KR20050097526A

KR20050097526A - 와이어 게이지 및 권수에 있어서 상이한 권선을 구비한 다이나모일렉트릭 머신

Info

Publication number: KR20050097526A
Application number: KR1020057014074A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 에이. 글라디코브
Original assignee: 웨이브크레스트 래버러토리스, 엘엘씨
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-10-07
Also published as: CN1757149A; KR100694934B1; JP2006515149A; CA2510648A1; CA2510648C; CN1754302A; US6847147B2; BRPI0407120A; WO2004070914A2; EP1588471A2; MXPA05008100A; US20040145266A1; AU2004210317A1; WO2004070914A3

Abstract

다위상 모터는 복수의 강자성 스테이터 코어 세그먼트를 포함하며, 코어 세그먼트들은 회전축의 둘레에서 실질적으로 균일하게 이격되고 서로 직접 접촉하지 않도록 격리된다. 각 코어 세그먼트는 위상 권선을 형성하도록 그 위에 감겨진 코일을 갖는 적어도 한 쌍의 극을 형성한다. 각 스테이터 위상 권선은 다른 위상 권선들 각각의 토폴로지(topology)와 다른 토폴로지를 갖도록 구성된다. 각 위상 권선은 하나 이상의 다른 위상 권선들과 다른 총 코일 수를 갖는다. 각 위상 권선은 하나 이상의 다른 위상 권선들의 코일 게이지와 다른 게이지의 코일을 포함한다. 바람직하게는, 위상 권선들 모두는 실질적으로 동일한 총 코일 질량을 갖는다.

Description

와이어 게이지 및 권수에 있어서 상이한 권선을 구비한 다이나모일렉트릭 머신 {DYNAMOELECTRIC MACHINE HAVING WINDINGS THAT DIFFER IN WIRE GUAGE AND NUMBER OF WINDING TURNS}

관련 출원

본 특허 출원은 2001년 4월 5일자로 출원된 마슬로브(Maslove) 외의 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제09/826,423호, 2001년 4월 5일자로 출원된 마슬로브 외의 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제09/826,422호, 2002년 6월 19일자로 출원된 마슬로브 외의 공동계류 중인 미국 특허 출원번호 제10/173,610호, 및 2002년 11월 8일자로 출원된 마슬로브 외의 미국 특허 출원번호 제10/290,505호에 관련된 내용을 포함하고 있으며, 이들 모두는 본 특허출원과 함께 일반 양도되어 있다. 이들 특허 출원의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 병합되어 있다.

기술분야

본 발명은 다이나모일렉트릭 머신의 구조에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 와이어 게이지 및 권선 코일의 총수(總數)가 상이한 각각의 권선들을 갖는 복수의 세그먼트를 포함하는 스테이터 구조에 관한 것이다.

모터 제어를 위한 마이크로컨트롤러 및 마이크로프로세서 기반의 애플리케이션 및 향상된 휴대용 전원 장치의 이용 가능성과 같은 전자 시스템의 진보로 인해, 내연 기관에 대한 실현 가능한 대안으로서 효율적인 차량용 전기 모터 구동장치의 개발은 매력적인 도전이 되고 있다. 전자 제어되는 모터 권선의 펄스식 전압 인가는 모터 특성의 보다 신축적인 관리의 전망을 제공한다. 펄스 폭, 듀티 사이클(duty cycle), 및 적합한 스테이터 권선으로의 배터리 소스의 전환 적용을 제어함으로써, 사실상 교류 동기식 모터의 동작과 구별할 수 없는 기능적인 다용성이 얻어질 수 있다.

상기한 마슬로브 외의 공동 계류중인 관련 미국 특허 출원 제09/826,423호에서는, 단순화된 제작이 용이하며 효율적이고 신축적인 동작 특성이 가능한 개선된 모터에 대한 필요성을 인식하여 다루고 있다. 차량 구동 환경에서는, 최소 동력 소비로 높은 토크 출력을 유지하면서, 넓은 속도 범위에 걸쳐서 원활한 동작을 달성하는 것이 매우 바람직하다. 상기 공동 계류중인 관련 미국 출원에서는 유익한 효과를 제공하기 위해, 전자기 극(electromagnetic pole)이, 반경 방향으로 비교적 얇은 환상(環狀) 링 형태의 세그먼트로 구성된 절연 자기 투과성 구조로서 병합되어 있다. 이러한 구조에 의해, 종래 기술의 실시예와 비교하여, 전자석 코어에서 거의 손실 없이 혹은 유해한 트랜스포머 간섭 효과 없이 자속이 집중될 수 있다.

마슬로브 외의 특허 출원은, 전자석 세그먼트들을 격리하면 거의 자속 손실 없이 또는 다른 코어 세그먼트와의 자속 상호작용에 의한 유해한 트랜스포머 간섭 효과 없이 각각의 자심 세그먼트에서 개별적인 자속 집중이 가능하게 된다는 것을 인지하고 있다. 단일 극 쌍을 독립 전자석으로 구성함으로써 작동상의 이점이 얻어질 수 있다. 다른 극 쌍으로부터의 개별 극 쌍의 자속 경로 격리는, 극 쌍 권선에 대한 전압 인가가 스위칭될 때 인접한 그룹에 대한 자속 트랜스포머 효과를 제거한다.

상기한 공동 계류중인 미국 특허 출원 제10/173,610호에서는, 이러한 구조적인 특징들을 갖는 다위상(multiphase) 모터용 제어 시스템에 대한 것이다. 개별 위상 회로 특성들을 보상하고, 각 위상 제어 루프가 그 대응되는 권선 및 구조와 밀접하게 매칭되므로 보다 고정밀도의 제어성(制御性)을 제공하는 제어 전략이 기재되어 있다. 제어 매개변수들은 각각의 스테이터 위상의 특성들과 구체적으로 매칭된다. 각 위상 권선에 대한 연속적인 스위칭되는 전압 인가는, 그 전압 인가된 위상 권선에 대한 스테이터 위상 성분과 연관된 매개변수들에 따라 신호를 발생시키는 컨트롤러에 의해 제어된다.

상기한 특허 출원에 기재된 모터들이 동작상의 이점을 제공하기는 하나, 이들 모터 및 종래 기술의 모터들은, 불변성 부하에 대해서 조차도 넓은 동작 속도 범위의 모든 속도에서 균일하게 높은 효율성을 보여주지 못한다. 고정 모터 토폴로지(topology)에 대해, 가용(可用) 기자력(MMF: magnetomotive force)은 권선의 권수(捲數) 및 인가 전류에 의존한다. "모터 토폴로지"이라는 용어는, 스테이터 코어의 치수 및 자기(磁氣) 특성, 스테이터 권선의 코일 수 및 와이어 직경(게이지) 등과 같은 모터의 물리적인 특성을 지칭하기 위해 여기서 사용된다. 가용 기자력은 동작 범위에 걸쳐서 토크와 속도 사이의 가변 관계, 일반적으로 역관계(逆關係)로 규정된다. 인가된 작동 전류는 모터를 공칭(公稱) 동작 속도로 구동시킬 수 있다. 모터가 그 속도 쪽으로 가속됨에 따라, 토크는 감소하며, 모터를 구동하도록 유도된 전류도 그에 따라 감소되며, 그래서 효율이 최대 레벨로 상승된다. 최대 효율 레벨을 초과하여 속도가 증가함에 따라, 추가적인 구동 전류가 요구되며, 그래서 그 후에는 효율을 저하시킨다. 그래서, 효율은 속도 범위 전체에 걸쳐서 변하며, 최대 속도보다 훨씬 낮은 속도에서 최대치에 접근하게 된다.

상이한 토폴로지를 갖는 모터들은, 도 1에 예시된 바와 같이 상이한 속도에서 최대 효율을 얻는다. 이 도면은 상이한 토폴로지를 갖는 모터에 있어서 넓은 속도 범위에 걸친 동작 속도 대(對) 모터 효율의 그래프이다. 이 도면에 도시된 토폴로지는 스테이터의 권선의 권수에 있어서만 상이하다. 각각의 효율 곡선은 속도가 제로(0)로부터 특정 속도로 증가함에 따라 최대치에 접근하며, 그 다음에 제로 효율 쪽으로 감소한다. 최대의 권수를 갖는 모터를 나타내는 곡선 A는 가장 이른 속도 V2에서 최대의 효율에 도달하는 가장 가파른 경사를 나타낸다. 하지만 이 속도를 초과하면, 이 곡선은 유사하게 가파른 부(-)의 경사를 나타낸다. 그래서, 이 모터에 대한 동작 범위는 제한된다. 이 모터가 동작하거나 또는 도 1에서 X%로 표시된 허용 가능 효율 레벨보다 높은 속도 범위의 창은 비교적 폭이 좁다.

곡선 B 내지 E는, 순차적으로 더 적은 권수를 갖는 모터를 나타낸다. 권선의 권수가 감소함에 따라, 최대 효율을 위한 모터 동작 속도는 증가한다. 곡선 B는 속도 V3에서, 곡선 C는 속도 V4에서, 곡선 D는 V5에서 및 곡선 E는 속도 V6에서 최대 효율을 달성한다. 각 모터는 서로 다른 모터 동작 속도에서 최대 효율을 가지며, 어느 것도 모터의 동작 속도의 전 범위에 걸쳐서 허용 가능 효율을 갖지 않는다.

차량 구동 환경과 같이 넓은 속도 범위에 걸쳐서 모터가 구동되는 모터 적용에 있어서, 도 1은 전 속도 범위에 걸쳐서 균일하게 높은 동작 효율을 제공하는 이상적인 단일의 모터 토폴로지는 존재하지 않음을 나타낸다. 예를 들면, V6 이상의 속도에서, 곡선 A 및 B는 제로 효율을 나타낸다. 속도 범위의 하단(下端), 예를 들면 V2에서, 곡선 C 내지 E는 곡선 A 및 B보다 훨씬 낮은 효율을 나타낸다.

모터 차량 구동에 있어서, 동작 효율은 배터리의 수명 및 그에 따라 내장형 배터리를 재충전 또는 교체해야 하는 기간을 연장시키는데 바람직하므로 특히 중요하다. 그래서, 현재 사용되고 있는 모터들보다도 더 넓은 속도 범위에 걸쳐서 보다 균일하게 고 효율로 동작할 수 있는 모터에 대한 요구가 존재한다. 이러한 요구는 상기한 마슬로브 외의 특허 출원('030)에서 다루어지고 있다. 그 특허 출원에서 취해진 방법은 동력학적 기반하에, 시동시와 모터가 동작할 것으로 예상되는 최대 속도 사이의 복수의 속도 범위들 각각에 있어서 각 스테이터 권선의 유효 코일(active coil)의 개수를 변경시키는 것이다. 속도 범위는 도 1에 예시된 것과 유사한 방식으로 설정되며, 복수의 동작 속도 범위들 각각에 대해 최대 효율을 얻기 위해, 전압 인가되는 상이한 수의 모터 스테이터 권선 코일이 각 속도 범위에 대해 지정된다. 전압 인가된 코일의 개수는 속도가, 인접한 속도 범위들 사이의 문턱값을 넘을 때 변경된다. 각 권선은, 탭 연결부에 의해 분리된 복수의 개별적인, 직렬 연결된 코일 세트를 포함한다. 각각의 탭은 단일의 해당 속도 범위 동안에 스위치에 의해 전압 인가 소스에 연결된다. 그래서 권선은 각 속도 범위에 대해 상이한 수의 전압 인가된 코일을 갖는다.

이러한 구조가 고 효율이 얻어질 수 있는 속도 범위를 확대시키기는 하나, 모터 권선의 유도 특성(inductive characteristic)은 전원 장치에 대한 탭의 접속 및 분리가 정밀하게 시간에 맞춰 이루어지는 것을 요한다. 따라서, 정확한 작용을 달성하기 위해 상당한 양의 전자 전력 회로 및 제어 회로가 제공되어야 한다. 특히 모터 구성에 있어서의 구조적인 한계점은 탭 및 그에 따른, 개별 스테이터 권선으로부터 이용 가능한 코일 세트의 개수를 제한할 수 있다.

그래서, 확장된 속도 범위에 걸쳐서 고효율의 모터 동작이 얻어질 수 있는 대안적인 방법에 대한 요구가 여전히 존재한다.

도 1은 상이한 권선 권수를 갖는 다양한 종래의 모터에 대해 넓은 속도 범위에 걸친 모터 동작 속도 대 모터 효율을 나타내는 그래프.

도 2는 본 발명에 사용될 수 있는 로터 및 스테이터 요소의 예시적인 구성도.

도 3은 본 발명을 예시하는 다위상 모터의 각 위상에 대한 와이어 게이지 및 권선의 총권수를 나타내는 차트.

도 4는 도 2의 모터를 위한 전압 공급 회로의 부분적인 블록도.

도 5는 동작 속도 범위에 걸쳐서 도 2의 모터의 각 위상 권선에 인가된 전압의 예시적인 그래프.

도 6은 도 5에 따른 인가 전압에 대한 모터 동작 속도 대 모터 효율을 나타내는 그래프.

본 발명은 종래 기술의 상기한 요구를 충족하며, 상기한 마슬로브 외의 특허 출원에 개시된 격리된 개별 스테이터 코어 구조와 같은 구성에 대해 추가적인 이점을 제공한다. 본 발명의 개념은, 단일의 일체형 코어 구조를 포함하는 임의의 스테이터 구성의 모터 또는 발전기에도 또한 유익하다.

예를 들면 적어도 부분적으로는, 스테이터가 복수의 강자성 코어 세그먼트를 포함하며, 이들 코어 세그먼트들은 회전축의 둘레에서 실질적으로 균일하게 이격되고 서로 직접 접촉하지 않게 격리되어 있는 다위상(多位相) 모터에 있어서 이점이 얻어진다. 각 코어 세그먼트는, 위상 권선(phase winding)을 형성하도록 코일들이 감겨진 적어도 한 쌍의 극(pole)을 형성한다. 각 스테이터 위상 권선은 다른 위상 권선들 각각의 토폴로지와 다른 토폴로지를 갖도록 구성된다. 권선 토폴로지는, 각 위상 권선에 있어서의 코일들의 와이어 게이지 및 코일의 총권수(總捲數)에 의해 특징지어 진다. 각 위상 권선은, 하나 이상의 다른 위상 권선들과는 다른 코일의 총수를 가질 수 있다. 각 위상 권선은, 하나 이상의 다른 위상 권선들의 코일 게이지와는 다른 게이지의 코일들을 포함할 수 있다. 위상 권선의 권선 토폴로지는 다른 위상 권선들의 권선 토폴로지와 다르지만, 위상 권선들 모두가 실질적으로 동일한 총 코일 질량을 갖는 것이 특히 바람직하다. 즉, 보다 적은 수의 코일 권수를 갖는 권선은 보다 큰 와이어 직경(게이지)을 갖는다. 바람직하게는, 모든 위상 권선들은 상이한 총 권수 및 상이한 와이어 게이지를 가지며, 게이지 사이즈와 코일 권수는 서로에 대해 역관계에 있다.

본 발명의 모터 구조는, 시동시로부터 모터가 동작할 수 있을 것으로 예상되는 최대 속도까지의 여러 동작 속도 범위들 각각에 있어서 최대 효율을 얻을 수 있도록 권선 전압 인가가 적합하게 될 수 있다는 점에서 바람직하다. 개별 속도 범위가 확인될 수 있고, 각 위상 권선의 전압 인가 각도가, 거기에 인가된 전압에 나타나는 바와 같이, 각 속도 범위에 있어서 동작 효율을 최대화하도록 유도될 수 있다. 각 동작 속도 범위에서 각 위상 권선에 대한 최적 인가 전압의 유도는 이론적인 기초에 의해 또는 실험을 통해 경험적으로 이루어질 수 있다. 다수의 위상을 수용하는 기계 구조에 대한 일례로서, 각 속도 범위에 대한 유도 전압은, 일부 위상 권선들이 그들에 인가된 전압을 갖지 않는데 반해 나머지 위상 권선들 각각은 그들에 인가된 상이한 전압을 갖도록 이루어질 수 있다. 전압 인가되는 위상 권선들의 수와 동일성(identity), 및 개별적으로 인가된 전압의 크기는 각 속도 범위에 있어서 다를 수 있다. 각 속도 범위에 대해 각 위상 권선에 인가되는 최적 전압은, 동작시에, 전압 인가된 특정 위상 권선들 및 각 위상 권선에 인가된 전압의 크기가 모터의 동작 속도가 인접한 속도 범위로 증가 또는 감소됨에 따라 동역학적으로 변경될 수 있도록 미리 결정된다.

본 발명의 다른 이점들은 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 사항으로서 예시되는 것은 아니며, 이들 도면에서 유사 참조 번호는 유사한 요소를 지칭한다.

도 2는 본 발명에 사용될 수 있는 로터 및 스테이터 요소의 예시적인 구성도이다. 여기에 예시된 모터의 보다 상세한 설명에 대해서는 상기한 공동계류 중인 마슬로브 외의 특허 출원 09/826,422호를 참고하기 바란다. 로터 부재(20)는, 서로 이격되며 원통형의 백 플레이트(25)를 따라 실질적으로 균일하게 분포된 영구자석(21)을 갖는 환상의 링 구조이다. 영구자석은, 환상 링의 내주(內周)를 따라 자극성(磁極性)이 교호적으로 되는 로터 극(rotor pole)이다. 로터는 스테이터 부재(30)를 둘러싸며, 로터 부재와 스테이터 부재는 환상의 반경방향 에어 갭에 의해 분리되어 있다. 스테이터(30)는, 에어 갭을 따라 균일하게 분포된 균일한 구성의 복수의 전자석 코어 세그먼트를 포함한다.

스테이터는 7개의 코어 세그먼트를 포함하며, 각 코어 세그먼트는 에어 갭과 마주하는 표면(32)을 구비한 2개의 극을 갖는 대체로 U형상의 자석 구조(36)로 형성된다. 극 쌍(pole pair)의 레그(leg)에는 권선(38)이 감겨지지만, 코어 세그먼트는 극 쌍을 연접시키는 부분 상에 형성된 단일의 권선을 수용하도록 구성될 수도 있다. 각각의 스테이터 전자석 코어 구조는 인접한 스테이터 코어 요소들로부터 분리되며 자기 격리되어 있다. 코어 세그먼트 각각은 위상을 나타내는 것으로 간주될 수 있으며, 위상 권선들은 에어 갭을 따라 연속적으로 라벨(38a-38g)에 의해 식별된다. 스테이터 요소(36)는 비투자성(非透磁性) 지지 구조에 고정되며, 그에 따라 환상 링 구조를 형성한다. 이 구조는 인접한 스테이터 극 그룹들로부터의 스트레이 트랜스포머 자속 효과의 영향을 제거한다. 능동 모터 요소들이 보다 분명하게 보일 수 있도록 도시(圖示)가 생략된, 적절한 스테이터 지지 구조는 앞에서 언급한 특허 출원에서 볼 수 있다.

권선들(38a-38g)은, 와이어 게이지 및 권선 코일의 총권수와 관련하여 권선 토폴로지가 서로 다르다. 각 위상 권선이 고유한 권선 총권수 및 고유한 와이어 게이지를 가는 것이 본 실시예에서는 바람직하지만, 2개 이상의 위상 권선이 유사한 와이어 게이지 또는 권수를 가질 수도 있다. 다른 실시예는 더 많은 수의 격리된 코어 세그먼트 극 쌍들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서는 일부 위상 권선들이 동일한 권선 토폴로지를 갖는 것이 바람직할 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 7개의 위상의 모터에 대한 위상 권선 토폴로지를 예시하는 차트이다. 각 위상 권선은 고유한 코일 권수를 가지며 고유한 와이어 게이지로 구성된다. 위상 권선들 각각의 총 동(銅) 질량은 동일하다.

도 4는 도 2의 모터를 위한 전압 공급 회로의 부분적인 블록도이다. 위상 권선들(38a-38g)은 각각 변압기(voltage converter)(42a-42g)에 의한 직렬 접속을 통해 d-c 전원 장치에 접속된다. 각 변압기의 제어 단자는 컨트롤러(44)에 결합되며, 이 컨트롤러는 전원 장치(40)를 가로질러 접속되어 있다. 컨트롤러와 변압기는, 공동계류 중인 마슬로브 외의 특허 출원 10/173,610호에 보다 상세하게 기재된 것과 같은 종래 기술의 장치이다. 마이크로프로세서 및 연관된 저장 수단을 포함할 수 있는 컨트롤러(44)는, 하나 이상의 사용자 입력 및 동작 중에 감지된 모터 상태들을 위한 복수의 입력을 가질 수 있다. 본 발명의 설명의 명료화를 위해, 모터 속도 입력이 도시된 유일한 모터 상태 피드백 입력이다. 속도 입력 신호는 임의의 종래의 모터 속도 센서에 의해 생성될 수 있다. 동작 범위에 걸쳐서 복수의 속도 범위들 각각에 대한 각 위상 권선에 인가되는 전압 레벨을 식별하는 테이블이 컨트롤러에 저장되어 있다. 다양한 속도 범위에 있어서 위상 권선들(38a-38g) 각각에 대해 최대 동작 효율을 제공하는 것으로 확인된 전압값들이 아래의 테이블에 식별되어 있다. 각 범위에 대한 동작 효율도 또한 테이블에 기재되어 있다.

<테이블>

동작시, 컨트롤러(44)는 시동시에 어느 위상 권선에 전압이 인가되어야 하는지 및 각 위상 권선에 인가되는 전압 레벨을 결정하기 위해 테이블로부터의 데이터에 액세스한다. 컨트롤러는, 이들 값에 적합한 제어 전압을 위상 권선에 접속된 각각의 변압기에 출력한다. 모터가 가속됨에 따라, 모터 속도가 각각 샘플링되고 신호 입력으로서 컨트롤러에 공급된다. 수신된 속도 입력 신호에 응답하여, 컨트롤러는 감지된 속도가 위치된 속도 범위에서 각 위상 권선에 대한 전압 데이터를 수신하기 위해 저장된 테이블에 액세스한다. 액세스된 데이터에 대응하는 새로운 제어 신호가, 만약에 적합하다면 위상 권선에 인가된 전압을 변경시키도록 변압기에 출력된다. 모터의 부하가 변함에 따라, 모터 속도도 그에 상응하게 변할 수 있다. 컨트롤러는 다시, 테이블에 의해 제공되는 바와 같이 이들 변화에 대한 출력 제어 전압을 조정하게 되며, 그래서 전 동작 속도 범위에 걸쳐서 최적의 동작 효율을 유지시킨다.

테이블은 정밀하게 조정된 전압 레벨의 적용을 위해 매우 세분화된 360 rpm의 동작 속도 범위를 나타낸다. 이 정보는 도 5에 그래프 형태로 제공되어 있으며, 각 곡선은 상기 범위 전체에 걸쳐서 각각의 위상 권선에 인가된 전압을 나타낸다. 곡선 1은 위상 권선(38a)에 인가된 전압을 나타내고; 곡선 2는 위상 권선(38c)에 인가된 전압을 나타내며; 곡선 3은 위상 권선(38c)에 인가된 전압을 나타내고; 곡선 4는 위상 권선(38b)에 인가된 전압을 나타내며; 곡선 5는 위상 권선(38b)에 인가된 전압을 나타내고; 곡선 6은 위상 권선(38d)에 인가된 전압을 나타내며; 곡선 7은 위상 권선(38f)에 인가된 전압을 나타낸다.

동작 속도 범위의 상이한 부분 동안에, 상이한 조합의 위상 권선들에 전압이 인가되게 된다. 어느 시간에도 7개의 위상 권선 모두가 전압 인가되지는 않는다. 도 4로부터 분명히 알 수 있는 바와 같이, 시작시에, 100 rpm의 속도까지 나타낸 바와 같이 4개의 위상 권선이 가변 전압 레벨로 전압 인가된다. 100 내지 140 rpm 사이의 속도에 대해, 3개의 위상 권선이 도시된 바와 같은 전압 레벨로 전압 인가되고; 140 내지 160 rpm 사이에서, 2개의 위상 권선이 전압 인가되며; 160 내지 180 rpm 사이에서, 3개의 위상 권선이 전압 인가되고; 180 내지 220 rpm 사이에서, 2개의 위상 권선이 전압 인가되며; 220 내지 230 rpm 사이에서, 3개의 권선이 전압 인가되고; 230 내지 290 rpm 사이에서, 2개의 위상 권선이 전압 인가되며; 290을 넘는 속도에서는, 단 하나의 권선만이 전압 인가된다. 이들 범위 각각에 대해, 상이한 조합의 전압 인가된 위상 권선이 식별되며, 상이한 인가 전압이 공급된다.

전 속도 범위에 걸쳐 상기 테이블에 따른 모터 동작 효율이 도 6에 그래프 형식으로 도시되어 있다.

이 곡선과 도 1에 도시된 종래 방식으로 동작하는 모터의 효율 곡선의 비교는, 본 발명의 동작 효율이 향상되었음을 예시한다. 본 발명의 스테이터 권선 구성은 모터 동작 범위에 걸쳐서 테이블에 표시된 전압에 따라 전압 인가될 때, 속도 범위의 대략 3/4에 걸쳐서 80% 이상의 모터 동작 효율을 제공한다.

상기 개시 내용에는, 본 발명의 바람직한 실시예 및 그 다용성의 몇 가지 예만 도시되고 설명되었다.

본 발명은 다양한 다른 조합 및 환경에도 사용할 수 있고 본 명세서에 언급된 바와 같은 진보성 개념의 범위 내에서 변경 또는 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 예를 들면, 알 수 있는 바와 같이, 모터 토폴로지는 다른 개수의 극, 극의 치수 및 구성, 극 조성물 등에 대해 현저하게 달라질 수 있다. 다른 코일 권수 및 속도 범위 서브셋(subset)이 특정 토폴로지에 적합하게 선택될 수 있다. 상이한 게이지의 와이어로 각 스테이터 코어 세그먼트를 감는 대신에, 모든 와이어가 동일한 게이지로 되면서 각 스테이터 코어 세그먼트 상의 권수가 변경될 수 있다. 코일 섹션의 구성은 다른 토폴로지에 대한 최적 효율 곡선을 충족시키기 위해 변경될 수 있다. 하나 이상의 속도 범위를 증대 및/또는 감소시키기 위해 문턱값 레벨이 조정될 수 있으며, 그래서 보다 균일한 또는 불균일한 속도 범위 서브셋 분포를 설정할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 다이나모일렉트릭 머신의 구조, 보다 구체적으로는 와이어 게이지 및 권선 코일의 총수가 상이한 각각의 권선들을 갖는 복수의 세그먼트를 포함하는 스테이터 구조 등에 이용할 수 있다.

Claims

스테이터 및 로터를 포함하는 다이나모일렉트릭 머신으로서,

상기 스테이터는:

각 세그먼트가 그 위에 감겨진 코일의 총수(總數)를 갖는, 복수의 코어 세그먼트들을 포함하며,

상기 코어 세그먼트들 중 제1의 코어 세그먼트 상의 코일의 총수는, 상기 코어 세그먼트들 중 제2의 코어 세그먼트 상의 코일의 총수와 다른

다이나모일렉트릭 머신.
제1항에 있어서,

상기 제1의 코어 세그먼트 상의 상기 코일은, 상기 제2의 코어 세그먼트 상의 상기 코일의 와이어 게이지(wire gauge)와 다른 와이어 게이지를 갖는, 다이나모일렉트릭 머신.
제1항에 있어서,

상기 스테이터는 적어도 3개의 코어 세그먼트를 포함하며;

상기 코어 세그먼트들 각각은 적어도 한 쌍의 극(pole)으로 구성되고, 상기 코일들은 위상 권선(phase winding)을 형성하도록 상기 극에 감겨지며;

각 위상 권선은 다른 위상 권선들 각각과는 다른 코일의 총수를 갖는

다이나모일렉트릭 머신.
제3항에 있어서,

상기 코어 세그먼트들 각각은 다른 코어 세그먼트들 어느 것과도 직접 접촉하지 않고 격리된 강자성(强磁性) 물질을 포함하며, 상기 코어 세그먼트들은 회전축의 둘레에서 실질적으로 균일하게 이격되어 있는, 다이나모일렉트릭 머신.
제3항에 있어서,

상기 위상 권선들 중 하나는, 다른 위상 권선들 중 적어도 하나의 코일 게이지와 다른 게이지의 코일을 포함하는, 다이나모일렉트릭 머신.
제5항에 있어서,

각 위상 권선은, 다른 위상 권선들 각각의 코일 게이지와 다른 게이지의 코일을 포함하는, 다이나모일렉트릭 머신.
제6항에 있어서,

상기 위상 권선들의 게이지 사이즈는 상기 위상 권선들의 총 코일 권수에 관하여 역관계(逆關係)인, 다이나모일렉트릭 머신.
제1항에 있어서,

상기 로터는 복수의 영구자석을 포함하는, 다이나모일렉트릭 머신.
스테이터 및 로터를 포함하는 다이나모일렉트릭 머신으로서,

상기 스테이터는:

강자성 물질을 포함하는 적어도 3개의 코어 세그먼트로서, 상기 코어 세그먼트들은 회전축의 둘레에서 실질적으로 균일하게 이격되고 서로 직접 접촉하지 않도록 격리되며, 각 코어 세그먼트는 위상 권선을 형성하도록 그 위에 감겨진 다수의 코일을 갖는 적어도 한 쌍의 극으로 구성된, 적어도 3개의 코어 세그먼트를 포함하며,

상기 위상 권선들 중 제1의 위상 권선은, 상기 위상 권선들 중 제2의 위상 권선의 와이어 게이지와 다른 와이어 게이지를 갖는,

다이나모일렉트릭 머신.
제9항에 있어서,

각 위상 권선은 다른 위상 권선들 각각의 와이어 게이지와 다른 와이어 게이지를 갖는, 다이나모일렉트릭 머신.
제9항에 있어서,

상기 제1의 위상 권선의 코일의 수는, 상기 제2의 위상 권선의 코일의 수와 다른, 다이나모일렉트릭 머신.
스테이터 및 로터를 포함하는 다위상(多位相) 모터로서,

상기 스테이터는:

복수의 강자성 코어 세그먼트로서, 상기 코어 세그먼트들은 회전축의 둘레에서 실질적으로 균일하게 이격되고 서로 직접 접촉하지 않도록 격리되며, 각 코어 세그먼트는 위상 권선을 형성하도록 그 위에 감겨진 코일을 갖는 적어도 한 쌍의 극으로 구성되고, 상기 위상 권선은 상기 코일의 총수 및 상기 코일의 와이어 게이지에 의해 특징지어지는 토폴로지(topology)를 가지며, 적어도 2개의 위상 권선 각각은 서로 다른 토폴로지를 갖는,

다위상 모터.
제12항에 있어서,

상기 위상 권선들 모두는 실질적으로 동일한 총 코일 질량을 갖는, 다위상 모터.