KR20050097527A - 상이한 와이어 게이지 및 권선수를 가지는 위상 권선용다상 모터 전압 제어 - Google Patents

Abstract

다상 모터는 회전축 근처에 분포된 복수개의 강자성적으로 격리된 고정자 전자석을 갖는다. 모터가 작동할 것으로 예상될 수 있는 동안의 연속적 속도 범위가 규정된다. 전자석의 특정 하위세트는 각각의 속도 범위와 연관되며, 각각의 특정 하위세트는 상이한 조합의 전자석을 포함한다. 각각의 규정된 속도 범위에 대해 각각의 위상 권선에 인가될 해당 전압 크기가 미리 규정된다. 모터 속도는 모터 작동에 걸쳐 감지된다. 각각의 규정된 속도 범위에서, 연관된 하위세트의 전자석만 여자되며, 각각의 여자된 전자석에는 상이한 소정 전압 크기가 인가된다.

Description

상이한 와이어 게이지 및 권선수를 가지는 위상 권선용 다상 모터 전압 제어 {MULTIPHASE MOTOR VOLTAGE CONTROL FOR PHASE WINDINGS OF DIFFERENT WIRE GAUGES AND WINDING TURNS}

본 출원은 본 출원과 함께 공통으로 양도된, 계류중인 미국 출원 09/826,423 (Boris Maslov 등, 2001. 4. 5. 출원), 계류중인 미국 출원 09/826,422 (Boris Maslov 등, 2001. 4. 5. 출원), 계류중인 미국 출원 10/173,610 (Boris Maslov 등, 2002. 6. 19. 출원), 미국 출원 10/290,505 (Boris Maslov 등, 2002. 11. 8. 출원) 및 미국 출원 10/352,897 (Alexander Gladkov, 2003. 1. 29. 출원) 에 관련된 요지를 포함하는 것이다. 이들 출원의 개시사항은 본원에 참고로 도입된다.

본 발명은 다상 모터의 제어에 관한 것으로, 보다 구체적으로 연속 모터 작동 속도 범위에 걸친 상이한 권선 (winding) 및 와이어 게이지 토폴로지 (topology) 를 가지는 개별 위상 권선으로의 상이한 전압 인가에 관한 것이다.

모터 제어를 위한 마이크로콘트롤러 및 마이크로프로세서 기반 적용분야 뿐만 아니라 향상된 휴대용 전원의 이용가능성과 같은 전자 시스템의 진보적 개선으로 운송수단용 효율적 전기 모터 구동이 강제적인 규제 대상인 연소 엔진에 대한 실용적 대안으로 개발되어 왔다. 모터 권선의 전기적으로 제어되는 펄스형 여자 (energization) 는 모터 특성에 대해 보다 유연한 관리 가능성을 제공한다. 펄스 폭, 듀티 (duty) 사이클 및 적절한 고정자 (stator) 권선으로 스위치되는 전지 전원의 인가를 제어함으로써, 교류 동기식 모터 작동과 실제로 구별할 수 없는 기능적 다양성을 달성할 수 있다.

상기 나타낸 Maslov 등의 계류중인 관련 미국 특허 출원, 출원 번호 09/826,423 은 제작을 단순화시키기 쉽고, 효율적이고 유연한 작동 특성이 가능한 개선된 모터의 필요성을 확인하고 제기한다. 운송수단 구동 환경에서는, 최소 전력 소비로 높은 토크 출력 (torque output) 능력을 유지하면서 넓은 속도 범위에 걸쳐 원활한 작동성을 획득하는 것이 크게 요구된다. 상기 계류중인 미국 출원은 전자석 극 (pole) 을 환상 고리에 절편으로 배치된 격리된 투자성의 (magnetically permeable) 구조로서 방사 방향으로 비교적 얇게 도입하여 유리한 효과를 제공한다. 이러한 배열로, 선행 기술의 실시형태와 비교하여, 플럭스 (flux) 가 실제로 손실되거나 전자석 코어에서의 해로운 변압기 간섭 효과 없이 집중될 수 있었다.

Maslov 등의 출원은 전자석 절편의 격리가 실제로 플럭스 손실이나 다른 코어 절편과의 플럭스 상호작용으로 인한 해로운 변압기 간섭 효과 없이, 각각의 자기 코어 절편에서 플럭스를 개별 집중시킬 수 있음을 인지하였다. 단일 극쌍 (pole pair) 을 독립 (autonomous) 전자석으로 배치함으로써, 작동상 이점을 획득할 수 있다. 다른 극쌍으로부터 개별 극쌍의 자기 경로 (magnetic path) 격리는 극쌍의 권선의 여자가 스위치되는 경우, 인접 그룹 상의 플럭스 변압기 효과를 없앤다.

상기 나타낸 계류중인 미국 특허 출원 10/173,610 은 이러한 구조적 특징을 가지는 다상 모터에 관한 제어 시스템에 대한 것이다. 각각의 위상 제어 루프는 그 대응 권선 및 구조와 밀접하게 정합되므로, 개별적인 위상 회로 특성을 보상하고 높은 정도의 정밀 제어능력을 부여하는 제어 전략이 기재된다. 제어 변수는 각각의 해당 고정자 상의 특징과 구체적으로 정합된다. 각각의 위상 권선의 연속적으로 스위치되는 여자는 여자된 위상 권선을 위한 고정자 위상 요소와 연관되는 변수에 따라 신호를 발생시키는 제어장치에 의해 조절된다.

상기 나타낸 출원에 기재된 모터는 작동상 이점을 제공하지만, 이들 모터 및 선행 기술의 모터는 변하지 않는 부하에서도 넓은 작동 속도 범위의 모든 속도에서 균일하게 높은 효율을 나타내지 않는다. 고정된 모터 토폴로지에 있어서, 이용가능한 기자력 (magnetomotive force, MMF) 은 권선수 및 여자 전류에 의존한다. "모터 토폴로지" 라는 용어는 본원에서 고정자 코어의 크기 및 자기적 특성, 고정자 권선의 코일수 및 와이어 직경 (게이지) 등과 같은 물리적 모터 특성을 나타내기 위해 사용된다. 이용가능한 기자력이란 작동 범위에 걸쳐 토크와 속도 사이의 가변적인, 일반적으로는 반비례하는 상관관계를 나타낸다. 인가된 여자 전류는 공칭 (nominal) 작동 속도로 모터를 구동할 수 있다. 모터가 상기 속도로 가속되면, 이에 따라 토크가 감소하고 모터를 구동하기 위해 걸리는 전류가 감소하여, 효율이 최대 레벨로 증가한다. 속도가 피크 효율을 초과하는 레벨로 증가하면, 추가적인 구동 전류가 필요해져서 이후에는 효율이 희생된다. 따라서, 효율은 속도 범위에 걸쳐 가변적이며, 최대 속도 훨씬 미만의 속도에서 피크에 도달한다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 상이한 토폴로지를 가지는 모터는 상이한 속도에서 피크 효율을 수득한다. 위 도면은 상이한 토폴로지를 가지는 모터에 대해 넓은 속도 범위에 걸친 모터 효율 대 작동 속도간의 도면이다. 위 도면에 나타낸 토폴로지는 단지 고정자 권선수만이 상이하다. 각각의 효율 곡선은 속도가 0 으로부터 특정 속도로 증가함에 따라 피크값에 도달한 후, 효율 0 으로 감소한다. 최대 권선수를 가지는 모터를 나타내는 곡선 A 는 가장 급한 기울기의 경사를 나타내어 가장 빠른 속도 V2 에서 피크 효율에 도달한다. 그러나 상기 속도 이후에는, 곡선은 유사한 기울기의 감소하는 경사를 나타낸다. 즉, 상기 모터에 대한 작동 범위는 제한된다. 도 1 에서 X% 로 나타내는, 상기 모터가 수용할만한 효율 레벨에서 또는 이를 초과하여 작동하는 속도 범위 윈도우는 상대적으로 좁다.

곡선 B 에서 E 는 점점 더 적은 권선수를 가지는 모터를 나타낸다. 권선수가 감소할수록, 최대 효율을 위한 모터 작동 속도는 증가한다. 곡선 B 는 속도 V3 에서, 곡선 C 는 V4 에서, 곡선 D 는 V5 에서, 그리고 곡선 E 는 V6 에서 피크 효율을 획득한다. 각각의 모터는 상이한 모터 작동 속도에서 피크 효율을 가지며, 어느 것도 모터 작동 속도의 전체 범위에 걸쳐 수용할만한 효율을 갖지 않는다.

운송수단 구동 환경과 같이 모터가 넓은 속도 범위에 걸쳐 구동되는 모터 적용분야에 있어서, 도 1 은 전체 속도 범위에 걸쳐 균일하게 높은 작동 효율을 제공할 이상적인 단일 모터 토폴로지가 존재하지 않음을 시사한다. 예를 들어, V6 을 초과하는 속도에서, 곡선 A 및 B 는 효율 0 을 나타낸다. 속도 범위의 하부 말단에서, 예를 들어 V2 까지, 곡선 C 내지 E 는 곡선 A 및 B 보다 상당히 낮은 효율을 나타낸다.

모터 운송수단 구동에 있어서는, 전지 수명과 이에 따른 적재 전지의 재충전 또는 교체가 필요해지는 시기를 연장시키는 것이 바람직하므로, 작동 효율은 특히 중요하다. 따라서, 현재 사용 중인 것보다 넓은 속도 범위에 걸쳐 보다 균일하게 높은 효율로 작동할 수 있는 모터의 필요성이 존재한다. 상기 필요성은 미국 출원 10/290,505 에서 제기된다. 여기에서 취한 접근 방법은 동적 기반에서, 출발속도 및 모터가 작동할 것으로 예상될 수 있는 최대 속도 사이의 복수개의 속도 범위 각각에 대해 각각의 고정자 권선의 활성 코일수를 변경하는 것이다. 속도 범위는 도 1 에 나타낸 바와 유사한 방식으로 확인되었고, 여자될 상이한 개수의 모터 고정자 권선 코일을 각각의 속도 범위에 대해 지정하여, 복수개의 작동 속도 범위 각각에 대해 최대 효율을 수득한다. 속도가 인접 속도 범위 사이에서 문턱값 (threshold) 를 통과하면, 여자된 코일의 개수를 변경한다. 각각의 권선은 탭 연결로 구분된 복수개의 개별, 직렬 연결된 코일 세트를 포함한다. 각각의 해당 탭은 단일 대응 속도 범위 동안 스위치에 의해 여자 전원으로 연결된다. 따라서, 권선은 각각의 속도 범위에 대해 상이한 개수의 여자된 코일을 갖는다.

상기 배열은 고효율이 수득될 수 있는 속도 범위를 확대시키지만, 모터 권선의 유도성 특징은 탭을 전원으로 및 전원으로부터 정확한 시간에 연결 및 분리할 것을 요구한다. 따라서, 정확한 기능을 얻기 위해, 상당량의 전력 회로 및 제어 회로가 제공되어야 한다. 특정 모터 배치의 구조적 제한은 개별 고정자 권선에서 이용가능한 탭의 개수 및 이에 따른 코일 세트를 제약할 수 있다.

따라서, 확대된 속도 범위에 걸쳐 고효율 모터 작동을 수득할 수 있는 대안적 방법의 필요성이 남아 있다. 이러한 필요성은 상기 나타낸 계류중인 Gladkov 의 출원 (담당 변리사 관리번호 57357-053) 에서 제기된다. 상기 출원은 각각의 고정자 위상 권선이 각각의 다른 위상 권선의 토폴로지와 상이한 토폴로지로 배치된 모터 구조를 기재한다. 권선 토폴로지는 각각의 위상 권선 중 코일의 총 권선수 및 각각의 위상 권선 중 코일의 와이어 게이지에 의해 특징지워진다. 각각의 위상 권선은 코일의 총 권선수 또는 와이어 게이지, 바람직하게는 양측 모두가 각각의 다른 위상 권선과 상이하다. 위상 권선의 게이지 크기 및 코일의 총 권선수는 서로에 대해 반비례하는 상관관계로, 모든 위상 권선은 실질적으로 동일한 전체 코일 질량으로 제공된다. 출발속도부터 모터가 작동할 것으로 예상될 수 있는 최대 속도의 복수개의 작동 속도 범위 각각에서 최대 효율을 수득하기 위해, 위상 권선 여자를 맞출 수 있다.

각각의 작동 속도 범위에서 각각의 위상 권선에 인가될 최적 전압을 제공할 필요가 있다. 다수의 상을 수용하는 기계 구조에 있어서, 위상 권선이 인가된 전압을 갖지 않는 각각의 속도 범위를 미리 규정하는 것 뿐만 아니라 어느 소정 전압 크기가 나머지 각각의 위상 권선에 인가될 것인지를 확인하는 것도 필요하다. 여자될 위상 권선의 개수 및 특성 뿐만 아니라 개별적으로 인가되는 소정 전압의 크기도 각각의 속도 범위에 대해 상이할 수 있다. 최적의 소정 전압은 감지된 모터 속도에 따라 동적 기반으로 인가되어야 한다.

상 권선에 대한 소정 전압을 유도하여 주어진 토크에 대해 전체 모터 작동 속도 범위에 걸쳐 최적 효율을 제공할 수 있지만, 모터 운송수단과 같이 가변적 모터 속도에 대한 제어를 요구하는 여러 모터 적용분야가 존재한다. 모터 출력 토크는 원하는 속도와 관련된 사용자의 입력 명령 (input command) 에 따라 조정되어야 한다. 따라서, 사용자 명령에 따른 가변적 토크 출력에서의 작동 속도 범위에 걸쳐 효율을 최적화하는 인가된 위상 권선 전압을 발생시킬 것이 추가로 요구된다.

도 1 은 상이한 권선수를 가지는 상이한 종래 모터에 대한 넓은 속도 범위에 걸친 모터 효율 대 모터 작동 속도간의 도면.

도 2 는 본 발명에서 채용될 수 있는 회전자 (rotor) 및 고정자 요소의 예시적 배치도.

도 3 은 본 발명을 예시하는 다상 모터의 각 상에 대한 와이어 게이지 및 전체 권선수를 나타내는 차트.

도 4 는 도 2 의 모터에 대한 전압 공급 회로의 부분 블록도.

도 5 는 작동 속도 범위에 걸쳐 도 2 의 모터의 각각의 위상 권선에 인가되는 전압의 예시도.

도 6 은 도 5 에 따라 인가되는 전압에 대한 모터 효율 대 모터 작동 속도간의 도면.

본 발명은 복수개의 작동 속도 범위에 걸쳐, 회전축 근처에 분포된 복수개의 강자성적으로 격리된 고정자 전자석을 가지고, 상기 각 전자석은 강자성 코어 상에 형성되는 위상 권선을 가지는 다상 모터를 제어하기 위한 상술된 필요성을 만족시킨다. 모터가 작동할 것으로 예상될 수 있는 동안의 연속적 속도 범위가 규정된다. 전자석의 특정 하위세트는 각각의 속도 범위와 연관되며, 각각의 특정 하위세트는 상이한 조합의 전자석을 포함한다. 각각의 규정 속도 범위에 대해 각각의 위상 권선에 인가될 해당 전압 크기는 미리 규정된다. 모터 속도는 모터 작동 전반에 걸쳐 감지된다. 각각의 규정 속도 범위에 있어서, 연관된 하위세트의 전자석만 여자되며, 여자된 전자석 각각에는 상이한 소정 전압 크기가 인가된다.

본 발명은 각각의 위상 권선이 각각의 다른 위상 권선과 상이한 전체 코일 권선수 및 상이한 와이어 게이지를 가지는, 상이한 위상 권선 토폴로지의 전자석으로 전체 작동 속도 범위를 효율에 대한 미세 제어가 수득될 수 있는 여러 좁은 범위로 구분할 수 있게 된다는 점에서 특히 유리하다. 각각의 규정 속도 범위에서의 작동 동안, 전자석 위상 권선의 전체 개수 중 적어도 하나는 비여자될 것이다.

하나의 속도 범위 동안 특정된 소정 전압으로 여자된 위상 권선도 또한 또다른 규정 속도 범위 동안 상이한 소정 전압으로 여자될 수 있다. 하나의 규정 속도 범위 동안 여자되는 위상 권선의 개수 및 특성은 또다른 규정 속도 범위 동안 여자되는 위상 권선의 개수 및 특성과 상이할 수 있다.

본 발명의 추가 이점은 모든 속도 범위에 대해 소정 전압 크기를 최대 모터 토크 출력을 위해 설정할 수 있다는 점이다. 소정 전압 크기의 조정은 다른 토크 출력에서 최적 모터 구동 효율을 수득하기 위한 사용자 토크 입력 명령에 따라 수행될 수 있다. 사용자 토크 입력 명령은 토크 0 내지 최대 토크 사이 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 사용자 입력 범위를 0 내지 1 사이에서 가변적인 분수값과 관련시킴으로써, 제어 시스템은 모든 속도 범위에 대한 소정 최대 토크 전압 크기를 사용자 입력에 대응하는 분수값으로 곱하여 모든 토크 출력에서 최적 모터 구동 효율을 얻을 수 있다.

본 발명의 추가 이점은 하기 상세한 설명으로부터 당업자에게 보다 자명해질 것이며, 단지 본 발명의 수행이 구현되는 최적 모드의 예로서 본 발명의 바람직한 실시형태만을 나타내고 기재하였다. 이해될 바와 같이, 본 발명은 다른 상이한 실시형태가 될 수 있고, 그 여러 세부사항은 모두 본 발명을 벗어나지 않고 여러 자명한 측면에서 변형될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 제한적인 것이 아니라 예시적인 성격으로 간주되어야 한다.

같은 참조 번호가 유사한 요소를 나타내는 첨부 도면에서, 제한적으로가 아니라 예시적으로 본 발명을 설명한다.

도 2 는 본 발명에서 채용될 수 있는 회전자 및 고정자 요소의 예시적 배치도이다. 본원에 예시된 모터의 보다 상세한 설명에 대해서는 상기 나타낸 계류중인 Maslov 등의 출원 09/826,422 를 참조한다. 회전자 멤버 (20) 는 서로 떨어져 원통형 백 플레이트 (cylindrical back plate) (25) 를 따라 실질적으로 균등하게 분포된 영구 자석 (21) 을 가지는 환상 고리 구조이다. 영구 자석은 환상 고리의 내부 표면을 따라 자기적 극성이 교대하는 회전자 극이다. 회전자는 고정자 멤버 (30) 를 둘러싸며, 회전자 및 고정자 멤버는 환상 방사형 에어 갭 (annual radial air gap) 에 의해 구분된다. 고정자 (30) 는 에어 갭을 따라 균일하게 분포된 균일한 구조의 복수개의 전자석 코어 절편을 포함한다.

고정자는 7 개의 코어 절편을 포함하며, 각각의 코어 절편은 두개의 극이 에어 갭을 마주보는 표면 (32) 을 가지는 일반적으로 U-형인 자기 구조 (36) 로 형성된다. 코어 절편은 극쌍을 연결하는 부분 상에 형성된 단일 권선을 수용하도록 구축될 수 있지만, 극쌍의 다리는 권선 (38) 으로 감긴다. 각각의 고정자 전자석 코어 구조는 인접 고정자 코어 요소와 구분되어 자기적으로 격리된다. 각각의 코어 절편은 하나의 상을 나타내는 것으로 간주될 수 있으며, 위상 권선은 라벨 (38a)-(38g) 로 에어 갭을 따라 연속적으로 확인된다. 고정자 요소 (36) 는 비투자성의 지지 구조에 고정되어, 환상 고리 배치를 형성한다. 상기 배치는 인접한 고정자 극 그룹으로부터 스트레이 변압기 (stray transformer) 플럭스 효과의 발산을 제거한다. 활성 모터 요소를 보다 뚜렷이 보기 위해 본원에 나타내지 않은 적절한 고정자 지지 구조는 상기 언급된 특허 출원에서 찾아볼 수 있다.

권선 (38a)-(38g) 은 와이어 게이지 및 전체 코일 권선수에 대한 권선 토폴로지가 서로 상이하다. 본 실시형태에서 각각의 위상 권선이 유일한 전체 권선수 및 유일한 와이어 게이지를 가지는 것이 바람직하지만, 둘 이상의 위상 권선이 유사한 와이어 게이지 또는 권선수를 가질 수 있다. 다른 실시형태는 더 많은 수의 격리된 코어 절편 극쌍을 포함할 수 있다. 일부 위상 권선이 동일한 권선 토폴로지를 가지는 실시형태도 바람직할 수 있다.

도 3 은 도 2 에 나타낸 7 개의 위상 모터에 대한 위상 권선 토폴로지를 예시하는 차트이다. 각각의 위상 권선은 유일한 코일 권선수를 가지며, 유일한 와이어 게이지로 구축된다. 각각의 위상 권선의 전체 구리 질량은 동일하다.

도 4 는 도 2 의 모터에 대한 전압 공급 회로의 부분 블록도이다. 위상 권선 (38a)-(38g) 은 각각 전압 변환장치 (42a)-(42g) 와의 직렬 연결을 통해 d-c 전력 공급장치 (40) 로 연결된다. 각각의 전압 변환장치의 제어 단자는 또한 전력 공급장치 (40) 를 거쳐 연결되는 제어장치 (44) 에 연결된다. 제어장치 및 전압 변환장치는 계류중인 Maslov 등의 출원 10/173,610 에 보다 상세히 기재된 바와 같은 종래의 장치이다. 마이크로프로세서 및 관련 저장 수단을 포함할 수 있는 제어장치 (44) 는 작동 동안 감지되는 모터 상태에 대한 복수개의 입력 및 적어도 하나의 사용자 입력을 가질 수 있다. 본 발명의 설명의 명확성을 위해, 모터 속도 입력을 유일한 모터 상태 피드백 입력으로 나타낸다. 속도 입력 신호는 임의의 종래 모터 속도 감지장치에 의해 발생시킬 수 있다. 제어장치에는 작동 범위에 걸쳐 각각의 복수개의 속도 범위에 대해 각각의 위상 권선에 인가될 전압 레벨을 나타내는 표가 저장된다. 다양한 속도 범위에서 각각의 위상 권선 (38a)-(38g) 에 대해 최대 모터 토크 출력에서 최대 작동 효율을 제공하는 것으로 알려진 전압 값이 하기 표에서 확인된다. 각각의 범위에 대한 작동 효율을 또한 표에 나타낸다.

[표]

작동에 있어서, 제어장치 (44) 는 표로부터 데이타를 입수하여 출발 시 어느 위상 권선이 여자될 것인가 및 각각의 위상 권선에 인가될 전압 레벨을 규정한다. 제어장치는 상기 값에 대해 적절한 제어 전압을 위상 권선에 연결된 해당 전압 변환장치로 출력한다. 모터가 가속됨에 따라, 모터 속도가 반복적으로 샘플링되고 신호 입력으로서 제어장치에 주어진다. 수신한 속도 입력 신호에 대응하여, 제어장치는 저장된 표에 접근하여 감지된 속도가 위치하는 속도 범위에서 각각의 위상 권선에 대한 전압 데이타를 받는다. 입수한 데이타에 대응하는 새로운 제어 신호를 전압 변환장치로 출력하여, 적절하다면 위상 권선으로 인가되는 전압을 변경한다. 모터 부하가 변함에 따라, 모터 속도도 따라서 변할 수 있다. 다시 제어장치는 표에 의해 제공되는 상기 변화에 대한 그 출력 제어 전압을 조정하여, 이에 따라 전체 작동 속도 범위에 걸쳐 최적 작동 효율을 유지한다.

상기 표는 정확히 조정되는 전압 레벨의 인가를 위해 매우 세밀하게 구분된 360 rpm 의 속도 작동 범위를 나타낸다. 상기 정보는 도 5 에서 그래프 형태로 제공되며, 각각의 곡선은 상기 범위 전반에 걸쳐 해당 위상 권선에 인가되는 전압을 나타낸다. 곡선 1 은 위상 권선 (38a) 에 인가되는 전압을 나타내며, 곡선 2 는 위상 권선 (38c) 에 인가되는 전압을 나타내고, 곡선 3 은 위상 권선 (38e) 에 인가되는 전압을 나타내며, 곡선 4 는 위상 권선 (38g) 에 인가되는 전압을 나타내고, 곡선 5 는 위상 권선 (38b) 에 인가되는 전압을 나타내며, 곡선 6 은 위상 권선 (38d) 에 인가되는 전압을 나타내고, 곡선 7 은 위상 권선 (38f) 에 인가되는 전압을 나타낸다.

상이한 부분의 작동 속도 범위 동안, 상이한 조합의 위상 권선이 여자될 것이다. 모든 7 개 위상 권선이 여자되는 시점은 없다. 상기 표 및 도 5 에서 자명하듯이, 출발 시 100 rpm 의 속도까지 나타내는 바와 같이 전압 레벨을 변경하면서 4 개의 위상 권선이 여자된다. 100 내지 140 rpm 사이 속도에서는, 나타내는 바와 같은 전압 레벨로 3 개의 위상 권선이 여자되며, 140 내지 160 rpm 사이에서는, 2 개의 위상 권선이 여자되고, 160 내지 180 rpm 사이에서는, 3 개의 위상 권선이 여자되며, 180 내지 220 rpm 사이에서는, 2 개의 위상 권선이 여자되고, 220 내지 230 사이에서는, 3 개의 권선이 여자되며, 230 내지 290 사이에서는, 2 개의 위상 권선이 여자되고, 290 을 초과하는 속도에서는, 단 하나의 권선에만 여자된다. 상기 범위 각각에 대해, 상이한 조합의 여자된 위상 권선이 확인되며, 상이한 여자 전압이 공급된다.

전체 속도 범위에 걸쳐 표에 따른 작동 모터 효율이 도 6 에 도식적으로 나타나 있다. 상기 곡선을 도 1 에 나타내는 종래 작동 모터의 효율 곡선과 비교하면, 본 발명의 개선된 작동 효율이 예시된다. 본 발명의 고정자 권선 배치는 모터 작동 범위에 걸쳐 표에 나타낸 전압에 따라 여자되는 경우, 약 3/4 속도범위에 걸쳐 80% 를 초과하는 모터 작동 효율을 제공한다.

도 4 에 나타내는 제어장치 사용자 입력은 상기 나타낸 미국 특허 출원 10/173,610 에 기재된 바와 같은 토크 명령 신호를 나타낸다. 운송수단 구동 적용예가 거기에서 설명되며, 사용자 입력은 사용자의 스로틀 (throttle) 명령에 의해 지시되는 목적하는 토크를 나타낸다. 사용자는 0 내지 최대 레벨로 스로틀을 변화시킬 수 있다. 스로틀에서의 증가는 속도를 증가시키려는 명령을 시사하며, 이는 토크의 증가로 실현된다. 이 시점의 모터 작동에 대한 설명은 대응하는 사용자 입력이 최대 스로틀을 나타내는 최대 모터 토크 출력에서의 제어에 초점을 맞춘다.

가변적 사용자 토크 입력 명령 범위는 제로 토크 입력 명령에 대한 0 내지 최대 토크 입력 명령에 대한 1 사이에서 가변적인 분수값에 관련된다. 모터 속도는 반복적으로 샘플링되어, 신호 입력으로서 제어장치로 주어진다. 제어장치는 감지된 속도 신호 입력에 대응하여 표에서 전압 크기값을 나타내는 저장된 데이타를 입수하여, 상기 전압 크기값을 사용자 토크 입력 명령 설정에 대응하는 분수값으로 곱할 것이다. 상이한 속도 범위에 대한 속도 신호가 수신되면, 표로부터 적절한 전압 크기가 수득되며, 상기 전압 크기 및 사용자 입력 명령에 대한 분수값을 곱한 결과인 새로운 제어 신호가 생성된다. 세트 사용자 입력 명령에 대해, 최적 모터 구동 효율이 모든 속도 범위에 대해 성취된다. 유사하게 모든 속도 범위에 대한 모든 세트 사용자 토크 입력에 대해 최대 작동 효율이 수득된다.

본 명세서에서는, 본 발명의 바람직한 실시형태, 그리고 소수의 변형예만을 나타내고 설명하였다. 본 발명은 다양한 다른 조합 및 환경을 이용할 수 있고, 본원에 표현하는 발명의 개념의 범위 내에서 변경 또는 변형될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 인지할 수 있는 바와 같이, 모터 토폴로지는 상이한 극의 수, 극 크기 및 배치, 극 조성 등에 있어서 상당히 변할 수 있다. 상이한 코일 세트수 및 속도 범위 하위세트를 선택하여 특정한 토폴로지로 적용할 수 있다. 각각의 고정자 코어 절편을 상이한 게이지의 와이어로 감는 대신에, 모든 와이어를 동일한 게이지로 하고 각각의 고정자 코어 절편의 권선수를 변화시킬 수 있다. 코일 절편의 배치는 상이한 토폴로지에 있어서 최적 효율 곡선에 부합하도록 변할 수 있다. 문턱값 레벨을 조정하여 적어도 하나의 속도 범위를 증가시키고/시키거나 감소시킴으로써, 보다 균일하거나 불균일한 속도 범위 하위세트 분포를 설정할 수 있다.

Claims (21)

1. 회전축 근처에 분포된 강자성적으로 격리된 고정자 전자석의 전체 개수를 포함하고, 상기 각 전자석은 강자성 코어 상에 형성된 위상 권선을 가지는 다상 모터를 복수개의 작동 속도 범위에 걸쳐 제어하는 방법에 있어서,

   전체 개수보다 작은 제 1 개수의 전자석 중 특정한 하나를 확인하는 단계;

   제 1 속도 범위 동안의 모터 작동을 위해 상기 확인된 전자석 각각의 위상 권선을 상이한 소정 전압 크기로 여자하는 단계;

   모터 작동 전반에 걸쳐 모터 속도를 감지하는 단계; 및

   감지된 제 2 속도 범위에서의 모터 작동 동안, 상기 확인된 전자석의 위상 권선에 상기 제 1 속도 범위 동안 인가된 전압과 상이한 소정 크기를 가지는 전압을 인가하는 단계를 포함하는 다상 모터 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   감지된 제 3 속도 범위에서, 모터 작동 동안 소정 전압을 제 2 개수의 전자석의 위상 권선에 인가하는 단계를 더 포함하고, 이 단계 동안 상기 각 권선에 인가되는 전압의 크기는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 다상 모터 제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 개수는 상기 제 1 개수보다 작은 것을 특징으로 하는 다상 모터 제어 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 3 속도 범위 동안 여자되는 위상 권선의 특성은 상기 제 1 및 제 2 속도 범위 동안 여자되는 위상 권선과 공통되고, 상기 제 3 속도 범위 동안 각각의 위상 권선에 인가되는 전압은 상기 제 1 및 제 2 속도 범위 동안 해당 위상 권선에 인가되는 전압과 크기가 상이한 것을 특징으로 하는 다상 모터 제어 방법.
5. 회전축 근처에 분포된 강자성적으로 격리된 고정자 전자석의 전체 개수를 포함하고, 상기 각 전자석은 강자성 코어 상에 형성된 위상 권선을 가지는 다상 모터를 복수개의 작동 속도 범위에 걸쳐 제어하는 방법에 있어서,

   상기 모터가 작동할 것으로 예상할 수 있는 연속적 속도 범위를 규정하는 단계;

   각각의 속도 범위에 대해 전체 개수의 전자석의, 각각이 상이한 조합의 전자석을 포함하는 특정 하위세트를 연관시키는 단계;

   각각의 규정 속도 범위에 있어서 각각의 위상 권선에 대한 해당 전압 크기를 미리 설정하는 단계;

   모터 작동 전반에 걸쳐 모터 속도를 감지하는 단계; 및

   각각의 규정 속도 범위에서의 모터 작동 동안, 관련 하위세트의 전자석만 여자하고, 상기 각 여자된 전자석에는 상이한 소정 전압 크기를 인가하는 단계를 포함하는 다상 모터 제어 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   각각의 규정 속도 범위에서의 작동 동안 전체 개수의 전자석 위상 권선 중 적어도 하나는 비여자되는 것을 특징으로 하는 다상 모터 제어 방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   제 1 규정 속도 범위 동안 여자된 위상 권선 중 적어도 하나는 또한 제 2 규정 속도 범위 동안에도 여자되며, 각각의 속도 범위에서 상이한 소정 전압 크기가 여기에 인가되는 것을 특징으로 하는 다상 모터 제어 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제 1 규정 속도 범위 동안 여자된 위상 권선의 개수는 상기 제 2 규정 속도 범위 동안 여자된 위상 권선의 개수와 상이한 것을 특징으로 하는 다상 모터 제어 방법.
9. 제 5 항에 있어서,

   제 1 규정 속도 범위 동안 여자된 위상 권선의 개수는 제 2 규정 속도 범위 동안 여자된 위상 권선의 개수와 상이한 것을 특징으로 하는 다상 모터 제어 방법.
10. 제 5 항에 있어서,

    사용자 명령에 대응하여 모든 위상 권선에 대해 상기 소정 전압 크기를 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 모터 제어 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 사용자 명령은 모터 토크 요청을 나타내며, 상기 소정 전압 크기는 세트 토크에서 모터 작동을 나타내고, 상기 조정 단계는 상기 소정 전압 크기를 원하는 토크에 의존하는 값으로 곱하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 모터 제어 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 세트 토크는 최대 모터 토크이고, 상기 조정 승수 (multiplier) 는 0 내지 1 사이의 분수값인 것을 특징으로 하는 다상 모터 제어 방법.
13. 제 5 항에 있어서,

    상기 각 위상 권선은 각각의 다른 위상 권선과 상이한 전체 코일수를 가지는 것을 특징으로 하는 다상 모터 제어 방법.
14. 제 5 항에 있어서,

    상기 각 위상 권선은 각각의 다른 위상 권선의 와이어 게이지와 상이한 와이어 게이지를 가지는 것을 특징으로 하는 다상 모터 제어 방법.
15. 회전축 근처에 분포된 강자성적으로 격리된 고정자 전자석의 전체 개수를 포함하고, 상기 각 전자석은 강자성 코어 상에 형성된 위상 권선을 가지는 다상 모터;

    각각의 위상 권선과 복수개의 전압 크기 중 어느 하나를 상기 위상 권선에 인가하기 위한 전력 공급장치 사이에 연결된 전압 변환 수단;

    상기 전압 변환 수단에 결합되고, 상기 각 전자석 위상 권선에 대해 전압 크기를 모터 속도 작동 범위로 관련시키는 데이타를 저장하기 위한 기억 수단을 포함하는 제어장치; 및

    상기 제어장치의 입력부에 결합된 모터 속도 피드백 수단을 포함하는 모터 제어 시스템.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 저장된 데이타는 각각의 복수개의 속도 범위에 대해 여자될 전체 개수의 전자석의 특정 하위세트를 나타내는 표를 나타내고, 각각의 특정 하위세트는 상이한 조합의 전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 각 위상 권선은 각각의 다른 위상 권선과 상이한 전체 권선수를 가지는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 각 위상 권선은 각각의 다른 위상 권선의 와이어 게이지와 상이한 와이어 게이지를 가지는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
19. 제 16 항에 있어서,

    상기 표에 저장된 전압 크기는 각각의 속도 범위에서 확인되는 각각의 여자된 전자석에 대해 상이한 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 전자석의 전체 개수는 홀수이고, 상기 표는 각각의 속도 범위에 대해 적어도 하나의 위상에 대해 전압 0 을 나타내는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
21. 제 19 항에 있어서,

    상기 표에 저장된 전압 크기는 최대 토크에서의 모터 작동을 나타내고, 상기 제어장치는 모터 토크 요청을 나타내는 사용자 입력을 더 포함하며;

    모터 작동 동안의 사용자 입력 신호에 대응하여, 상기 제어장치는 저장된 전압 크기를 위상 권선에 인가하기 위한 대응 분수값으로 곱하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.