KR20080098688A

KR20080098688A - 모터 및 모터용 전력 공급 제어 장치

Info

Publication number: KR20080098688A
Application number: KR1020087024303A
Authority: KR
Inventors: 마사하루 야마시타
Original assignee: 도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2008-11-11
Anticipated expiration: 2027-04-03
Also published as: JP4193859B2; WO2007113651A3; CN101416372B; US20100170741A1; EP2002528A2; US7868505B2; KR101004278B1; WO2007113651A2; JP2007282323A; CN101416372A

Abstract

스테이터 (20) 의 링체 (21) 에서, 링체 (21) 의 둘레 방향을 향하는 자기장이 발생되도록 짝수개의 스테이터 자극 (22) 사이에 위치된 교대의 자극간 자로부 (23) 에 영구 자석 (24) 이 배열된다. 영구 자석 (24) 에 의해 발생된 자기장과 반대 방향인 자기장이 발생되도록 영구 자석 (24) 이 제공되지 않은 다른 자극간 자로부 (23) 에 코일 (25) 이 권취된다. 코일 (25) 에 전력이 공급되지 않을 때, 영구 자석 (24) 에 의해 링형상의 자기 회로가 형성되어서, 자속이 로터로 새어나가지 않게 된다. 코일 (25) 에 전력이 공급될 때, 영구 자석 (24) 의 자기장의 자속과 코일 (25) 의 자기장의 자속이 서로 합쳐져서 스테이터 자극 (22) 으로부터 로터 (30) 의 로터 자극 (32) 으로 흐르게 되고, 이에 따라 인력이 얻어진다.

Description

모터 및 모터용 전력 공급 제어 장치{MOTOR AND ELECTRIC POWER SUPPLY CONTROL APPARATUS FOR THE MOTOR}

본 발명은 영구 자석에 의해 발생된 인력을 이용하는 모터, 및 모터용 전력 공급 제어 장치에 관한 것이다.

차량의 조향 휠을 조종하는 전동 파워 스티어링 시스템에 있어서, 예를 들어, 표면 장착형 영구 자석 모터 (SPM 모터) 가 구동 유닛으로서 이용된다. 최근에는, 보다 효율적이고 높은 전동 파워 스티어링 시스템에 대한 요구가 커져 왔다. 그러나, 모터가 고출력을 생산하면, 모터 손실 토크, 코깅 토크, 모터 관성 (시스템 관성) 이 모터에 의해 발생된 동력의 증가에 비례하여 증가하게 된다. 그 결과, 운전자가 느끼는 조향감이 악화된다.

모터 토크의 변동이 조향감에 영향을 주더라도, 이러한 토크의 변동은 모터에 공급되는 전류를 피드백 방식으로 제어함으로써 제어될 수도 있다. 그러나, 모터에 전원에 공급되지 않을 때 발생하는 모터 손실 토크는, 전원이 모터에 공급되지 않을 때 피드백 제어가 실시될 수 없기 때문에, 예를 들어, 운전자의 조향 휠이 의도하지 않은 방향으로 회전하는 등의 조향감의 악화를 야기할 수도 있다. 또한, 전력이 모터에 공급되지 않을 때 코깅 토크가 야기된다. 따라서, 전원이 모터에 공급되지 않을 때 피드백 제어가 실시될 수 없기 때문에, 코깅 토크가 조향감의 악화를 야기하게 된다. 게다가, 이러한 모터 손실 토크 및 코깅 토크는 모터로부터의 출력에 비례하여 증가한다. 이 방해는 모터 효율 및 모터로부터의 동력 출력에 있어서 증가한다.

또한, 고출력 모터는 로터 및 스테이터에서 다수의 자기 회로를 필요로 한다. 이는 체적 및 로터의 관성 모멘트를 증가시킨다. 따라서, 전동 파워 스티어링 시스템에서는, 이러한 관성으로 인한 토크 변동을 감소시키기 위해서 보상 제어가 실시된다. 그러나, 모터의 완화 시간 또는 센서의 성능으로 인해 완전한 보상을 실시하는 것을 불가능하다. 이 경우, 관성이 작을 때, 변동에 대한 보상은 운전자가 토크의 변동을 감지하지 못하기에 충분하다. 하지만, 관성량이 커지면, 관성이 조향감에 영향을 줄 것이다.

일본 특허 공개 공보 제 2004-236369 (JP-A-2004-236369) 는 고출력을 생산하고 코깅 토크가 감소되는 스위치드 릴럭턴스 모터 (SR 모터) 를 기재하고 있다. JP-A-2004-236369 에 기재된 모터에서, 로터를 둘러싸는 스테이터의 내주면에 코일이 권취되고 내부로 연장한 다중 돌극부 및 영구 자석이 코일이 권취된 돌극부에 매립된다. 전원이 코일에 공급될 때, 코일에 의해 발생된 자속 및 영구 자석에 의해 발생된 자속으로부터 합성된 자속으로 인한 강한 자기 인력에 의해 로터가 부착된다. 따라서, 높은 토크가 얻어진다. 코깅 토크를 감소시키기 위해서는, 이하의 구조가 적용된다. 본 구조에서, 영구 자석은 로터가 회전하는 방향과 마주하는 측에 가까운 위치에서 돌극부에 매립되고, 영구 자석의 자극면은 돌극부의 내부와 마주한다.

그러나, JP-A-2004-236369 에 기재된 구조로도, 로터의 돌극부에 배열된 영구 자석에 의해, 스테이터와 로터간의 횡단 자속이 남게 된다. 따라서, 코깅 토크가 적절하게 감소되지 않는다. 이 결과, 이러한 모터가 전동 파워 스티어링 시스템에 적용되더라도, 조향감이 향상되지 않는다.

본 발명은 전원이 모터에 공급되지 않을 때 발생하는 코깅 토크 등으로 인한 토크의 변동을 억제한다.

본 발명의 제 1 양태는 자로를 형성하는 중공 원통형 링체를 갖는 스테이터로서, 짝수의 스테이터 자극이 링체의 둘레 방향으로 일정한 간격으로 배열되고 스테이터 자극은 반경 방향으로 링체의 내주면으로부터 내부로 돌출하는 스테이터를 포함하는 모터에 관한 것이다. 상기 모터는 자로를 형성하고 상기 스테이터 내에 동축으로 배열된 로터로서, 반경 방향으로 로터의 외부면으로부터 외부로 돌출하는 로터 자극을 갖고, 로터가 소정 회전 위치에 있을 때 상기 로터 자극은 스테이터에 형성된 스테이터 자극과 마주하는 로터를 포함한다. 상기 모터는 또한 링체의 둘레 방향을 향하는 자기장이 발생되도록 연속적인 스테이터 자극 사이에 위치된 짝수개의 자극간 자로부 사이에 교대로 자극간 자로부에 배열된 영구 자석, 및 영구 자석에 의해 발생된 자기장과 반대 방향인 자기장이 발생되도록 영구 자석이 배열되지 않은 교대로 배열된 자극간 자로부의 잔여부 주위에 권취된 코일을 포함한다.

본 발명의 제 1 양태에 따라, 짝수개의 스테이터 자극이 링체의 내주면에 형성되고, 영구 자석 및 코일이 연속적인 스테이터 자극 사이에 위치된 자극간 자로부에 교대로 배열된다. 자극간 자로부의 수는 스테이터 자극의 수와 동일하다. 이들 자극간 자로부 사이에는, 영구 자석이 교대의 자극간 자로부에 배열되고, 코일은 영구 자석이 배열되지 않은 자극간 자로부 주위에 권취된다. 영구 자석은 링체의 둘레 방향을 따라 자기장이 발생되도록 배열된다. 전력이 코일에 공급될 때 영구 자석에 의해 발생되는 자기장과 반대 방향의 자기장이 발생되도록 코일이 자극간 자로부 주위에 권취된다. 예를 들어, 스테이터 자극이 2 개이면, 2 개의 자극간 자로부가 형성된다. 이 경우에, 자극간 자로부 중 하나에 영구 자석이 배열되고, 다른 자극간 자로부에 코일이 권취된다. 스테이터 자극이 4 개 이상이면, 영구 자석이 자극간 자로부에 교대로 배열된다. 영구 자석은 영구 자석에 의해 발생된 자기장이 동일한 방향을 향하도록 배열된다.

따라서, 코일에 전력이 공급되지 않을 때에는, 영구 자석에 의해 발생된 자기장에 의해 링형상 자성체의 둘레 방향을 따라 자속이 흐르고, 스테이터 자극으로부터 로터 쪽으로는 자속이 새지 않는다. 코일에 전력이 공급될 때, 코일이 권취된 자극간 자로부에서는 영구 자석에 의해 발생된 자기장과 역방향인 자기장이 발생된다. 따라서, 영구 자석에 의해 발생된 자기장의 자속과 코일에 의해 발생된 자기장의 자속이 서로 조합되어서 스테이터 자극으로부터 로터의 로터 자극으로 흐른다. 즉, 영구 자석에 의해 발생된 자기장은 코일에 의해 발생된 반대 방향의 자기장에 의해 되밀리게된다. 그 후에, 자극간 자로부로부터, 스테이터 자극, 로터 자극, 로터 자성체, 근처의 로터 자극, 근처의 스테이터 자극을 통과하여 자극간 자로부까지 자속의 흐름이 생성된다. 유사하게, 코일에 의해 발생된 자기장은 영구 자석에 의해 발생된 반대 방향의 자기장에 의해 되밀리게된다. 유사하게, 자극간 자로부로부터, 스테이터 자극, 로터 자극, 로터 자성체, 근처의 로터 자극, 근처의 스테이터 자극을 통과하여, 자극간 자로부까지 자속의 흐름이 생성된다.

따라서, 코일에 전력이 공급되지 않을 때에는, 자극 사이 (스테이터 자극과 로터 자극 사이) 의 자속의 흐름이 억제되어, 코깅 토크와 손실 토크를 방지한다. 따라서, 본 발명의 제 1 양태에 따라, 전력이 코일에 공급되지 않을 때 토크의 변동을 억제할 수 있다.

본 발명의 제 1 양태에서, 상기 로터는 로터의 회전축에 대해 대칭일 수도 있다. 이 구조로, 로터축에 직각인 방향을 향하는 힘의 불균형을 방지하여서, 노이즈 및 진동을 방지하는 것이 가능하다.

본 발명의 제 1 양태에 있어서, 상기 스테이터 및 상기 로터는 연자성체일 수도 있다. 이것은 모터 효율 (모터에 입력되는 에너지에 대한 모터에서 출력되는 에너지의 비) 을 향상시킨다.

본 발명의 제 1 양태에 있어서, 상기 스테이터 및 상기 로터는 1 mm 이하의 두께의 다중 자기 강판을 적층함으로써 형성된다. 이 구조로, 와전류 손실과 히스테리시스 손실을 적절하게 감소시킬 수 있다. 그 결과, 높은 모터 효율이 얻어진다.

본 발명의 제 1 양태에 있어서, 상기 스테이터 자극과 로터 자극이 서로 마주보고 상기 스테이터 자극과 상기 로터 자극의 중심선이 일치할 때, 주변 방향으로 스테이터 자극과 로터 자극의 중심선으로부터의 거리가 증가함에 따라 스테이터 자극과 로터 자극 사이의 에어 갭의 길이가 증가한다. 이 경우에, 서로 마주하는 스테이터 자극과 로터 자극의 단부면이 가상의 원통형면을 부분적으로 형성하는 곡면이고, 스테이터 자극 및 로터 자극 중 하나의 단부면을 포함하는 면을 갖는 가상의 원통의 축선이 반경 방향으로 회전축의 중심으로부터 오프셋되어서 중심선으로부터의 거리가 둘레 방향으로 증가함에 따라 에어갭의 길이가 증가하게 된다.

이 구조로, 로터가 운동하는 양에 따라 토크가 적절하고 완만하게 변화한다. 로터가 회전함에 따라 로터 자극과 스테이터 자극이 서로 접근하거나 멀어진다. 로터 자극과 스테이터 자극이 서로 마주하면서 서로에 대해 이동할 때의 토크의 변화가 감소된다. 그 결과, 토크 변동이 작은 모터가 형성된다.

본 발명의 제 1 양태에 있어서, 반경 방향 내부로 파여진 노치 홈이 스테이터 자극이 형성되는 위치에서 스테이터의 링체의 외부면에 형성된다.

이 구조로, 영구 자석에 의해 발생된 자기장이 코일에 의해 발생된 자기장에 의해 되밀어내질 때, 노치 홈이 자속의 흐름을 스테이터 자극쪽으로 안내한다. 따라서, 전력이 코어에 공급될 때, 자속이 로터에 적절하게 전달되어서, 효율적으로 자극간의 인력을 발생 시킬 수 있다. 또한, 링체의 중량도 감소된다.

본 발명의 제 1 양태에서, 코일이 권취되는 자극간 자로부에서의 링체의 반경이 상기 영구 자석이 배열되는 자극간 자로부에서의 링체의 반경보다 크다.

이 구조로, 전력이 코일에 공급될 때 링체의 둘레 방향으로 흐르는 영구 자석의 자속을 스테이터 자극쪽으로 안내하기가 용이한데, 왜냐하면 영구 자석이 배열되는 자극간 자로부와 코일이 권취되는 자극간 자로부 사이에서 링체의 반경이 변화하기 때문이다. 그 결과, 코일에 전력이 공급될 때 로터쪽으로 자속을 적절하게 안내할 수 있고, 이는 자극 사이의 인력을 효과적으로 발생시킬 수 있게 한다. 또한, 코일을 권취하기 위한 더 큰 공간이 링체의 내측에서 확보되는데, 왜냐하면 코일이 권취되는 자극간 자로부에서의 링체의 반경이 영구 자석이 배열되는 자극간 자로부에서의 링체의 반경보다 크기 때문이다. 이는 구리의 손실을 감소시킨다.

본 발명의 제 2 양태는 본 발명의 제 1 양태에 따른 모터로 형성된 적어도 3 개의 기본 모듈을 포함하는 조합 모터에 관한 것이다. 본 발명의 제 2 양태에 따라, 스테이터 자극 및 로터 자극이 서로 마주하는 회전 위치가 실질적으로 동일한 위상차만큼 각각의 기본 모듈로 변화한다.

이 구조로, 로터의 회전각 및 회전 각속도에 상관없이 항상 토크를 발생시킬 수 있다. 즉, 1 개의 기본 모듈만으로 모터가 형성될 때, 로터가 소정 회전각으로 정지된다면 모터의 시동이 실패할 수도 있다. 그러나, 인력이 고르게 발생되도록 (일정한 회전각 간격으로) 로터가 회전하는 방향으로 기본 모듈 사이에서 자극의 위상이 서로 오프셋된다. 따라서, 이러한 불편함이 일어나지 않는다. 이에 따라, 모터의 회전 각속도가 0, 즉, 모터가 꺼진 상태에서도 모터 토크가 요구되는 전동 파워 스티어링 시스템과 같은 시스템에 조합 모터가 효과적으로 적용될 수 있다.

본 발명의 제 2 양태에서, 상기 적어도 3 개의 기본 모듈이 회전 축이 연장하는 방향으로 서로 연결되고, 연속하는 기본 모듈 사이에 에어 갭이 유지된다.

이 구조로, 기본 모듈 사이에서 자속 누락이 방지되어 토크 변동이 감소된다.

본 발명의 제 3 양태는 본 발명의 제 2 양태에 따른 조합 모터로의 전력 공급을 제어하는 전력 공급 제어 장치에 관한 것이다. 전력 공급 제어 장치는 상기 로터의 회전 각도를 검출하는 회전각 센서, 및 회전각 센서에 의해 검출된 회전각에 기초하여, 각각의 기본 모듈로 변화할 때 360°/n 의 전기각 식에 의해 표현된 전기각에 따른 위상차로 기본 모듈의 코일에 전력을 공급하기 위한 전력 공급 수단을 포함한다. 여기에서, "n" 은 기본 모듈의 수를 나타내고, 전기각 360°는 하나의 기본 모듈의 자극의 수 (m) 로 기계각 360°을 나눔으로써 얻어진 값에 대응한다.

이 구조로, 로터가 소정 회전각으로 회전하는 동안에 기본 모듈에 전력이 공급되고 각각의 기본 모듈로 변화는 시간에 기본 모듈의 코일로 전력이 공급된다. 이것은 모터가 시계방향 또는 반시계 방향으로 적절하게 회전할 수 있도록 해준다.

본 발명의 제 4 양태에 따라, 본 발명의 제 2 양태에 따른 조합 모터가 차량의 조향 휠을 조종하는 전동 파워 스티어링 시스템용 구동 유닛으로서 이용된다. 이로써, 조향감이 향상되는데, 왜냐하면 코일에 전력이 공급될 때 토크 변동이 상당히 작아지는 모터가 전동 파워 스티어링 시스템에 사용되기 때문이다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 기본 모듈의 단면도이고, 반경 방향으로 기본 모듈을 절단함으로써 얻어진다.

도 2a 및 2b 는 기본 모듈의 자속 분포를 각각 도시한다.

도 3 은 모터를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 4a ~ 4c 는 기본 모듈 사이의 위상차를 나타내는 도면이다.

도 5a ~ 5c 는 모터의 회전각에 대한 토크 특성을 각각 나타내는 도면이다.

도 6a 및 6b 는 스테이터 자극과 로터 자극 사이의 위치 관계를 각각 나타내는 설명도이다.

도 7 은 전력 공급 제어 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 8 은 본 발명의 실시형태의 변형예에 따른 전력 공급 제어 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 9 는 로터가 시계 방향으로 회전할 때 전력이 각각의 기본 모듈로 공급되는 동안의 시간을 도시하는 타이밍 차트이다.

도 10 은 로터가 반시계 방향으로 회전할 때 전력이 각각의 기본 모듈로 공급되는 동안의 시간을 도시하는 타이밍 차트이다.

도 11 은 본 발명의 실시형태의 변형예에 따른 모터에 공급되는 전력의 파향을 도시하는 도면이다.

도 12 는 본 발명의 실시형태의 변형예에 따른 자극 사이의 에어 갭의 형상 을 도시하는 도면이다.

도 13a ~ 13c 는 본 발명의 실시형태의 변형예에 따른 자극의 단부 숄더부 (end shoulder portion) 의 형상을 나타내는 도면이다.

도 14a 및 14b 는 본 발명의 실시형태의 변형예에 따른 링체에 형성되는 노치 홈을 나타내는 도면이다.

도 15 는 본 발명의 실시형태의 변형예에 따른 링체의 부분 확대도이다.

도 16 는 본 발명의 실시형태의 변형예에 따른 기본 모듈의 단면도이고, 직경 방향으로 기본 모듈을 절단함으로써 얻어진다.

도 17 은 전동 파워 스티어링 시스템을 개략적으로 도시하는 도면이다.

이하에서, 본 발명의 실시형태에 따른 모터 및 이 모터에 대한 전력 공급 제어 장치가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 모터 (1) 는 3 개의 기본 모듈 (10) (제 1 기본 모듈 (10A), 제 2 기본 모듈 (10B), 제 3 기본 모듈 (10C)：이들 기본 모듈은 총체적으로 기본 모듈 (10) 로 불린다) 을 축방향으로 서로 연결함으로써 형성된다. 모터 (1) 는 이하에서 상세하게 설명될 전동 파워 스티어링 시스템의 구동 유닛으로서 사용된다. 먼저, 기본 모듈 (10) 이 설명된다. 도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 모터 (1) 를 형성하는 기본 모듈 (10) 을 도시한다. 기본 모듈 (10) 은 모터 케이싱 (11) 에 고정되는 스테이터 (20), 및 샤프트 (12) 를 회전축으로서 사용하여 회전할 수 있도록 스테이터 (20) 에 배열된 로터 (30) 를 포함한 다.

스테이터 (20) 는 4 개의 일체적으로 성형된 스테이터 자극 (22a, 22b, 22c, 22d) 을 갖는 중공 원통 형상의 링체 (21) 로 형성된다. 링체 (21) 의 둘레 방향으로 일정한 간격으로 스테이터 자극 (22a, 22b, 22c, 22d) 이 링체 (21) 의 내주면에 형성된다. 스테이터 자극 (22a, 22b, 22c, 22d) 은 링체 (21) 의 반경 방향 내부로 링체 (21) 의 내주면으로부터 돌출한다. 스테이터 (20) 에서, 자로가 형성될 수 있다. 본 발명의 실시형태에서, 스테이터 (20) 는 각각이 소정 형상으로 프레스 가공된 다중 자기 강판 (다중 자기 강판은 연자성 재료로 만들어지고 1 mm 이하의 두께를 갖는다) 을 축방향으로 적층함으로써 중공 원통 형상으로 형성된다. 각 스테이터 자극 (22a, 22b, 22c, 22d) 은 치형상으로 형성된다. 스테이터 자극 (22a, 22b, 22c, 22d) 은 링체 (21) 와 동축인 실제 원통면에 단부가 위치되도록 일정한 간격으로 배열된다.

링체 (21) 에는 영구 자석 (24ab 및 2cd) 이 밀착하여 매립된다. 스테이터 자극 (22a) 과 스테이터 자극 (22b) 사이의 링체 (21) 의 일부인, 스테이터 자극 사이의 링 자로부 (23ab) (이하에서, "자극간 자로부 (23ab)" 로 부름) 에 영구 자석 (24ab) 이 매립된다. 스테이터 자극 (22c) 과 스테이터 자극 (22d) 사이의 링체 (21) 의 일부인, 스테이터 자극 사이의 링 자로부 (23cd) (이하에서, "자극간 자로부 (23cd)" 로 부름) 에 영구 자석 (24cd) 이 매립된다. 이들 2 개의 영구 자석 (24ab, 24cd) 은 링체 (21) 의 둘레 방향을 따라 같은 방향을 향하는 자기장이 발생되도록 배향된다. 즉, 두 개의 영구 자석 (24ab 및 24cd) 은 영구 자석 (24ab) 의 S 극과 영구 자석 (24cd) 의 N 극이 링의 자로에서 서로 마주하도록 배열된다. 본 발명의 실시형태에서, 이들 두 개의 영구 자석 (24ab 및 2cd) 은, 도 1 에서, 반시계방향을 향하는 자기장이 발생되도록 배열된다. 코일 (25ad 및 25bc) 이 스테이터 자극 사이의 링 자로부 주위에 권취되고, 여기서는 영구 자석 (24ab) 및 영구 자석 (24cd) 모두가 매립되지 않는다. 코일 (25ad) 은 스테이터 자극 (22a) 와 스테이터 자극 (22d) 사이의 링체의 (21) 일부인, 스테이터 자극 사이의 링 자로부 (23ad) (이하에서, "자극간 자로부 (23ad)" 로 부름) 에 권취된다. 코일 (25bc) 은 스테이터 자극 (22b) 과 스테이터 자극 (22c) 사이의 링체의 (21) 일부인, 스테이터 자극 사이의 링 자로부 (23bc) (이하에서, "자극간 자로부 (23bc)" 로 부름) 에 권취된다. 이 두 개의 코일 (25ad 및 25bc) 은 전력이 코일 (25ad 및 25bc) 로 공급되지 않을 때 영구 자석 (24ab 및 24cd) 에 의해 발생되는 자기장과 반대 방향인 자기장이 발생되도록, 각각, 자극간 자로부 (23ad 및 23bc) 에 권취된다. 본 발명의 실시형태에서, 코일 (25ad 및 25bc) 은 도 1 에서 시계 방향인 자기장이 발생되도록 각각 자극간 자로부 (23ad 및 23bc) 주위에 권취된다. 코일 (25ad 및 25bc) 용 전력 공급 제어 회로가 이하에 설명된다.

링체 (21) 에는, 영구 자석 (24ab 및 24cd) 이 코일 (25ad 및 25bc) 과 교대로 배열되어 있다. 영구 자석 (24ab), 영구 자석 (24cd), 코일 (25ad) 및 코일 (25bc) 이 자극간 자로부 (23ab, 23cd, 23ad, 및 23bc) 에 배열된다. 자극간 자로부 (23ab, 23cd, 23ad, 및 23bc) 는 4 개의 스테이터 자극 (22a, 22b, 22c, 22d) 사이의 자로를 형성한다. 이하에서, 2 개의 영구 자석 (24ab 및 24cd) 을 구별하지 않을 때에는, 이들 두 개의 영구 자석은 영구 자석 (24) 으로 총체적으로 불린다. 유사하게, 두 개의 코일 (25ad 및 25bc) 을 구별할 필요가 없을 때에는, 이들 두 개의 코일을 코일 (25) 로 총체적으로 부른다. 4 개의 자극간 자로부 (23ab, 23bc, 23cd, 23ad) 를 구별할 필요가 없을 때에는, 이들 자극간 자로부를 총체적으로 자극간 자로부 (23) 라고 부른다. 유사하게, 4 개의 스테이터 자극 (22a, 22b, 22c, 22d) 을 구별할 필요가 없을 때에는, 이들 스테이터 자극을 총체적으로 스테이터 자극 (22) 으로 부른다.

스테이터 자극 (22) 의 수는 4 개로 한정되지 않는다. 스테이터 (20) 에는 어떠한 짝수의 스테이터 자극 (22) 도 제공될 수 있다. 따라서, 링체 (21) 에서, 연속적인 스테이터 자극 (22) 사이에 위치된 짝수개의 자극간 자로부 (23) 사이에 영구 자석 (24) 이 교대로 자극간 자로부 (23) 에 매립되어서, 둘레 방향을 따라 자기장이 발생된다. 또한, 영구 자석 (24) 이 배열되지 않은 교대의 자극간 자로부 (23) 주위에 코일 (25) 이 권취되어서, 영구 자석 (24) 에 의해 발생되는 자기장과 반대 방향인 자기장이 발생된다. 이 경우, 스테이터 자극 (22) 의 수가 2 개이면, 자극간 자로부 (23) 중 하나에 영구 자석 (24) 이 매립되고, 다른 자극간 자로부 (23) 에 코일 (25) 이 권취된다. 네오디뮴계 자석이 영구 자석 (24) 으로서 사용된다. 오직 2 개의 영구 자석 (24) 의 자력을 통해 링체 (21) 에 포화 자속의 90% 이상이 얻어지도록 영구 자석 (24) 의 자력이 설정된다.

로터 (30) 는 4 개의 일체적으로 성형된 로터 자극 (32a, 32b, 32c, 32d) 을 갖는 원통형 중심 자로부 (31) 로 형성된다. 중심 자로부 (31) 는 모터 케이싱 (11) 에 회전가능하게 고정되는 샤프트 (12) 에 고정된다. 로터 자극 (32a, 32b, 32c, 32d) 은 둘레 방향으로 일정한 간격으로 중심 자로부 (31) 의 외부면에 형성된다. 로터 자극 (32a, 32b, 32c, 32d) 은 중심 자로부 (31) 의 외부면으로부터 반경 방향 외부로 돌출한다. 로터 (30) 는 회전축에 대해 대칭이고, 스테이터 (20) 와 동축이다. 스테이터 (20) 와 마찬가지로, 자로가 로터 (30) 에 형성된다. 본 발명의 실시형태에서, 로터 (30) 는 각각이 소정 형상으로 프레스 가공된 다중 자기 강판 (각각의 자기 강판은 연자성 재료로 구성되고 1 mm 이하의 두께를 갖는다) 을 축방향으로 적층함으로써 형성된다. 이하에서, 4 개의 로터 자극 (32a, 32b, 32c, 32d) 을 구별할 필요가 없을 때에는, 이들 로터 자극은 총체적으로 로터 자극 (32) 으로 부른다. 각각의 로터 자극 (32a, 32b, 32c, 32d) 은 치형상으로 형성된다. 로터 자극 (32) 의 수는 스테이터 자극 (22) 의 수와 동일하다. 로터 (30) 가 소정의 회전 각도에 있을 때, 로터 자극 (32) 은 스테이터 자극 (22) 과 마주하게 된다.

기본 모듈 (10) 에서는, 스테이터 자극 (22) 과 로터 자극 (32) 사이에 소정 길이의 에어 갭이 형성된다. 100 mm 이하의 외경을 갖는 스테이터 (20) 를 포함하는 기본 모듈 (10) 에 있어서, 평균 에어 갭의 길이는 0.2 mm ~ 1.5 mm 일 수도 있다.

다음으로, 기본 모듈 (10) 의 작동 원리가 설명된다. 도 2a 및 2b 는 자기 분석 결과를 나타낸다. 도 2a 는 코일 (25) 에 전력이 공급되지 않을 때의 자속 분포를 나타낸다. 도 2b 는 코일 (25) 에 전력이 공급될 때의 자속 분포를 나타낸다. 도 2a 및 2b 는 도 1 에 도시된 기본 모듈 (10) 의 크기와 약간 다른 크기의 자극을 포함하는 기본 모듈의 자기 분석의 결과를 나타낸다. 그러나, 도 1 에 도시된 기본 모듈 (10) 에서 실질적으로 동일한 결과가 얻어진다. 도 2a 에 도시된 바와 같이, 코일 (25) 에 전력이 공급되지 않을 때에는, 영구 자석 (24) 에 의해 발생된 자기장에 의해 링체 (21) 의 둘레 방향 을 따라 자속이 통과하는 링형상의 자기회로가 형성된다. 따라서, 스테이터 자극 (22) 으로부터 로터 (30) 를 향해 자속이 새지 않는다. 따라서, 이 상태에서는, 모터 손실 토크나 코깅 토크가 거의 발생하지 않는다.

두 개의 코일 (25) 에 전력이 동시에 공급될 때, 도 2b 에 도시된 바와 같이, 코일 (25) 이 권취된 자극간 자로부 (23) 에서 영구 자석 (24) 의 자기장에 의해 발생된 자기장과 반대 방향인 자기장이 발생된다. 그 후에, 링체 (21) 의 둘레 방향으로 흐르고 있던 영구 자석 (24) 의 자속의 방향이 바뀐다. 따라서, 영구 자석 (24) 에 의해 발생된 자기장의 자속과 코일 (25) 에 의해 발생된 자기장의 자속이 서로 합쳐져서, 스테이터 자극 (22) 으로부터 로터 (30) 의 로터 자극 (32) 으로 흐른다. 즉, 영구 자석 (24ab) 에 의해 발생된 자기장은 영구 자석 (24ab) 에 의해 발생된 자기장의 방향으로 영구 자석 (24ab) 과 인접한 코일 (25ad) 에 의해 발생된 반대 방향의 자기장에 의해 되밀리게된다. 그 후에, 자극간 자로부 (23ad), 스테이터 자극 (22a), 로터 자극 (32a), 로터 중앙 자로부 (31), 로터 자극 (32b), 스테이터 자극 (22b), 자극간 자로부 (23ab) 의 자속의 흐 름이 생성된다. 유사하게, 영구 자석 (24cd) 에 의해 발생된 자기장은, 영구 자석 (24cd) 에 의해 발생된 자기장의 방향으로 영구 자석 (24cd) 과 인접한 코일 (25bc) 에 의해 발생된 반대 방향의 자기장에 의해 되밀리게된다. 그 후에, 자극간 자로부 (23cd), 스테이터 자극 (22c), 로터 자극 (32c), 로터 중앙 자로부 (31), 로터 자극 (32d), 스테이터 자극 (22d), 자극간 자로부 (23c) 의 자속의 흐름이 생성된다.

코일 (25ad) 에 의해 발생된 자기장은, 코일 (25ad) 에 의해 발생된 자기장의 방향으로 코일 (25ad) 과 인접한 영구 자석 (24ab) 에 의해 발생된 반대 방향의 자기장에 의해 되밀리게된다. 그 후에, 자극간 자로부 (23ad), 스테이터 자극 (22a), 로터 자극 (32a), 로터 중앙 자로부 (31), 로터 자극 (32d), 스테이터 자극 (22d), 자극간 자로부 (23ad) 의 자속의 흐름이 생성된다. 유사하게, 코일 (25bc) 에 의해 발생된 자기장은, 코일 (25bc) 에 의해 발생된 자기장의 방향으로 코일 (25bc) 과 인접한 영구 자석 (24cd) 에 의해 발생된 반대 방향의 자기장에 의해 되밀리게된다. 그 후에, 자극간 자로부 (23bc), 스테이터 자극 (22c), 로터 자극 (32c), 로터 중앙 자로부 (31), 로터 자극 (32b), 스테이터 자극 (22b), 자극간 자로부 (23bc) 의 자속의 흐름이 생성된다.

따라서, 기본 모듈 (10) 로, 영구 자석 (24) 및 코일 (25) 모두의 자력을 효과적으로 이용하여 자극 사이 (스테이터 자극 (22) 과 로터 자극 (32) 의 사이) 로 크기가 큰 자속이 통과하게 된다. 이리하여 컴팩트한 기본 모듈 (10) 도 높은 인력을 발생시킬 수 있다. 또한, 로터 (30) 에는 영구 자석도 코일도 끼워맞춤 되지 않기 때문에, DC 브러시리스 모터, SPM 모터, IPM 모터 (내장형 자석 동기 모터) 에 비해 관성이 현저히 낮다. 로터 (30) 는 일정한 간격으로 배열되고 샤프트 (12) 에 대해 대칭인 짝수개의 로터 자극 (32) 을 갖는다. 따라서, 샤프트 (12) 의 수직 방향을 향하는 힘의 합력이 0 이 될 수 있다. 이것은 소음 및 진동을 억제한다. 또한, 로터 (30) 가 회전할 때, 자극 사이의 모든 부분에서 일정한 간격으로 인력이 발생된다. 또한, 로터 (30) 및 스테이터 (20) 가 연자성재로 만들어지기 때문에, 모터 효율이 향상된다. 본 발명의 실시형태에 있어서, 각각의 스테이터 자극 (22) 및 로터 자극 (32) 의 단부는 축방향에서 볼 때 좌우 대칭이다. 따라서, 인력의 크기가 스테이터 자극 (22) 의 중심에 대해 좌우 대칭이고, 이에 따라 모터가 시계 방향 또는 반시계방향으로 회전되는 것에 상관없이 동일한 특성이 얻어진다. 따라서, 기본 모듈 (10) 은 좌우 방향으로 휠을 조종하는 전동 파워 스티어링 시스템의 모터에 적합하다.

자극 사이의 에어 갭의 길이가 0.2 mm 이상이기 때문에, 코일 (25) 에 전력이 공급되지 않을 때 로터 (30) 를 향해 자속이 새는 것을 방지할 수 있다. 이것은 링체 (21) 의 단면적을 최소화한다. 또한, 에어 갭의 길이가 1.5 mm 이하이기 때문에, 인력의 완만한 변화와 인력의 크기 사이의 균형이 최적으로 유지되고, 이는 코일 (25) 에 미소 전류가 통과될 때의 자속량의 제어를 용이하게 해준다.

기본 모듈 (10) 을 구성하는 연자성체는 두께가 1 mm 이하인 다중 전자기 강판을 적층함으로써 형성된다. 따라서, 와전류 손실과 히스테리시스 손실을 적 절하게 감소시킬 수 있다. 그 결과, 높은 모터 효율이 얻어진다.

네오디뮴계 자석이 링체 (21) 에 배립된 영구 자석 (24) 으로서 사용되기 때문에, 강한 자력이 얻어질 수 있어서, 기본 모듈 (10) 의 크기가 감소될 수도 있다. 기본 모듈 (10) 에 있어서, 영구 자석 (24) 의 자속의 흐름이 코일 (25) 에 전력을 공급함으로써 로터 자극 (32) 을 향하는 방향으로 변경된다. 따라서, 링체 (21) 가 자속 포화점에서 사용될 수도 있다. 코일 (25) 에 의해 효과적으로 발생되는 자속 밀도는 영구 자석 (24) 의 자력에 비례한다. 그 결과, 스테이터 (20) 의 크기가 자력의 제곱에 2 를 곱하여 얻어지는 값 (2×(자력의 제곱)) 에 반비례한다. 따라서, 강한 자력을 발생시키는 네오디뮴계 자석을 사용하는 것이 기본 모듈 (10) 의 크기를 감소시킨다. 코일에 공급되는 전류가 낮더라도, 로터 (30) 에 대한 인력이 발생될 수 있다.

다음으로, 3 개의 기본 모듈 (10) 이 상호 연결되는 본 발명의 실시형태에 따른 모터 (1) 가 설명된다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 모터 (1) 는 제 1 모듈 (10A), 제 2 기본 모듈 (10B), 제 3 기본 모듈 (10C) 을 축방향으로 서로 연결함으로써, 즉, 3 개의 기본 모듈 (10) 에 의해 공유되는 회전축으로서 기능하는 샤프트 (12) 에 각 기본 모듈 (10) 의 로터 (30) 를 고정함으로써 형성된다. 본 발명의 실시형태에서, 3 개의 기본 모듈 (10) 이 모터 (1) 에 이용된다. 그러나, 기본 모듈 (10) 의 수는 3 개로 한정되는 것은 아니다. 모터 (1) 가 전동 파워 스티어링 시스템에서 사용될 때에는, 기본 모듈 (10) 의 수가 증가된다.

도 4a, 4b 및 4c 에 도시된 바와 같이, 각 기본 모듈 (10) 의 로터 (30) 는 로터 (30) 의 로터 자극 (32) 이 정렬되는 방식으로 샤프트 (12) 에 고정된다. 한편, 기본 모듈 (10) 의 스테이터 (20) 는 스테이터 자극 (22) 의 위치가 로터 (30) 가 회전하는 방향으로 스테이터 (20) 를 따라 30°의 기계각로 서로 오프셋되도록 모터 케이싱 (11) 에 고정된다. 즉, 로터 (30) 가 회전할 때 기본 모듈 (10) 이 고르게 (일정한 회전각도 간격으로) 인력을 발생하도록 로터 (30) 가 회전하는 방향으로 스테이터 자극 (22) 의 위상이 서로 오프셋된다. 위상차는 360°를 하나의 기본 모듈의 자극의 수와 기본 모듈의 수의 곱으로 나눔으로써 얻어진다 (360°／(기본 모듈의 자극수×기본 모듈의 수). 본 발명의 실시형태에 서, 각 기본 모듈이 4 개의 자극을 갖기 때문에, 3 개의 기본 모듈이 되고, 기본 모듈 (10) 사이의 위상차는 30°가 된다. 위상차는 인력이 고르게 되도록, 즉, 로터 (30) 가 회전할 때의 기본 모듈 전체에서 자극간의 인력이 소정 회전 각도 간격으로 발생하도록 설정된다. 따라서, 스테이터 자극은 기본 모듈 (10) 사이에서 일정한 간격으로 서로 오프셋될 필요가 없다. 기본 모듈 (10) 사이에서 로터 (30) 의 위상이 오프셋될 수도 있다. 대안으로서, 스테이터 (20) 및 로터 (30) 모두의 위상이 기본 모듈 (10) 사이에서 서로 오프셋될 수도 있다.

스테이터 자극 (22) 과 로터 자극 (32) 사이의 상대적인 위상이 일정한 간격으로 서로 오프셋되도록 기본 모듈 (10) 을 제공하면 로터 (30) 의 회전각 및 회전 각속도에 상관없이 항상 토크를 발생시킬 수 있다. 즉, 1 개의 기본 모듈 (10) 만으로 모터가 형성될 때, 로터 (30) 가 소정 회전 각도에서 정지한다면 모터는 시동될 수 없을 수도 있다. 그러나, 자극의 위상은 인력이 고르게 발생되도록 로 터 (30) 가 회전하는 방향으로 기본 모듈 (10) 을 따라 서로 오프셋된다. 따라서, 이러한 불편함이 발생하지 않는다. 따라서, 전동 파워 스티어링 시스템에 있어서, 모터 회전 각속도가 0 이더라도, 즉, 모터가 정지하고 있더라도, 회전 토크가 발생될 수 있다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 연속하는 기본 모듈 (10) 사이에서 에어 갭 (G) 이 유지된다. 에어 갭 (G) 은 기본 모듈 (10) 사이의 자속 누실을 방지한다. 그 결과, 토크의 변동이 감소된다.

모터 (1) 의 샤프트 (12) 에는 로터 (30) 의 회전 각도 (기계각) 를 검출하는 회전각 센서 (14) 가 끼워맞춤된다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 기본 모듈 (10) 의 코일 (25) 로의 전력 공급을 제어하는 전력 공급 제어 장치 (40) 가 연결된다. 전력 공급 제어 장치 (40) 는, 마이크로 컴퓨터로 주로 구성되고 모터 제어량 (모터에 공급되는 전력의 양) 을 연산하는 모터 컨트롤러 (41), 및 모터 컨트롤러 (41) 로부터의 제어 신호에 응답하여 동력 공급 장치 (B) 로부터 코일 (25) 에 전력을 공급하는 스위칭부 (42) 를 포함한다. 모터 컨트롤러 (41) 는 도 17 에 도시된 운전자의 조향 휠 (51) 의 조향 토크를 검출하는 조향 토크 센서 (58) 로부터의 토크 신호 (Tr) 및 차속 센서 (도시되지 않음) 로부터의 차속 신호 (V) 를 수용하고, 전동 파워 스티어링 시스템에 필요한 보조 토크에 대응하는 목표 전력 공급량을 연산한다. 회전각 센서 (14) 로부터 회전각 신호 (θ) 에 기초하여 코일 (25) 에 전력이 공급되는 동안의 시간을 모터 컨트롤러 (41) 가 결정한다. 스위칭부 (42) 는 동력 공급 유닛 (B) 과 기본 모듈 (10) 의 코일 (25) 사이에 배열된 스위칭 소자 (S1, S2, S3) 를 포함한다. 스위칭 소자 (S1, S2, S3) 로서는, 예를 들어, MOS－FET (금속-산화물 반도체 전계 트랜지스터) 이 사용된다. 스위칭부 (42) 대신에, 도 8에 도시된 바와 같이, 6 개의 스위칭 소자 (S1, S2, S3, S4, S5, S6) 를 포함하는 스위칭부 (43) 가 형성될 수도 있다.

다음으로, 전력 공급 제어 장치 (40) 에 의한 모터 (1) 로의 전력 공급의 제어가 설명된다. 각 기본 모듈 (10) 의 코일 (25) 에 전력이 공급되는 동안의 시간이 이하에 설명된다. 전동 파워 스티어링 시스템에 대한 보조 토크에 기초한 전력 공급량의 제어에 대한 설명은 이하에 제공되지 않는다. 이하의 설명은 전력 공급량이 일정하게 유지된다는 가정에 기초하여 제공된다.

도 6a 및 6b 는 기본 모듈 (10) 에 있어서의 스테이터 자극 (22) 에 대한 로터 자극 (32) 의 운동을 도시한다. 제 1 기본 모듈 (10A) 의 스테이터 자극 (22) 의 중심선이 로터 자극 (32) 의 중심선과 일치하는 회전 각도가 전기각 0°이다. 그 후에, 로터 (30) 는 시계 방향으로 회전된다. 다음으로 제 1 기본 모듈 (10A) 의 스테이터 자극 (22) 의 중심선이 다음 로터 자극 (32) 의 중심선과 일치하는 회전 각도가 전기각 360°이다. 따라서, 하나의 기본 모듈 (10) 의 자극수가 "m" 일 때, 기계각 360°를 "m" 으로 나눔으로써 얻어지는 값이 360°의 기계각에 대응한다. 본 발명의 실시형태에서, 90°의 기계각은 360°의 전기에 상응한다.

도 9 는 시계 방향으로 로터 (30) 가 회전될 때의 각 기본 모듈 (10) 의 코일 (25) 에 전력이 공급되는 동안의 시간을 도시한다. 도 9 에 도시된 바와 같 이, 전기각이 180°일 때부터 전기각이 360°가 되는 동안에 제 1 기본 모듈 (10A) 의 코일 (25) 에 전력이 공급된다. 제 2 기본 모듈 (10B) 의 코일 (25) 에 전력이 공급되기 시작하는 시간은 360°를 기본 모듈 (10) 의 수 "n" 으로 나눔으로써 얻어진 위상 (360°"n") 에 대응하는 전기각만큼 제 1 기본 모듈 (10A) 에 전력이 공급되기 시작되는 시간과 차이가 난다. 본 발명의 실시형태에서, 기본 모듈 (10) 의 수 "n" 이 3 이기 때문에, 제 2 기본 모듈 (10B) 의 코일 (25) 에 전력이 공급되기 시작되는 시간이 제 1 기본 모듈 (10A) 의 코일 (25) 에 전력이 공급되기 시작하는 시간과 120°의 전기각만큼 차이가 난다. 제 3 기본 모듈 (10C) 의 코일 (25) 에 전력이 공급되는 시작되는 시간이 제 1 기본 모듈 (10A) 과 제 2 기본 모듈 (10B) 사이와 동일한 위상차만큼 제 2 기본 모듈 (10B) 의 코일 (25) 에 전력이 공급되기 시작하는 시간과 차이가 난다. 이러한 코일 (25) 로의 전력 공급은 직사각형 파상으로 실시된다.

도 10 은 반시계방향으로 로터 (30) 가 회전할 때의 각 기본 모듈 (10) 의 코일 (25) 로의 전력이 공급되는 시간을 도시한다. 전기각이 0°일 때부터 전기각이 180°이 될 때가지의 기간 동안 제 1 기본 모듈 (10A) 의 코일로 전력이 공급된다. 제 2 모듈 (10B) 의 코일 (25) 에 전력이 공급되기 시작되는 시간은 360°를 기본 모듈 (10) 의 수 "n" 으로 나눔으로써 얻어진 위상 (360°/"n") 에 대응하는 전기각만큼 제 1 기본 모듈 (10A) 에 전력이 공급되기 시작되는 시간과 차이가 난다. 유사하게, 제 3 기본 모듈 (10C) 의 코일 (25) 에 전력이 공급되기 시작되는 시간은 제 1 기본 모듈 (10A) 과 제 2 기본 모듈 (10B) 사이와 동일한 위상차만큼 제 2 기본 모듈 (10B) 의 코일 (25) 에 전력이 공급되기 시작하는 시간과 차이가 난다.

따라서, 각 기본 모듈 (10) 의 코일 (25) 로의 전력 공급이 소정 모터 회전 각도가 달성되는 소정 시간에 시작되고, 다른 소정 모터 회전 각도가 달성될 때까지의 기간 동안 계속된다. 따라서, 로터 (30) 가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되는지 안되는지에 상관없이 토크가 발생될 수 있다. 기본 모듈 (10) 의 코일 (25) 에 공급되는 전류량은 각각 스위칭부 (42) 의 스위칭 소자 (S1, S2, S3) 의 듀티비를 조정함으로써 제어된다. 즉, 전력이 모터 회전 각도에 기초한 직사각형 파상으로 코일 (25) 에 공급될 때, 직사각형 파상으로 전력이 코일 (25) 에 공급되는 간격에 대해 상당히 짧은 간격으로 스위칭 소자 (S1, S2, S3) 가 온오프된다. 기본 모듈 (10) 의 코일 (25) 로 공급되는 전류의 값은 각각 스위칭 소자 (S1, S2, S3) 의 온듀티비를 조정함으로써 변경된다.

도 11 에 도시된 바와 같이, 전력은 사다리꼴 파상으로 코일 (25) 에 공급될 수도 있다. 즉, 전력이 코일 (25) 에 공급되는 동안의 기간의 각각의 시작과 마지막 단계에서 소정 기간 동안 소정 속도로 전류값이 변경된다 (증가/감소). 이 경우, 한 기본 모듈 (10) 의 코일에 공급되는 전류가 상승하는 기간 및 다른 기본 모듈 (10) 의 코일에 공급되는 전류가 감소하는 기간이 서로 겹치게된다. 따라서, 전류 공급을 나타내는 선이 경사지는 방식으로 코일에 공급되는 전류를 증가시키면 자속의 변화가 감소된다. 그 결과, 모터 효율이 향상된다.

도 5a 및 5b 는 모터가 시계 방향으로 회전될 때의 모터 회전각에 대한 기본 모듈 (10) 에서 발생되는 토크의 추이를 도시한다. 도 5a 는 제 1 기본 모듈 (10A) 에서 발생되는 토크를 도시한다. 도 5b 는 모듈 (10A, 10B, 10C) 에서 발생되는 토크 및 이들 토크로부터 합성된 토크를 나타낸다. 도 5b 로부터 알 수 있는 바와 같이, 모듈 (10A, 10B, 10C) 에서 발생되는 토크를 합하면 어떠한 모터 회전각에서도 일정한 토크가 얻어진다.

지금까지 설명된 모터 (1) 및 전력 공급 제어 장치 (40) 는 차량용 전동 파워 스티어링 시스템의 구동 유닛으로서 이용될 수도 있다. 도 17 에 도시된 바와 같이, 전동 파워 스티어링 시스템은, 운전자에 의해 회전되는 운전자의 조향 휠 (51), 운전자의 조향 휠 (51) 에 고정되는 스티어링 샤프트 (52), 차체의 차폭 방향으로 이동하는 랙바 (53), 스티어링 샤프트 (52) 의 회전운동을 랙바 (53) 에 전달하는 랙 앤드 피니언 기구 (54), 및 랙바 (53) 의 좌우 운동을 각각의 휠 (W) 의 너클 아암 (55) 에 전달하는 타이 로드 (56) 를 포함하는 스티어링 기구 (50) 에서 조향 보조 토크를 공급한다. 전동 파워 스티어링 시스템은 스티어링 샤프트 (52) 에 끼워맞춤된 감속 기어 (57), 감속 기어 (57) 와 맞물리고 스티어링 샤프트 (52) 에 회전 토크를 주는 모터 (1), 스티어링 샤프트 (52) 에 적용되는 조향 토크를 검출하는 조향 토크 센서 (58) 및 모터 (1) 로의 전력 공급을 제어하는 전력 공급 제어 장치 (40) 를 포함한다.

상기에 서술된 바와 같이, 전동 파워 스티어링 시스템에 사용되는 모터 (1) 로, 고출력이 생성되더라도, 손실 토크나 코깅 토크가 발생되지 않고, 모터 관성이 낮게 유지된다. 또한, 다중 기본 모듈 (10) 을 서로 결합시켜서 모터 (1) 가 구동되는 동안에 토크의 변동을 억제한다. 그 결과, 본 전동 파워 스티어링 시스템으로, 고출력 및 고효율이 달성되더라도, 운전자가 느끼는 조향감이 악화되지 않는다.

다음으로, 기본 모듈 (10) 의 구조의 변형예가 설명된다. 먼저, 기본 모듈 (10) 의 로터 자극 (32) 및 스테이터 자극 (22) 의 단부 형상의 변형예가 설명된다. 도 12 는 축방향의 정면에서 본, 본 실시형태의 변형예에 따른 로터 자극 (132) 및 스테이터 자극 (122) 의 단부를 도시한다. 변형예에서, 서로 마주 보는 로터 자극 (132) 과 스테이터 자극 (122) 사이에서 유지되는 에어 갭의 길이는 자극 중심선으로부터의 거리가 둘레 방향으로 증가함에 따라 커진다. 변형예에서, 스테이터 자극 (122) 의 단부면은 로터 (30) 와 회전축 중심 (O1) 을 공유하고 반경 (R1) 을 갖는 가상의 원통면을 부분적으로 형성하는 곡면에 형성된다. 한편, 로터 자극 (132) 의 단부면은 로터 (30) 의 회전축 중심 (O1) 으로부터 거리 (δ) 만큼 반경방향 외측으로 오프셋되는 중심 (O2) 에서 축중심을 갖고 반경 (R2) 을 갖는 가상의 원통면을 부분적으로 형성하는 곡면에 형성된다.

이 구조로, 로터 (30) 가 움직이는 양에 따라 토크가 적당하고 완만하게 변화한다. 로터 자극 (132) 및 스테이터 자극 (122) 은 로터 (30) 가 회전함에 따라 접근하거나 멀어진다. 로터 자극 (132) 및 스테이터 자극 (122) 이 서로 마주하는 동안 서로에 대해 이동할 때 토크의 변화가 감소된다. 예를 들어, 도 5a 의 토크 특성을 이용함으로써 토크의 변화가 도시되면, 최대 토크가 얻어지는 영역 "t" 가 평평하게 될 수 있다. 이 결과, 토크 변동이 적은 모터가 형성된 다. 변형예에서, 로터 자극 (132) 의 단부면이 구부러지는 정도가 크다. 대안적으로, 스테이터 자극의 단부면이 구부러지는 정도가 낮을 수도 있다. 즉, 스테이터 자극의 단부면을 형성하는 곡면은 로터 (30) 의 회전축 중심 (O1) 으로부터 스테이터 자극으로부터의 거리가 증가하는 방향으로 오프셋되는 위치에서 축중심을 갖는 가상의 원통면의 일부일 수도 있다. 또한, 스테이터 자극의 단부면만이 평평할 수도 있다.

다음으로, 기본 모듈 (10) 의 로터 자극 (32) 또는 스테이터 자극 (22) 의 단부 숄더부 형상의 변형예가 설명된다. 도 13a, 13b, 13c 는 3 개의 변형예에 따라 각각 로터 자극 (232, 332, 432) 를 도시한다. 도 13a, 13b, 13c 는 축방향 정면에서 본 로터 자극 (232, 332, 432) 이다. 도 13a 의 로터 자극 (232) 은 단부 숄더부의 단면이 아치형상을 갖도록 각각의 단부 숄더부를 절단함으로써 형성된다. 곡면 (P1) (반경 (R) 을 갖는 가상의 원통면을 부분적으로 형성하는 곡면) 이 형성된다. 곡면 (P1) 의 반경 (R) 은 로터 자극 (232) 의 단부면의 중앙부를 형성하는 곡면 (가상의 원통면의 일부를 형성하는 곡면) 의 반경보다 매우 작다. 도 13b 에 도시된 로터 자극 (332) 은 경사면 (P2) 이 형성되도록 각각의 단부 숄더부를 경사가공함으로써 형성된다. 도 13c 에 도시된 로터 자극 (432) 은 경사면 (P3, P4) 이 형성되도록 각각의 단부 숄더부를 두 단계로 경사가공함으로써 형성된다. 이들 변형예에 따라, 로터 (30) 의 회전 운동량에 대한 인력의 초기 변화의 특성이 적절하게 될 수 있다.

예를 들어, 도 5a 의 토크 특성에 있어서, 토크가 토크 증가 영역 "s" 에서 증가하는 속도가 자극의 단부 숄더부의 형상을 조정함으로써 조정될 수도 있다. 토크가 증가하는 기간에서, 토크가 발생되는 동안의 기간이 기본 모듈 (10) 이 조합되어 사용되는 경우와 서로 겹치게된다. 따라서, 본 실시형태의 변형예에서, 로터 자극 (32) 의 각각의 단부 숄더부가 소정 형상으로 절단된다. 따라서, 적절한 토크 특성이 얻어져서, 토크 변동이 작은 모터가 형성된다. 단부 숄더부의 형상은 변형예에서 설명된 단부 숄더부의 형상으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 다중 곡면을 조합하거나, 세 개 이상의 단계로 단부 숄더부를 경사가공하거나, 또는 곡면을 형성하고 단부 숄더부를 경사가공함으로써 단부 숄더부의 형상이 형성될 수도 있다. 대안으로서, 스테이터 자극 (22) 의 단부 숄더부가 소정 형상으로 절단될 수도 있다. 또한 대안으로서, 로터 자극 (32) 및 스테이터 자극 (22) 모두의 단부 숄더부를 소정 형상으로 절단될 수도 있다.

다음으로, 기본 모듈 (10) 의 스테이터 (20) 의 링체 (21) 의 변형예가 설명된다. 도 14a 및 14b 는 변형예에 따라 스테이터 자극 (22) 이 형성되는 스테이터 (20) 의 부분을 도시한다. 도 14a 는 제 1 변형예를 도시하고, 도 14b 는 제 2 변형예를 도시한다. 제 1 변형예에서, 반경 방향 내부로 파여진 노치 홈 (26) 이 스테이터 자극 (22) 이 형성되는 위치에서 링체 (21) 의 외부면에 형성된다. 제 2 변형예에서, 반경 방향 내부로 파여진 노치 홈 (27) 이 스테이터 자극 (22) 이 형성되는 위치에서 링체 (21) 의 외부면에 형성된다. 제 1 변형예에서, 노치 홈 (26) 은 V 형상의 단면을 갖고 2 개의 경사면 (26a, 26b) 에 의해 규정되는 공간이다. 제 2 변형예에서는, 노치 홈 (27) 은 실질적으로 V 형상의 단면을 갖고 2 개의 곡면 (27a, 27b) (반경 (R) 을 갖는 가상의 원통면을 부분적으로 형성하는 곡면) 에 의해 규정되는 공간이다. 제 1 변형예 및 제 2 변형예 모두에서, 노치 홈 (26, 27) 의 중심은 스테이터 자극 (22) 의 중심선과 일치할 수도 있다.

이들 변형예에 따라, 영구 자석 (24) 에 의해 발생되는 자기장이 코일 (25) 에 의해 발생되는 자기장에 의해 되밀어질때, 노치 홈 (26) 을 규정하는 경사면 (26a, 26b) 또는 노치 홈 (27) 을 규정하는 곡면 (27a, 27b) 이 자속의 흐름을 스테이터 자극 (22) 쪽으로 안내한다. 따라서, 코일 (25) 에 전력이 공급될 때 자속이 로터 (30) 를 향해 적절하게 흐르도록 될 수 있다. 그 결과, 자극 사이의 인력이 효과적으로 발생될 수 있다. 또한, 링체 (21) 의 중량이 감소된다.

다음으로, 기본 모듈 (10) 의 링체 (21) 의 변형예가 도 15 및 도 16 에 설명된다. 링체 (121) 의 반경 (내반경 및 외반경) 은 스테이터 자극 (22) 이 형성되는 경계에서 변한다. 각각 코일 (25ad 및 25bc) 이 권취되는 자극간 자로부 (23ad, 23bc) 에서 링체 (21) 의 외반경 (R2) 은 영구 자석 (24ab 및 24cd) 이 매립 되는 자극간 자로부 (23ab, 23cd) 에서의 링체 (21) 의 외반경 (R1) 보다 크다. 이 경우에, 각 자극간 자로부 (23) 의 반경 방향 폭이 동일하기 때문에, 자극간 자로부 (23ad, 23bc) 에서의 링체 (21) 의 내반경이 자극간 자로부 (23ab, 23cd) 에서의 링체 (21) 의 내반경보다 크다. 즉, 링체 (121) 에서, 자극간 자로부 (23) 의 반경 방향 중심들을 둘레 방향으로 연결하는 선으로부터 로터의 회전축 중심까지의 거리인 링 반경이 스테이터 자극 (22) 이 형성되는 경계에서 소정 길이 만큼 변화한다.

따라서, 영구 자석 (24ab 및 24cd) 이 배열되는 자극간 자로부 (23ab, 23cd) 와 코일 (25ad 및 25bc) 이 권취되는 자극간 자로부 (23ad 및 23bc) 사이에서의 축중심으로부터의 링체 (21) 의 반경이 달라진다. 따라서, 링체 (121) 의 둘레 방향으로 흐르는 영구 자석 (24) 의 자속이, 코일 (25) 에 전력이 공급될 때, 스테이터 자극 (22) 쪽으로 안내되기 쉬워진다. 그 결과, 코일 (25) 에 전력이 공급될 때, 로터 (30) 쪽으로 자속이 적절하게 흐르게 되고, 자극 사이의 인력이 효과적으로 발생된다. 또한, 코일 (25ad 및 25bc) 이 권취되는 자극간 자로부 (23ad 및 23bc) 에서의 링체 (21) 의 반경이 각각 영구 자석 (24ab 및 24cd) 이 배열되는 자극간 자로부 (23ab, 23cd) 에서의 링체 (21) 의 반경보다 크기 때문에, 링체 (121) 의 내측에서 코일 (25) 을 위한 더 큰 공간이 확보된다. 링체 (121) 의 내측에는 로터 (30) 가 형성되기 때문에, 코일 (25) 에 대한 공간이 엄격하게 제한된다. 그러나, 본 변형예에 따라, 이러한 문제기 최소화된다.

본 발명의 실시형태에 따른 모터 및 전력 공급 제어 장치가 설명되었지만, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되는 것이 아니라는 것을 알아야 한다. 그와 반대로, 본 발명은 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 동일한 배열을 만족하도록 의도된다.

예를 들어, 본 발명의 실시형태에 따른 모터 및 모터용 전력 공급 제어 장치가 전동 파워 스티어링 시스템에 사용된다. 그러나, 이러한 모터 및 전력 공급 제어 장치는 절절한 다른 장치에도 사용된다. 또한, 기본 모듈의 수 및 자극의 수는 특정 경우에 대해서 적절하게 선택될 수도 있다.

Claims

자로를 형성하는 중공 원통형 링체를 갖는 스테이터로서, 짝수의 스테이터 자극이 링체의 둘레 방향으로 일정한 간격으로 배열되고 스테이터 자극은 반경 방향으로 링체의 내주면으로부터 내부로 돌출하는 스테이터,

자로를 형성하고 상기 스테이터 내에 동축으로 배열된 로터로서, 반경 방향으로 로터의 외부면으로부터 외부로 돌출하는 로터 자극을 갖고, 로터가 소정 회전 위치에 있을 때 상기 로터 자극은 스테이터에 형성된 스테이터 자극과 마주하는 로터를 포함하는 모터로서,

링체의 둘레 방향을 향하는 자기장이 같은 방향으로 발생되도록 연속적인 스테이터 자극 사이에 위치된 짝수개의 자극간 자로부 사이에 교대로 자극간 자로부에 영구 자석이 배열되고,

영구 자석에 의해 발생된 자기장과 반대 방향인 자기장이 발생되도록 영구 자석이 배열되지 않은 교대로 배열된 자극간 자로부의 잔여부 주위에 코일이 권취되는 것을 특징으로 하는 모터.
제 1 항에 있어서, 상기 로터는 로터의 회전축에 대해 대칭인 모터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스테이터 및 상기 로터는 연자성체인 모터.
제 3 항에 있어서, 상기 스테이터 및 상기 로터는 각각이 1 mm 이하의 두께를 갖는 다중 자기 강판을 적층함으로써 형성되는 모터.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스테이터 자극과 로터 자극이 서로 마주보고 상기 스테이터 자극과 상기 로터 자극의 중심선이 일치할 때, 둘레 방향으로 스테이터 자극과 로터 자극의 중심선으로부터의 거리가 증가함에 따라 스테이터 자극과 로터 자극 사이의 에어 갭의 길이가 증가하는 모터.
제 5 항에 있어서, 서로 마주하는 스테이터 자극과 로터 자극의 단부면이 가상의 원통형면을 부분적으로 형성하는 곡면이고, 및

스테이터 자극 및 로터 자극 중 하나의 단부면을 포함하는 면을 갖는 가상의 원통의 축선이 반경 방향으로 회전축의 중심으로부터 오프셋되어 있는 모터.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 반경 방향 내부로 파여진 노치 홈이 스테이터 자극이 형성되는 위치에서 스테이터의 링체의 외부면에 형성되는 모터.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 코일이 권취되는 자극간 자로부에서의 링체의 반경이 영구 자석이 배열되는 자극간 자로부에서의 링체의 반경 보다 큰 모터.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터는 차량의 조향 휠에 조향력을 공급하는 전동 파워 스티어링 시스템용 구동 유닛으로서 사용되는 모터.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 모터로 형성되는 적어도 3 개의 기본 모듈을 포함하는 조합 모터로서,

스테이터 자극 및 로터 자극이 서로 마주하는 회전 위치가 실질적으로 동일한 위상차만큼 각각의 기본 모듈로 변화하는 조합 모터.
제 10 항에 있어서, 상기 적어도 3 개의 기본 모듈이 회전 축이 연장하는 방향으로 서로 연결되고,

연속하는 기본 모듈 사이에 에어 갭이 유지되는 조합 모터.
제 10 항 또는 제 11 항에 따른 조합 모터로의 전력의 공급을 제어하는 전력 공급 제어 장치로서,

상기 로터의 회전 각도를 검출하는 회전각 센서, 및

"n" 은 기본 모듈의 수를 나타내고, 전기각 360°는 하나의 기본 모듈의 자극의 수 (m) 로 기계각 360°을 나눔으로써 얻어진 값에 대응한다고 할 때, 회전각 센서에 의해 검출된 회전각에 기초하여, 각각의 기본 모듈로 변화할 때 360°/n 의 전기각 식에 의해 표현된 전기각에 대응하는 위상차로 기본 모듈의 코일에 전력을 공급하기 위한 전력 공급 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 제어 장치.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 조합 모터는 차량의 조형 휠에 조향력을 공급하는 전동 파워 스티어링 시스템용 구동 유닛으로서 사용되는 조합 모터.
자로를 형성하는 중공 원통형 링체를 갖는 스테이터로서, 짝수의 스테이터 자극이 링체의 둘레 방향으로 일정한 간격으로 배열되고 스테이터 자극은 반경 방향으로 링체의 내주면으로부터 내부로 돌출하는 스테이터,

자로를 형성하고 상기 스테이터 내에 동축으로 배열된 로터로서, 반경 방향으로 로터의 외부면으로부터 외부로 돌출하는 로터 자극을 갖고, 로터가 소정 회전 위치에 있을 때 스테이터에 형성된 상기 로터 자극은 스테이터 자극과 마주하는 로터,

링체의 둘레 방향을 향하는 자기장이 발생되도록 연속적인 스테이터 자극 사이에 위치된 짝수개의 자극간 자로부 사이에 교대로 자극간 자로부에 배열된 영구 자석,

영구 자석에 의해 발생된 자기장과 반대 방향인 자기장이 발생되도록 영구 자석이 배열되지 않은 교대로 배열된 자극간 자로부의 잔여부 주위에 권취된 코일 을 포함하는 모터.