KR20030036630A - Electromotive mechanism - Google Patents

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KR20030036630A
KR20030036630A KR10-2003-7001036A KR20037001036A KR20030036630A KR 20030036630 A KR20030036630 A KR 20030036630A KR 20037001036 A KR20037001036 A KR 20037001036A KR 20030036630 A KR20030036630 A KR 20030036630A
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KR10-2003-7001036A
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윌리엄 에프. 두위스
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윌리엄 에프. 두위스
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K17/02Asynchronous induction motors
    • H02K17/22Asynchronous induction motors having rotors with windings connected to slip-rings
    • H02K17/24Asynchronous induction motors having rotors with windings connected to slip-rings in which both stator and rotor are fed with AC

Abstract

고정자 어셈블리 및 회전자 어셈블리를 포함하는 전동 메커니즘이 제공된다. 고정자 어셈블리는 복수개의 고정자 링을 구비하고 그 주위에 고리형 홈이 형성된다. 회전자 어셈블리는 고리형 홈 내부에 배치될 수 있고 그 사이에서 회전될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 고정자 어셈블리는 와운드(wound) 고정자를 포함하고 회전자 어셈블리는 와운드 회전자를 포함한다.A transmission mechanism is provided that includes a stator assembly and a rotor assembly. The stator assembly has a plurality of stator rings and an annular groove is formed around the stator ring. The rotor assembly can be disposed inside the annular groove and can be rotated therebetween. In a preferred embodiment, the stator assembly comprises a pound stator and the rotor assembly comprises a pound rotor.

Description

전동 메커니즘 {ELECTROMOTIVE MECHANISM}Electric mechanism {ELECTROMOTIVE MECHANISM}

본 발명의 모터는 2상 전기 모터로 알려져 있다. 페이즈는 일반적으로 전동력(자기 플럭스)을 포함하는 전기 전류 패스이며, 일반적인 전동 장치 속에 포함된 모든 다른 와인딩(winding)들과 전기적으로 절연되어 있고 독립적이다. 여기에 기술된 전기 머신의 일 측면은 회전자 와인딩이 슬립 링을 거쳐 여기되기 때문에 모터 위상이 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 고정자 또는 회전자 와인딩으로 구성될 수 있다. 고정자 또는 회전자 속에 포함된 모든 와인딩은 전기적으로 절연되어 있고 따라서 서로 독립적으로 여기될 수 있거나 전기적 출력을 제공할 수 있다. 또한, 감겨진 회전자는 영구 자석 회전자들과 관련된 "자극 데드 밴드(magnetic polar dead band)"를 제거한다.The motor of the present invention is known as a two phase electric motor. A phase is generally an electric current pass that includes a power force (magnetic flux) and is electrically isolated and independent of all other windings contained in a typical powertrain. One aspect of the electrical machine described herein may consist of a stator or rotor winding in which the motor phases are electrically connected in series or in parallel because the rotor winding is excited via a slip ring. All windings contained in the stator or rotor are electrically insulated and thus can be excited independently of one another or provide electrical output. The wound rotor also removes the "magnetic polar dead band" associated with the permanent magnet rotors.

슬립 링은 회전자 와인딩으로 일정하게 중단되지 않는 전류의 이동을 공급한다. 따라서, 슬립 링은 통신 장치가 아니다. 커뮤터(commuter)는 세그먼트되고 각 시간에 정류자 세그먼트 또는 바(bar)를 변화시키는 전류 흐름의 기계 전기적 스위칭을 제공한다. 따라서, 본 발명은 동적 회전자/전동자 능력을 가지는 브러시없는 머신으로서 분류된다. 본 전기 머신 설계는 기계적 정류자를 포함하지 않을 뿐만 아니라 자기 특성이 내부에 잔존하지도 않는다. 페이즈의 우수(even number) 및 대칭 와인딩에 의한, 2상 모터는 일반적으로 모터에 관한 경향은 예측하기 어려워 보인다. 본 발명의 일 실시예의 특징은 부가적 권선 및 회전자가 회전하며 진행하는 고정자 와이딩 사이드 속으로 그리고 그 방향으로 향하여 감기는 것을 야기하는 미리 정해진 방향에서의 위치에 적응시키는 회전자가 되는 경향을 채택하기 위한 하나 이상의 와인딩의 물리적 센터에 근접한 오프 셋에 의해 구성된 자기 바이어스를 구현하는 것이다.The slip ring provides a constant transfer of current through the rotor windings. Thus, the slip ring is not a communication device. The commuter is segmented and provides mechanical electrical switching of the current flow that changes the commutator segment or bar at each time. Thus, the present invention is classified as a brushless machine with dynamic rotor / motor capability. The electric machine design does not include mechanical commutators nor has magnetic properties left inside. Due to the even number of phases and symmetrical windings, two-phase motors generally appear unpredictable for motors. A feature of one embodiment of the present invention is to adopt the tendency to be a rotor that adapts to a position in a predetermined direction causing additional windings and the rotor to wind into and towards the stator winding side that is rotating and progressing. Is to implement a self bias configured by an offset close to the physical center of one or more windings.

본 발명의 일 실시예에 의한 또 다른 특징은 전자를 구동함으로써 유도된 페이즈 쉬프트에 의해 만들어진 회전 방향에 의한 결과와 균형 상태간의 회전자의 변위를 야기하는 하나의 회전자보다 많은 플럭스 변화율을 도입하는 것이다.Another feature according to one embodiment of the present invention is to introduce a rate of change of flux more than one rotor resulting in displacement of the rotor between the result and the balance due to the rotational direction created by the phase shift induced by driving electrons. will be.

본 발명의 중요한 일 면은 회전자, 고정자 또는 두 개의 조합을 여기시키는 능력이다. 바이폴라 플럭스 필드는 각 페이즈에서 만들어지고 이러한 필드는 교대로 인력과 척력이 작용된다. 양 페이즈는 각각에 대해 바이폴라 드라이버와 인력/척력을 통해 동시에 여기될 수 있다. 그 결과, 파워 손실이 줄어들고 모든 와인딩은 각 전기 모터 사이클 처음부터 끝까지 유도 플럭스를 사용한다.An important aspect of the present invention is the ability to excite a rotor, stator or a combination of the two. Bipolar flux fields are created in each phase and these fields are alternately attracted and pulled. Both phases can be excited simultaneously via bipolar driver and attraction / repulsion for each. As a result, power losses are reduced and all windings use induction flux from beginning to end of each electric motor cycle.

본 발명의 또 다른 중요한 일 면은 영구 자석 구조가 불 필요하다는 것이다. 영구 자석 머신은 와인딩에서 전기 전류 흐름에 의해 생성된 균등한 플럭스 생산물에 의한 요구된 토크/힘을 획득하기 위해 필요한 자기 플럭스 레벨에 대한 베이스라인을 생성하는 디바이스 속에 포함된 영구 자석 구성 요소의 자기 에너지 생산을 근거로 하여 설계되고 표현된다. 게다가, 영구 자석은 가열 때문에 노출될 때 감소된 자기 특성을 나타낼 수 있다. 영구 자석은 또한 반대 극성의 높은 플럭스 필드에 노출될 때 자성을 잃기 쉽다.Another important aspect of the present invention is that a permanent magnet structure is not necessary. The permanent magnet machine uses the magnetic energy of the permanent magnet component contained in the device to create a baseline for the magnetic flux level required to obtain the required torque / force by the uniform flux product produced by the electrical current flow in the windings. Designed and expressed on the basis of production. In addition, permanent magnets may exhibit reduced magnetic properties when exposed due to heating. Permanent magnets are also prone to magnetism when exposed to high flux fields of opposite polarity.

본 발명의 일 면은 회전 전기 머신에 한정되는 것이 아니며 선형 및 부분 회전 디바이스에 적용될 수 있다.One aspect of the invention is not limited to rotating electric machines and may be applied to linear and partial rotating devices.

본 발명의 또 다른 면은 종래 전기 머신과 다른 영구 자석을 이용하거나 필드 또는 고정자 와인딩으로부터 여기되는 유도 모터 회전자와 같은 경우에 적용되며, 본 발명은 각 와인딩의 독립적 여기를 용이하게 한다.Another aspect of the present invention applies to cases such as induction motor rotors that use permanent magnets different from conventional electric machines or that are excited from field or stator windings, and the present invention facilitates independent excitation of each winding.

본 발명의 신규한 면은 활성화된 와인딩이 임의의 미리 생성된 또는 계산된 플럭스 필드를 작용 또는 반작용하기 위해 요구될 필요가 없다. 오히려, 바람직한 실시예에서, 모터 모드에서 각 페이즈는, 하나의 페이즈가 다른 한 편에서 작용하기 때문에 유도 토크/힘을 촉진한다.The novel aspect of the present invention does not require an activated winding to act or react with any pre-generated or calculated flux field. Rather, in a preferred embodiment, each phase in motor mode promotes induction torque / force because one phase acts on the other.

본 발명의 또 다른 면은 무철 또는 무 코어 와인딩의 사용을 용이하게 한다. 대안적으로, 아이언 코어 또는 박판의 사용은 예를 들어 서보모터 응용과 같은 자기 플럭스 방향 및/또는 집중이 바람직한 경우의 응용시 차단되지 못한다.Another aspect of the invention facilitates the use of ironless or coreless windings. Alternatively, the use of iron cores or thin plates is not blocked in applications where magnetic flux direction and / or concentration is desired, for example in servomotor applications.

본 발명의 또 다른 면은 바람직한 실시예에서 이른 바 불활성 세그먼트의 결합을 요구하지 않는다 : 오히려 개선된 효율 및 모든 자기 플럭스 데드 밴드를 제거하기 위해 "쿠퍼 필(copper fill)"을 최대로 하는 설계 덕분이다. 이러한 설계는 높은 스타팅 토크를 제공한다.Another aspect of the invention does not require the so-called incorporation of inert segments in the preferred embodiment: rather, thanks to an improved efficiency and design that maximizes "copper fill" to eliminate all magnetic flux dead bands. to be. This design provides a high starting torque.

본 발명의 바람직한 실시예의 또 다른 면은 회전자 와인딩이 총 플럭스 패스를 감소시키기 위해, 스타팅 토크를 개선하고 물리관성을 줄이기 위해 고정자 와인딩의 내부 및 외부를 동심적으로 회전한다.Another aspect of the preferred embodiment of the present invention is that the rotor windings rotate concentrically inside and outside the stator windings to improve starting torque and reduce physical inertia in order to reduce the total flux pass.

본 발명은 2상(two-phase) AC 전기 모터의 개량에 관한 것으로, 특히 영구 자석 회전자 또는 고정자가 불필요한 2상 전기 모터의 가변 속도에 관한 것이다.The present invention relates to an improvement of a two-phase AC electric motor, and more particularly to a variable speed of a two phase electric motor in which no permanent magnet rotor or stator is needed.

도 1은 본 발명에 따른 2-상 AC 모터의 바람직한 실시예의 횡단면도이다.1 is a cross-sectional view of a preferred embodiment of a two-phase AC motor according to the present invention.

도 2는 도 1의 라인 2-2를 따라 절단된, 도 1의 모터의 횡단면도이다.2 is a cross-sectional view of the motor of FIG. 1, cut along line 2-2 of FIG. 1.

도 3은 도 1 및 2에서 도시된 모터의 고정자 및 회전자 권선의 사시도를 도시한 사진이다.Figure 3 is a photograph showing a perspective view of the stator and rotor windings of the motor shown in Figures 1 and 2.

도 4는 도 3의 권선의 정면도를 도시한 사진이다.4 is a photograph showing a front view of the winding of FIG. 3.

도 5는 도 3의 권선의 후면도를 도시한 사진이다.5 is a photograph showing a rear view of the winding of FIG. 3.

도 6은 도 1의 모터의 슬립 링 및 브러쉬의 평면도이다.6 is a plan view of the slip ring and the brush of the motor of FIG.

도 7은 고정자 권선에 의해 발생된 자계의 극성 배향의 개략도이다.7 is a schematic diagram of the polar orientation of the magnetic field generated by the stator windings.

도 8은 회전자 권선에 의해 발생된 자계의 극성 배향의 개략도이다.8 is a schematic diagram of the polar orientation of the magnetic field generated by the rotor windings.

도 9는 도 1의 모터의 회전자의 횡단면도이다.9 is a cross-sectional view of the rotor of the motor of FIG. 1.

도 10은 도 1의 모터의 고정자의 횡단면도이다.10 is a cross-sectional view of the stator of the motor of FIG. 1.

도 11은 모터의 단방향 개시를 위한 자기 바이어스를 발생시키기 위한 추가 권선수를 갖는 권선의 사시도이다.11 is a perspective view of a winding with an additional number of turns for generating a magnetic bias for unidirectional starting of the motor.

도 12는 도 11의 권선의 정면도이다.12 is a front view of the winding of FIG. 11.

도 13은 도 11의 권선의 후면도이다.FIG. 13 is a rear view of the winding of FIG. 11.

도 14는 각각의 상 내에 발생된 양극 플럭스 필드의 개략도이다.14 is a schematic diagram of the anode flux field generated within each phase.

도 15는 직렬로 접속된 고정자 및 회전자 권선을 도시하는 전기적 개략 다이어그램이다.15 is an electrical schematic diagram showing stator and rotor windings connected in series.

도 16은 병렬로 접속된 고정자 및 회전자 권선을 도시하는 전기적 개략 다이어그램이다.16 is an electrical schematic diagram showing stator and rotor windings connected in parallel.

도 17은 제어 회로에 의해 독립적으로 구동되는 각 권선을 도시하는 전기적 개략 다이어그램이다.17 is an electrical schematic diagram showing each winding driven independently by a control circuit.

도 18은 4개의 고정자 및 4개의 회전자 권선을 갖는 2-상 모터의 횡단면도이다.18 is a cross sectional view of a two-phase motor with four stators and four rotor windings.

도 19는 6개의 고정자 및 6개의 회전자 권선을 갖는 2-상 모터의 횡단면도이다.19 is a cross-sectional view of a two-phase motor with six stator and six rotor windings.

도 20은 본 발명에 따른 팬케익 모터의 권선의 정면도이다.20 is a front view of the winding of the pancake motor according to the present invention.

도 21은 팬케익 모터의 횡단면도이다.21 is a cross sectional view of a pancake motor.

도 22는 양극 배향으로부터 회전자를 자기적으로 접속하는 고정자 권선을 갖는 모터의 횡단면도이다.22 is a cross sectional view of a motor with stator windings that magnetically connect the rotor from the orientation of the anode.

도 23a는 스플릿 고정자 어셈블리의 정면도이다.23A is a front view of a split stator assembly.

도 23b는 스플릿 고정자 어셈블리의 횡단면도이다.23B is a cross sectional view of the split stator assembly.

도 24a는 회전자 어셈블리의 정면도이다.24A is a front view of the rotor assembly.

도 24b는 회전자 엔드 캡 어셈블리의 횡단면도이다.24B is a cross sectional view of the rotor end cap assembly.

도 25는 추가의 단방향 바이어싱 코일을 포함하는, 회전자 및 고정자 어셈블리의 정면도이다.25 is a front view of the rotor and stator assembly including additional unidirectional biasing coils.

도 26은 양방향 회전을 위한 한 쌍의 바이어싱 코일을 포함하는 회전자 및 고정자 어셈블리의 정면도이다.FIG. 26 is a front view of a rotor and stator assembly including a pair of biasing coils for bidirectional rotation. FIG.

도 27은 상기 회전자 어셈블리의 바이어싱을 30도로 하는 예를 도시한 도면이다.27 is a diagram illustrating an example in which the biasing of the rotor assembly is 30 degrees.

도 28은 상기 회전자 어셈블리의 60도 회전을 도시한 도면이다.28 shows a 60 degree rotation of the rotor assembly.

도 29는 상기 회전자 어셈블리의 90도 회전을 도시한 도면이다.FIG. 29 illustrates a 90 degree rotation of the rotor assembly. FIG.

도 30은 상기 회전자 어셈블리의 비방향성 회전을 위한 와이어링 다이어그램이다.30 is a wiring diagram for non-directional rotation of the rotor assembly.

도 31은 상기 회전자 어셈블리의 양방향성 회전을 용이하게 하기 위한 와이어링 다이어그램이다.31 is a wiring diagram to facilitate bidirectional rotation of the rotor assembly.

도 32는 본 발명의 특징에 따라 생성되는 동축 필드 패턴을 도시한 도면이다.32 illustrates a coaxial field pattern generated in accordance with aspects of the present invention.

전동 메커니즘은 고정자 어셈블리 및 회전자 어셈블리를 포함하여 제공된다. 상기 고정자 어셈블리는 다수의 고정자 링으로 구성되고 그들간에 환상의 구멍을 형성한다. 회전자 어셈블리는 환형 개구 내에 배치될 수 있으며, 그 사이에서 회전가능하다. 바람직한 실시예에서 고정자 어셈블리는 권선형 고정자를 포함하며, 회전자 어셈블리는 권선형 회전자를 포함한다. 고정자 어셈블리는 축방향으로 갈라진 다수의 고정자 코일을 포함하며, 회전자 어셈블리는 축방향으로 갈라진 다수의 회전자 코일을 포함한다. 고정자 코일 세그먼트 및 회전자 코일 세그먼트는 반대 공간 관계에 상응하여 배치될 수 있으며, 회전자 코일 세그먼트는 고정자 코일 세그먼트에 상당히 인접하여 배치될 수 있다.The transmission mechanism is provided including a stator assembly and a rotor assembly. The stator assembly consists of a plurality of stator rings and forms annular holes therebetween. The rotor assembly can be disposed within the annular opening, and rotatable therebetween. In a preferred embodiment the stator assembly comprises a winding stator and the rotor assembly comprises a winding rotor. The stator assembly includes a plurality of stator coils axially split and the rotor assembly includes a plurality of rotor coils axially split. The stator coil segment and the rotor coil segment can be arranged in correspondence with the opposite spatial relationship, and the rotor coil segment can be arranged substantially adjacent to the stator coil segment.

고정자 코일 및 회전자 코일은 스위칭 회로로부터의 공통 스위칭 신호에 의해 여기될 수 있다. 고정자 코일 및 회전자 코일은 직렬 전기 접속 또는 병렬 전기 접속으로 배치될 수 있다.The stator coils and the rotor coils can be excited by a common switching signal from the switching circuit. The stator coils and the rotor coils can be arranged in series electrical connections or in parallel electrical connections.

고정자 코일 및 회전자 코일은 그 사이에 동축 플럭스 형태를 방사하기 위하여 여기할 수 있으며, 회전자 어셈블리를 회전시키기 위한 회전력을 발생시키기 위해 동작한다.The stator coil and the rotor coil can be excited to radiate a coaxial flux form therebetween, and operate to generate a rotational force for rotating the rotor assembly.

영구 자심, 또는 다른 철심이 없는 경우에, 회전자에 인가된 회전력은 여기 타이밍 또는 코일 여기 속도에 비례하는 회전자의 상대 위치에도 불구하고, 거의동일한 방향으로 지속할 것이다. 그와 같이, 회전 속도 및 위치는 코일 여기에 관하여 대체로 비동기가 될 것이다.In the absence of a permanent magnetic core, or other iron core, the rotational force applied to the rotor will continue in almost the same direction, despite the relative position of the rotor relative to the excitation timing or coil excitation speed. As such, the rotational speed and position will be largely asynchronous with respect to the coil excitation.

바람직한 실시예에서, 고정자 어셈블리는 절연 재료로 이루어진 고정자 지지 부재를 포함하도록 형성될 수 있으며, 고정자 코일은 완전히, 또는 부분적으로 밀봉된다. 회전자 어셈블리는 회전자 코일을 지지하며, 부분적으로 또는 완전히 밀봉하는 절연 재료의 바디를 포함한다.In a preferred embodiment, the stator assembly can be formed to include a stator support member made of insulating material, wherein the stator coils are completely or partially sealed. The rotor assembly supports the rotor coil and includes a body of insulating material that partially or completely seals it.

메커니즘은 내부 표면을 따라, 고정자 어셈블리와 인접하여 접촉되어 배치된 전도성 실린더형 복귀 부재를 더 포함한다. 복귀 부재는 고정자 어셈블리에 관하여 고정되며, 복귀 경로를 용이하게 하기 위하여 동작한다.The mechanism further includes a conductive cylindrical return member disposed in close contact with the stator assembly along the inner surface. The return member is secured relative to the stator assembly and operates to facilitate the return path.

고정자 코일은 고정자 코일에 접속되며, 연장되는 하나 이상의 바이어싱 코일을 더 포함한다. 바이어싱 코일은 고정자 코일로부터 위치 오프셋에 회전자/회전자 코일을 자극하고, 회전자 어셈블리의 단방향 또는 양방향 회전을 행하도록 동작한다.The stator coils are connected to the stator coils and further comprise one or more biasing coils extending. The biasing coil stimulates the rotor / rotor coil at a position offset from the stator coil and operates to effect unidirectional or bidirectional rotation of the rotor assembly.

본 발명의 다른 특징은 도면을 참조하여 더욱 명백하게 될 것이다.Other features of the present invention will become more apparent with reference to the drawings.

도 1, 2, 9 및 10을 참조하면, 2상의 모터(20)가 원통형 고정자 쉘(21) 및 원통형 회전자 쉘(22)을 포함한다. 고정자(21) 및 회전자(22)는 유리하게는 하이퍼코발트(hyperco)가 되는 철-코발트 합금과 같은 자기적 스틸로부터 가공된다. 대안적으로, 상기 고정자 또는 회전자는 스틸 박판의 박층화(lamination)로 제조될 수 있다. 원형 단부 판(23) 및 슬립 링 고정자(24)가 회전자 쉘(22)의 반대편 단부에 또는 그 근방에 고정된다. 출력 샤프트(25)는 상기 쉘(22)의 종축에 대해 동심원인 이러한 단부 판(23)과 고정자(24)의 중심에 고정된다.1, 2, 9 and 10, a two phase motor 20 comprises a cylindrical stator shell 21 and a cylindrical rotor shell 22. As shown in FIG. The stator 21 and the rotor 22 are machined from magnetic steel, such as an iron-cobalt alloy, which advantageously becomes hypercobalt. Alternatively, the stator or rotor can be made by lamination of steel sheets. Circular end plates 23 and slip ring stators 24 are fixed at or near the opposite ends of the rotor shell 22. The output shaft 25 is fixed to the center of this end plate 23 and the stator 24 concentric with the longitudinal axis of the shell 22.

고정자 쉘(21)에 부착된 원형 단부 판(30, 31)은 상기 모터(20)의 반대편 단부를 둘러싼다. 롤러 베어링(35, 36)은 각각 이러한 단부 판(30, 31) 및 회전 가능한 지지 출력 샤프트(25) 및 그에 부착된 회전자 쉘(22)에 고정된다.Circular end plates 30, 31 attached to the stator shell 21 surround the opposite ends of the motor 20. The roller bearings 35, 36 are fixed to these end plates 30, 31 and the rotatable support output shaft 25 and the rotor shell 22 attached thereto, respectively.

도 3, 4 및 5는 모터(20)에서 사용되는 와인딩(40)의 전체 구조를 도시한다. 특정 실시예에서 다수의 절연 구리 와이어(40)가 일반적으로 타원형인 구성으로 감겨진다. 이러한 타원형인 구성은 코일이 이용되는 부품에 따라 상기 고정자(21) 또는 회전자(22)의 곡률 반경에 일치하도록 굽어진다. 바람직한 와인딩은 종래의 기기에 의해서 감겨질 것이라는 것이 이해될 것이다.3, 4 and 5 show the overall structure of the winding 40 used in the motor 20. In certain embodiments, a plurality of insulated copper wires 40 are wound in a generally elliptical configuration. This elliptical configuration is bent to match the radius of curvature of the stator 21 or rotor 22, depending on the part in which the coil is used. It will be appreciated that the preferred winding will be wound by a conventional device.

본 발명에 따라 구성된 바람직한 실시예의 중요한 특징을 도 1 및 2의 단면도에서 도시된다. 도시된 바와 같이, 최대의 "구리 충전물"이 상기 단면 내에 부가적인 와인딩을 제공하도록 미리 결정된 영역 내에 제공되는데, 이는 토크를 증가시키기 시작하고 자기 플럭스 소멸 밴드를 제거하게 된다. 구리 충전물은 각 와인딩 사이의 공기 갭을 최소화하도록 사각형 단면 구성을 갖는 구리 와이어를 사용하여 더 강화된다. 리본 와이어는 상기 와인딩(40)을 위한 유용한 와이어의 다른 예이다.Important features of the preferred embodiment constructed in accordance with the invention are shown in the cross sectional views of FIGS. As shown, the maximum "copper fill" is provided in a predetermined area to provide additional windings in the cross section, which begins to increase torque and eliminates the magnetic flux vanishing band. The copper filling is further reinforced using copper wire with a square cross-sectional configuration to minimize the air gap between each winding. Ribbon wire is another example of a useful wire for the winding 40.

도 1 및 2를 참조하면, 한 쌍의 고정자 코일(40a 및 40b)이 고정자(21)의 내부 벽을 둘러싸고 대향하여 배치된다. 마찬가지로, 한 쌍의 회전자 코일(40c 및 40d)이 회전자(22)의 외부 벽을 둘러싸고 대향하여 배치된다. 유리하게는, 고정자(21) 및 코일(40a, 40b)은 열경화성 플라스틱 수지를 사용하여 그것들을 함께 주조함으로써 서로 영구적으로 결합된다. 마찬가지로, 회전자 코일(40c 및 40d)이 유리하게는 열경화성 플라스틱을 사용하여 회전자(22)의 외부에 결합된다.1 and 2, a pair of stator coils 40a and 40b are disposed facing and surrounding the inner wall of the stator 21. Similarly, a pair of rotor coils 40c and 40d are disposed opposite and surrounding the outer wall of the rotor 22. Advantageously, the stator 21 and coils 40a, 40b are permanently bonded to each other by casting them together using a thermosetting plastic resin. Likewise, rotor coils 40c and 40d are advantageously coupled to the outside of the rotor 22 using thermoset plastic.

본 발명의 중요한 특징은 상기 고정자 및 회전자 와인딩이 독립적으로 여기될 수 있다는 것이다. 이것은 상기 회전자 코일의 단부를 동심 슬립 링(50, 51, 52 및 53)에 부착시킴으로써 도 1, 6 및 9에서 도시된 바와 같이 달성된다. 따라서, 회전자 코일(40c)의 단부 리드(45a, 45b)가 각각 슬립 링(50, 53)에 연결된다. 회전자 코일(40d)의 단부 리드(45c, 45d)는 각각 슬립 링(51 및 52)에 연결된다.An important feature of the present invention is that the stator and rotor windings can be excited independently. This is accomplished as shown in Figures 1, 6 and 9 by attaching the ends of the rotor coils to concentric slip rings 50, 51, 52 and 53. Thus, end leads 45a and 45b of rotor coil 40c are connected to slip rings 50 and 53, respectively. End leads 45c and 45d of the rotor coil 40d are connected to slip rings 51 and 52, respectively.

슬립 링(50 내지 53)은 구리 또는 다른 전도성 금속의 연속된 원이다. 적절한 브러시 또는 다른 전기적 접점(60, 61, 62 및 63)이 유리하게는 상기 고정자 단부 판(31)에 장착된다. 슬립 링 및 브러시의 특정한 예들이 도 6에서 도시된다.슬립 링 및 브러시는 회전자에 전류의 연속적인 전달을 위하여 제공된다.Slip rings 50 to 53 are continuous circles of copper or other conductive metals. Suitable brushes or other electrical contacts 60, 61, 62 and 63 are advantageously mounted on the stator end plate 31. Specific examples of slip rings and brushes are shown in FIG. 6. Slip rings and brushes are provided for continuous transfer of current to the rotor.

상기된 모터의 동작은 다음과 같다. 자기장은 각각의 고정자 및 회전자 전자기 코일을 통해 교류 전류를 통과시킴으로써 형성된다. 도 7 및 8에 도시된 바와같이, 자기 복귀 경로는 자기 스틸 고정자(21) 및 회전자(22)에 의해 제공된다. 도 14를 참조하여, 고정자 및 회전자 권선에 교류 전류를 인가하면 이극 플럭스 필드가 각각의 위상에 형성되고 이들 플럭스 필드가 교번적으로 밀고 당겨진다. 바람직한 실시예에 따라 구성된 모터는 고정자 및 회전자 양쪽에 포함된 권선에 의해 구성될 위상에 대한 능력을 촉진시키는 내부 모터 접속부 및 권선을 갖는다. 예를들어, 회전자 및 고정자 권선은 하나의 위상이 고정자 권선만의 적당한 여기에 의해 유도되고 다른 위상이 회전자 권선의 여기에 의해 유도되도록 접속될수있다. 회전자 권선에 전류의 인가는 슬립 링에 의해 달성된다. 도 15에서 개략적으로 도시된 일실시예에서, 고정자 권선(40A) 및 회전자 권선(40C)은 슬립 링(50 및 53)을 통하여 교류원(75)에 직렬로 접속된다. 소스(75)는 또한 위상 시프트 회로를 통하여 슬립 링(51, 52)을 거쳐 고정자 권선(40B) 및 회전자 권선(40D)에 인가된다.The operation of the motor described above is as follows. The magnetic field is created by passing alternating current through each stator and rotor electromagnetic coil. As shown in FIGS. 7 and 8, the magnetic return path is provided by the magnetic steel stator 21 and the rotor 22. Referring to Fig. 14, when alternating current is applied to the stator and rotor windings, bipolar flux fields are formed in each phase and these flux fields are alternately pushed and pulled. Motors constructed in accordance with a preferred embodiment have internal motor connections and windings that facilitate the ability for phase to be constructed by windings contained in both the stator and the rotor. For example, the rotor and stator windings can be connected such that one phase is induced by proper excitation of the stator windings alone and the other phase is induced by excitation of the rotor windings. The application of current to the rotor windings is achieved by slip rings. In one embodiment schematically shown in FIG. 15, stator winding 40A and rotor winding 40C are connected in series to alternating current source 75 via slip rings 50 and 53. Source 75 is also applied to stator winding 40B and rotor winding 40D via slip rings 51 and 52 via a phase shift circuit.

도 16은 고정자 및 회전자 권선이 병렬로 접속되는 다른 실시예를 도시한다.16 shows another embodiment in which the stator and rotor windings are connected in parallel.

만약 각각의 권선이 대칭이면, 두개의 위상 AC 모터는 모터가 구동하기 시작하는 방향을 예측할수없다. 도 11, 12 및 13의 코일 실시예에서, 일방향으로의 자기 바이어스는 회전자(22)가 소정 방향으로 "파워 업"하는 위치를 설정하도록 하는 성질을 유도하기 위하여 하나 이상의 권선(40)의 물리적 중심과 오프셋되는 부가적인 와이어 턴(80)에 의해 제공된다.If each winding is symmetrical, the two phase AC motor cannot predict the direction in which the motor starts to drive. In the coil embodiments of FIGS. 11, 12, and 13, the magnetic bias in one direction causes the physical of one or more windings 40 to induce a property that causes the rotor 22 to set a position to “power up” in a given direction. Provided by an additional wire turn 80 that is offset from the center.

도 17에 도시된 다른 실시예에서, 각각의 권선은 각각의 권선에 의해 형성된 플럭스 밀도가 독립적으로 제어되도록 독립적으로 여기된다. 이런 제어는 두개의 위상 모터의 정밀한 속도 제어를 위하여 제공하고 스톱퍼 모터를 구동하기 위해 통상적으로 사용되는 H 브리지 출력 스테이지를 가진 스텝퍼 모터 집적 회로를 사용하여 바람직하게 실행된다.In another embodiment shown in FIG. 17, each winding is independently excited such that the flux density formed by each winding is controlled independently. This control is preferably implemented using a stepper motor integrated circuit with an H bridge output stage that is typically used to provide precise speed control of two phase motors and to drive a stopper motor.

도 18 및 19에 도시된 본 발명의 다른 실시예는 두개의 위상 동작 특성을 유지하는 동안 부가의 회전자 및 고정자 권선을 포함한다. 따라서, 도 18의 모터는 4개의 고정자 및 4개의 회전자 권선을 가지며, 도 19의 모터는 6개의 고정자 및 6개의 회전자 권선을 가진다.Another embodiment of the present invention shown in FIGS. 18 and 19 includes additional rotor and stator windings while maintaining two phase operating characteristics. Thus, the motor of FIG. 18 has four stators and four rotor windings, and the motor of FIG. 19 has six stator and six rotor windings.

도 20 및 21은 본 발명에 따라 구성된 "팬케이크"형 두개의 위상 전기 AC 모터를 도시한다.Figures 20 and 21 show a "pancake" type two phase electric AC motor constructed in accordance with the present invention.

도 18, 19, 20 및 21의 각각의 실시예에서, 각각의 회전자 권선은 상기된 장점을 얻기 위하여 연속적인 슬립 링에 바람직하게 접속된다.In each of the embodiments of Figures 18, 19, 20 and 21, each rotor winding is preferably connected to a continuous slip ring in order to obtain the advantages described above.

도 22는 "동축" 구성의 양쪽 극성 방향으로부터 회전자(103)를 자기적으로 인터페이스하는 본 발명에 따라 구성된 모터의 부가적인 바람직한 실시예를 도시한다. 회전자(103)는 출력 샤프트(105)에 부착된다.FIG. 22 shows a further preferred embodiment of a motor constructed according to the invention which magnetically interfaces rotor 103 from both polarization directions in a “coaxial” configuration. The rotor 103 is attached to the output shaft 105.

모터 하우징(110)은 외부 플럭스 복귀 경로를 제공하고 내부 굴곡 복귀 경로는 고정자에 부착된 실린더형 자기 부재(115)에 의해 제공된다. 슬립 링(120)은 상기 실시예와 같이 회전자에 연속적으로 접속하도록 기능한다.The motor housing 110 provides an outer flux return path and an inner bend return path is provided by a cylindrical magnetic member 115 attached to the stator. The slip ring 120 functions to continuously connect to the rotor as in the above embodiment.

도 22 모터의 특징은 개선된 효율성 및 토크이다. 적층과 철을 가지지 않는모터 또는 모터들이 가진 고유 문제는 최소 평균 공기 갭을 형성하기에 필요한 보다 작은 와이어 크기에 관한 것이다. 적층은 와이어가 감겨지고 적층되며 플럭스가 (사일런트) 극에 전달되는 코어를 제공한다. 코어없는(철이 없는) 모터와 관련하여, 이상적으로 가장 큰 와이어 직경은 코일 레지스턴스를 최소화하여 모터에 의해 소비되는 전력을 감소시키기 위해 사용된다. 이는 간단히 I2R 손실로 표현된다. 자석의 기본적인 법칙, 및 필요한 토크를 얻기 위한 충분한 암페어 턴을 얻기 위한 필요성에 기초하여, 도선 크기들 사이의 균형, 권선 높이의 필요성 및 코일간의 적절한 접근은 종종 예를 들어 전기적 저항을 줄이기 위해 그리고 필요에 따라 더 높은 권선을 수용할 필요성에 대처하거나 더 작은 권선을 적용하여 작지만 더 높은 전기적 저항에 견디는 중간 공극을 유지하기 위해 권선 크기를 증가시킬 지의 질문과 같은 풀기 어려운 설계상의 쟁점이다.The motor is characterized by improved efficiency and torque. The inherent problem with lamination and ironless motors or motors concerns the smaller wire size needed to form the minimum average air gap. The lamination provides a core where the wire is wound and laminated and the flux is delivered to the (silent) pole. In the case of a coreless (ironless) motor, ideally the largest wire diameter is used to minimize the coil resistance to reduce the power consumed by the motor. This is simply expressed as I 2 R loss. Based on the basic laws of magnets, and the need to obtain sufficient amperage to obtain the required torque, the balance between conductor sizes, the need for winding height, and the proper access between coils are often needed, for example, to reduce electrical resistance and Depending on the need to accommodate higher windings or by applying smaller windings, it is a difficult design issue to ask, such as whether to increase the size of the windings to maintain a small but higher intermediate electrical resistance to higher electrical resistance.

도22에 도시된 전동기는 이러한 어려움에 대한 효과적인 해결책이다. 고정자 코일을 두 개 이상의 동축 유닛으로 분리하여 회전자 권선이 동축 유닛 사이를 통과하게 하여 현저히 큰 권선 크기의 사용을 가능하게 하면서 대략 30%의 누적적인 공극 감소를 보장한다. 가장 중요하게 고려할 사항은 자속 밀도를 가리키는 물리법칙이 거리 또는 평균 공극의 제곱에 반비례하여 감소한다는 것이다. 역의 제곱 작용과 관련하여 고려된 물리적인 상호 코일 접근 개선의 전술한 퍼센트는 자속의 상호 작용, 즉 전체 전동기 성능 및 효율에 대한 코일에서의 중요한 개선안으로 해석한다. 따라서, 평균 공극은 30%보다 감소할 수 있으며, 이는 자속 밀도가 거리의 제곱에 반비례하게 증가하도록 한다.The electric motor shown in Fig. 22 is an effective solution to this difficulty. The stator coils are separated into two or more coaxial units, allowing rotor windings to pass between coaxial units, enabling the use of significantly larger winding sizes while guaranteeing a cumulative void reduction of approximately 30%. The most important consideration is that the laws of physics indicating the magnetic flux density decrease in inverse proportion to the square of the distance or average porosity. The aforementioned percentage of physical mutual coil access improvements considered in relation to the inverse squared action translates to significant improvements in the coil for magnetic flux interaction, ie overall motor performance and efficiency. Thus, the average void can be reduced by less than 30%, which causes the magnetic flux density to increase in inverse proportion to the square of the distance.

도22의 전동기의 다른 특징은 부재(15)에 의해 제공된 내부 복귀 경로가 정적이며 회전하지 않는다는 것이다. 결론적으로 현저히 감소된 회전자 관성을 얻는다. 이것의 장점을 실질적인 회전자 관성의 감소이며, 감소된 회전자 관성은 현저히 감소된 기계적 시정수(회전자를 예정된 속도의 63.2%로 가속하는데 요구되는 시간) 또는 간단하고 신속한 가속 시간을 초래한다. 전술한 사항과 관련하여, 매우 신속한 가속 및 제동을 제공하기 위한 현저히 높은 자속 밀도의 사용을 용이하게 하기 위해 실질적인 질량의 복귀 경로 소자를 사용하기 위한 옵션이 존재한다. 따라서, 도22의 회전자의 장점은;Another feature of the electric motor of FIG. 22 is that the internal return path provided by the member 15 is static and does not rotate. The result is a markedly reduced rotor inertia. The advantage of this is a substantial reduction of rotor inertia, which results in a significantly reduced mechanical time constant (the time required to accelerate the rotor to 63.2% of the predetermined speed) or a simple and quick acceleration time. In connection with the foregoing, there is an option to use a substantial mass return path element to facilitate the use of significantly higher magnetic flux densities to provide very rapid acceleration and braking. Thus, the advantages of the rotor of FIG. 22 are;

a) 자속은 회전자 권선의 양측과 동등하게 상호작용한다. 전체 자속 경로 길이는 감소된다.a) The magnetic flux interacts equally with both sides of the rotor winding. The total flux path length is reduced.

b) 대칭적인 인력 및 척력은 기본 회전 방향과 일치한다. 이는 구동 토크를 강화시키고, 들을 수 있는 잡음의 생성을 감소시키며, 저속에서의 진동을 감소시키는데 기여한다.b) The symmetrical attraction and repulsion are consistent with the basic direction of rotation. This intensifies the drive torque, reduces the generation of audible noise, and contributes to reducing vibration at low speeds.

c) 고정적인 내부 복귀 경로는 이러한 전동기 소자의 중량이 증가된 회전 관성에 기여함이 없이 필요한 회전자 자속 밀도를 지지하는데 필요한 만큼 크게 되도록하는데 기여한다.c) The fixed internal return path contributes to ensuring that the weight of this motor element is as large as necessary to support the required rotor flux density without contributing to increased rotational inertia.

d) 자속은 회전자 코일의 양측에 유도된다. 활성 자속은 양측에 동일한 회전자 침투를 야기하는 두 평면으로부터 야기되는 반면, 두 고정자 권선은 회전자 권선의 중심을 향해 균형된 증분을 갖는다.d) Magnetic flux is induced on both sides of the rotor coil. The active magnetic flux is from two planes that cause the same rotor penetration on both sides, while the two stator windings have a balanced increment towards the center of the rotor windings.

본 발명에 따라 구성된 기계는 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 고정자 또는 회전자를 통해 전류의 흐름에 의해 위상이 결정되는 전동기, 발전기 또는 전기적 제동기로서 사용될 수 있다. 회전자 여자는 전류를 다이나믹 전자기 장치에 전달하기 위해 제공되는 슬립 링 또는 다른 장치를 사용함으로서 달성된다.Machines constructed in accordance with the invention can be used as electric motors, generators or electric brakes whose phases are determined by the flow of current through stators or rotors electrically connected in series or in parallel. Rotor excitation is achieved by using a slip ring or other device provided to deliver current to the dynamic electromagnetic device.

게다가, 본 발명은 자속 소스를 모든 생성을 실질적으로 제한없이 조절하여 전력 인가측면에서 높은 융통성을 제공함으로써 획득가능한 효율을 강화할 수 있는 스텝 전동기의 새로운 실시예로써 분류될 수 있다. 또한 본 발명은 어떠한 토크도 장치를 역구동하는 성능을 제공하지 못하게 한다. 이는 통상적으로 종래의 영구 자석 스텝 전동기에는 가능하지 않다. 스테핑 모터 특성과 관련한 설명이 가변 자기저항 또는 영구자석 구조로 대체될 전체 장치로서 잘 설명되어 있다. 따라서 본 발명의 머신은 모든 자속 밀도를 사용자가 완전하게 전체를 콘트롤할 수 있는 단극 또는 쌍극 여기자에 사용될 수 있다. 제너레이터/교류발전기로서 사용될 때, 주파수와 전압 출력을 사용자가 콘트롤할 수 있다.In addition, the present invention can be classified as a new embodiment of a stepper motor that can enhance the efficiency obtainable by adjusting the flux source substantially without limiting all generation to provide high flexibility in terms of power application. The present invention also prevents any torque from providing the ability to reverse drive the device. This is typically not possible with conventional permanent magnet step motors. The description regarding the stepping motor characteristics is well described as the whole device to be replaced by a variable magnetoresistance or permanent magnet structure. Thus, the machine of the present invention can be used for monopole or dipole exciter, which allows the user to fully control all magnetic flux densities. When used as a generator / alternator, the frequency and voltage outputs can be controlled by the user.

따라서, 본 발명의 원리는 운드 고정자(wound stator) 및 운드 회전자(wound rotor)의 사용에 관한 것이다. 여기에 사용된 '운드'라는 용어는 고정자 어셈블리 및 회전자 어셈블리가 영구 자석 물질 또는 래미네이션과 같은 철 코어를 사용하지 않은 것을 의미하며, 이것은 관련 코일이 여기될 때 고유 자속 패턴을 발생시킨다. 운드 고정자 및 운드 회전자를 사용하는 것은 무게를 가볍게하고, 제조를 용이하게 하는 장점을 가지며, 자속 패턴이 더욱 회전 균등성을 가지며, 동조된 코일의 콘트롤 회로부가 회전자 회전 위치에 따라 스위칭되는 것을 완화시킨다. 그러나, 하기설명한 바와 같이, 본 발명의 특징은 또한 철 코어 또는 영구 자석 물질을 가지는 모터/제너레이터에 유리하게 사용될 수 있다.Thus, the principles of the present invention relate to the use of a round stator and a round rotor. The term 'ound' as used herein means that the stator assembly and the rotor assembly do not use an iron core such as permanent magnet material or lamination, which generates a unique magnetic flux pattern when the associated coil is excited. Using ound stators and ound rotors has the advantages of lighter weight, easier manufacturing, magnetic flux patterns have more rotational uniformity, and mitigation that the control circuitry of the tuned coil is switched according to the rotor rotational position. Let's do it. However, as described below, features of the present invention can also be advantageously used in motors / generators having an iron core or permanent magnet material.

도 23A, 도 23B는 도 22에 도시된 구조물 내에 사용될 수 있는 예시적인 스플릿 고정자 어셈블리(140)를 도시한다. 도시된 바와 같이 고정자 어셈블리는 원주형 외부 링(135) 둘레에 배치된 하나 이상의 코일과 원주형 내부 링(137) 둘레에 배치된 하나 이상의 코일을 포함한다. 상기 링들은 (도 24에 도시된) 회전자 어셈블리(150)를 수용하기 위한 환형 어퍼처(136)를 형성한다. 링(135,137)은 축(160)으로부터 방사형으로 이격된 위치(반경)에서 동일한 축을 가진 동심형이다. 고정자 와인딩은 내부 링(127)과 외부 링(135) 사이에서 방사형으로 세그먼트화된 것으로 도시될 수 있다. 도 23B에 도시된 바와 같이, 와인딩은 축으로 세그먼트화 될 수 있다. 코일 세그먼트(141,143)는 회부 링(135)상에 배치된 축으로 세그먼트화된 코일이다. 코일 세그먼트(142,144)는 내부 링(137)상에 배치된 축으로 세그먼트화된 코일이다. 외부 링(135)과 내부 링(137)은 집합적으로 고정자 지지 멤버(133)의 부재가 될 수 있다. 상기 설명한 바와 같이 고정자 어셈블리는 지지 멤버(133)내에서 고정자 코일의 적어도 일부분을 둘러싸서 형성되어, 코일이 제조 비용을 줄이고 조립이 용이하도록 지지 멤버의 일체형 부분을 형성한다.23A and 23B show an exemplary split stator assembly 140 that can be used within the structure shown in FIG. 22. As shown, the stator assembly includes one or more coils disposed around the columnar outer ring 135 and one or more coils disposed around the columnar inner ring 137. The rings form an annular aperture 136 for receiving the rotor assembly 150 (shown in FIG. 24). Rings 135 and 137 are concentric with the same axis at a position (radius) radially spaced from axis 160. The stator windings may be shown as radially segmented between the inner ring 127 and the outer ring 135. As shown in FIG. 23B, the windings may be segmented in an axis. Coil segments 141 and 143 are coils segmented in an axis disposed on the annular ring 135. Coil segments 142 and 144 are coils segmented in an axis disposed on inner ring 137. Outer ring 135 and inner ring 137 may collectively be members of stator support member 133. As described above, the stator assembly is formed to surround at least a portion of the stator coils in the support member 133 to form an integral part of the support member to reduce the manufacturing cost and facilitate assembly.

내부 링(135)은 고정자 자속 리턴 경로를 형성하는 칼라(collar)(145)로서 구현된, 원주형 리턴 멤버와 마찰되어 연동될 수 있다. 칼라(145)는 고정자 어셈블리(140)과 관련하여 안정되게 남아 있어, 마찰 손실이 방지되고 효율성이 개선된다.The inner ring 135 can be frictionally interlocked with the columnar return member, implemented as a collar 145 forming a stator flux return path. The collar 145 remains stable with respect to the stator assembly 140, thereby preventing frictional losses and improving efficiency.

바람직한 실시예에서, 고정자 와인딩은 코일(130,132,134,136) 쌍과 접속되어 있다. 코일의 특정 배선 장치가 상기 언급한 바와 같이 바뀔 수 있다.In a preferred embodiment, the stator windings are connected with pairs of coils 130, 132, 134 and 136. The specific wiring arrangement of the coil can be changed as mentioned above.

고정자의 단방향 회전 및 고정자의 양방향 회전을 용이하게 하기 위한 예시적인 배선도가 도 30과 도31에 각각 도시되어 있다. 도 30, 31에 도시된 배선도는 회전자 코일과 고정자 코일이 직렬로 배치되도록 배치되어 있다. 그러나, 선택적인 배선도가 본 발명의 범위내에서 구현될 수 있다.Exemplary wiring diagrams for facilitating unidirectional rotation of the stator and bidirectional rotation of the stator are shown in FIGS. 30 and 31, respectively. The wiring diagrams shown in Figs. 30 and 31 are arranged so that the rotor coil and the stator coil are arranged in series. However, optional wiring diagrams may be implemented within the scope of the present invention.

도 24는 도 23에 도시된, 고정자 환형 리세스(139)내에서 회전하기에 적합한 회전자 어셈블리(150)의 예시적인 구조를 도시한다. 회전자 어셈블리(150)는 회전자 및 다수의 회전자 코일을 포함하도록 형성될 수 있으며, 이들은 (134,136)과 같은 쌍에 접속될 수 있다. 코일은 공통 축(160) 둘레에서 동심형으로 배치된다. 코일(142,144)은 고정자 코일(141,143)(도 23B)와 동일한 방식으로 축으로 세그먼트화될 수 있다.FIG. 24 shows an exemplary structure of the rotor assembly 150 suitable for rotation in the stator annular recess 139, shown in FIG. 23. Rotor assembly 150 may be formed to include a rotor and a plurality of rotor coils, which may be connected to a pair, such as 134, 136. The coils are arranged concentrically around the common axis 160. Coils 142 and 144 may be segmented axially in the same manner as stator coils 141 and 143 (FIG. 23B).

회전자 어셈블리(150)는 자신의 위에 형성된 고정자 코일을 가진 지지 멤버를 포함할 수 있다. 일실시예에서 고정자 코일은 회전자 지지 멤버와 일체형으로 형성되어, 회전자 코일의 적어도 일부분이 지지 멤버내에 매립된다. 지지 멤버는 열 세팅 플라스틱 수지와 같은 물질로 형성될 수 있다. 도 24b에 도시된 바와 같이, 회전자가 축(160)에 대하여 회전할 때 회전자 부재에 전기적 접속을 용이하게 하기 위하여 단부 캡(170)이 회전자 부재에 인접하여 구비된다.Rotor assembly 150 may include a support member having a stator coil formed thereon. In one embodiment the stator coils are integrally formed with the rotor support member such that at least a portion of the rotor coil is embedded in the support member. The support member may be formed of a material such as a heat setting plastic resin. As shown in FIG. 24B, an end cap 170 is provided adjacent to the rotor member to facilitate electrical connection to the rotor member as the rotor rotates about shaft 160.

도 25는 결합된 고정자 및 회전자 부재를 도시한다. 도시된 바와 같이, 고정자 부재는 부가의 바이어싱 코일 또는 셰이딩(142, 144)을 포함하는데, 이는 최초 시작시 시계방향으로 회전자 부재를 회전시킨다. 바이어싱 코일(142, 144)은 전력이 처음 인가될 때 회전자 부재가 바이어싱 코일을 향하여 이동하도록 비대칭이다. 전력이 극성을 변화시킴에 따라서, 회전자는 동일한 방향, 즉 시계방향으로 계속하여 움직이도록 척력(반발력)에 의해 밀려나서 시계방향으로 회전이 계속된다. 도 27, 도 28, 도 29에 도시된 바와 같이, 회전자 부재는 다양한 시작 위치에서 바이어싱 될 수 있으며, 따라서 바이어스 각(α')은 고정자 부재에 대하여 30°,60°, 90°또는 다른 라디안 회전각이 될 수 있다. 특정 바이어싱 각은 특정 요구조건에 따라서 선택될 수 있으며, 신호 전이 및 회전자 부재가 회전하기 시작함에 따라 높은 토크를 생성하는 반발력을 강화시키도록 선택될 수 있다. 실제로, 회전자 바이어싱 또는 경향(predisposition)은 도시된 변위보다 상당히 작을 수 있다 예컨대, 10°의 범위이내이다. 초기 전력이 상승할 때, 회전자는 고정자 권선의 바이어싱에 따라 예정된 방향으로 설정된다. 다음의 전기적 사이클동안, 모든 권선들의 극성이 역으로 되어, 인력 및 척력의 자기적 변화가 발생한다.25 shows the combined stator and rotor members. As shown, the stator member includes additional biasing coils or shadings 142, 144, which rotate the rotor member clockwise upon initial startup. The biasing coils 142, 144 are asymmetrical such that the rotor member moves towards the biasing coil when power is first applied. As the power changes polarity, the rotor is pushed by the repulsive force (repulsive force) to continue to move in the same direction, ie clockwise, and the rotation continues in the clockwise direction. As shown in Figs. 27, 28 and 29, the rotor member can be biased at various starting positions, so that the bias angle α 'is 30 °, 60 °, 90 ° or other relative to the stator member. Can be in radians of rotation. The specific biasing angle can be selected according to specific requirements, and can be selected to enhance the signal transition and the repulsive force that generates high torque as the rotor member begins to rotate. In practice, the rotor biasing or predisposition may be significantly less than the displacement shown, for example within the range of 10 °. When the initial power rises, the rotor is set in a predetermined direction according to the biasing of the stator windings. During the next electrical cycle, the polarities of all windings are reversed, resulting in magnetic changes in attraction and repulsive force.

도 26은 회전자 부재의 선택적 양방향 회전을 용이하게 하는 한 쌍의 바이어싱 코일(142, 144)을 포함하는 회전자 부재의 구성을 도시한다.FIG. 26 shows a configuration of the rotor member including a pair of biasing coils 142, 144 to facilitate selective bidirectional rotation of the rotor member.

고정자 부재(140) 및 회전자 부재(150)는 에어 갭(151, 153)이 작도록 공차가 작게 형성된다. 좁은 에어 갭 및 고정자 코일의 스플릿 배치는 회전 각 세그먼트에 대하여 더 큰 자속을 제공하여 회전 토크를 강화시킨다. 회전자 코일 및 상기 회전자 코일의 양측에 배치된 인접 고정자 코일 사이의 자속 상호작용은 고정자 코일의 단일 링에 의해 얻어지는 것보다 상당히 크다.The stator member 140 and the rotor member 150 have a small tolerance so that the air gaps 151 and 153 are small. The narrow air gap and split arrangement of the stator coils provide greater magnetic flux for each segment of rotation to enhance rotational torque. The magnetic flux interaction between the rotor coil and adjacent stator coils disposed on both sides of the rotor coil is significantly greater than that obtained by a single ring of stator coils.

도 32는 본 발명에 의해 생성된 동축 자속 패턴을 도시한다. 여기에는 회전자 세그먼트(180, 182) 및 고정자 세그먼트(184, 186)가 도시되어 있다. 고정자 및 회전자 세그먼트가 여기됨에 따라서, 동축 자기장(190, 192)이 생성되고 회전자에 회전력이 인가되어 회전자가 R 방향으로 회전한다. 회전자가 회전하고 스위칭이 발생됨에 따라서, 대향하는 회전자 및 고정자 세그먼트는, 비록 반대이지만, 비교적 동일한 극성 변화를 가져온다. 도 2에 도시된 바와 같이, 회전자 세그먼트 (180)는 인력에 영향을 받는 반면, 회전자(182) 세그먼트는 척력에 영향을 받는다.32 illustrates a coaxial flux pattern generated by the present invention. Rotor segments 180 and 182 and stator segments 184 and 186 are shown here. As the stator and rotor segments are excited, coaxial magnetic fields 190 and 192 are generated and rotational force is applied to the rotor to rotate the rotor in the R direction. As the rotor rotates and switching occurs, the opposing rotor and stator segments, although opposite, produce relatively identical polarity changes. As shown in FIG. 2, rotor segment 180 is subject to attraction, while rotor 182 segment is affected by repulsive force.

또한, 전술한 바와 같이, 고정자 및 회전자 부재는 코일이 감겨진 주조형 플라스틱 부품으로 구성될 수 있다. 이러한 구성은 제조 비용을 절감하고 제조를 용이하게 한다. 영구자석이나 철심이 없으면 경제적으로 유리하며, 또한 철 또는 영구자석 재료의 포화 특성으로부터 유발되는 성능 제한을 피할 수 있다.In addition, as described above, the stator and rotor member may be composed of a cast plastic part wound around a coil. This configuration reduces manufacturing costs and facilitates manufacturing. The absence of permanent magnets or iron cores is economically advantageous and also avoids the performance limitations resulting from the saturation properties of iron or permanent magnet materials.

바람직한 실시예에서, 코일은 당해 기술분야에서 일반적으로 이용가능한 H-브릿지 회로에 의해 여기될 수 있다. H-브릿지 회로는 예컨대 SGS Thompson L203 Controller와 같은 집적회로가 될 수 있다. 회로의 전압을 변화시키면 코일에서 소비되는 전류 및 주파수가 변화되고, 이에 의해 회전자 부재의 회전 속도가 변화된다. 회전자 부재가 바람직하게도 영구자석 또는 철심(철선으로 감긴 회전자)을 포함하지 않는 한, 회전자 부재는 특정 방향으로 정해지지 않으며 관련된 속도 제한을 피할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 회전자 어셈블리는 보통 1,000 내지 5,000 rpm으로 회전하고, 코일은 1초당 2,000 내지 10,000 사이클로 동작한다. 코일의 수가 증가할 때, 동작 주파수는 그에 따라서 증가할 것이다.In a preferred embodiment, the coil can be excited by an H-bridge circuit generally available in the art. The H-bridge circuit can be an integrated circuit such as, for example, the SGS Thompson L203 Controller. Changing the voltage of the circuit changes the current and frequency consumed in the coil, thereby changing the rotational speed of the rotor member. As long as the rotor member preferably does not comprise permanent magnets or iron cores (rotor wound with wire), the rotor member is not defined in a particular direction and the associated speed limitations can be avoided. In a preferred embodiment, the rotor assembly usually rotates at 1,000 to 5,000 rpm and the coil operates at 2,000 to 10,000 cycles per second. As the number of coils increases, the operating frequency will increase accordingly.

당업자가 알 수 있듯이, 스위칭 회로는 H 브리지로서 구현될 필요는 없고 임의의 다른 여러 종류의 스위칭 회로로서 구현될 수 있다. 그러는 한 동일한 스위칭 전류가 고정자 및 회전자 코일에 인가될 수 있다. 또한 코일은 덜 효율적임에도 불구하고 AC 소스에 직접 연결함으로써 동작될 수 있다. 그러나, 신호 조절 회로가 포함되면 진동이 감소되고 직접적인 AC 신호의 효율이 개선될 것이다. 통상 이용가능한 스위칭 회로가 보다 높은 효율을 제공할 것이다.As will be appreciated by those skilled in the art, the switching circuit need not be implemented as an H bridge but may be implemented as any other various kinds of switching circuits. As such, the same switching current can be applied to the stator and rotor coils. The coil can also be operated by connecting directly to an AC source, although less efficient. However, the inclusion of a signal conditioning circuit will reduce vibrations and improve the efficiency of the direct AC signal. Normally available switching circuits will provide higher efficiency.

이전의 설명은 주로 와이어링된 고정자 및 회전자(즉, 영구 자석 또는 철심이 없음)와 관련하여 설명된 것이나, 본 발명은 철심 모터 또는 영구 자석 구성에 유리한 설계 및 특성을 포함한다. 예를 들어, 분리(split) 고정자로부터 기인한 자속 밀도 개선은 마찬가지로 철심에 대한 유리한 응용예를 가질 수 있다. 그렇기 때문에, 본 발명은 와이어링된 모터, 발전기 또는 다른 전자 장치에의 응용에 제한되지 않는다.The previous description is primarily described in connection with wired stators and rotors (ie without permanent magnets or iron cores), but the present invention includes designs and properties that are advantageous for iron core motor or permanent magnet configurations. For example, magnetic flux density improvements resulting from split stators can likewise have advantageous applications for iron cores. As such, the invention is not limited to application to wired motors, generators or other electronic devices.

그러나, 본 발명의 특정한 특징은 와이어링된 고정자 및 회전자에 특히 유리하다. 철심 모터가 전형적으로 우세한 자기 방향을 나타내는 한, 코일 스위칭 회로는 자장 생성 패턴과 스위칭 속도 사이의 현저한 동기화를 유지할 필요성에 의해 제한될 수 있다. 홀 효과 센서는 통상적으로 그러한 응용예에 사용된다.However, certain features of the invention are particularly advantageous for wired stators and rotors. As long as the iron core motors typically exhibit a predominant magnetic orientation, the coil switching circuit may be limited by the need to maintain significant synchronization between the magnetic field generating pattern and the switching speed. Hall effect sensors are commonly used in such applications.

전형적으로, 인터랙티브 모터 폴 또는 코일은 측면의 평행한 평면으로부터 서로 접근하고 상기 평면의 벡터는 작은 각도의 값으로부터 수직으로 전이될 것으로 예상된다. 이러한 전이 동안에, 측면의 또는 힘 벡터 방향의 힘은 관련된 와인딩을 무력화시키는 교체(commutation) 프로세스에 대해서가 아니라면 호(arc)로부터 증가적으로 이동되고 완전 수직에 접근하기 위해 이동한다. 그러나, 본 발명에서, 우세한 힘 벡터는 주로 회전 방향을 지향하는 상태로 남아있어서 힘 방향은 스위칭 회로가 회전자 회전 속도를 초과하거나 회전자 회전 속도가 스위칭 회로를 초과할지라도 실질적으로 동일하게 유지된다. 회전자 및 고정자 코일이 동일한 스위칭 신호 스위칭 회로에 의해 여기되는 한, 상대적인 자기 극성은 동일하게 유지되고 모터 방향은 사전에 설정된 방향의 함수이다. 그렇기 때문에 스위칭 회로는 회전자 회전 속도/위치와 관련하여 비교적 비동기적으로 동작할 수 있다. 이것은 모터 동작에 대한 제한 및 관련된 제조 비용을 감소시킨다. 또한 철심이 없다면 스위칭 속도 또는 다른 기능을 제한하는 자기 포화 제한이 완화된다. 따라서, 무자심(coreless) 코어에 대한 본 발명의 응용예는 경제적 이익을 제공하고 고속 스위칭 회로와 관련한 모터 호환성을 개선시킨다.Typically, interactive motor poles or coils are expected to approach each other from parallel planes of the sides and the vectors of the planes are to be transitioned vertically from small angle values. During this transition, the forces in the lateral or force vector direction are incrementally moved away from the arc and to approach full vertical unless it is about a commutation process that disables the associated winding. However, in the present invention, the dominant force vector remains primarily in the direction of rotation so that the direction of force remains substantially the same even if the switching circuit exceeds the rotor rotational speed or the rotor rotational speed exceeds the switching circuit. . As long as the rotor and stator coils are excited by the same switching signal switching circuit, the relative magnetic polarity remains the same and the motor direction is a function of the preset direction. As such, the switching circuit can operate relatively asynchronously with respect to the rotor rotational speed / position. This reduces the limitations on motor operation and associated manufacturing costs. Without the core, the magnetic saturation limit, which limits switching speed or other functions, is relaxed. Thus, the application of the present invention to a coreless core provides economic benefits and improves motor compatibility with high speed switching circuits.

당업자가 알 수 있듯이, 본 명세서에서 본 발명의 주요 특징은 특정 실시예와 관련하여 설명되었고 특정한 본 발명의 최신 응용예와 관련하여 고찰되었다. 그러나, 본 발명은 다수의 다른 실시예들과 관련하여 구현될 수 있다. 주로 모터에 대한 응용예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명은 발전기, 전기 브레이크, 및 통상적인 컴포넌트들이 사용되는 다른 장치들과 유사한 응용예를 갖는다. 부가하여, 본 발명의 특징은 대안적인 구성들로 구현될 수 있고, 대안적인 구성에는 컴포넌트 특징의 시스템 수준 재분배 및 등가 회로 또는 등가 구조의 컴포넌트 수준 대체가 포함되나 여기에 한정되는 것은 아니다.As will be appreciated by those skilled in the art, the main features of the present invention have been described herein in connection with specific embodiments and with regard to the latest application of certain inventions. However, the present invention can be implemented in connection with a number of other embodiments. Although primarily described in connection with applications for motors, the present invention has applications similar to generators, electric brakes, and other devices in which conventional components are used. In addition, features of the present invention may be implemented in alternative configurations, which include, but are not limited to, system level redistribution of component features and component level replacement of equivalent circuits or equivalent structures.

Claims (20)

전동 메커니즘으로서,As a transmission mechanism, (a) 환형 개구를 그 사이에서 형성하는 다수의 고정자 링을 갖는 고정자 어셈블리; 및(a) a stator assembly having a plurality of stator rings defining an annular opening therebetween; And (b) 상기 환형 개구 내에 배치되고 그 내에서 환전 가능한 회전자 어셈블리를 포함하는 전동 메커니즘.and (b) a rotor assembly disposed within said annular opening and convertable therein. 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 고정자 링 상에 형성된 고정자 코일(들) 및 상기 회전자 상에 형성된 회전자 코일(들)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.2. The transmission mechanism of claim 1, further comprising stator coil (s) formed on each stator ring and rotor coil (s) formed on the rotor. 제 2 항에 있어서, 상기 고정자 코일(들) 및 회전자 코일(들)은 환형 세그먼트에 대항되는 대응 공간에 배치될 수 있고, 상기 회전자 코일 환형 세그먼트(들)은 상기 고정자 코일 환형 세그먼트(들)에 대해 회전 가능한 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.3. The stator coil annular segment (s) of claim 2, wherein the stator coil (s) and rotor coil (s) can be disposed in a corresponding space opposite the annular segment, wherein the rotor coil annular segment (s) Rotatable relative to the). 제 3 항에 있어서, 상기 회전자 코일 환형 세그먼트(들) 및 상기 고정자 코일 환형 세그먼트(들)는 상기 회전자에 인가된 회전력을 발생시키기 위하여 여기될 수 있고, 상기 회전력은 상기 고정자에 대해 상기 회전자를 회전시키도록 동작하는것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.4. The rotor coil annular segment (s) and stator coil annular segment (s) of claim 3 may be excited to generate a rotational force applied to the rotor, wherein the rotational force is rotated relative to the stator. And a transmission mechanism operative to rotate the electrons. 제 4 항에 있어서, 상기 회전자의 가변 속도 회전에 영향을 주도록 상기 고정자 코일(들) 및 회전자 코일(들)의 여기를 조절하는 스위칭 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.5. The transmission mechanism of claim 4, further comprising a switching circuit that regulates excitation of the stator coil (s) and rotor coil (s) to affect variable speed rotation of the rotor. 제 5 항에 있어서, 상기 회전자에 인가된 주요한 회전력은 상기 스위칭 회로 여기가 회전자 회전 속도를 초과할때 실질적으로 동일한 방향으로 유지되는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.6. The transmission mechanism according to claim 5, wherein the primary rotational force applied to the rotor is maintained in substantially the same direction when the switching circuit excitation exceeds the rotor rotational speed. 제 5 항에 있어서, 상기 주요한 회전력은 상기 회전자 회전 속도가 상기 스위칭 회로 여기를 초과할때 실질적으로 동일한 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.6. The transmission mechanism as claimed in claim 5, wherein the primary rotational force moves in substantially the same direction when the rotor rotational speed exceeds the switching circuit excitation. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자 회전 위치는 코일 여기 타이밍에 비동기적인 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.2. The transmission mechanism of claim 1 wherein the rotor rotational position is asynchronous to coil excitation timing. 제 5 항에 있어서, 회전자 회전 속도는 코일 여기 레이트에 비동기적인 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.6. The transmission mechanism according to claim 5, wherein the rotor rotational speed is asynchronous to the coil excitation rate. 제 2 항에 있어서, 상기 고정자는 와이어링된 고정자인 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.3. The transmission mechanism of claim 2 wherein the stator is a wired stator. 제 9 항에 있어서, 상기 회전자는 와이어링된 회전자인 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.10. The transmission mechanism of claim 9 wherein the rotor is a wired rotor. 제 1 항에 있어서, 절연 재료로 이루어진 고정자 지지 부재를 더 포함하며, 상기 고정자 코일의 적어도 일부는 밀봉되고, 상기 절연 재료는 상기 고정자 지지 부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.The transmission mechanism of claim 1, further comprising a stator support member made of an insulating material, wherein at least a portion of the stator coil is sealed and the insulation material forms the stator support member. 제 2 항에 있어서, 상기 고정자 코일(들) 및 상기 회전자 코일(들)은 이들 사이에 동축 플럭스 패턴(들)을 방사하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.3. The transmission mechanism of claim 2 wherein the stator coil (s) and the rotor coil (s) are operative to radiate coaxial flux pattern (s) therebetween. 제 2 항에 있어서, 상기 고정자 코일(들)은 다수의 축방향으로 이격된 고정자 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.3. The transmission mechanism of claim 2 wherein the stator coil (s) comprises a plurality of axially spaced stator coils. 제 2 항에 있어서, 상기 회전자 코일(들)은 다수의 축방향으로 이격된 회전자 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.3. The transmission mechanism of claim 2 wherein the rotor coil (s) comprises a plurality of axially spaced rotor coils. 제 2 항에 있어서, 상기 고정자 어셈블리와 인접하게 접촉하도록 배치된 전도성 원통형 복귀 부재를 더 포함하며, 상기 복귀 부재는 상기 고정자 어셈블리에 대해 고정적이며 자기 복귀 경로를 용이하게 하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.3. The transmission of claim 2, further comprising a conductive cylindrical return member disposed to contact adjacent to the stator assembly, the return member being stationary relative to the stator assembly and operative to facilitate a self return path. mechanism. 제 2 항에 있어서, 상기 고정자 코일(들)은 상기 고정자 코일(들)중 적어도 하나에 접속되며 상기 코일로부터 연장된 바이어싱 코일(들)을 더 포함하며, 상기 바이어싱 코일(들)은 상기 회전자 어셈블리의 단방향 회전을 용이하게 하기 위하여 상기 고정자 코일(들)로부터 오프셋된 위치로 상기 회전자 코일(들)을 이동시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.3. The method of claim 2, wherein the stator coil (s) further comprises biasing coil (s) connected to at least one of the stator coil (s) and extending from the coil, wherein the biasing coil (s) And move the rotor coil (s) to a position offset from the stator coil (s) to facilitate unidirectional rotation of the rotor assembly. 제 3 항에 있어서, 상기 고정자 코일(들)은 관련된 고정자 코일에 각각 접속되고 상기 코일로부터 각각 연장되는 다수의 바이어싱 코일을 포함하며, 상기 바이어싱 코일은 상기 고정자 어셈블리에 대해 상기 회전자 어셈블리의 양방향 회전을 유도하기 위하여 선택적으로 여기될 수 있는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.4. The rotor of claim 3 wherein the stator coil (s) comprises a plurality of biasing coils each connected to and extending from the associated stator coils, the biasing coils of the rotor assembly with respect to the stator assembly. Transmission mechanism, characterized in that it can be selectively excited to induce a two-way rotation. 제 5 항에 있어서, 상기 고정자 코일(들) 및 회전자 코일(들)은 상기 스위칭 회로에 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.6. The transmission mechanism according to claim 5, wherein the stator coil (s) and rotor coil (s) are connected in series with the switching circuit. 제 5 항에 있어서, 상기 고정자 코일(들) 및 상기 회전자 코일(들)은 상기스위칭 회로로부터 공통 스위칭된 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 전동 메커니즘.6. The transmission mechanism of claim 5 wherein said stator coil (s) and said rotor coil (s) receive a common switched signal from said switching circuit.
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