KR20040104543A - 동심의 환형 부재를 구비한 로터리 전기 모터 - Google Patents

Abstract

로터 및 스테이터 부재가 각각 회전축에 대해서 서로 동심인 환형 링으로 구성되어 있는 로터리 전기 모터가 개시된다. 로터 및 스테이터 부재 중 어느 하나는 전자석 극의 그룹들로 구성되며, 이들 그룹은 환형 링의 각(角) 크기를 따라서 실질적으로 등간격으로 분포되고, 이들 그룹 각각은 다른 그룹들로부터 자기 격리되고 분리된 자성 물질을 포함한다. 나머지 다른 부재는 이들 부재의 사이에 형성된 반경 방향 에어 갭의 각 크기를 따라서 교호적인 자극성(磁極性)을 갖는 상태로 실질적으로 등간격으로 분포된 복수의 영구 자석 극을 포함하며, 이 영구 자석 극은 공통의 자속 복귀 경로를 갖는다.

Description

동심의 환형 부재를 구비한 로터리 전기 모터 {ROTARY ELECTRIC MOTOR HAVING CONCENTRIC ANNULAR MEMBERS}

직류 모터는 광범위한 적용에 있어서 다양한 용도를 갖는다. DC 모터 구비 장치를 위한 배터리 전원 장치의 이용 가능으로 인해, AC 모터 구동장치에서는 쉽사리 이용할 수 없는 휴대성 측면이 촉진된다. 마이크로 프로세서를 기반으로 한 시스템과 같이, 매우 다양한 기능적인 적용에 있어서의 전자 제어장치는 이제 흔하게 되었다. 배터리의 발전이 진척됨에 따라, 그리고 전자 제어장치의 다용성이 확대됨에 따라, 연소식 엔진에 대한 실현 가능한 대안으로서 효율적인 차량용 직류 모터 구동장치를 제공하는 것은 매력적인 도전이 되고 있다. 제안된 구현예의 하나로서, 차량을 직접 구동하기 위해서 차량의 휠에 모터가 장착되어 있는 쉬콘딘(Shkondin)의 미국 특허 제5,164,623호가 있다. 이 특허에서는 이러한 장치가 전기 자동차, 전기 자전거, 전기 휠체어 등에 적용될 수 있다는 것을 제안하고 있다.

직류 모터 권선에 대한 전자 제어식의 전압 인가는 모터 특성의 보다 신축적인 관리의 전망을 제공한다. 이러한 권선과 함께 영구 자석의 사용은 전류 소비를 제한한다는 측면에서 이점이 있다. 하이덜베르그(Heidelberg) 외의 미국 특허 제4,754,207호에는 연속적으로 극성이 바뀌는 복수의 영구 자석의 연속적인 링으로 구성된 로터를 구비한 직류 모터에 대해 기재되어 있다. 복수의 전자식으로 스위칭 가능한 전자석 극을 포함하는 스테이터가 반경 방향의 에어 갭에 의해서 로터 자석으로부터 원주 방향으로 분리되어 있다. 몇 개의 인접한 스테이터 전자석은 위상 그룹을 형성한다. 각 그룹에 있어서의 인접한 전자석 극의 내측 베이스부는 서로 표면적 접촉을 하여 연속적인 자속 경로를 형성한다. 전자(電磁) 회로는 전자석의 인접한 그룹들 사이의 전이점(transition point)에서 단락된다. 개별 전자석 권선의 전자 스위칭을 제어할 수 있도록, 센서는 로터와 스테이터 요소 사이의 상대적인 회전 위치를 검출한다. 공통 그룹에 속하는 전자석은 그룹당 하나의 공통 전자 스위칭 수단과 동시에 스위칭된다. 인접한 그룹에 있는 전자석의 권선은 상이한 위상을 가지며 다른 시간으로 스위칭된다.

스테이터 권선에 대한 스위칭되는 전압 인가의 구현에 있어서 관심사는 회전 불규칙성과 같은 바람직하지 않은 결과를 회피하는 것이다. 예를 들면, 모든 모터 위상 권선을 동시에 스위칭하게 되면, 출력 토크의 요동을 야기할 수 있다. 모든 위상을 다른 시간으로 적절히 스위칭함으로써, 혹은 스테이터의 둘레에 대해서 대칭적으로 분포되며 로터의 영구 자석 극과 소정의 위치 관계를 이루는 소정의 권선 조합을 동시에 스위칭함으로써, 다양한 수준으로 이러한 악영향을 완화할 수 있다.하지만, 인접한 권선을 다른 시간으로 스위칭하면, 권선이 연속적인 자기 회로 경로에 링크되어 있으면, 하나의 극의 권선에 대한 변경되는 전압 인가에 의한 자속 변화가 인접한 극의 자속에 영향을 미치므로, 악영향이 있게 된다.

하이델베르그 외의 특허는 복수의 스테이터 극을 별개의 자기 회로 경로로 그룹화함으로써 이러한 문제를 다소 완화한다. 인접한 그룹들 사이의 자기 회로 경로 비연속성은 자속의 격리를 초래하며, 그래서 그룹들 사이에 자속 간섭과 같은 트랜스포머 간섭을 감소시킨다. 하지만, 그룹의 모든 극이 권취되고 동시에 스위칭되면, 토크 파동 효과는 여전히 존재할 수 있다. 하이델베르그 외의 특허는, 그룹의 일부 극이 권취되지 않고 그리고/또는 그룹 내의 모든 극의 극 구조가 균일하지 않은 구성으로 이루어지며, 그래서 토크 파동 및 인접한 극들 사이의 자속 간섭 효과를 억제하는 변형 형태를 제공한다. 이러한 변형 형태는 토크 특성을 희생시킨다. 더 적은 극이 권취되면, 자속 발생 성능은 감소된다. 권취되지 않은 극은 토크에 기여하지 않으며, 로터의 영구 자속과 부정적으로 상호작용할 수 있다. 하이델베르그 외의 특허에서의 균일하지 않은 극 구성 형태는 균일하지 않은 극 권선과 결부된다. 이러한 구성은 제조 공정을 복잡하게 하며, 모터의 효율을 저감시킨다.

단순화된 제조에 적합하며 효율적이고 신축적인 동작 특성이 가능한 개선된 모터에 대한 요구가 존재한다. 특정의 차량 구동 환경에서는, 최소의 동력 소비로 높은 토크 출력 성능을 유지하면서, 넓은 속도 범위에 걸쳐서 원활한 동작을 달성하는 것이 매우 바람직하다. 이러한 차량 모터 구동장치는 불편을 최소화하면서 부품 교체를 위한 다양한 구조적인 구성 요소로의 용이한 접근성을 유익하게 제공해야 한다.

본 발명은 로터리 직류 전기 모터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 회전축에 대해서 동심적으로 배열되며 축방향의 에어 갭에 의해서 서로 분리된 제1 및 제2의 환형 링 부재를 구비하며, 이 부재 중 하나가 개별적인 자기(磁氣) 격리된, 권취된 전자기 극 그룹을 포함하는 모터에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 모터의 바람직한 실시예의 스테이터와 로터의 배치를 나타내는 평면도.

도 2는 도 1의 실시예의 스테이터 및 로터 극 구조의 3차원 사시도.

도 3은 본 발명의 스테이터 구조를 예시하는, 도 2의 일 단면에서 취해진 부분적인 절취도.

도 4는 차량의 휠을 구동하는데 사용하는데 특히 적합한, 본 발명의 모터 구조를 예시하는 부분 상세 단면도.

도 5는 도 4에서 일부분이 단면도로 도시된 모터 구조의 분해도.

도 6은 본 발명에 따른 모터를 둘러싸는 조립된 휠 허브 하우징의 외관 사시도.

도 7은 본 발명의 모터를 구동하는 제어 시스템을 예시하는 블록도.

도 8은 로터가 반경 방향의 에어 갭을 통해서 영구 자석 스테이터를 둘러싸는 극 쌍의 개별적인 전자석 그룹을 포함하는, 본 발명의 다른 실시예의 개략 평면도.

본 발명은, 로터 및 스테이터 부재가 각각 회전축에 대해서 서로 동심인 환형 링으로 구성된 로터리 직류 전기 모터의 제공을 통해서 적어도 부분적으로 상술한 요구를 충족시킨다. 로터 및 스테이터 부재 중 어느 하나는 전자석 극 쌍의 그룹들로 구성되며, 이들 그룹은 환형 링의 각(角) 크기를 따라서 실질적으로 등간격으로 분포되고, 이들 그룹 각각은 다른 그룹들로부터 자기 격리되고 분리된 자성 물질을 포함한다. 나머지 다른 부재는 이들 부재의 사이에 형성된 반경 방향 에어 갭의 각 크기를 따라서 교호적인 자극성(磁極性)을 갖는 상태로 실질적으로 등간격으로 분포된 복수의 영구 자석 극을 포함하며, 이 영구 자석 극은 공통의 자속 복귀 경로를 갖는다. 전자석 극 쌍의 각 그룹의 극은 권취되며, 권선은 스테이터와 로터 사이의 기전(起電) 상호작용을 기동하도록 함께 스위칭 가능하게 전압 인가된다. 그래서, 짝수의 극, 극 쌍마다 2개의 극이 각 전자석 그룹에 제공된다. 각 극 쌍의 극들은 상반되는 북/남 극성을 갖도록 상반되게 권취된다.

각 그룹은 복수의 극을 포함할 수 있지만, 각 그룹에는 단 하나의 극 쌍을 제공하는 것이 바람직하다. 권선 내의 전류가 반전되는, 단일 극 쌍의 스위칭되는 전압 인가는 특정의 극 쌍에 대해서 자속에 악영향을 미치지 않으면서 극의 자극성의 변화에 도움을 준다. 개별 극 쌍을 다른 극 그룹으로부터 자성 경로를 격리하면, 극 쌍의 권선에 대한 전압 인가가 스위칭될 때 인접하는 그룹에 대한 자속 프랜스포머 효과를 제거한다. 그룹 내에 추가적인 극 쌍이 없으면 그룹 내에 상기와같은 효과가 발생하는 것이 예방된다.

그룹 각각에 대해서 스위칭되는 권선 전압 인가의 타이밍을 적절히 설정함으로써, 모터 전체에 걸쳐서 부드러운 기전력의 발생이 달성될 수 있다. 특정 그룹의 타이밍이 이루어지는 스위칭에 대한 정밀한 최적 위상 및 시퀀스는, 전자석 극 및 영구 자석 극의 특정한 구조적인 배치, 다양한 극들 사이의 간격 및 다른 구조적인 상호 관계에 따라 달라진다. 특정 모터 구성에 대해서 최적의 타이밍이 이루어지는 스위칭 시퀀스를 결정하면, 로터와 스테이터 사이의 상대적인 위치에 따라서 스위칭 모드가 실행될 수 있다. 위치 센서에 의해 발생된 신호에 응답하여 전자 작동 또는 기계적인 커뮤테이터에 의해서 스위칭이 행해질 수 있다. 다양한 위치 검지 수단이 당해 업계에 널리 알려져 있는데, 이들 중 임의의 것이 상기와 같은 신호를 발생시키는데 사용될 수 있으며, 리졸버(resolver)의 사용이 바람직하다는 것을 알게 되었다. 리졸버 출력은 그리고 나서 마이크로프로세서를 기반으로 한 제어 회로에 적용할 수 있도록 신호를 인코딩하기 위해서 인코더에 의해서 사용될 수 있다.

본 발명은 다양한 모터 구동 적용에 있어서 유용한 적용성을 갖고 있는데, 로터가 스테이터를 둘러싸도록 구조가 이루어지고 차량의 휠에 직접 부착될 수 있도록 로터가 하우징에 고정되는 차량 구동장치에 유익하게 적합하다. 환형의 로터는 그래서 회전축으로부터 상당한 반경 방향의 거리에 있게 된다. 로터 하우징은 베어링을 통해서 회전축에서 고정 샤프트에 대해서 회전할 수 있도록 저널(journal) 결합된다. 로터가 영구 자석을 포함하는 실시예에서, 다수의 영구 자석이 환형의 링을 따라서 실질적으로 균일하게 분포될 수 있다. 프로그램된 마이크로프로세서가 극도로 높은 비율의 스위칭 신호를 발생시키는 능력을 가지므로, 트랜스미션 기어를 변속할 필요없이 넓은 차량 속도 범위를 얻을 수 있다. 개별 전자석 그룹은, 바람직하게는 스테이터 링의 내경(內徑) 경계와 외경 경계 사이의 반경 방향 치수보다 훨씬 더 큰 반경 방향 거리만큼 회전축으로부터 이격되며 샤프트에 고정되는 비교적 얇은 환형의 스테이터 링을 형성한다. 전자석 극 쌍 각각이 얇은 환형의 링으로 구성된 격리된 자성 구조를 형성하는 본 발명의 구성은, 유익한 효과를 제공함을 알게 되었다. 이러한 구조에 의해서, 거의 손실 없이 또는 유해한 트랜스포머 간섭 효과 없이, 영구 자석 로터와 최적의 상호 작용을 할 수 있도록 반경 방향 에어 갭에 자속이 집중될 수 있다. 그 결과, 배터리의 수명을 상당히 연장시키는 고효율로 매우 높은 토크를 얻을 수 있다.

추가적인 이점으로서, 각 스테이터 그룹은 스테이터의 환형 링 구조에 개별적으로 고정되므로, 개별 스테이터 그룹의 분리 및 교체가 용이해진다. 그래서, 예를 들면 극 구조 또는 권선에 결함이 있음으로 인해서 특정한 스테이터 권선 그룹이 손상되게 되면, 전체 스테이터 유닛을 분리하거나 교체하지 않고 개별 스테이터 그룹이 교체될 수 있다. 관련된 이점으로서, 다수의 단일 극 쌍 스테이터 그룹을 사용함으로써, 하나 이상의 특정한 전자석 극 그룹의 전압 인가가 실패한다 하더라도 모터는 만족스러운 방식으로 동작을 계속할 수 있다.

본 발명의 또 다른 이점은, 대개는 스테이터와 로터의 극 표면 치수 및 극들 사이의 간격은 비교적 서로 독립적이다. 타이밍이 이루어지는 스위칭되는 전압 인가 모드는 특정한 구조적인 구성에 최적화되도록 프로그램될 수 있다. 바람직한 실시예에서는 동작이 특히 유익하다는 것을 알게 되었고, 이하의 구조적인 특징을 구비한다. 홀수의 스테이터 그룹이 사용된다. 스테이터 극은 에어 갭에서 실질적으로 균일한 각 크기를 갖는 극 표면을 갖는다. 영구 자석 로터 극들은 에어 갭에서 실질적으로 동일한 각 치수 크기를 가지며, 이는 스테이터 극 표면의 치수와 다르다. 각 스테이터 그룹의 극 표면의 중심들 사이의 각 거리는 스테이터의 둘레 전체에 걸쳐 실질적으로 균일하며 인접한 그룹의 스테이터 극 표면의 중심들 사이의 각 거리와는 다르다. 각 스테이터 그룹의 극 표면의 중심들 사이의 각 거리도 또한 로터의 인접한 영구 자석 극의 중심들 사이의 각 거리와 다르다. 각 그룹 내의 인접한 스테이터 극 표면들 사이의 갭은 모든 그룹에 대해서 실질적으로 동일하며 인접한 스테이터 그룹들 사이의 갭과는 다르다. 로터 극 표면은 갭에 의해서 실질적으로 균일하게 분리되며, 인접한 로터 극 표면들 사이의 갭은 스테이터 그룹 내의 인접한 스테이터 극 표면 사이의 갭과는 다르다.

본 발명의 다른 이점은 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 보다 자명하게 드러날 것이며, 단지 본 발명을 실행하기 위해 고려되는 최상의 형태의 예시로서 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명된다. 알 수 있다시피, 본 발명은 다른 다양한 실시예도 가능하며, 그 몇 가지 구체적인 사항은 모두 본 발명을 벗어남이 없이 여러 가지 자명한 측면에서 변형이 가능하다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 본질상 예시적인 것으로 간주되어야 하지, 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다.

본 발명은 첨부된 각 도면에서 일례로서 예시되는 것이지 제한 사항으로서예시되는 것은 아니며, 이들 도면에서 유사 참조 번호는 유사한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 모터의 바람직한 실시예의 스테이터 및 로터의 배치를 나타내는 평면도이다. 로터 부재(10)는 원통형의 백 플레이트(14)를 따라서 실질적으로 균일하게 분포된 16개의 영구 자석(12)을 구비한 환형의 링 구조이다. 영구 자석은 환형의 링의 내주를 따라서 자극성이 교호적인 로터 극이다. 백 플레이트는 인접한 영구 자극(磁極)(12)들 사이의 자속 복귀 경로로서 기능하는 자기 투과성 물질을 포함한다. 로터는 스테이터 부재(20)를 둘러싸며, 로터와 스테이터 부재는 반경 방향의 에어 갭에 의해서 분리되어 있다. 스테이터(20)는 에어 갭을 따라 균일하게 분포된 균일한 구성의 극 쌍(22)의 7개의 요소 혹은 7개의 그룹을 포함한다. 각 스테이터 그룹은 에어 갭에서 2개의 극 표면(26)을 갖는 대체로 U형상의 자성 구조(24)를 포함한다. 각 스테이터 그룹 구조는 인접한 그룹으로부터 분리되어 있고 자기 격리되어 있다. 극 쌍의 레그에는 권선(28)이 권취된다. 각 스테이터 그룹의 권선은 DC 전압 인가 장치에 접속될 때에 동시에 작동될 수 있도록 서로 접속되어 있다. 권선은 각각의 극 쌍의 극들에 상반되는 북/남 극성을 제공함으로써 전자석을 형성하도록 구성된다. 전압 인가의 극성의 반전은 극 쌍의 자극성의 반전을 유발한다. 반경 방향 에어 갭을 따라서 스테이터 권선의 전압 인가를 적절한 타이밍으로 스위칭하면, 에어 갭을 가로질러 스테이터와 로터 사이의 자기력의 상호 작용을 통해서 기전력의 발생을 유발한다.

로터의 영구 자석 극은 에어 갭을 따라서 모두 균일한 각 크기를 가지며 균일한 크기의 각 갭(angular gap)만큼 서로 분리되어 있다. 이러한 균일 관계를 전제로, 실제 로터 극 표면의 치수 및 로터 극 표면들 사이의 갭은 변할 수 있으며 적용 환경에 따라 최적화될 수 있다. 임의의 짝수의 로터 극이 사용될 수 있으며, 도 1에 도시된 16개는 단지 예시를 목적으로 함을 이해해야 한다. 스테이터 극 표면은 모두 균일한 각 크기를 가지며, 바람직하게는 로터의 각 극 표면의 각 크기와는 다른 치수를 갖는다.

스테이터 요소(24)는 이하에 보다 상세하게 설명되는 방식으로 자기 비투과성 지지 구조에 고정되며, 이로써 스테이터 요소는 환형의 링 구조를 형성한다. 각 스테이터 그룹 내의 극들은 모든 스테이터 그룹에 대해서 균일한 반경 방향 갭에 의해서 분리되어 있다. 이들 갭의 크기는 인접한 스테이터 그룹의 극들 사이의 간격과는 다르다. 스테이터 극 갭과 그룹 간격은 각각 로터의 각 극 갭(angular pole gap)과 다르다. 스테이터 환형 구조의 반경 방향 크기, 즉 내경과 외경 사이의 거리는 스테이터의 회전 중심축과 내경 사이의 거리보다 훨씬 작다. 이와 같이 비교적 폭이 좁은 스테이터의 반경 방향 치수는 에어 갭에서 집속된 각각의 스테이터 요소 구조 내에 바람직한 자속 집중을 제공한다. 이러한 구성에 의해서, 그리고 인접한 스테이터 극 그룹으로부터의 공전 트랜스포머 자속 영향의 부재로 인해, 높은 토크 출력이 효율적으로 얻어질 수 있다.

스테이터와 로터 극들 사이의 비교적 독립적인 치수 관계는, 극의 개수와 치수를 설정하는데 있어서 신축성을 부여한다. 최적 성능을 가능케 하기 위해서는 홀수의 스테이터 극 그룹이 바람직한데, 이 수는 결코 예시를 위해서 도시한 7에 국한되지는 않는다. 유사하게, 각각의 스테이터 극 쌍 그룹은 공통의 격리된 자기 투과성 구조를 공유하는 복수의 극 쌍을 포함할 수 있으며, 각 그룹에는 짝수의 극이 존재한다. 넓은 속도 범위에 걸쳐서 미세 제어를 달성하는 것이 바람직한 동작 환경에서는, 다수의 스테이터 및 로터 극이 구비될 수 있다. 이러한 구성은 사용되는 제어 시스템의 제어 성능과 조화될 수 있으며, 개별 스테이터 그룹의 개수도 또한그에 따라 설정될 수 있다. 모터는 다양한 특정 적용들에 대해서 지원할 수 있지만, 본 발명은 모터 구조가 휠 내에 수용되는 차량을 구동하는데 특히 유익하다. 이러한 환경의 동심적인 로터 및 스테이터 부재는 회전축으로부터 상당히 떨어진 반경 방향 거리로 휠 림(rim)에 위치된다. 큰 림 직경은 다수의 개별 로터 및 스테이터 극을 수용할 수 있는 충분한 공간을 제공하며, 그래서 제어의 신축성을 용이하게 한다.

도 2는 도 1의 모터 실시예의 로터 및 스테이터 조립체의 사시도이다. 백 플레이트(14)와 영구 자석(12)을 포함하는 환형의 로터는, 알루미늄 혹은 다른 비자성 물질 또는 비철 재료로 구성될 수 있는 링 하우징 부재(30)로 둘러싸인다. 이 원통형의 로터 구조 내에서, 스테이터 그룹은 2개의 플레이트(32)에 의해서 견고하게 고정되는데, 도 2에는 2개의 플레이트 중 하나만이 도시되어 있다. 도 3은 회전축에서 샤프트(34)와 교차하는 단면에서 취해진 스테이터 구조의 절취도이다. 각각의 플레이트(32)는 외경 및, 내경을 형성하는 플레이트 중앙의 원형 절결부(cutout portion)를 갖는 강성의 원형 구조로 이루어진다. 내경은 고정 샤프트(34)에 끼워 맞춰지고 샤프트 부재에 부착될 수 있도록 사이즈가 정해진다. 플레이트의 둘레를 따라, 플레이트에는 스테이터 요소에 있는 상응하는 관통 구멍과 짝을 이루도록 적절히 이격된 구멍이 마련된다. 플레이트(32) 각각은, 맞물림 구멍을 통해서 그 각각의 축방향 측에서 스테이터 요소의 극 구조(24)에 고정되고 이 극 구조(24)를 사이에 끼우도록, 샤프트(34)에 고정되며 적절히 서로 이격된다. 이들 플레이트는, 전체 유닛을 교체하는 일 없이 손상되었거나 수리가 필요하게 되었을 수 있는 개별스테이터 요소의 분리 및 교체를 용이하게 하기 위해서 선택적으로 분리될 수 있다. 스테이터 요소 각각이 대체 가능하게 만들어질 수 있기 때문에, 스테이터의 정비 보수는 예비 스테이터 요소를 플레이트들 사이의 적절한 맞물림 위치에 삽입하여 권선의 단부를 접속시키면 되는 비교적 단순한 일이 된다.

도 4는 자동차, 모터사이클, 자전거 등의 차량 휠을 구동하는데 사용하는데 특히 적합한, 본 발명의 상기 실시예의 모터 구조를 보다 상세하게 예시하는 상세 단면도이다. 고정 샤프트(34), 플레이트(32), 스테이터 구조(24) 및 권선(28)이 하우징(40) 내에 포함되며, 이 하우징(40)에는 환형의 로터 백 플레이트(14)와 영구 자석(12)이 부착된다. 하우징(40)은 부싱(36)과 베어링(38)을 통해서 플레이트(32)의 각 측면 상에서 샤프트에 저널 결합된다. 그래서 하우징(40)은, 로터를 통해서 구동됨에 따라 샤프트(34)를 중심으로 회전하는 차량 휠의 측면부를 형성한다. 링 하우징 부재(30)가 하우징(40)과 로터에 견고하게 부착되며, 차량의 타이어에 끼워 맞춰지는 림으로서의 기능을 한다. 도 5는 도 4에서 일부분이 단면도로 도시된 모터 구조의 분해도이고, 도 6은 조립된 휠 허브 부분의 외관 사시도이다. 자전거 타입의 환경에 있어서의 모터의 사용을 예시하기 위해서 커넥터부(42)가 제공되었으며, 커넥터부(42) 각각은 자전거 포크(fork)의 각 부분에 부착될 수 있다. 도면에는 또한 다양한 요소들을 조립하기 위한 다양한 표준형 와셔, 너트 및 볼트 요소의 사용을 예시하고 있다. 당해 업계에 잘 알려진 임의의 적합한 수단이 다양한 요소의 조립에 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

도 7은 도 1의 실시예의 본 발명의 모터를 구동하는 제어 시스템을 예시하는블록도이다. 개별 스테이터 전자석 권선(20)으로의 인가 전류는 배터리 전원 장치(50)에 위해서 제공된다. 스테이터 권선에 대한 스위칭되는 전압 인가는 잘 알려진 기계적인 커뮤테이터 구조를 사용하여 행할 수도 있지만, 전자식 스위칭 회로가 흔하게 되었으며 보다 우수한 제어상의 이점을 제공한다. 따라서, 스위칭 회로(52)를 통해서 스테이터 권선(20)을 배터리(50)에 접속시키는 것이 바람직하다. 스위칭 회로(52)는 컨트롤러(54)의 제어하에, 모터 권선에 대해서 개별적으로 배터리 전압 인가를 제공할 수 있고, 극성이 스위칭 가능한 임의의 잘 알려진 제어식 양방향 전자 회로를 포함한다. 컨트롤러(54)는 바람직하게는, 스테이터와 로터 사이의 상대적인 이동에 응답하여 발생된 피드백 신호에 따라서 적절하게 타이밍된 제어 신호를 스위칭 회로(52)에 인가하도록 프로그램될 수 있는 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서 등을 포함할 수 있다. 컨트롤러에 의해 사용될 수 있도록 모터 피드백 신호를 생성할 수 있는 다양한 위치 센서가 당해 업계에 알려져 있다. 리졸버(56)가 로터(10)와 함께 회전하도록 결합되며 로터의 각 위치를 나타내는 신호를 발생시킨다. 이들 신호는 컨트롤러에 의해 사용될 수 있도록 인코더(58)에 의해 적절히 인코딩된다. 컨트롤러는 스테이터 요소의 특정한 치수적인 구성을 기초로 하여, 수신된 인코더 신호와 매치될 수 있게 최적으로 타이밍된 제어 신호를 출력하도록 프로그램될 수 있다. 그래서, 프로그래밍은 스테이터 및 로터 극의 개수, 스테이터 그루핑의 개수, 스테이터 및 로터 극의 치수, 및 모터 구조에 있는 다양한 갭들의 치수를 고려할 수 있다. 최적으로 프로그램된 제어식 전자 스위칭 모드에서 동작하는 상술한 구조로부터 얻어진 우수한 모터 토크 및 속도 특성은 하나의 개별 스테이터요소 그룹이 기능하지 않는 경우에도 만족스러운 동작을 가능케 한다는 것을 알 수 있었다. 그래서, 이러한 상황의 차량은 기능하지 않는 스테이터 요소 부품을 교체하는데 편한 시간이 될 때까지 사용을 계속할 수 있다.

도 8은 로터가, 반경 방향의 에어 갭을 통해서 영구 자석 스테이터를 둘러싸는 극 쌍의 개별적인 전자석 그룹을 포함하는 실시예의 개략적인 평면도이다. 이와 관련하여, 이 평면도는 본 발명자의 공동 계류중인, 2000년 5월 16일자로 출원된 일련번호 제09/571,174호의 특허 출원에 개시된 구조와 유사하며, 상기 특허 출원의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 병합되어 있다. 본 실시예의 구조적인 배치 및 요소들의 조립은 도 2 내지 도 6에 예시된 실시예와 유사하다.

본 개시 내용에는 본 발명의 바람직한 실시예 및 그 다양한 용도에 대한 몇 가지 예만이 도시되고 설명된다. 본 발명은 다양한 다른 조합 및 환경에도 사용할 수 있고, 본 명세서에 명시된 신규 개념의 범위 내에서 변경 및 변형을 할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 알 수 있다시피, 본 발명의 모터는 차량 구동장치 이외에도 광범위하게 사용될 수 있다. 차량 구동장치의 구현예에서는 로터가 스테이터를 둘러싸는 것이 바람직하지만, 다른 적용예에서는 스테이터가 로터를 둘러싸는 것이 유익한 경우를 찾아볼 수 있다. 그래서, 각각의 내측 및 외측 환형 부재가 스테이터와 로터 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 전자석 그룹과 영구 자석 링 중 어느 하나를 포함할 수 있다는 것도 본 발명의 고려 사항 내에 있다. 또한, 권취된 돌출형 극이 예시되었지만, 그 대신에 권선은 돌출되지 않은 슬롯 구조로 제공될 수도 있다.

특정 전자석의 전압 인가 시퀀스는 다양한 고려 사항들에 따라서 달라질 수 있다는 것을 또한 이해해야 한다. 전자석에 대한 전압 인가는 에어 갭의 둘레를 따라서 순차적으로 혹은 다른 순서로 스위칭될 수 있다. 전자석 그룹은 개별적으로 프로그램된 시간에 스위칭될 수 있지만, 모두 언제든지 전압이 인가될 수 있다. 역으로, 개별 전자석은 소정의 순차적으로 유도된 인터벌로, 임의로 유도된 인터벌로, 혹은 비순차적으로 유도된 인터벌로 전압 인가가 해제될 수 있다.

본 발명은 직류 모터를 배경으로 하여 여기서 예시되었지만, 당업자는 설명된 원리가 동기식의 교류 모터 및 다양한 펄스 파형에 의해서 전압 인가될 수 있는 권취 요소를 구비한 모터에도 적용할 수 있다는 것을 알 것이다. 그래서, 모터를 구동하기 위한 전원 장치는 배터리에 한정되지 않으며, 예를 들면 교류 전원 장치도 포함할 수 있다. 이러한 교류 전원 장치는 직류 전원 또는 펄스 파형 전원으로 변환될 수 있으며, 교류 동기식 모터와 같은 모터를 구동하는데 이러한 변환 없이 사용될 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 로터리 직류 전기 모터, 구체적으로는 회전축에 대해서 동심적으로 배열되며 축방향의 에어 갭에 의해서 서로 분리된 제1 및 제2의 환형 링 부재를 구비하며, 이 부재 중 하나가 개별적인 자기 격리된, 권취된 전자기 극 그룹을 포함하는 모터에 이용할 수 있다.

Claims (21)

1. 로터리 전기 모터로서,

   전자석 극 그룹의 환형 링 형태로 구성된 스테이터로서, 상기 그룹은 상기 환형 링의 각 크기(angular extent)를 따라서 실질적으로 등간격으로 분포되며, 상기 그룹 각각은 다른 그룹으로부터 자기 격리되며 분리된 자성 물질을 포함하는 스테이터와,

   회전축과 동심이고 환형의 스테이터와의 사이에 반경 방향의 에어 갭을 형성하도록 환형의 스테이터와 동심을 이루며, 상기 에어 갭의 각 크기를 따라서 교호적인 자극성을 갖는 상태로 실질적으로 등간격으로 분포된 복수의 영구 자석 극을 포함하는 환형 로터로서, 상기 영구 자석 극은 공통의 자속 복귀 경로를 갖는, 환형 로터를

   포함하며,

   전자석 극의 각 그룹은 상기 스테이터와 로터 사이에 기전 상호작용을 기동하도록 스위칭 가능하게 전압 인가되는 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
2. 제 1항에 있어서,

   각각의 스테이터 그룹은 단 한 쌍의 극을 포함하며, 각 극은 상기 한 쌍의 극 중 나머지 다른 극의 자극성과 반대인 자극성을 형성하도록 구성된 권선을 구비하며, 상기 극 쌍의 권선에 대한 스위칭되는 전압 인가는 상기 극 쌍의 자극성의 반전을 일으키는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
3. 제 1항에 있어서,

   로터 위치 센서를 더 포함하며, 상기 권선의 전압 인가를 스위칭하기 위한 신호는 상기 센서에 응답하여 발생되는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 위치 센서는 리졸버(resolver)를 포함하며,

   상기 모터는 상기 신호를 발생시키기 위한 인코더를 더 포함하는

   것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
5. 제 1항에 있어서,

   각각의 스테이터 그룹의 극들 사이의 각 거리는 상기 스테이터의 둘레 전체에 걸쳐서 실질적으로 균일하며, 인접한 그룹의 스테이터 극들 사이의 각 거리와는 다른 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
6. 제 5항에 있어서,

   각각의 스테이터 그룹의 극들 사이의 각 거리는 상기 로터의 인접한 영구 자석 극들 사이의 각 거리에 독립적인 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
7. 제 6항에 있어서,

   각각의 스테이터 그룹의 극들 사이의 각 거리는 상기 로터의 인접한 영구 자석 극들 사이의 각 거리와는 다른 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 스테이터 극은 상기 에어 갭을 따라서 실질적으로 동일한 각 거리로 뻗어있는 극 표면을 구비하고, 상기 로터 영구 자석 극은 상기 에어 갭을 따라서 실질적으로 동일한 각 거리로 뻗어있는 극 표면을 구비하며, 상기 스테이터 극 표면의 각 크기는 상기 로터 극 표면의 각 크기와 다른 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 스테이터 극 표면들은 갭에 의해서 분리되며, 각각의 그룹 내의 인접한 스테이터 극 표면들 사이의 갭은 실질적으로 동일하며, 인접한 스테이터 그룹들 사이의 갭과는 다른 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 로터 극 표면들은 갭에 의해서 실질적으로 균일하게 분리되며, 인접한 로터 극 표면들 사이의 갭은 스테이터 그룹 내의 인접한 스테이터 극 표면들 사이의 갭과는 다른 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 로터는 상기 스테이터를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
12. 제 1항에 있어서,

    스테이터 그룹의 개수는 홀수이며, 각각의 스테이터 그룹 내의 극의 개수는 짝수인 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
13. 제 1항에 있어서,

    각각의 스테이터 그룹은 상기 스테이터 환형 링 구조에 개별적으로 고정되며, 그에 따라 개별 스테이터 그룹 및 이와 결부된 스위칭되는 전압 인가 회로 컴포넌트의 독립적인 분리 및 교체를 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
14. 제 13항에 있어서, 상기 모터는

    플레이트 부재와,

    상기 회전축에 위치된 샤프트 부재를 더 포함하며,

    상기 스테이터 그룹 각각은 상기 회전축으로부터 이격된 반경 방향 거리에서상기 플레이트 부재에 고정되며,

    상기 플레이트 부재는 상기 샤프트 부재에 부착되는 것을

    특징으로 하는 로터리 전기 모터.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 이격된 반경 방향 거리는 상기 스테이터 환형 링의 내측 경계 직경과 외측 경계 직경 사이의 반경 방향 거리보다 더 큰 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
16. 제 13항에 있어서,

    상기 모터는 로터 하우징을 더 포함하고, 상기 로터 환형 로터는 상기 회전축으로부터 이격된 반경 방향 거리에서 상기 하우징 내에 장착되며, 상기 로터 하우징은 베어링을 통해서 상기 샤프트에 대해서 회전할 수 있도록 저널 결합되는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
17. 스테이터와 로터를 구비한 로터리 전기 모터로서, 상기 모터는:

    회전축에 대해서 동심적으로 배열되며 축방향의 에어 갭에 의해서 서로 분리된 제1 및 제2의 환형 링 부재를 포함하며,

    상기 제1의 부재는 전자석 극 그룹을 포함하고, 이들 그룹은 그 환형 링을 따라서 실질적으로 등간격으로 분포되며, 이들 그룹 각각은 다른 그룹으로부터 자기 격리되고 분리된 자성 물질을 포함하고,

    상기 제2의 부재는 상기 에어 갭을 따라서 교호적인 자극성을 갖는 상태로 실질적으로 등간격으로 분포된 복수의 영구 자석 극을 포함하고, 상기 영구 자석 극은 그 환형 링을 따라서 공통의 자속 복귀 경로를 구비하며,

    각각의 전자석 극 그룹은 소정의 순차적인 여자(excitation) 모드, 비순차적인 여자 모드 혹은 임의의 여자 모드에 따라서 제1의 부재와 제2의 부재 사이에서 기전 상호 작용을 기동시키도록 스위칭 가능하게 전압 인가되는 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
18. 제 17항에 있어서,

    상기 로터는 스테이터를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
19. 제 18항에 있어서,

    상기 스테이터는 상기 제1의 환형 링 부재를 포함하고, 상기 로터는 상기 제2의 환형 링 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
20. 제 19항에 있어서,

    상기 환형 스테이터는 상기 회전축으로부터 제1의 반경 방향 거리에 있는 내측 경계부와 상기 회전축으로부터 제2의 반경 방향 거리에 있는 외측 경계부를 포함하며, 상기 내측 경계부와 외측 경계부 사이의 반경 방향 거리는 상기 제1의 반경 방향 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.
21. 제 18항에 있어서,

    상기 스테이터는 상기 제2의 환형 링 부재를 포함하고, 상기 로터는 상기 제1의 환형 링 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 전기 모터.