 배치된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각 제어 유닛은 위상 권선들에 바람직하게는 실질적으로 장방형 전류 파형인 동력을 제공하도록 형성되는 3상 하프 브리지 서킷을 포함한다.

이러한 종류의 제어 회로은 간단히 구성할 수 있거나 기성품이며, 간단하지만 고효율인 제어 형태를 구성할 수 있다. 제어기 회로가 어떠한 때에도 연결된 세 개의 위성 권선 중 두 개에만 전력을 제공하면 되기 때문에, 위상 권선들을 구동하는데 장방형 파형이 이용될 때, 제어는 특히 간단하다. 다르게는, 3상 하프 브리지 회로가 실질적으로 사다리꼴이거나 정현파 전류 파형을 이용하도록 구성될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 제어 유닛의 작동을 제어하기 위해 배열된 적어도 하나의 제어기가 배치된다. 이러한 배치에서, 각 제어 유닛을 위한 제어기들은서로 독립적이거나 정보의 교환할 수 있도록 하는 어떠한 방법으로 네트워크될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 위상 권선들에 각기 다른 위상 전류의 제공 시퀀스를 제어함으로써 로터의 회전을 충분히 매끄럽게 제어하기 위해서, 모든 제어 유닛들의 작동을 제어하는 중앙 제어기가 배치될 수 있다.

제어기 또는 제어기들은 바람직하게는 펄스 폭 변조를 활용한다.

또 다른 실시예에 따르면, 각 위상 권선은 직렬 또는 병렬로 연결된 하나 이상의 코일 요소들을 포함한다. 바람직하게는 각 위상 권선은 적어도 스테이터의 외주면 둘레에 균등하게 분포된 두 개의 코일 요소들을 포함한다.

다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기에서 기술된 인 휠 전기 모터를 포함하는 적어도 하나의 휠을 가지는 전기 동력 자동차를 안출한다.

본 발명이 제공하는 모듈식 다상 전기 기계는 저전압 작동이 높은 전류의 불리함과 무관하게 가능하며, 제어가 종래의 시스템들에 비해 엄청나게 간단해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다상 인 휠 전기 모터를 개략적으로 도시한 것,
도 2a는 다상 전기 모터의 연속하여 배치된 각 상의 상 권선들을 위한 유도 전압의 파형들을 도시한 것,
도 2b은 다상 전기 모터의 연속하여 배치된 상 권선들을 위한 작동 전압 파형을 도시한 것,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다상 전기 모터를 위한 3상 모듈식 제어 배치를 개략적으로 도시한 것,
도 4는 단일 3상 모듈식 컨트롤 유닛을 개략적으로 도시한 것, 그리고
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다상 전기 모터의 중앙 컨트롤 유닛을 개략적으로 도시한 것.

다양한 전기 기계나 전기 모터에 대해 하기의 기술을 참고한다. "전기 기계"라는 용어는 일반적으로 전기 모터 및 전기 발전기를 모두 포함시키는 것으로 이해된다. 하지만, 본 발명의 맥락에서는, 전기 모터라는 용어는 전기 에너지를 운동 에너지로 변환시키는 배열에 한정되지 않으며, 운동이 전력을 생산할 수 있는 배열을 포함하는 것을 의도한다. 다음의 상세한 설명에서 참조되는 여러 도면들에서는 동일한 참조 번호는 동일한 부분에 대해 이용된다.

도 1은 인 휠 사용에 적합한 예를 들어 전기 구동 자동차의 휠 허브 내에 설치에 적합한 전기 기계를 도시한 것이다. 기계는 고정된 이너 스테이터(1) 및 스테이터(1) 주위를 회전할 수 있는 아우터 로테이터(2)를 포함한다. 로터(2)와 스테이터(1) 사이에는 작은 에어 갭(3)이 존재한다. 도시된 실시예에서는 로터가 이너 스테이터의 외부에 배치되나, 이러한 요소들의 위치가 거꾸로, 이너 회전 로터 및 외부 고정 스테이터를 구비하는 것도 가능하다. 이너 스테이터(1)는 자성 물질로 제조되며, 샤프트(4)에 부착된다. 그 외주에, 스테이터(1)는 여러 개의 슬롯(5)들과 함께 제공되며, 그 안에는 코일 요소(6)들이 집중되어 있다. 슬롯(5)들은 본질적으로 그 주위 코일 요소(6)가 배치되는 돌출부들을 정의한다. 도시된 실시예에서는 스테이터(1)는 18개의 슬롯(5)들을 구비하고, 따라서 18개의 코일 요소(6)들이 제공된다. 스테이터에 대한 로터(20)의 회전에 따라, 각 코일(6) 내에 전압 또는 emf가 유도되며, 인접하는 코일(6)들에 유도되는 것과는 다른 위상이다. 도시된 실시예에서, 코일 요소들은 도 1에서 A, B, C, D, E, F, G, H 및 I로 나타낸 9개의 다른 위상으로 유도 전압을 가진다. 또한, 두 개의 코일 요소(6)들은 동일한 유도 전압 위상을 가진다. 이러한 두 개의 코일 요소(6)들은 스테이터상에서 반대 위치에 위치한다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 동일한 유도 전압 위상을 가지는 A라는 두 개의 코일 요소들은 스테이터의 반경을 수직으로 가로지르는 일점 쇄선 상에 중심이 위치한다. 예시적인 실시예에서, 각 위상의 두 개의 요소(6)들은 서로 직렬로 연결되나, 병렬로 연결되는 것도 가능한다. 스테이터 상에 배치된 모든 코일 요소가 서로 다른 전기적 위상에서 구동되는 실시예들 또한 가능한 것으로 이해된다. 유사하게, 두 개 이상의 코일 요소들이 서로 연결되고, 동일한 전기 위상에서 구동되는 실시예 또한 가능하다. 본 발명의 목적으로, 작동 전류 또는 유도 전압으로 동일한 전기 위상을 수행하는 각 코일 요소 또는 코일 요소들의 그룹들은 위상 권선(6)으로 나타낼 것이다.

로터(2) 또한 예를 들어 강과 같은 자성 물질로 제조되며, 내부면에 고정된 20개의 자석(7)들을 구비한다. 자석들은 반대 극성이 N-S 및 S-N으로 교차하도록 배치되고, 서로 극히 작은 갭만을 두고 떨어져 있다. 자석(7)들의 숫자는 본질적으로 설계 선택상의 문제이나, 모터가 회전력이 가해지지 않는 위치에서 리셋될 수 있도록 자석(7)들과 코일들의 숫자가 결코 완벽하게 정렬되어서는 안된다는 점이 중요하다.

자석(7)들이 코일 요소(6)들을 지나쳐가도록 로터(2)가 스테이터(1) 주위를 회전하게 될 때, 자속 변화의 결과로서 주기적인 유도 전압 또는 emf가 요소(6)들 내에 유도된다. 도 2a는 스테이터(1)의 주위를 로터(2)가 회전하는 1 전기 주기 동안 A에서 I까지의 각 9개의 위상들의 위상 권선(6)들에 유도되는 9개의 전압 신호들, U_A, U_B, U_C, U_D, U_E, U_F, U_G, U_H 및 U_I를 보여준다. 스테이터 주위로 로터(2)가완전히 회전하는 동안 여러 차례의 전압 주기가 발생한다. 더욱 상세하게 전기 주기는 회전 주기/자석 쌍들의 숫자에 대응한다. 도 2a에 명백하게 보여지는 바와 같이, 유도 전압은 로터(2)의 각 위치(angluar position)에 의존하는 사다리꼴 모양이다. 위상 권선 A에서 나타나는 유도 전압 U_A를 예로 들면, 이것은 주기의 시작, 예를 들어 0°에서 0V를 가지며, 0°부터 일정한 양의 상수값에 도달하는 30° 사이에서 선형적으로 증가하는 것을 도 2a에서 볼 수 있다. 이 값은 150°에 이르기까지 유지되며, 150°에서 유도 전압은 210°에 이르기까지 선형적으로 감소하고, 이후 음의 상수값에 도달한다. 이 값은 330°까지 유지되며, 이후 전압은 선형적으로 증가하여 주기의 끝인 360°에서 0V에 도달한다. 이어지는 각 위상 권선은 200° 변이되어 (예를 들어 절대값이 20°이며 반전되어) 전압 위상을 나르며, 위상 권선 B에 유도된 전압은 20°부터 50° 사이에서 감소하여 50°에서 음의 상수값에 도달한다. 일반적으로 기하학적으로 인접한 위상 권선들의 위상들 사이의 위상 변이는 180°+180°/m으로 정의될 수 있고, 여기서 m은 위상의 갯수이다. 따라서, 6개의 위상들을 가지는 모터에서는 인접한 위상 권선 사이의 위상 오프셋은 210°이며, 12개의 위상들을 가지는 모터에서 위상 오프셋은 195°가 될 것이다.

도시된 실시예에서 유도 전압이 근본적으로 사다리꼴 형상이며, 이것은 자석들의 크기 및 형상, 스테이터의 기하학적 구조, 권선 방식 등을 포함하는 여러 개의 알려진 요인들에 의한 것이며, 해당 분야의 기술자는 기계가 다른 유도 전압 파형을 가지도록 설계 요소를 변경할 수 있다.

전기 모터의 회전을 일으키기 위해, 각 위상 권선(6)은 올바른 연결 방법으로 전류에 의해 에너지가 공급되어야 한다. 이상적인 전류의 파형은 도 2a에 도시된 유도 전압과 동일한 형상 및 부호를 가질 것이지만, 도달하기 더 쉬운 까닭에 간단한 전류 제어에 장방형 파형이 더 일반적으로 이용된다. 도 2b는 코일 권선 A 내지 I에 각각 공급되는 대표적인 전류 파형들 I_A, I_B, I_C, I_D, I_E, I_F, I_G, I_H 및 I_I를 보여준다. 장방형 파형의 결과로서, 각 위상 전류는 유도 전압에서 피크에 대응하는 위치에서 전체 주기의 2/3에서는 상수값을 가지며, 주기의 남은 1/3에서는 0이 된다. 제1 위상에 공급되는 전류를 예로 들면, I_A는 0°에서 30°까지는 0의 값을, 30°에서 150°까지는 양의 상수값 I₀를, 그리고 150°에서 210°까지는 다시 0의 값을, 210°에서 330°까지는 음의 상수값인 -I₀를, 마지막으로 330°에서 360°사이는 0의 값을 가진다. 이어지는 각 위상을 위한 전류 파형 200°만큼(예를 들어 20°변이 및 반전) 변이된다.

이러한 방법으로 9개의 위상에 걸쳐 전류를 분포시킴으로써, 토크 리플을 최소화하며 모터의 제어할 수 있는 적절한 전류 스위칭 시퀀스를 제공할 수 있다. 더욱 일반적으로, 적어도 6상 이상으로 3상을 복수 개 채용함으로써, 3상 또는 그보다 적은 상들을 이용한 모터와 비교할 때 여러 요인에 의해 토크 리플을 줄일 수 있다는 것이 관찰되었다. 또한, 전류 파형의 제어는 아래 기술하는 것과 같이 특히 간단한 방법으로 달성될 수 있다.

도 3을 참조하면, 다양한 권선 위상들을 위한 전류 제어가 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명에 따르면, 다양한 위상 권선(6)들을 통한 제어 또는 작동 전류는 각각 3개의 다른 위상을 제어하는 독립 제어 모듈(10)들을 이용하여 이루어진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 3개의 제어 모듈(10)들이 도시되며, 각각은 세 개의 위상 권선들에 연결되며, 3개의 다른 전류 위상에 의해 작동된다. 3개의 위상 권선들은 전류들 및 유도 위상 전압들이 위상 권선들 사이에서 서로 120° 변이하도록 선택된다. 도 2b에 도시된 위상 전류의 기하학적 시퀀스는 전기 영역에서와는 동일하지 않다는 것을 알 수 있다. 전기 영역에서, 9개의 위상은 40°씩(다시 말해 360°를 위상의 숫자로 나눈 만큼씩) 순차로 변이된다. 도 2b의 전류를 참조하면, 전류 위상들은 I_A, I_B, I_C, I_D, I_E, I_F, I_G, I_H 및 I_I의 전기 위상 시퀀스를 가진다. 따라서 제1 3상 제어 모듈(제어기 1: 10)은 위상 A, G 및 D를 위한 전류를 제어한다. 제2 제어 모듈(제어기 2: 10)은 위상 B, H 및 E를 위한 전류를 제어하며, 제3 제어 모듈(제어기 3: 10)은 위상 C, I 및 F를 위한 전류를 제어한다. 각 제어 모듈(10)에 연결된 3개의 위상 권선들이 Y자 배열된 것이 도시되어 있다. 하지만, 델타 배열로 서로 연결하는 것도 가능하다. 각 코일의 방향은 도 3에 점선으로 도시되어 있으나, 도 2 및 도 4에 도시된 것도 가능하다. 서로 상대적으로 120°씩 변이된 3상들을 선택함으로써, 브러쉬리스 DC 전기 모터(BLDC 모터로도 알려진)에 일반적으로 채용되는 간단한 3상 제어 전략을 활용할 수 있게 되며, 여기서는 어떠한 때에나 두 개의 상만이 도통하고 있다. 이것은 도 2를 참조할 때 좀 더 이해하기 쉽다. 위상 권선(6)들 A, G 및 D를 구동하는 전류 파형을 고려할 때, 어떠한 단일의 각 위치에서, 위상 권선(6)들 중 둘이 반대 극성의 피크 전류에 의해 구동되는 반면, 위상 권선(6)들 중 남은 하나는 0의 적용 전류를 가질 것이라는 것이 명백하다. 예를 들어, 180°의 각 위치를 가질 때, 위상 권선 A는 어떠한 구동 전류도 수신하지 못하며, 위상 권선 D는 양의 구동 전류 위상 권선 G는 음의 구동 전류를 가진다. 명백하게 이것은 예를 들어 사다리꼴이나 사인 곡선과 같은 더 복잡한 파형이 이용될 때에는 적용할 수 없으며, 장방형 파형들을 위해서만 달성될 수 있다.

위산 권선 전류를 제어하기 위한 이러한 모듈식 접근은 위상의 수가 3의 배수, 다시 말해 m=k*3, 여기서 k는 2와 같거나 2보다 큰 정수이고, m은 위상의 숫자인 어떠한 다중 위상 배치에도 적용가능하다. 따라서, 예를 들어 6, 9, 12, 15, 18 또는 그 이상의 위상들에 이용될 때, 이러한 모듈식 3상 제어가 적용될 수 있다. 더 일반적으로, 360°/m의 위상 전이를 가지는 m 개의 위상 권선들을 위해, k 개의 제어 모듈이 요구된다. 또한, k 개의 제어 모듈들 각각은 i, i+m/3, i+m*2/3의 코일 권선들을 제어하며, 여기서 i는 1≤i≤k를 만족하는 정수이다. 이를 도 1의 예시적인 실시예에 적용하면, 제1 제어 모듈(10)은 첫 번째, 네 번째 및 일곱 번째 코일 권선(6)을 제어하고, 이는 A, D 및 G에 대응한다. 제2 제어 모듈(10)은 B, E 및 H에 대응하는 두 번째, 다섯번째 및 여덟번째 위상 권선을 제어하며, 제3 제어 모듈(10)은 C, F 및 I에 대응하는 세 번째, 여섯 번째, 아홉 번째 위상 권선들을 제어한다.

비록 예시적인 실시예에서는, 작동 전류가 장방향 파형을 가지나, 각 3상 제어 모듈(10)에서 다른 자기 모터들에 이들을 맞추기 위해 전류의 제어를 위해 이용될 수 있는 사다리꼴 파형이나 사인 곡선 파형(꼭 이것에 한정되는 것은 아님)을 포함하는 다른 주기 함수여도 무방하다.

도 3에 도시된 제어 모듈(10)이 3개의 위상 권선에만 연결되어 있으나, 도시된 각 코일은 동일한 전류 위상에 의해 구동되는 모든 위상 권선들을 대표하는 것으로 이해되어야 한다.

단일의 3상 제어 모듈(10)이 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 더 명확하게 도시된 것과 같이 3개의 코일 권선들 A, D 및 G는 Y 형태로 서로 연결되어 있다. 3개의 위상을 위한 전류를 제어하기 위해, 제어 모듈은 하프 브리지 배열로 DC 전원 공급부(12)에 연결된 6개의 반도체 스위칭 요소(14)들을 포함한다. 도시된 실시예에서, 이러한 스위칭 요소들은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor; MOSFET)들이나, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT)와 같은 다른 반도체 기술이 이용될 수 있다. 스위칭 요소(14)들은 외부 제어 유닛(도 5 참조)에 의해 제공되는 논리 신호들 1L, 1H, 2H, 2L, 3H, 3L에 의해 제어된다. 이러한 타입의 3상 제어 모듈의 구조 및 기능은 전기 모터 제어 분야에서 잘 알려져 있으므로, 여기에서는 자세한 설명을 생략한다. 간단히 말해, 제어 신호들은 스위치가 쌍으로 코일 권선의 두 개의 분기가 DC 전원 공급부에 한 번에 연결하도록 작동시키는 역할을 한다. 각 스위치(14)는 시간상 1/3씩 작동된다.

각각의 스위칭 요소(100)들을 위한 제어 신호들은 도 5에 도시된 바와 같이 처리 유닛(20; CPU)에 의해 제공된다. 처리 유닛(20)은 다양한 인터페이스(30, 40, 50)들을 구비하며, 이들을 통해 모터 또는 제어 모듈(10)들 내의 다양한 요소들로부터 신호가 수신되거나 다양한 요소들로 신호가 전달된다. 더욱 상세하게는, 처리 유닛(20)은 위치 데이터 인터페이스(30)를 통해 모터의 위치 데이터를 수신한다. 이러한 위치 데이터는 스테이터(1)에 대한 상대적인 로터(2)의 방향을 지시한다. 처리 유닛(2)은 또한 전류 데이터 인터페이스(4)를 통해 각 제어 모듈에서 측정된 전류에 대한 데이터를 수신한다. 각 제어 모듈 내에서 이루어지는 단순한 3상 제어 덕분에 오직 단일한 위상 전류, 예를 들어 어떠한 단일 권선을 흐르는 전류만 결정되면 된다. 사다리꼴 또는 다른 주기 전류 위상 파형이 이용될 경우, 각 모듈 내의 적어도 두 개의 위상 전류들이 측정되어야만 한다. 마지막으로, 처리 유닛(2)은 제어 신호를 전류 제어 인터페이스(5)를 통해 각 제어 모듈(10)로 송신한다. 위치 데이터 인터페이스를 통해 획득한 측정 위치와, 전류 데이터 인터페이스(40)를 통해획득된 각 모듈 내의 측정 전류에 기초해서, 요구되는 위상 전류 스위칭 시퀀스 및 위상 전류의 크기를 달성하기 위해 제어 유닛(20)은 전류 제어 인터페이스(50)를 통해 제어 신호를 각 제어 모듈(10)로 송신한다. 펄스 파 변조(pulse wave moduation; PWM)와 같은 스위칭 요소들의 빠른 스위칭의 일반적인 제어 전략이 적용된다.

모듈식 제어 모듈 및 일반적인 처리 유닛의 사용은 다상 모터 구동부의 하드웨어를 두드러지게 감축시킬 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 위상의 적절한 선택에 의해, 어떠한 복수의 3상도 제어하면서 매우 간단한 방법으로 저전압 전기 모터에서 최적의 전류 분포 역시 달성할 수 있다.

예시적인 실시예에서 단일의 공통 처리 유닛(2) 또는 제어기가 모든 제어 유닛(10)들의 작동의 제어를 위해 제공되는 반면, 이러한 기능은 위치 신호들 및 측정 전류에 대응하여 하나 또는 그 이상의 제어 유닛들을 제어하기 위해 배치된 개별적인 전용 제어기들에 의해 실시될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 1 및 도 3을 참조하여 설명하면, 위상 권선들 A 내지 I의 순차 배열은 전기 영역(electrical domain)에서의 위상의 순서와 같지는 않다. 하지만, 본 발명은 예시적인 실시예에서 보여주는 특정한 기하학적 배열에 한정되지 않는다. 오히려 위상 권선들은 전기 영역 또는 다른 배열에서 위상 변이가 증가하는 것을 보여주는 순차로 배열될 수 있다.

본 발명은 도시되거나 기술된 배열의 특정한 실시예에 한정되지 않으며, PSMS 전기 기계, 자기저항 기계(reluctance machine) 및 선형 전기 모터들(이에 한정되지는 않으나)을 포함하는 다른 전기 기계들 범위에 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

1: 스테이터
2: 로터
3: 에어 갭
4: 베어링 샤프트
5: 슬롯
6: 위상 권선
7: 자석
10: 제어 모듈
12: DC 전원 공급부
14: 스위칭 요소
20: CPU 유닛
30: 위치 데이터 인터페이스
40: 전류 데이터 인터페이스
50: 전류 제어 인터페이스

Claims (14)

1. 로터(2) 및 스테이터(1)를 포함하며, 로터는 스테이터(1)를 향하는 다수의 자석들(7)을 포함하고, 스테이터(2)는 상기 스테이터의 외주 표면 둘레에 배치되고 상기 자석들을 향하는 복수 개의 위상 권선(6)들을 포함하고, 상기 위상 권선들(6)은 로터를 회전을 일으키기 위해 로터의 자석들에 작용하는 전자기력을 유도하기 위해 상기 위상 권선에 전류를 선택적으로 인가하는 제어 유닛(10)에 연결되는 다상 전기 모터에 있어서,
   모터는 적어도 두 개의 제어 유닛들(10)을 포함하고, 각 제어 유닛(10)은 3개의 위상 권선들(6)로, 3개의 위성 권선 각각에 다른 위상 전류가 공급되며, 상기 다른 위상 전류들 사이의 위상 변이가 120°가 되도록 전류 공급을 제어하도록 형성되며,
   어떠한 두 개의 제어 유닛도 동일한 전류 위상을 활용하지 않으며,
   위상 권선들(6)은 m 개의 다른 전류 위상들 중 어느 하나에 의해 구동되며, m은 6 이상인 3의 배수이고, 전류 위상들 사이의 위상 변이는 360°/m이고,
   스테이터(1)의 외주면 주위로의 위상 권선들(6)의 배열은 각 위상 권선(6)이 인접한 위상 권선에서의 전류에 대해 180°+180°/m 만큼 이동된 전류에 의해 구동되며, m은 위상 전류들의 총 갯수인 것을 특징으로 하는 다상 전기 모터.
2. 제1항에 있어서,
   스테이터의 외주면에 1부터 m까지 순차로 배열된 m 개의 위상 권선으로 총 m개의 위상 전류의 공급을 제어하는 제어 유닛들(10)의 갯수가 k라면, k개의 제어 모듈들 각각은 위상 권선 i, i+m/3, i+m*2/3을 제어하도록 형성되며, i는 1≤i≤k를 만족하는 정수인 것을 특징으로 하는 다상 전기 모터.
3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   각 제어 유닛(10)에 의해 제어되는 3개의 위상 권선들(10)은 Y 배열로 배치된 것을 특징으로 하는 다상 전기 모터.
4. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   각 제어 유닛(10)에 의해 제어되는 3개의 위상 권선들(10)은 델타 배열로 배치된 것을 특징으로 하는 다상 전기 모터.
5. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   각 제어 유닛(1)은 상기 위상 권선들(6)에 동력을 제공하도록 형성되는 3상 하프 브리지 회로를 포함하며, 실질적으로 장방형 전류 파형을 제공하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 모터.
6. 제5항에 있어서,
   상기 3상 하프 브리지 회로는 상기 위상 권선들(6)을 사다리꼴 전류 파형 혹은 정현파 파형으로 동력을 제공하도록 형성된 것을 특징으로 하는 다상 전기 모터.
7. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 제어 유닛(20)의 작동을 제어하기 위해 배열된 적어도 하나의 제어기(20)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 모터.
8. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   모든 제어 유닛들(10)의 작동을 제어하기 위해 배열된 제어기(20)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 모터.
9. 제7항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어기(20)는 펄스 폭 변조를 활용하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 모터.
10. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 위상 권선(6)은 직렬 또는 병렬로 연결된 하나 이상의 코일 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 모터.
11. 제10항에 있어서,
    각 위상 권선은 스테이터의 외주면 둘레로 균등하게 분포된 적어도 두 개의 코일 요소들(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 모터.
12. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 따른 인 휠 전기 모터를 포함하는 적어도 하나의 휠을 가지는 전기 동력 자동차.
    
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