KR20090048605A - 전기 모터 - Google Patents

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KR20090048605A
KR20090048605A KR1020097003965A KR20097003965A KR20090048605A KR 20090048605 A KR20090048605 A KR 20090048605A KR 1020097003965 A KR1020097003965 A KR 1020097003965A KR 20097003965 A KR20097003965 A KR 20097003965A KR 20090048605 A KR20090048605 A KR 20090048605A
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로버트 에이 팔머
데니스 엘 팔머
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밀레니얼 리서치 코오포레이숀
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Abstract

다중-위상 전기 모터는 비자화성 코어를 둘러싸는 복수의 와이어 코일을 갖는 고정자와; 내부에 영구 자석을 매립하고 상기 고정자에 인접하게 회전 가능한 구동 샤프트 상에 설치된 적어도 하나의 회전자와; 전원과; 상기 회전자에 작동 가능하게 연결된 위치 센서와; 상기 와이어 코일에 전기 에너지를 분배하는 것을 제어하기 위해 상기 전원, 상기 위치 센서 및 상기 와이어 코일에 작동 가능하게 연결된 제어 회로를 포함한다. 상기 모터에서 제어 메커니즘은 제1 코일로부터 제2 코일로 전하를 전달한다.

Description

전기 모터{ELECTRIC MOTOR}
본 발명은 직류 전기 모터에 관한 것이다.
에너지 비용이 계속 상승하고 공급은 감소함에 따라, 특히 전기 모터의 경우 에너지를 보다 효율적으로 사용하기 위한 실질적인 필요성이 존재한다. 전기 모터는 많은 장치에 동력을 제공하고, 따라서 주어진 입력 에너지에 대한 모터로부터의 출력 전력의 향상은 에너지 비용의 상당한 절감을 의미한다.
특히 향상된 전기 모터로부터 이익을 얻는 일 용례는 전기 차량의 사용이다. 전기 차량은 백년 이상 주변에 존재하였지만, 널리 사용되기 시작한 것은 최근의 일이다. 전기 모터에서 출력 전력의 향상은 전기 차량을 훨씬 더 실용적이 되도록 하고 시장에 받아들여지도록 하는 데 도움이 될 수 있다.
기존 전기 차량이 갖는 하나의 문제점은 종래의 가스 또는 디젤 구동 차량보다 구입가가 높다는 것이다. 이것은 부분적으로는 이러한 차량이 사용하는 전기 모터가 고가인 점에 기인한다. 이러한 모터의 설계는 간단하지만, 그 구성은 매우 복잡하다. 또한, 이러한 모터의 제어 시스템은 고전압과 고전류 및 특히 수반되는 높은 유입 전류(in-rush current)에 대한 요구 조건 때문에 복잡하다. 마지막으로, 현재의 전기 모터는 복잡한 트랜스미션 시스템을 필요로 한다.
저전력 애플리케이션에 통상 사용되는 '팬케익'형 모터의 사용 이전에 금속 코어 없는 전자기 코일을 갖는 모터가 사용되었다. 그러나, 플라스틱과 같은 비자화 코어 재는 고전력 모터에 사용되지 못했다.
보다 에너지-효율적인 전기 모터의 제공을 위해 전기차 모터의 구성 및 제어를 위한 새로운 사상이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 다중-위상 전기 모터는 비자화 코어(non-magnetizable core)를 둘러싸는 복수의 와이어 코일을 갖는 고정자(stator)와; 내부에 영구 자석이 매립되고, 상기 고정자에 인접하게 배치되며, 회전 가능한 구동 샤프트 상에 설치되는 회전자(rotor)와; 전원과; 상기 회전자에 작동 가능하게 접속되는 위치 센서와; 전기 에너지를 상기 와이어 코일로 분배하는 것을 제어하기 위해 상기 전원, 상기 위치 센서 및 상기 와이어 코일에 작동 가능하게 접속되는 제어 회로를 포함하고; 제어 메커니즘은 전하(electrical charge)를 제1 코일로부터 제2 코일로 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라 제공되는 전기 모터 작동 방법은 비자화 코어를 둘러싸는 복수의 와이어 코일을 갖는 고정자와; 상기 고정자에 인접하게 배치되며, 회전 가능하게 설치되는 회전자와; 상기 회전자에 설치되는 복수의 영구 자석과; 전원과; 상기 회전자에 작동 가능하게 접속되는 위치 센서와; 전기 에너지를 상기 와이어 코일로 분배하는 것을 제어하기 위해 상기 전원, 상기 위치 센서 및 상기 와이어 코일에 작동 가능하게 접속되는 제어 회로를 포함하는 전기 모터를 제공하는 단계를 포함한다. 본 실시예의 발명은 상기 전원으로 제1 코일을 전기적으로 에너지 활성화시키는 단계와; 상기 제1 코일을 제2 코일에 전기적으로 연결하여 제어기의 지시에 따라 전기 에너지를 상기 제1 코일로부터 상기 제2 코일로 전송하는 단계와; 상기 제1 코일을 상기 전원으로부터 연결 해제하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다중-위상 전기 모터는 플라스틱 튜브로 이루어진 비자화 와이어 코어를 둘러싸는 복수의 와이어 코일을 갖는 고정자와; 내부에 영구 자석이 매립되고, 상기 고정자에 인접하게 회전 가능한 구동 샤프트 상에 설치되는 회전자와; 전원과;상기 구동 샤프트를 통해 상기 회전자에 작동 가능하게 접속된 위치 센서와; 전기 에너지를 상기 와이어 코일로 분배하는 것을 제어하기 위해 상기 전원, 상기 위치 센서 및 상기 와이어 코일에 작동 가능하게 접속된 제어 회로를 포함하고; 제어 메커니즘은 전하를 제1 방전 코일로부터 제2 충전 코일로 전달하고; 상기 회전자는 외주 엣지를 사이에 형성하는 한 쌍의 양면을 갖는 디스크를 구비하고; 상기 회전자는 상기 외주 엣지 근처의 면에 부착된 스틸 링을 더 구비하고; 상기 영구 자석은 적어도 하나의 희토류 자석이 고정자에 인접하도록 2개의 희토류 자석 피스 사이에 개재된 스틸 피스를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 적용성에 대한 다른 영역은 이후 기술되는 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예를 지시하고 있는 상세한 설명 및 특정 실시예들은 단지 예시를 위한 목적으로 의도된 것으로 본 발명의 범위를 제한하려고 의도된 것이 아님을 이해하여야 한다.
본 발명은 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조로 보다 확실히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 모터의 일 실시예의 개략도이고;
도 2는 단일 코일의 일 실시예를 도시하고;
도 3A-3D는 영구 자석과 전자기 코일의 조합을 통해 힘의 레벨을 변화시키는 방법을 도시하며;
도 4A는 고정자 코일을 지지하는데 사용되는 종류의 종방향 스트립의 일 실시예를 도시하며;
도 4B는 도 4A에 도시된 바와 같은 복수의 종방향 스트립 상에 고정자의 코일을 설치하고 있는 고정자의 단면도를 도시하고;
도 5A는 코일로부터 이어지는 연장 와이어를 위해 측면상에 슬롯을 형성하고 있는 종방향 스트립의 일 실시예를 도시하며;
도 5B는 상부에 설치되는 연장 와이어를 위한 와이어 채널을 형성하고 있는 종방향 스트립의 다른 실시예를 도시하며;
도 6은 코일을 지지하는 장착 브라켓이 종방향 스트립에 부착되는 방식의 일 실시예를 도시하며;
도 7은 선택적으로 스틸 전환 링을 채용하고 있는 회전자의 일 실시예를 도 시하며;
도 8A, 8B, 8C는 다른 종류의 코어에 권선된 와이어 코일의 여러 실시예를 도시하며;
도 9A 및 도 9B는 모듈형 회전자 성분의 일 실시예의 정면도 및 측면도를 도시하고;
도 9C는 회전자에 사용되는 복합 자석의 일 실시예를 도시하며;
도 10은 본 발명의 모터의 일 실시예의 단면도로서 영구 자석과 전자기 코일 사이의 자속을 보여주는 다이어그램이고;
도 11은 본 발명의 모터의 코일을 에너지 활성화시키는 회로의 일 실시예를 도시하고;
도 12는 본 발명의 모터의 코일을 에너지 활성화시키는 회로의 다른 실시예를 도시하고;
도 13은 위치 센서의 일 실시예를 도시하고;
도 14A 및 도 14B는 쇳가루를 사용한 직접 평가로 결정되는 본 발명의 모터의 일 실시예에 대한 자력선을 도시하며;
도 15A, 15B, 15C는 점차로 커지는 영구 자석에 대한 자력선을 도시하며;
도 15D는 2개의 영구 자석 슬라이스 사이에 스틸 슬러그가 개재된 복합 자석에 대한 자력선을 도시하며;
도 16은 전기 모터에서 방전 코일로부터 충전 코일로 붕괴장 전류(collapsing field current)를 전환하는 회로의 일 실시예를 도시하고;
도 17은 전기 모터에서 방전 코일로부터 충전 코일로 붕괴장 전류(collapsing field current)를 전환하는 회로의 다른 실시예를 도시하고;
도 18은 전기 모터에서 방전 코일로부터 충전 코일로 붕괴장 전류(collapsing field current)를 전환하는 회로의 또 다른 실시예를 도시하고;
도 19는 전기 모터에서 방전 코일로부터 충전 코일로 붕괴장 전류(collapsing field current)를 전환하는 회로의 또 다른 실시예를 도시하고;
도 20은 전자기 코일의 상대 위치가 파선으로 도시되어 있는 본 발명의 회전자의 일 실시예의 측면도를 도시하고;
도 21은 본 발명의 모터의 일 실시예에서 영구 자석과 코일 간의 상대 위치를 묘사하고 있는 도 20의 선 21-21을 따른 단면도를 나타내고;
도 22A-22C는 본 발명의 모터의 다른 실시예에서 영구 자석과 코일 간의 상대 위치를 묘사하고 있는 도 20의 선 21-21을 따른 단면도를 나타내고;
도 23은 3상 모터의 일 실시예에 대한 타이밍 다이어그램을 도시하며;
도 24는 4상-, 18-영구 자석의 모터의 일 실시예에 대한 타이밍 다이어그램을 도시하며;
도 25는 8-코일 및 18-영구 자석을 갖는 4상 모터의 일 실시예에서 영구 자석과 코일의 측면도를 도시한다.
바람직한 실시예에 대한 다음의 설명은 실질적으로 단지 예시적인 것이고, 어떤 식으로든 본 발명, 본 발명의 적용 또는 용도를 한정하도록 의도된 것이 아니다.
'자기전자적(magnetronic)' 모터로 지칭되는 하기의 모터는 여러 측면에서 종래의 전기 모터와 상이하며, 그에 따라 모터 거동을 기술하는 통상의 공식은 본 발명의 자기전자적 모터에 항상 적용되는 것은 아니다. 이것은 다음의 여러 인자에 기인한다:
1. 종래의 모터 출력은 자속의 집속을 위해 스틸이 필요하고;
2. 종래의 모터는 금속 성분에서 전기적 힘을 자속으로 변환함으로써 고정자와 회전자를 통한 자기 회로를 완성하여 회전자에 인가되는 토오크를 생성한다.
이들 요소에 기인하여 통상적인 모터의 최대 출력 파워는 장(field) 내와 회전자 내의 스틸의 양과 권선의 구리 양에 의해 제한된다.
본원에 기술되는 모터는 하기 성분에 있어 상이하다:
1. 자기전자적 모터는 자속의 집속을 위해 스틸을 필요로 하지 않으며, 실제 대부분의 실시예에서 스틸은 모터의 동작에 악영향을 미친다.
2. 자기전자적 모터에서 자기 회로는 회전자의 영구 자석과 2개의 외부 또는 단부 회전자 상의 스틸 단부판의 구성에 의해 완성된다. 자속의 집속은 코일이 에너지 활성화될 때 파워 증가를 가져오는 구성에 의해 달성된다(도 3A-3D, 14A-14B). 도 3A-3C는 회전자(들)에 설치된 영구 자석과 고정자 내의 충전된 전자기 와이어 코일의 조합이 어떻게 힘의 레벨을 변화시키고 그에 따라 주어진 코일과 관련된 영구 자석을 더 많이 구비하는 것에 의해 힘의 양을 증가시키는 것을 나타낸 다. 예를 들면, 8개의 영구 자석을 각각 내장하는 2개의 회전자(36)에 단일 코일(34)을 결합하는 것에 의해 일 실시예에 따르면 2 피트파운드(foot-pounds) 이상의 힘이 생성된다. 이 구성에서 제1의 2개 회전자(36)의 어느 측면에 제3 회전자(36)를 부가하는 것에 의해 모터에는 3 피트-파운드 이상의 힘이 생성되게 된다. 유사하게, 제1의 3개 회전자(36)의 어느 측면에 제4 회전자(36)를 부가하는 것에 의해 모터에는 4 피트-파운드의 힘이 생성되게 된다. 마지막으로, 제1의 4개 회전자(36)의 어느 측면에 제5 회전자(36)를 부가하는 것에 의해 모터에는 5 피트-파운드의 힘이 생성될 것이다.
또한, 도 3D에 도시된 바와 같이 영구 자석(52)에 더 많은 코일을 결합하는 것에 의해 보다 큰 힘을 생성할 수 있다. 예를 들면, 각각 8개의 영구 자석(52)을 포함하여 총 40개의 영구 자석(52)을 갖게 되는 5개의 회전자(36)와 하나의 코일(34)을 구비하는 것에 의해 5 피트-파운드의 힘이 주어진다. 동일한 5개의 회전자-모터에 제2 코일(34)을 부가하면 힘을 배가시켜 10 피트-파운드의 힘이 생성된다. 제3 코일(34)의 부가는 힘을 15 피트-파운드로 증가시키고, 제4 코일(34)의 부가는 20 피트-파운드의 힘을 제공한다. 코일(34)은 모터(30)의 주변 어디에도 부가 가능하며, 각 코일은 5 피트-파운드의 힘을 부가할 것이다.
다른 차이점으로는 자속선의 방향이다. 통상적인 모터에서 모든 자속선은 권선에 수직하여 (생성된 역 기전력(back EMF)에 기인하여) 회전시 회전자에 드래그를 야기한다. 상기 역 기전력을 필요로 하거나 전류가 너무 강한 통상의 모터에서 권선은 타버릴 것이다.
자기전자적 모터에서 자속 일부는 권선에 평행하여 드래그 또는 생성된 역 기전력을 감소시킨다. 이러한 자속 배향은 회전자 간의 간격에 대한 회전자 내의 영구 자석(PM)의 간격에 의해 변경될 수 있다. 또한, 역 기전력의 결여로 야기되는 유입 전류(inrush current) 또는 고전류가 존재하지 않는다. 따라서, 자기전자적 모터의 구성은 전류를 자동 제어한다.
자기전자적 모터는 그 구성에 있어서 기능상 차이를 야기하는 여러 중요한 차이점을 갖는다.
통상적인 모터에서 권선은 스틸 슬롯에 서로 중첩되도록 배치된다. 이 때문에, 하나의 권선이 뜨거워지면, 이것이 중첩된 권선을 가열하여 모터 전체가 과열되고 타버릴 수 있다. 하나의 권선만 타더라도 권선 모두를 제거하여 다른 권선으로 교환하여야 한다.
자기전자적 모터에서 권선은 서로 독립적인 단순한 보빈(bobbin) 코일이며, 한 번에 하나씩 제거하거나 모터에 배치할 수 있다. 이러한 구성에 의해 모터는 완전히 모듈형이다. 회전자 모듈의 부가에 의해 모터 길이가 증가될 수 있으며, 이는 코일 모듈을 위한 슬롯을 부가하여 모터 출력을 증가시킨다. 이러한 모듈형 개념은 새로운 모터의 설계를 매우 단순화시킨다.
이러한 것은 통상의 모터에는 적용되지 않지만, 역 기전력을 이용하여 입력 파워를 재생성하거나 보충하는 것에 의해 이들 모터를 보다 효율적으로 하는 시도에 적용된다.
자기전자적 모터는 그 작동에 매우 효과적이고 2가지 개별 방법에 의해 달성 되는 새로운 접근법을 이용한다.
1. 본원에서 언급되는 바와 같이 자속 배향을 변경시키는 것에 의한 회전자 드래그 또는 역 기전력의 감소.
2. 한 코일에 대한 에너지 공급을 중단하여 입력 파워를 다른 코일, 바람직하게는 작동 온 상태가 되는 코일로 공급할 때 붕괴 장 에너지(collapsing field energy)를 활용하는 것.
그러므로, 다중-위상 전기 모터(30)는 복수의 코일(34)을 갖는 고정자(32)와, 구동 샤프트(38) 상에 장착된 회전자(36)와, 코일(34)을 충전시키는 전원(40)과, 상기 전원(40)에 의한 코일(34)의 충전을 제어하는 제어 메커니즘(42)을 포함한다(도 1 및 도 2 참조).
일 실시예에서, 고정자(32)는 비자화(non-magnetized) 코어(44)에 권취되는 복수의 와이어 코일(34)을 구비한다. 상기 비자화 코어(44)는 하기에 한정되는 것은 아니지만 중실의 로드나 중공의 튜브에 무관하게 플라스틱을 포함하는 다양한 재료 중 어떤 것으로 제조될 수 있다. 코일 코어(44)는 와이어 코일(34) 자체가 원형이 되도록 원형 단면을 갖는 것이 바람직하다. 그럼에도 코어(44)와 와이어 코일(34)은 다른 형태를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 코일형 와이어는 코어(44) 중심을 통하고 외부 둘레로 연장하는 일련의 래이디얼 타이(radial ties)에 의해 적소에 유지된다. 또한, 일 실시예에서 코일(34)은 유리 섬유와 같은 수지로 몰딩된다. 몰드는 코일(34)이 부착되는 장착 브라켓(46)(후술됨)의 형상을 완성시키는 형상을 수지에 부여한다. 코일(34)은 결합된 수지와 함께 접착제 또는 다른 부착 수단을 이용하여 장착 브라켓에 부착된다.
통상적인 구성에서 코일 코어(44)는 1 인치의 단면 직경을 갖는다. 또한, 코일 와이어는 일 실시예에서 11 게이지의 구리 와이어이고 코어(44) 둘레로 약 300번 권취된다. 본 실시예에서 와이어 코일(34)의 외경은 3인치이다. 그럼에도, 다른 구성이 가능하고 이러한 구성은 본 발명 내에 포함된다.
코일(34)의 와이어 권선은 균일한 배향성을 가져서 권선은 코일(34)이 고정자(32)에 설치시 회전자(36)의 회전면에 평행한 평면 내에 있다. 코일(34)이 고정자(32) 내에 배치되고 전기적으로 에너지 활성화될 때, 생성되는 자기장은 고정자(32)로부터 측방으로 인접 회전자(36) 측으로 연장한다. 배향은 코일(34)의 일측면이 자기 북극(magnetic north)(N)이고 다른 측면이 자기 남극(S)이 되도록 배향되며; 이러한 배향은 입력 전기의 극성을 역전시키는 것에 의해 변화될 수 있다. 각 코일(34)은 와이어 코일(34) 단부를 하기에 상술하는 적절한 전원(40)에 연결시키는 것에 의해 전기적으로 에너지 활성화된다.
와이어 코일(34)은 일 실시예에서 알루미늄으로 제조되는 프레임 구조체(47)에 의해 고정자(32) 내의 적소에 유지된다. 상기 프레임은 구동 샤프트(38)의 종축에 평행하게 연장하는, 즉 회전축에 평행한, 소정 소재의 종방향 스트립(48)을 복수개 포함한다. 일 실시예에서 상기 종방향 스트립(48)은 코일을 정확한 방향으로 정확한 위치에 배치시키는 일련의 노치(50)를 구비한다.
코일(34)은 장착 브라켓(46)에 유지되고, 이 브라켓(46)은 이후 프레임 구조체(47)의 종방향 스트립(48)에 부착된다(도 4A, 4B 참조). 일 실시예에서 상기 브 라켓(46)은 엣지 부분을 약간 절곡하여 종방향 스트립(48)에 적당히 대응되도록 한다. 브라켓(46)은 결함이 있거나 손상된 코일(34)을 용이하게 수리하거나 교체하도록 하는 양면 패스너(reversible fasteners)를 사용하여 종방향 스트립(48)에 부착되는 것이 바람직하다. 일 실시예에서 종방향 스트립(48)은 코일 장착 브라켓(46)의 부착을 위해 나사나 볼트를 수용하도록 내부에 태핑된 일련의 나선 홀을 가진다. 코일(34)은 사이에 회전자(36)를 위한 공간을 남기도록 종방향 스트립(48)을 따라 서로 간격을 두고 있다. 각 코일(34)에는 영구 자석(52)을 다수 매립하고 있는 회전자(36)가 근접 배치되어 있다. 코일(34)을 적소에 유지하고 모터 주변에 배치되는 프레임 구조체(47)와 별개로, 일 실시예에서 고정자(32)는 다른 많은 전기 모터에 비해 빈 공간으로 되어 있다. 이러한 구성은 제조와 조립을 용이하게 한다.
지지 구조체(47)의 종방향 스트립(48)의 단부는 모터(30)의 어느 단부에서 단부판(54)에 부착된다. 이들 단부판(54)은 구동 샤프트(38)를 지지하고 이 구동 샤프트는 다시 회전자(36)를 지지하여 모터의 전체 구조가 제공된다. 일 실시예에서 구동 샤프트(38)는 하나 또는 양자의 단부판(54)을 통해 그 너머로 돌출하며, 결국 구동 대상의 디바이스에 연결된다.
하나의 특정 실시예에서 단부판(54)은 0.625 인치 두께와 11.75 인치 직경을 가진다. 또한, 단부판(54)은 그 상부에 구동 샤프트(38)를 위한 베어링을 유지하는 베어링 유지판(56)(도 1 참조)을 설치하고 있다. 베어링 유지판(56)은 2.5 인치 내경과 4 인치 외경을 갖는 링을 구비한다.
일 실시예에서 각 코일(34)의 와이어 리드(58)는 장착 브라켓(46)을 통해 제공된다(도 2 참조). 다른 실시예에서 종방향 스트립(48)은 와이어가 통과되는 내부 채널(60)을 구비한다(도 5A, 5B, 6 참조). 이 경우 와이어는 스트립의 긴 엣지 상에 형성된 슬롯(62)을 통해 측면 상에 코일(34)을 남긴다(도 5A 참조). 일 실시예에서 코일 장착 브라켓(46)의 측면 부분은 주요 채널(60)에 인접한 슬롯(62)을 커버하도록 충분히 넓게 형성된다(도 6 참조). 다른 실시예에서 종방향 스트립(48)의 일측면에 돌출형 와이어 채널(64)이 형성되거나 부착되며, 이때 와이어가 통과되도록 각 코일(34)에 정렬된 채널(64)의 측면에는 복수의 홀이 존재한다(도 5B 참조). 이들 실시예 중 어느 것에도 와이어는 전원(40)과 제어 메커니즘(42)에 접속되는 모터의 일측 또는 양측 단부로까지 종방향 스트립(48)을 통해 연장한다.
총괄적으로, 원형으로 설치되는 일련의 와이어 코일(34)을 여기서는 고정자(32)로 지칭한다. 일 실시예에서 전기 모터(30)는 각 고정자(32)가 그 어느 측면 상에 회전자(36)를 갖지만 모터의 어느 단부에서 회전자(36)는 타측에는 없고 일측에만 고정자(32)를 갖도록 4개의 고정자(32)와 5개의 회전자(36)를 구비한다. 또한, 몇몇 실시예에서 모터(30)의 어느 단부에 있는 회전자(36)는 영구 자석(52)의 상부의 회전자(36)의 외주를 따라 연장하는 철계 금속(예, 스틸)의 전환 링(shunt ring)(66)을 구비한다(도 7A, 7B 참조). 영구 자석(52)이 자석과 기타 재료의 슬라이스 복합체로 층상 배열되는 경우, 자석은 부착된 링(66)을 가지는 회전자(36)의 측면 상에 포함되지 않는다. 링(66)은 모터(30) 내의 자속을 증강시켜 편제 효과(horseshoe effect)를 발생시키고, 모터의 단부에 전도성 재료가 존재하 는 경우 생길 수 있는 드래그를 또한 제거한다. 스틸 링(66)이 생략된 실시예의 경우 페놀 수지나 기타 종류의 수지와 같은 비전도성인 재료로 단부판(54)을 제조하는 것이 바람직하다.
와이어 게이지, 코일 권선의 길이, 권선수 및 적용된 코어 재료의 종류 각각은 모터(30)의 특성을 변화시킨다. 또한, 코어(44) 재료의 형태와 영구 자석(52)의 형태는 모터의 정지 방식을 변화시킬 수도 있다. 하기 열거되는 것은 코어(44) 구조의 몇가지 가능한 종류와 상기 코어(44) 구조가 코일(34) 특성에 관하여 가지는 몇몇 효과에 관한 것이다(도 8A, 8B, 8C 참조).
일 구조에서 와이어 권취 코일(34)은 중실의 층상 코어(solid laminated core)(44)를 갖는다(도 8A 참조). 이 구성은 높은 인덕턴스와 상당한 이력 손실(hysteresis loss)을 가지며, 자속이 코어 내에 집속된다.
다른 구성에서 중공의 코어(44)를 갖는 와이어 권취 코일(34)이 제공된다(도 8B 참조). 이 구성은 적절한 인덕턴스와 적절한 이력 손실을 가지며, 자속이 코어(44) 내에 집속된다. 이 구성의 일례로서는 중공의 철계 코어를 갖는 와이어 권취 코일이 있다.
다른 구성에서 에어 코어(44)를 갖는 와이어 권취 코일(34)이 제공된다(도 8C 참조). 이 구성은 낮은 인덕턴스를 가지고 이력 손실이 없으며 자속은 전체 자극면을 통해 보다 평활하게 분포된다.
또한, 와이어는 통상적인 편평한 층상 구조가 아닌 층상 구조로서 사용된다. 또한, 와이어는 라운드형, 파이형 또는 중공형 층상 파이프를 포함하는 소정의 형 태를 가질 수 있다. 고속의 회전 속도(RPM)의 경우, 고효율 에어 코어가 최적이어야 하는 반면, 높은 RPM과 효율이 관심사가 아닌 경우 높은 토오크를 위해 층상 코어가 더 좋을 수 있다.
일 실시예에서 회전자(36)는 다른 종류의 수지도 괜찮지만 페놀 수지로 제조된다. 다른 실시예에서 회전자(36)는 알루미늄으로 제조된다. 어떤 경우에도 일 실시예의 회전자(36)는 모터(30)의 파워를 피동 성분으로 전달하기 위해 구동 샤프트(38)에 고정되게 부착된다. 회전자(36)는 본질적으로 영구 고정 자석(52)의 수용을 위해 일련의 홀이 형성된 편평한 원형 디스크의 형태이다.
모터(30)는 회전자(36)와 고정자(32)의 수를 달리하여(통상 고정자의 수보다 회전자가 하나 더 많다) 단일 모터(30)로 조립됨으로써 소정의 크기와 파워의 모터(30)가 한정된 수의 기본 성분으로부터 제작될 수 있도록 모듈형 형상으로 제작될 수 있다. 정확한 회전자 간 간격을 유지하면서 모터(30)를 모듈형으로 제작하기 위해, 일 실시예의 회전자(36)는 중심 근처의 일측면으로부터 돌출하는 중공의 스페이서(68)를 구비한다(도 9B 참조). 일 실시예에서 스페이서(68)는 스틸이다. 일 실시예에서 알루미늄으로 된 회전자(36)와 부착된 스페이서(68) 양자 모두는 구동 샤프트(38)를 수용하는 중앙 홀을 가지며, 또한 구동 샤프트(38)에서 돌출하는 릿지(72)를 수용하도록 상기 홀 내부에 슬롯(70)을 가지는데, 상기 릿지(72)와 슬롯(70)은 서로 상보적이다. 상기 릿지(72)와 슬롯(70)의 조합은 구동 샤프트(38)에 대한 어떤 슬립도 없이 회전자(36)로부터 구동 샤프트(38)로 파워를 전달하는데 도움이 된다. 대안적 구성으로서, 릿지(72)는 회전자(36)의 구멍 내부에 있을 수 있는 반면, 슬롯(70)은 구동 샤프트(38) 내에 형성된다(도 20 참조).
하나의 특정 실시예에서 회전자(36)는 1.5 인치 두께와 9 인치 직경을 가진다. 스틸제 스페이서(68)는 3 인치 직경이고 회전자(36)의 면으로부터 2.7 인치만큼 외부 돌출한다. 구동 샤프트(38)의 직경은 회전자(36)와 샤프트 수용을 위한 스페이서(68) 내부의 홀과 마찬가지로 대략 1.5 인치이다. 일 실시예에서 스페이서(68)는 다른 2-부품 결합 수단이 본 발명 내에 포함되지만 4개의 0.25 인치 볼트를 사용하여 회전자(36)에 부착된다(도 9A 참조).
일 실시예에서 영구 자석(52)은 사이에 스틸 로드(52B)를 포함하는 2개의 희토류 영구 자석(52A) 복합체로 이루어진다. 일 실시예에서 복합 구조체는 전체적으로 원통형이고 1 인치의 직경과 1.5 인치의 길이를 갖는다(도 9C 참조). 본 실시예의 영구 자석(52A)은 각각 0.25 인치의 두께이고, 스틸 로드(52B)는 1 인치 두께이다. 일 실시예에서 상기 자석(52A)과 스틸 로드(52B)는 접착제를 사용하여 서로 부착되고 회전자(36)에 부착된다.
본 실시예에서는 8개의 영구 자석(52) 복합체가 존재하며, 영구 자석(52)은 엣지 근처에서 회전자(36)에 대해 등간격으로 이격되어 있다. 회전자(36)에는 회전자(36) 엣지로부터 약 0.125 인치 거리에 1인치 직경의 홀이 8개 형성되어 있다. 본 실시예와 일반적인 경우, 영구 자석(52)은 극성이 회전자(36)의 일측 또는 타측을 가리키는 자기 북극과 자기 남극을 교대로 갖도록 배열된다. 회전자(36)에 대해 연속으로 교번하는 이러한 구성을 달성하기 위해 영구 자석(52) 또는 그 복합체가 언제나 짝수로 존재하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서 회전자(36) 상의 인접하는 영구 자석(52) 사이의 거리는 인접하는 영구 자석(52) 간 거리가 회전자 대 회전자의 간격보다 큰 경우가 종종 있을 수 있지만, 인접하는 회전자(36) 간 거리와 대략 같다(도 10 참조). 일 실시예에서 이들 거리는 양자 모두 약 2.5 인치이다. 일반적으로, 주어진 회전자(36) 상의 인접하는 영구 자석(52) 간 거리가 감소될 때 역 기전력이 감소된다. 또한 일반적 사실로서, 역 기전력, RPM, 및 토오크는 회전자 대 회전자의 간격과 회전자(36) 내의 영구 자석(52) 간 간격의 함수로서 변화된다. 일 실시예에서 제어 메커니즘(42)은 위치 센서(80)에 연결된 회로(74)를 구비하고, 상기 회로(74)는 코일(34)과 전원(40)에 연결된다. 다른 실시예에서 상기 제어 메커니즘(42)은 후술하는 마이크로 프로세서(43)를 또한 구비한다. 본 실시예의 모터(30)를 제어하기 위한 회로(74)의 일례가 도 11에 도시되어 있다. 8개의 영구 자석(52)을 갖는 6-코일의 3-상 모터를 위한 상기 회로(74)는 단일 전원(40)을 사용한다. 스위치(78)는 더블 폴 더블 스로우 스위치(double pole, double throw switches)로서 동작한다. 이들 스위치(78)는 후술되는 바와 같이 회전자(36) 또는 구동 샤프트(38)와 관련된 위치 센서(80)에 의해 제어된다. 코일(1과 4, 2와 5, 3과 6)은 고정자(32)의 직경 방향 대향 측면상에 위치되고 상대로부터 언제나 반대인 상태에 있는데, 즉 코일(1)이 온 상태일 때, 코일(4)은 오프 상태이고, 코일(4)이 온 상태이면 코일(1)은 오프 상태이다. 이러한 특정 실시예에서 특별한 코일로부터의 붕괴 장 에너지가 직경 방향으로 대향인 상대 코일의 충전에 도움을 주도록 회로(74) 내의 전류의 지향적 흐름이 다이오드(82)에 의해 제어된다.
도 12는 이전의 회로의 다수의 스위치(78) 절반을 사용하여 본 발명의 모터(30)를 제어하는 다른 실시예의 회로(74)를 도시한다. 이러한 대안적인 구성에서 2개의 전원(40)이 존재하며, 이는 시스템의 구성을 단순화시킨다. 이 회로(74)는 사이클 중에 특정 코일(34)에 공급되는 파워의 극성을 용이하게는 스위칭시키지 않으며 그에 따라 코일(34)의 자극을 스위칭시키지 않기 때문에 '푸쉬 전용' 모터에 선호된다. 다시, 코일(34) 쌍 사이에 다이오드(82)가 배치되어 코일(34) 사이에 붕괴 장 에너지를 유도한다. 또한, 스위치(78)는 후술되는 위치 센서(80)에 의해 제어된다.
도 13은 본 실시예의 6-코일, 3-상, 8-영구 자석(52) 모터용 위치 센서(80), 구체적으로 자기 제어된 위치 센서(80)에 대한 일반적 필요 조건을 나타낸다. 일 실시예의 위치 센서(80)는 회전자(36)의 위치를 추적하는 구동 샤프트(38)의 이동을 제어 휠(84)이 추적하도록 구동 샤프트(38)에 부착된 제어 휠(84)을 구비한다. 자기 스트립(86)의 존재 또는 부재를 탐지하기 위해 휠(84) 외주 둘레에 설치되는 자기 센서(88) 또는 픽업 소자(pick-ups)를 갖는 자기 스트립(84)을 포함하여, 다양한 수단이 제어 휠(84)의 위치 추적에 사용될 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이 제어 휠(84)에 인접하게 15도 간격으로 자기 센서(84)를 이격되게 하고 자기 스트립(86)을 휠(84)의 1회전의 1/8만큼 연장되도록 하는 것에 의해 후술되는 바와 같이 자기 센서(88) 각각을 정확한 순서로 적절한 지속 시간 동안 활성화시키는 효과가 생긴다.
8개의 영구 자석(52)을 갖는 모터(30)의 경우, 주어진 코일(34)에 대한 바람 직한 온-타임은 회전자(36)의 1회전의 1/8 또는 45도와 대략 동일하다. 따라서, 코일(34)을 활성화시키는 위치 센서(80) 상의 자기 스트립(86)은 제어 휠(84)의 1회전의 1/8 만큼 연장한다. 제어 휠(84)은 회전자(36)나 구동 샤프트(38)의 회전에 의해 제어 휠(84)이 돌아가도록 회전자(36)나 구동 샤프트(38)에 고정적으로 부착된다(도 1 참조). 적절한 위상 유지를 위해, 자기 센서(88)는 제어 휠의 측면을 따라 15도씩 이격되어 코일을 연속으로 작동 온 시키고 코일 쌍 중 하나가 작동 온될 때 다른 하나를 작동 오프시킨다. 본 실시예에서 코일(1-3)은 코일(4-6)과 반대인 극성으로 에너지 활성화된다. 유사하게, 코일(1, 2, 3)은 코일(4, 5, 6) 각각과는 반대인 시간에 에너지 활성화되고 에너지 제거된다.
6-코일 3-상의 8-영구 자석을 갖는 전술한 실시예의 일반적 원리는 2-상 이상의 위상, 소정의 짝수 개의 영구 자석, 소정 수의 코일로가지 확장될 수 있다. 하나의 코일에서 다른 코일로 붕괴 장 에너지의 전달을 보다 쉽게 조정하기 위해 코일의 수를 짝수로 하는 것이 바람직하지만, 본원에 설명된 원리를 이용하여 홀수의 코일을 갖는 모터를 설계하는 것도 가능하다.
모터(30)에서 코일(34)과 위상의 수를 증가시키는 것은 모터(30), 특히 코일(30)의 구동에 필요한 전자 장치의 복잡성 및 제조 비용도 증가시킨다. 다른 한편, 코일(34)과 위상의 수의 증가는 각 코일에 대한 충전 사이클의 정확한 시점에서 하나의 코일로부터 다른 코일로 붕괴 장 에너지의 전환을 행하는 것이 용이하기 때문에 모터(30)의 효율을 증가시킨다. 일 실시예에서 8개 코일과 18개 영구 자석을 갖는 4-상 모터는 제조 원가와 모터 성능 사이가 적절히 조화된 상태를 나타낸 다.
모터 성능에 대해 큰 영향을 미칠 수 있는 다른 인자는 '역 기전력'이다. 역 기전력은 회전자 상의 자석과 고정자 상의 권선 간의 상대 운동에 기인하여 전기 모터에 발생된다. 모터의 코일 간 영역에서 일정하게 변화하는 자속은 회전자의 회전에 대항하는 기전력을 유도하는데, 이를 '역 기전력'이라 한다. 또한, 회전자 내의 소정 전도체 재료에 전압이 유도될 수 있으므로, 회전자는 부도체 재료로 제작되는 것이 바람직하다. 그럼에도, 일 실시예에서 회전자 제작에 알루미늄을 사용함으로써 부정적 효과를 제한한 예가 있었다.
종래의 모터에서 총 토오크는 모터에서 회전자와 고정자에 있는 스틸과 구리의 양에 의해 결정된다. 최대 효율을 내기 위해서는 구리와 스틸을 균형있게 매칭시키는 것이 반드시 필요하다. 그러나, 본 발명의 모터에서는 회전자나 고정자 어디에도 스틸 성분에 대한 엄격한 요건이 존재하지 않는다. 총 토오크는 영구 자석(52) 내의 총 자속과 코일(34) 내 전류에 의해 형성되는 장에 의해 결정된다. 코일(34) 내 자속은 다시 말해 코일(34)을 통해 흐르는 전류의 암페어와 코일(34) 주위의 와이어 권선수의 곱의 함수이다.
회전자(36) 내의 영구 자석(52) 간의 평균 자속 밀도와 회전자(36) 사이의 평균 자속 밀도의 부가적인 영향은 현재 설명되고 있는 모터(30)의 토오크에도 영향을 미친다. 역 기전력은 자속이 그에 수직한 와이어를 통과할 때만 생긴다. 그러나, 본 해당 모터(30)의 회전자(36)에서 영구 자석(52)간 자속은 권선에 평행하며, 따라서 이들 자속선을 따른 회전자(36)의 동작에 의해 역 기전력은 생성되지 않는다. 인접하는 회전자(36)의 영구 자석(52) 사이로 연장하는 자속선은 권선(도 10 참조)에 수직하기 때문에 회전자(36) 회전시 역 기전력을 생성하게 된다. 유효한 총 파워는 영구 자석(52)과 코일(34) 자속의 합성 자속이기 때문에, 코일(34)과 영구 자석(52) 간의 간격은 Biot-Savart 법칙에 따라 실시된다. 코일(34)과 영구 자석(52) 양자의 각각의 크기는 코일(34)과 영구 자석(52)의 수가 총 자속을 증가시키는 것처럼 유효한 총 자속을 증가시킴에 유의하여야 한다.
직경이 고정되고 코일과 영구 자석의 크기가 고정된 모터에서, 평균 자속 밀도도 고정된다. 그러나, 회전자에 영구 자석의 수를 증가시키면 회전자의 총 자속을 증가시킬뿐 아니라 회전자 내의 영구 자석 간 평균 자속 밀도도 증가시킨다. 회전자 대 회전자 간의 총 자속도 증가하지만, 간격은 그대로 유지되므로 평균 자속 밀도는 대체로 일정하게 유지된다. 회전자 내의 영구 자석간 평균 자속 밀도가 강해짐에 따라 역 기전력은 감소되는데, 이는 자속선이 권선에 평행하기 때문이다. 이렇게 매우 낮은 역 기전력으로 인해 낮은 회전 속도(RPM)에서 전류가 높아지는 대신에 이들 조건 하의 전류는 사실 회전자와 회전자 대 회전자 내의 복잡한 자속선에 기인하여 매우 낮다. 전류는 코일 저항에 의해 제어된다는 점에서 전계 효과 트랜지스터가 그 통전 전류 흐름을 제어하는 방식과 유사한 방식으로 제한된다. 본 발명의 모터는 회전자의 자속이 고정자 권선의 비교적 작은 전류에 의해 제어된다는 점에서 전계 효과 트랜지스터와 유사하다. 얻어지는 결론은 유입 전류 또는 피크 전류가 없는 모터는 자성 금속을 가지고 있지 않으므로 초고속으로 회전 속도(RPM)로 작동 가능하다는 것이다. 또한, 유효한 총 자속이 크기 때문에 모터는 매우 높은 토오크를 갖는다.
여기에서 설명되는 전형적인 모터(30)의 자속(90) 선은 도 10에 개략적으로 나타내고 있다. 또한, 도 14A 및 도 14B는 여기에서 설명되는 바와 같이 모터 성분에 대한 금속 가루의 분포에 따라 결정되는 모터(30) 내의 자속선(90)의 직접 평가의 결과를 보여준다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 회전자(36)의 영구 자석(52) 사이의 공간, 개별 회전자(36)와 영구 자석(52) 간 공간 및 동일 회전자(36)와 영구 자석(52) 간 공간에 1차 자속선(90)이 존재한다.
일 실시예에서 영구 자석(52)은 희토류 자석이다. 전술한 바와 같이, 다른 실시예에서 영구 자석(52)은 2개의 영구 자석 슬라이스(52A), 바람직하게는 희토류 자석 슬라이스, 그리고 그 사이에 다른 재료(52B)가 개재된 복합 구조체이다. 바람직한 실시예에서 2개의 자석 슬라이스(52A)는 대략동일한 두께를 갖는다. 자석 슬라이스(52A)는 자기 남극이 개재면의 일면을 향하고 자기 북극이 개재면의 다른 면을 향하도록 배향된다. 일 실시예에서 영구 자석(52A) 사이의 중간 재료(52B)는 철이나 스틸 등의 비자성 재료이고, 통상 상기 재료(52B)는 영구 자석(52A)의 자속을 받을 수 있는 높은 투자율을 갖는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서 단일체이든 복합체이든 간에 영구 자석(52)은 다른 단면 형태도 가능하지만 원형 단면이고 전체적으로 원통형이다.
전기 모터의 영구 자석, 소위 고정 자석(52)은 회전자(36)의 회전시 회전자(36)를 영구 자석(52)에서 가깝고 멀게 교대로 밀고 당기기 위해 자체적으로 극성을 교번적으로 바꾸는 전자석과 상호 작용한다. 영자 자석(52)은 예컨대 12,000 가우스의 높은 자속 밀도를 갖는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 희토류 자석이 이러한 목적에 특히 효율적이다. 자기 북극과 자기 남극 사이의 거리가 증가함에 따라 자장 강도는 도 15A, 15B, 15C에 도시된 바와 같이 자극면으로부터 더 확장된다. 증가된 자장 강도는 다시 모터(30)의 파워를 증강시킨다. 그러나, 희토류 자석의 비용을 고려하면, 이는 그렇게 많은 영구 자석으로 제작된 모터의 가격을 터무니없이 비싸게 할 수 있다. 따라서 필적 가능한 자장 강도를 생성하는 다른 메커니즘이 도 15D에 제시된다. 전술한 바와 같이, 도 15D에서 2개의 희토류 자석(52A) 사이에 비자성 재료(52B)의 슬라이스가 개재되어 일부의 희토류 자석과 그에 따른 일부의 비용으로 유사한 자속 길이의 유닛을 형성한다. 일 실시예에서 비자성 재료(52B)는 철이나 스틸 슬러그 등의 철계 합금과 같은 금속이다. 다른 실시예에서 상기 비자성 재료(52B)는 니켈 코발트이다. 통상 상기 중간 충전 재료(52B)는 영구 자석(52A)의 자속 밀도를 수용할 수 있는 높은 투자율을 가져야 한다. 전술한 샌드위치형 자석 유닛의 자속 밀도가 같은 크기의 완전한 자석의 경우와 동일할 지라도 샌드위치형 유닛의 보자력이 완전한 자석에 비해 다소 감소된다고 할만한 가치는 없다. 결국, 완전한 자석 대신에 복합 영구 자석을 제공하는 주요 동기가 비용 절감에 있으므로, 실제 완전한 자석의 비용은 복합 자석 성분의 조립 비용에 대해 상쇄되어야 한다.
회전자(36)와 고정자(32)는 서로 크기가 가변적일 수 있다. 일 실시예에서 고정자(32)는 회전자(36)보다 직경이 커서, 고정자(32)의 코일(34)을 지지하는 구조적 지지부가 모터(30)의 주변에 위치되면서 회전자(36)가 모터(30) 내부에 위치 되도록 한다.
유사하게, 영구 자석(52)과 전자기 코일(34)은 서로 상이하거나 동일한 직경을 가질 수 있다. 그러나, 직경에 무관하게, 바람직한 실시예에서 영구 자석(52)과 전자기 코일(34)의 중심은 각각의 성분의 자기장이 최적으로 정렬되도록 구동 샤프트(38)의 중심으로부터 동일한 반경 방향 거리에 서로 정렬된다.
일 실시예에서 영구 자석(또는 전술한 복합체)은 자기 남극이 일측을 향하고 자기 북극이 타측을 향하면서 동일한 자석이 회전자의 양측에서 외부로 향하도록 회전자와 동일한 두께를 갖는다.
전원(40)은 48 볼트에서 코일 당 30 암페어의 전류를 공급할 수 있는 소정 종류의 종래의 직류(DC) 전원인 것이 바람직하다. 그러나, 전압과 암페어는 회전 속도(RPM)와 토오크에 따라 달라질 수 있다. 회전 속도(RPM)는 전압 의존적인데 반해 토오크는 암페어 의존적이다. 통상 전원(40)은 코일(34)을 감는데 사용되는 와이어의 게이지에 매칭되어야 한다. 예를 들면, 코일(34)을 30 암페어로 평가되는 10-게이지의 와이어로 감으면, 전원(40)은 주어진 시간에 활성 상태인 각 코일(34)에 대해 30 암페어의 전류를 전달할 수 있어야 한다. 그러므로, 모터가 동시에 모두 에너지 활성화될 수 있는 6개 코일(34)을 가지고 있으면, 180 암페어의 전류를 제공할 수 있는 전원(40)이 필요하게 된다. 일 실시예에서 전원(40)은 주어진 직류(DC) 전압에서 충분한 암페어를 제공할 수 있는 다른 종류의 전원(40)도 사용 가능하지만, 12 볼트의 자동차 전지이다. 통상, 전원(40)은 모터(30)가 작으면 작은 전원(40)을 필요로 하고 모터(30)가 크면 큰 전원(40)을 필요로 하므로 모 터(30)의 크기와 파워를 매칭시켜야 한다.
제어 메커니즘(42)은 회전자(36)가 회전시 적절한 순서로 코일(34) 간의 파워를 신속하게 스위칭할 수 있는 어떤 종류의 것일 수 있다. 제어 메커니즘(42)은 본원에 여러 가지 목적으로 참조로 기술되는 미국 특허 제 4,358,693호에 제시된 바와 같은 브러쉬형 및 물리적 또는 광학 스위치를 포함하여 회전자(36)의 위치를 추적하는 다양한 위치-감지 메커니즘을 채용하는 위치 센서(80)를 포함한다. 또한, 전술한 바와 같은 자기 센서(88)와 스트립(86)도 사용될 수 있다. 채용된 위치-감지 메커니즘의 종류에 무관하게, 그 위치 추적을 위해 회전자(36)의 움직임에 연동됨으로써 회전자(36)의 이동에 따라 코일(34)의 충전이 적절히 조화될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 일 실시예에서 위치-감지 메커니즘과 결합되고 구동 샤프트(38)에 고정적으로 부착되는 제어 휠(84)이 존재한다.
요약하면, 본 발명의 모터에는 회전자의 위치를 추적할 수 있고 이 정보를 제어 회로로 제공할 수 있고 제어 회로가 다시 그 정보에 따라 코일을 에너지 활성화시킬 수 있도록 하는 소정의 메커니즘(: 브러쉬/정류기; 광 센서; 자기 픽업 소자; 캠-구동 스위치; 유도 센서; 및 레이저 센서)을 사용할 수 있다. 따라서, 등간격 스위치, 브러쉬, 광 전지 또는 기타 스위칭 수단을 사용할 수 있고, 그 동작은 다른 시퀀싱 수단의 요소 또는 적절한 로브(lobe)나 광로(light passage)에 의해 제어된다.
제어 메커니즘(40)의 바람직한 특징 하나는 충전 포인트에 있는 모터(30)에서 방전중인 코일(34)로부터 다른 코일(34)로 파워를 전환하여야 하는 것이다. 다 중 위상 모터(30)가 사이클 진행 중에 모터 사이클의 위상과 코일 및 영구 자석(52)의 상대 위치에 따라 여러 개의 코일(34)이 충전 및 방전된다.
예를 들면, 전자기 코일(34)이 영구 자석(52)의 자기 북극으로 이동되면, 전자기 코일(34)과 영구 자석(52) 사이에 인력이 존재하고 이 인력은 모터(30)의 회전 토오크를 생성하는 힘을 발생시킨다. 그러나, 2개의 자성 유닛(34, 52)이 정렬되면, 토오크-생성 힘이 발생 중지되고 자석간 인력이 모터(30)의 제동 저항(drag)이된다. 이러한 현상을 방지하기 위해 전자기 코일(34)이 영구 자석(520과 정렬될 때의 시점 또는 그 이전에 코일(34)에 대한 전자기 충전이 중지되도록 한다.
코일(34)에 대한 충전은 코일(34)로 가는 파워를 단절하는 것으로 해제된다. 코일(34)로 가는 파워의 단절은 전자기장의 붕괴를 가져온다. 장 붕괴시 해제되는 에너지 상당 부분은 모터(30) 내의 다른 코일(34), 바람직하게는 충전 사이클의 지점에 있는 코일의 충전에 돕기 위해 재포획되어 재사용될 수 있다. 일부 모터에서는 붕괴 장 에너지의 포획과 활용에 실패함으로써 에너지 상당량이 손실되어 열로써 방산된다. 또한, 장 붕괴에 관한 에너지의 해제는 모터가 과열되지 않도록 방산되어야 하는 열을 발생시키는데, 이러한 열은 무엇보다도 제어기를 손상시킬 수 있다. 효율을 배가시키고 열이 증강되는 것을 감소시키기 위해 일 실시예에서 붕괴 장 에너지는 제2 코일로 전환되어 제2 코일을 충전하는 에너지를 제공한다.
일 실시예에서 하나의 코일(34)로부터의 붕괴장 에너지는 도 16에 도시된 바와 같은 회로(74)를 이용하여 다른 코일(34)로 공급된다. 도 16에 도시된 상기 회로(74)는 제1 코일에서의 붕괴 자기장에 의해 발생되는 전압을 이용하여 모터 시스 템의 제2 코일에 전류를 형성하도록 전압을 제공한다. 이러한 재분배 시스템은 효율을 배가시키고 모터에서 장 붕괴에 관련된 열로 변환되는 파워의 양을 감소시킨다. 본 실시예에서 스위치(78)(트랜지스터 또는 기타 적절한 스위칭 소자일 수 있다)가 폐쇄되면, 전원(40)(예, 전지)은 코일(A1)을 충전한다. 스위치(78)가 개방되면, 코일(A1)로부터의 붕괴 장은 코일(A2)을 에너지 활성화시킨다. 그러나, 파워 손실에 기인하여 코일(A2)은 코일(A1) 처럼 완전히 충전되지 않을 수 있으며; 따라서 코일(A1)에 관해서는 여러 개의 코일이 병렬로 충전될 수 있고, 이들 2개 이상의 코일(A1)로부터의 총 붕괴장 전하(charge)는 코일(A2)로 공급되어, 단일 코일(A1)이 전원(40)으로부터 받는 것과 동일한 완전한 전하를 코일(A2)에 제공할 수 있다.
도 17에 도시된 다른 실시예의 회로(74)는 코일(A2)이 코일(A1)에 직접 부착된 제1 전원(40)과 별개로 마찬가지로 그것에 부착된 추가의 전원(40)을 가진다는 점을 제외하고 도 16에 도시된 회로와 유사하다. 스위치(a1, a2)가 교대로 개방 및 폐쇄되면(언제나 서로 대향적 구성을 가져서, a2가 페쇄될 때 a1이 개방되거나 그 반대로 되는 구성), 그 각각의 전원으로부터 막 분리된 코일로부터의 붕괴장은 다른 코일의 충전을 돕게 될 것이다. 이전의 회로로서는 다이오드(82)나 기타 유사 소자가 전류를 순방향으로만 흐르게 하는 라인으로 삽입된다. 일부 실시예에서 예컨대 푸쉬-풀(push-pull)' 타입의 모터 구성의 경우, 강력한 붕괴장 전하에 기인하는 스위치를 통한 스파킹을 방지하기 위해 전이 구간(transitional period) 중에 짧은 이동을 위해 양자의 스위치(a1, a2) 모두를 동시에 폐쇄되도록 하는 것이 필 요하다. 도 16 및 도 17에서 코일은 동작 온(on)할 때마다 동일한 전기적 극성으로 항상 충전되는데, 이는 이른바 '푸쉬-전용(push-only)' 구성이다.
마지막으로, 도 18은 양자의 코일(A1, A2)이 하나의 코일로부터의 붕괴장이 다른 코일로 공급되도록 하여 다른 코일을 에너지 활성화시키면서 동일한 전원(40)을 활용할 수 있는 도 17의 회로와 유사한 다른 구성의 회로(74)를 도시한다. 본 발명의 모터(30)에서 이러한 원리는 모터(30)가 단일 전원(40)에 의해 전원 공급되도록 하기 위해 회로 내에 코일이 임의의 수로 존재하는 경우에까지 확장될 수 있다. 또한, 트랜지스터나 기타 스위치(78)가 위치 센서(80)에 연결되고, 이 위치 센서는 다시 코일(34)의 온-오프 동작 전환이 회전자(36)의 움직임에 조화되도록 회전자(36)의 움직임에 연동된다.
하나의 특정 실시예에서 캐스캐이드 회로(cascading circuit)(74)를 형성하는 4개의 코일(A-D)이 존재한다. 전원(40)은 코일(A)을 에너지 활성화시키고; 코일(A)에 에너지 공급이 끊기면 코일(A)로부터의 붕괴장이 코일(B)을 에너지 활성화시키고; 다음 코일(B)로부터의 붕괴장이 코일(C)을 에너지 활성화시키고; 마지막으로 코일(C)로부터의 붕괴장이 코일(D)을 에너지 활성화시킨다. 코일(D)로부터의 붕괴장은 이후 다시 코일(A)로 공급되어 사이클을 완료할 수 있다. 각각의 후속 펄스는 각 단계에서의 저항 손실에 기인하여 약화될 수 있다. 그러나, 전원(40)으로부터의 입력 회로는 각 코일을 위한 충전 펄스가 코일을 완충하기에 충분히 강력하도록 상기 손실을 만회하도록 구성될 수 있다.
코일 간의 전류 흐름이 정확한 방향으로 행해지는 것을 보장하기 위해 다이 오드(82)가 일련의 라인으로 삽입되어 역류를 방지한다(도 19 참조). 설명된 다이오드(82)의 대안적 구성으로서, 붕괴장을 다른 코일로 적절히 유도하는 소정의 스위치나 소자가 사용될 수 있다. 이것은 붕괴장 에너지가 사이클 중 언제나 '순방향'으로 다른 다이오드로 향하도록 하고 이전 코일로 '역류'하지 않도록 하는 것을 보장한다.
붕괴장 에너지를 모터의 다른 코일로 공급하는 원리의 일 실시예가 도 20의 측면도로 도시된 것과 같은 3-상 모터에 대해 도시되어 있다. 본 실시예에서 영구 자석(52)은 회전자(36) 상에 설치되고 전자기 코일(34)은 고정자(32) 상에 설치되어 있다(도 20 참조). 도 20에서 회전자(36)와 고정자(32)는 서로 충첩되는 것으로 도시되어 2개 성분 간의 관계를 보여주고 있다. 6개의 코일은 점선으로 도시되고 A-C의 라벨로 표시하고 있으며, 각 위상 당 2개의 코일이 대향 배치되어, 즉 2개의 A 위상 코일, 2개의 B 위상 코일, 2개의 C 위상 코일이 배치된다. 회전자(36)의 영구 자석(52)은 그 자극(N 또는 S)이 고정자(32)를 향하도록 배향되며, 인접하는 영구 자석(52)은 회전자(36) 둘레로 교번하는 극성을 갖도록 서로 반대로 배향된다(도 20 참조). 간단히 하기 위해 단일 고정자(32)와 2개의 인접하는 회전자(36)가 도시되었지만, 원칙적으로 다수의 인접하는 회전자(36)와 고정자(32)가 조립되어 보다 큰 파워를 생성할 수 있다.
도 21A-21E는 3-상 모터의 코일 에너지 활성화 방법의 단계를 보여주고 제2 코일이 에너지 활성화될 때 제1 코일로부터의 붕괴장이 제2 코일로 공급되는 방법을 나타낸다. 도 21A에서 A 위상 코일은 스위칭 과정에 있고 B 위상 및 C 위상 코 일은 에너지 활성화된다. 이 시점에서 A 위상 코일로부터의 붕괴장은 B 위상 및 C 위상 코일 중 하나 또는 양자 모두로 공급될 수 있다. 도 21B에서 3개의 모든 위상 A, B, C의 코일이 에너지 활성화된다. 도 21C에서 A, B 위상 코일이 에너지 활성화되는 반면 C 위상 코일은 스위칭 중이다. 이 지점에서 C 위상 코일로부터의 붕괴장이 A, B 위상 코일 중 하나 또는 양자 모두로 공급될 수 있다. 도 21D에서 3개의 모든 위상 A, B, C의 코일이 다시 한번 에너지 활성화된다. 마지막으로, 도 21E에서 A, C 위상 코일이 에너지 활성화되는 반면 B 위상 코일은 스위칭 중이다. 이 지점에서 B 위상 코일로부터의 붕괴장이 A, C 위상 코일 중 하나 또는 양자 모두로 공급될 수 있다.
상기의 예는 3-상 모터의 경우에 대해 예시되었지만, 이들 원리는 사실 2 이상의 소정 위상을 갖는 모터에 적용될 수 있다.
여기에 설명되는 전기 모터(30)는 다중 위상 모터로서 제어되는 것이 바람직하다. 다중 위상 모터(30)의 형성을 위해 고정자(32) 둘레의 여러 지점에 위치한 코일(34)이 존재한다. 이들 코일(34)은 특별한 시퀀스 패턴으로 동작 온(on)되며, 이러한 패턴은 몇몇 경우 전하의 극성을 반전시켜 매 단계에서 자극을 반전시키는 것을 포함한다. 바람직한 실시예에서 모터 사이클에서 동일한 지점에서 함께 에너지 활성화되도록, 즉 서로 동일한 위상에 있도록, 고정자(32)의 대향면에 있는 매칭된 쌍의 코일(34)이 존재한다. 예를 들면 3-상 모터에서 바람직하게 6개 코일이 존재하고, 이 경우 고정자에서 직경 방향으로 대향면 상에 있는 코일 쌍(180도 이격됨)이 함께 에너지 활성화될 수 있다. 그럼에도, 각 위상은 더 이상의 코일을 포함할 수 있어서, 예컨대 3개의 코일이 하나의 위상으로 그룹화될 수 있고, 이 경우 3-상 모터의 경우 총 9개의 코일을 필요로 할 것이다. 이 경우, 주어진 위상에 속하는 코일은 고정자 둘레로 120도 등간격으로 이격될 수 있다. 본원에 개시된 개념은 2 이상의 위상을 갖는 모터의 구성에 이용될 수 있지만, 바람직한 실시예에서 모터는 방전 코일로부터 충전 코일로이 파워 전달을 보다 용이하게 수용하기 위해 3 이상의 위상을 가진다.
'푸쉬-전용' 모터로 지칭되는 일 실시예에서 코일(34)의 전기적 극성은 에너지 활성화될 때마다 동일하며, 이는 자극 또한 코일이 에너지 활성화시마다 동일함을 의미한다. 다른 실시예에서 전기적인, 따라서 자기적인 극성은 코일이 에너지 활성화될 때마다 반전된다. "푸쉬-풀" 타입의 실시예로도 지칭되는 이 후자의 실시예에서 모터는 각 코일이 바로 옆의 자석을 코일 측으로 당기거나 코일로부터 멀어지게 밀어낼 때마다 2번 활성 상태에 있기 때문에 더 많은 파워를 생성할 수 있다. 그럼에도, 모터는 코일이 균일한 극성 또는 반전 극성을 가지더라도 여전히 동작 가능하다.
회전자 상의 영구 자석의 수는 각 위상이 지속되는 회전자의 회전 비율을 결정한다. 예를 들면 회전자 둘레에 8개의 영구 자석이 분포되면, 각 위상은 회전의 45도에 해당하는 회전의 1/8 동안 지속된다. 유사하게, 10개의 영구 자석이 존재하면, 각 위상은 회전의 36도 또는 회전의 1/10 동안 지속되고, 12개의 영구 자석이 존재하면 각 위상은 회전의 30도에 해당된다.
도 22A, 22B, 22C는 6개의 코일(34)과 8개의 영구 자석(52)을 갖는 3-상 모 터(30)에서 영구 자석(52)과 전자기 코일(34) 간의 관계의 선형 표현을 나타낸다. 다이어그램은 코일(34)과 영구 자석(52) 각각의 중심을 통과하는 원형 라인을 따른 단면도이다. 영구 자석(52)은 회전자(36) 상에 설치되고 코일(34)은 고정자(32) 상에 있다. 상기 다이어그램은 하나의 고정자(32)에 인접한 2개의 회전자(36)를 도시하고 있지만, 기본 원리는 회전자와 고정자를 임의의 수까지 확장될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 회전자(36)는 회전자와 고정자 그룹의 한 말단에 있는 최종 요소들이다.
도 22A, 22B, 22C에 도시된 바와 같이, 영구 자석(52)은 교번하는 극성으로 배열된다. 바람직한 실시예에서 모터(30)는 영구 자석(52)의 극성이 회전자(36) 둘레에서 연속적으로 교번하도록 짝수개의 영구 자석(52)을 갖는다. 예시된 실시예에서 코일(34)은 단일 극성으로만 에너지 활성화됨으로써 코일(34)은 그 하나의 극성으로 에너지 활성화되거나 에너지 활성화가 이루어지지 않는다. 예시된 실시예에서 동일한 위상이지만 고정자의 대향면에 위치하는 코일(34) 쌍은 자극이 서로 반전되도록 서로 반대인 극성으로 에너지 활성화된다.
도 23은 도 22A, 22B, 22C의 선형 표현으로 도시된 것과 같은 모터(30)의 타이밍 다이어그램이다. 도면 상부에는 회전자(36)의 회전 사이클에 대응하여 15도 증분으로 마킹된 수치 라인이 존재한다. 따라서, 이 수치 라인 아래의 각 위상과 관련된 라인은 어떻게 위상이 회전자(36)의 위치에 관련되는지를 보여준다. 각 위상에서 매칭된 대향 코일(34)은 쌍으로서 작동 온(on)-오프(off)되며, 이 경우 코일(34) 쌍은 반대의 전기적 극성과 자기적 극성을 가진다. 예를 들면, 코일(1)이 그 자기 북극이 제1 방향을 향하도록 작동 온되면, 대향 배치된 코일(4)은 오프 상태이다. 이후 코일(4)이 그 자기 북극이 제1 방향을 향하도록 작동 온되면, 코일(1)은 작동 오프된다. 전술한 바와 같이, 이러한 모터는 이 예시된 실시예에서 코일이 에너지 활성화될 때 항상 동일한 극성을 가지므로 "푸쉬-전용" 모터로 지칭되곤 한다. 도 23의 상부에 있는 위상 다이어그램 아래에는 위상 다이어그램에 표현된 종류와 같이 서로 중첩된 회전자(36)와 고정자(32)의 측면도가 도시되어 있다. 모터(30)의 측면도는 영구 자석(52)의 위치가 코일(34)의 위치에 어떻게 관계되는지를 보여준다.
도 24 및 도 25는 회전자(36) 내에 8개의 영구 자석(52)을 가지고 고정자(32)에 8개의 코일을 가지는 모터(30)에 대한 유사한 위상 다이어그램과 측면도이다. 다시 말해, 코일(34)은 모터(30)가 "푸쉬-전용"형이 되도록 에너지 활성화시 항상 동일한 극성을 갖는다. 또한, 위상 다이어그램과 관련하여서, 특정 위상을 표현하는 라인이 고 레벨일 때 코일 쌍 중 제1 코일은 작동 온되고 제2 코일은 작동 오프되며, 라인이 저 레벨일 때 제1 코일은 오프이고 제2 코일은 온이 되며 제1 코일과는 반대인 전기적 및 자기적 극성을 갖는다.
전술한 경우 양자에 있어, 에너지 활성화되거나 그렇지 않은 것의 사이에서 전이되는 특정 쌍의 코일로서, 작동 오프되는 코일로부터의 에너지는 작동 온되는 코일로 공급됨으로써 하나의 코일로부터의 붕괴장 에너지가 포획될 수 있어서 결국 방산되는 것이 방지된다.
하나의 코일을 온시키고 다른 코일을 오프시키도록 단순히 스위칭하지 않고 위상 다이어그램에서 지시된 전이 영역에서 코일을 에너지 활성화시키는데 사용되는 파워의 극성을 교번하는 것에 의해 전술한 것과 같은 모터를 "푸쉬-풀" 모드의 것으로 전환시키는 것이 가능하다.
푸쉬-풀 구성의 경우, 각 코일 쌍으로부터의 붕괴장 에너지는 고정자에 있는 상이한 코일 세트, 즉 다른 위상의 코일 세트로 전달된다. 그러나, 이 후자의 푸쉬-풀 모드의 경우, 다른 위상의 코일은 붕괴장 에너지가 그 코일로 공급될 때 이미 충전될 수 있어서, 다른 코일의 충전에 도움을 주는 대신에 붕괴장 에너지가 충전을 그대로 유지하는데 도움이 될 수 있다.
일 실시예에서 모터(30)의 제어 메커니즘(42)은 코일(34)의 충전 및 방전을 제어하기 위한 프로그래밍 가능한 마이크로 프로세서(43)를 포함한다(도 1 참조). 상기 마이크로 프로세서(43)는 위치 센서(80)로부터의 입력을 수신하여 회로(74) 내의 스위치(78)를 제어한다. 마이크로 프로세서(43)가 제어의 정도를 향상시키는 것에 의해 모터(30)에는 많은 부가적인 특징들이 추가될 수 있다.
일 실시예에서 모터(30)는 작동되는 모든 코일(34)보다 극소수의 코일로 작동될 수 있다. 예를 들면, 다수의 고정자(32)를 갖는 모터에 있어 개별 고정자(32)가 작동 온 또는 오프될 수 있어서 모터가 필요한 만큼의 변화하는 레벨의 파워를 생성하도록 할 수 있다. 예컨대 각 고정자(32)가 100 마력(hp)의 힘을 생성하고 5개의 고정자(32)가 존재하면, 모터는 활성화된 고정자(32)의 수에 따라 100, 200, 300, 400, 또는 500 마력의 힘을 생성할 수 있다. 또한, 주어진 시간에서 어떤 조합의 고정자(32)도 활성화될 수 있으며, 고정자(32)가 서로 인접할 필요 는 없다.
다른 실시예에서 상이한 고정자(32)로부터 코일(34) 그룹을 활성화시키는 한편 다른 코일은 비활성 상태로 하는 것에 의해 더 세밀한 제어 정도를 얻을 수 있다. 예를 들면, 3개의 고정자(32)를 갖는 3-상 모터(30)에 있어 한 쌍의 코일(34)이 제1 고정자(32) 상에서 활성화될 수 있고, 다른 쌍이 제2 고정자(32) 상에서, 또 다른 쌍이 제3 고정자(32) 상에서 활성화될 수 있다. 그러나, 이를 위해서는 동일 고정자(32) 상에서 대향하는 쌍의 코일(34)이 활성화되고, 코일(34) 쌍 각각은 모터 사이클에서 다른 위상에서 생기는 것이 필요하며, 이는 코일이 모터의 외주 둘레로 균일하게 분포됨을 의미한다.
특별한 고정자(32) 또는 심지어 고정자(32)의 개별 코일(34)이 비활성 상태에 있을 때, 비활성인 코일(34)은 모터(30)의 주행 중에도 수리 또는 교환을 위해 제거될 수 있다.
대응하는 예시를 참조로 전술한 바와 같이 예시적인 실시예에 다양한 변형을 행할 수 있으므로, 전술한 설명에 포함되고 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 소정의 예시적인 실시예에 한정되지 않으며, 오히려 첨부된 하기의 특허청구의 범위 및 그 등가물에 따라서만 정해져야 한다.

Claims (21)

  1. 다중-위상 전기 모터로서:
    비자화성 코어를 둘러싸는 복수의 와이어 코일을 갖는 고정자와;
    내부에 영구 자석을 매립하고 상기 고정자에 인접하게 회전 가능한 구동 샤프트 상에 설치된 적어도 하나의 회전자와;
    전원과;
    상기 회전자에 작동 가능하게 연결된 위치 센서와;
    상기 와이어 코일에 전기 에너지를 분배하는 것을 제어하기 위해 상기 전원, 상기 위치 센서 및 상기 와이어 코일에 작동 가능하게 연결된 제어 회로를 포함하고;
    제어 메커니즘은 제1 코일로부터 제2 코일로 전하를 전달하는 것
    을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 코일은 방전 코일인 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 코일은 충전 코일인 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 회전자는 사이에 외주 엣지가 형성된 한 쌍의 대향면을 갖는 디스크를 구비하고, 상기 디스크는 비자화성 재료로 제작된 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 회전자는 상기 외주 엣지의 인접 면에 부착된 스틸 링을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 영구 자석은 적어도 하나의 희토류 자석이 상기 고정자에 인접하도록 2개의 희토류 자석 피스 사이에 개재된 스틸 피스를 구비하는 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 위치 센서는 캠-구동 스프링 접촉자; 브러쉬; 자기 분배기; 및 광전 분배기 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 위치 센서는 상기 구동 샤프트를 통해 상기 회전자에 작동 가능하게 연결된 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 와이어 코일 각각은 상기 회전자의 회전 면에 평행한 평면에 있는 와이어 권선을 구비하는 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 비자화성 코어는 플라스틱 튜브; 로드; 및 에어 코어 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 회전자와 제2의 인접 회전자 사이의 거리를 고정 거리로 유지하도록, 상기 회전자의 면으로부터 돌출하고, 상기 구동 샤프트와 동축인 회전자의 회전 중심에 설치되고, 상기 구동 샤프트를 둘러싸는 중공의 튜브형 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  12. 제11항에 있어서, 한 쌍의 단부판에 고정적으로 부착된 복수의 종방향 스트립을 구비하고 상기 고정자를 상기 회전자에 대해 지지하는 프레임 구조체를 더 포함하고;
    상기 구동 샤프트는 상기 단부판에 의해 지지되고;
    상기 고정자의 와이어 코일은 상기 종방향 스트립에 분리 가능하게 부착된 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  13. 제12항에 있어서, 상기 고정자는 6개의 코일을 구비하고, 상기 회전자는 8개의 영구 자석을 구비하는 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  14. 전기 모터 작동 방법으로서:
    비자화성 코어를 둘러싸는 복수의 와이어 코일을 갖는 고정자와;
    상기 고정자에 인접하게 회전 가능하게 설치된 회전자와;
    상기 회전자에 설치된 복수의 영구 자석과;
    전원과;
    상기 회전자에 작동 가능하게 연결된 위치 센서와;
    상기 와이어 코일에 전기 에너지를 분배하는 것을 제어하기 위해 상기 전원, 상기 위치 센서 및 상기 와이어 코일에 작동 가능하게 연결된 제어 회로
    를 포함하는 전기 모터를 제공하는 단계와;
    상기 전원으로 제1 코일을 전기적으로 에너지 활성화시키는 단계와;
    상기 제1 코일을 제2 코일에 전기적으로 연결하여 제어기의 제어하에서 상기 제1 코일로부터 상기 제2 코일로 전기 에너지를 전달하는 단계와;
    상기 제1 코일을 상기 전원으로부터 연결 해제하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터 동작 방법.
  15. 다중-위상 전기 모터로서:
    플라스틱 튜브로 이루어진 비자화성 코어를 둘러싸는 복수의 와이어 코일을 갖는 고정자와;
    내부에 영구 자석이 매립되고, 상기 고정자에 인접하게 회전 가능한 구동 샤프트 상에 설치되는 회전자와;
    전원과;
    상기 구동 샤프트를 통해 상기 회전자에 작동 가능하게 연결된 위치 센서와;
    전기 에너지를 상기 와이어 코일로 분배하는 것을 제어하기 위해 상기 전원, 상기 위치 센서 및 상기 와이어 코일에 작동 가능하게 연결된 제어 회로
    를 포함하고;
    제어 메커니즘은 전하를 제1의 방전 코일로부터 제2의 충전 코일로 전달하고;
    상기 회전자는 외주 엣지를 사이에 형성하는 한 쌍의 대향면을 갖는 디스크를 구비하고;
    상기 회전자는 상기 외주 엣지의 인접 면에 부착된 스틸 링을 더 구비하고;
    상기 영구 자석은 적어도 하나의 희토류 자석이 상기 고정자에 인접하도록 2개의 희토류 자석 피스 사이에 개재된 스틸 피스를 구비하는
    것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  16. 제15항에 있어서, 상기 위치 센서는 캠-구동 스프링 접촉자; 브러쉬; 및 광전 분배기 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  17. 제16항에 있어서, 상기 디스크는 알루미늄 및 페놀 수지 중 적어도 하나로 제작된 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  18. 제17항에 있어서, 상기 와이어 코일 각각은 상기 회전자의 회전면에 평행한 평면에 있는 와이어 권선을 구비하는 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  19. 제18항에 있어서, 상기 고정자는 6개의 코일을 구비하고, 상기 회전자는 8개의 영구 자석을 구비하는 것을 특징으로 하는 다중-위상 전기 모터.
  20. 모듈형 다중-위상 전기 모터로서:
    비자화성 코어를 둘러싸는 복수의 와이어 코일을 갖는 고정자와;
    내부에 영구 자석이 매립되고, 상기 고정자에 인접하게 회전 가능한 구동 샤프트 상에 설치되는 적어도 하나의 회전자와;
    한 쌍의 단부판 사이로 연장하는 복수의 종방향 스트립을 구비하고 상기 고정자를 상기 회전자에 대해 지지하는 프레임 구조체와;
    전원과;
    상기 회전자에 작동 가능하게 연결된 위치 센서와;
    전기 에너지를 상기 와이어 코일로 분배하는 것을 제어하기 위해 상기 전원, 상기 위치 센서 및 상기 와이어 코일에 작동 가능하게 연결된 제어 회로
    를 포함하고;
    상기 구동 샤프트는 상기 단부판에 의해 지지되고;
    상기 고정자의 와이어 코일은 상기 종방향 스트립에 분리 가능하게 부착된
    것을 특징으로 하는 모듈형 다중-위상 전기 모터.
  21. 전기 모터 작동 방법으로서:
    비자화성 코어를 둘러싸는 복수의 와이어 코일을 각각 구비한 복수의 고정자와;
    각각의 고정자가 그에 인접하는 회전자를 갖도록 상기 고정자에 인접하게 회전 가능하게 설치된 복수의 회전자와;
    상기 회전자 각각에 설치된 복수의 영구 자석과;
    전원과;
    상기 회전자에 작동 가능하게 연결된 위치 센서와;
    상기 와이어 코일에 전기 에너지를 분배하는 것을 제어하기 위해 상기 전원, 상기 위치 센서 및 상기 와이어 코일에 작동 가능하게 연결된 마이크로 프로세서
    를 포함하는 전기 모터를 제공하는 단계와;
    서브세트의 코일만을 활성화하는 것에 의해 상기 전기 모터에 동력을 제공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터 작동 방법.
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