KR20110042327A - 편심 회전자를 구비한 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 편심 회전자 구비하는 회전식 전기기계에 관한 것으로, 상기 회전식 전기기계는 고정자와 편심 회전자를 포함하고, 상기 고정자는 폐쇄된 원통형 공간을 한정하기 위해 원주 방향으로 분포된 다수의 자극을 포함하고, 상기 회전자는 상기 폐쇄된 공간보다 작은 직경을 갖는 대체로 원통형인 형상을 가지며, 원주 방향으로 분포된 다수의 자극을 포함하고, 또한, 상기 회전자는 상기 폐쇄 공간 내측에서 회전하고, 회전식 전기기계가, 상기 회전자의 회전 구성부재에 의존하는 축을 포함하는데, 여기서, 회전식 전기기계는, 상기 고정자와 회전자 사이의 전자기 인력의 모든 영역에서, 고정자 극의 축폐선과 회전자 극의 축폐선이 실질적으로 동일한 길이로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

편심 회전자를 구비한 모터{MOTOR WITH ECCENTRIC ROTOR}

본 발명은 편심 회전자를 구비한 회전식 전기기계에 관한 것이다.

브러시리스 전기 모터의 분야에서, 일부는 편심 회전자를 구비한 모터가 개발되었다. 편심 회전자에 동력을 인가함으로써 고정자에 발생한 전자기 에너지는 회전자와 접촉하지 않은 채로 전달된다. 모터의 속도는 일반적으로는 모터의 동력 공급 주파수에 의해 제어된다.

편심 회전자를 구비한 모터의 경우, 회전자의 주축은 고정자에 의해 한정된 중공부 안에서 자유롭게 순환할 수 있게 되거나, 고정자에 의해 한정된 중공부의 원형 궤적 내측("위성 유지기" 배열(satellite holder arrangement)이라고 함)을 한정하도록 배치된다. 일반적으로, 회전자는 이 회전자를 고정자의 중공부 내측에서 회전하게 하는 수단을 포함한다. 이와 같이, 중공부 둘레의 고정자의 코일에 연속해서 동력이 인가되면, 영구 자석의 배열에 의해 한정된 극들이 마련되거나 자석들이 마련된 회전자의 인력을 이끌어 낸다.

편심 회전자를 사용하는 이점으로는 다음과 같은 것들이 있다.

- 편심 회전자를 사용하는 모터는 일반적으로 종래의 전기 모터에 비해 코일을 덜 사용하게 된다. 이는 모터의 제조 및 유지 비용을 절감시킨다는 것을 의미한다.

- 회전자가 고정자의 중공부 안에서 회전하는 것은 회전자의 극 상에 있는 고정자의 코일의 자기 인력에 의해 유발되고, 이와 같은 인력은 회전자의 반경이 고정자의 폐회로의 반경에 근접함에 따라 증가하게 된다. 회전자가 자기 인력에 의해 회전하게 되면 회전자에 전달되는 동력을 증가시킬 수 있다.

- 회전자가 고정자 안에서 회전하면, 고정자 둘레의 전자기 에너지의 회전 속도와 관련하여, 회전자의 축선 둘레에서의 회전자의 고유한 회전 속도 감소(절대치의 감소)를 유발시킨다. 사실, 윌리스(Willis) 식을 이용한 계산에 의하면, 회전자의 축선 둘레에서의 회전자의 회전 속도와 고정자의 전자기 에너지의 회전 속도(극으로의 연속하는 전력 인가가 고정자의 중공부 둘레에서의 완전한 한 바퀴 회전을 한정하게 되는 속도) 사이의 비 r이 도출되는데, r은 다음 식으로 나타낸 비와 같다.

여기서, nr=회전자의 극의 수, ns=고정자의 극의 수.

회전자의 극의 수가 고정자의 극의 수에 근접한, 일례로 ns = nr+1인 보편적인 경우에 있어서, 속도 감소비는 다음 식과 같다.

이와 같이, 회전 속도를 감소시키는 적용 분야에서, 감속 기어가 (수반되는 손실과 관련하여) 필요하지 않게 할 수 있다.

또한, 속도 감소비는 토크에 바로 전달된다. 사실, 회전자에 전달되는 전자기 동력(손실은 작음)은 기계적 토크에 회전자의 회전 속도를 곱한 것과 같으므로, 회전 속도의 실질적인 감소는 토크의 실질적인 증가로 귀결된다.

일반적으로, 편심 회전자를 구비한 모터는 저속 회전 및 실질적이고 규칙적인 토크로 사용하기 위하여 선택되고 있다.

유럽 특허 공보 EP 0 565 746호는, 폐쇄 공간을 형성하기 위하여 고정자에 네트워크로 배열된 다수의 전자석으로서 각 전자석(극)이 폐쇄 경로를 한정하기 위하여 다른 극들과 직렬로 위치되어 있는 다수의 전자석과; 상기 폐쇄 경로를 따라서 회전할 수 있도록 배열된 극과; 회전자를 회전시키기 위하여 회전자의 영구 자석을 끌어들이고 및/또는 밀어내기 위해 전자석에 선택적으로 전력을 인가하는 수단을 포함하고, 회전자는 영구 자석으로 구성되어 있는, 편심 회전자를 구비한 모터에 대해 개시하고 있다.

일본 특허 공보 JP 11-178312호는 앞에서 설명한 것과 같은 중공부를 한정하는 폐쇄 경로를 따라서 배열된 다수의 전자석을 구비하는 고정자를 포함하는 편심 회전자를 구비하는 모터에 대해 개시하고 있다.

상기 모터는 또한, 고정자의 전자석에 전력이 연속적으로 인가됨에 따라 회전자가 영구 자석의 극들 상에서 고정자의 폐쇄 경로를 따라서 회전할 수 있도록 하는 다수의 자석, 일례로 영구 자석을 구비하는 회전자를 포함한다.

기계적 관점에서, 회전자와 고정자는 구름 트랙을 포함할 수 있는데, 회전자와 고정자 사이의 구름 접촉이 구름 트랙 상에서 실행될 수 있도록 구성한다.

또한, 회전자와 고정자는, 회전자의 미끌림 없는 회전을 보장할 수 있도록 하는, 즉 고정자와 회전자 간의 접촉 지점에서의 상대 속도가 계속적으로 영이 되도록 하는 맞물림 수단도 포함한다.

회전자의 회전을 비편심 회전축으로 구성된 출력축 상으로 전달하기 위하여, 다수의 핀을 경유한 전달을 마련할 수 있는데, 상기 핀들은, 대응하는 극에 배치된 핀이 구동되어서 출력축을 회전시키도록 고정자와는 동축으로 장착되고 회전자와는 일체로 형성되며 상기 출력축과 일체로 형성된 요소에 의해 구동된다.

본 발명의 목적은, 종래 기술에 대비해서 향상된, 편심 회전자를 구비하는 모터를 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은, 고정자와 편심 회전자를 포함하는 편심 회전자 구비형 회전식 전기기계로서, 상기 회전자의 회전 구성부재에 의존하는 축도 또한 포함하고; 상기 고정자는 폐쇄된 원통형 공간을 한정하기 위해 원주 방향으로 분포된 다수의 자극을 포함하고; 상기 회전자는 상기 폐쇄된 공간보다 작은 직경을 갖는 대체로 원통 형태로 구성되고, 원주 방향으로 분포된 다수의 자극을 포함하고; 또한, 상기 회전자는 상기 폐쇄 공간 내측에서 회전하는 구성으로 된, 편심 회전자 구비형 회전식 전기기계에 있어서, 상기 고정자와 회전자 사이의 전자기 상호 작용 영역에서, 고정자 극의 축폐선(evolute)과 회전자 극의 축폐선이 실질적으로 동일한 길이로 되어 있는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계를 제안한다.

본 발명은 다음 특징들 중 적어도 하나를 바람직하지만 선택적인 것으로 포함한다.

- 고정자가 적어도 하나의 구름 트랙을 포함하고, 상기 회전자의 구름 트랙이 구름 운동을 할 수 있는 것.

- 고정자가 적어도 하나의 구름 트랙을 포함하고, 상기 회전자의 구름 트랙이 구름 운동을 할 수 있고, 또한 상기 구름 트랙이 축방향의 대응하는 반작용력을 형성할 수 있는 상보형의 프로파일을 갖는 것.

- 고정자의 극들이 권선을 포함하고, 또한 고정자의 위치 정보에 따라 상기 권선으로의 동력 공급을 제어하는 제어 수단도 포함하는 것.

- 회전자의 상기 위치 정보는 각도 센서에 의해 제공되는 것.

- 고정자 내에서의 회전자의 미끌림 없는 회전을 보장하기 위해 회전자와 고정자 사이를 맞물리도록(meshing) 하기 위한 장치도 추가로 포함하는 것.

- 상기 축은, 핀들의 섹션보다 큰 크기로 되어 있는 구멍과 협동하는 구동 핀 전달 시스템에 의해서, 회전자에 종동되는 것.

- 상기 구멍들 각각은 기계 베어링을 위한 장치를 포함하는 것.

- 각 구동 핀이, 대응하는 기계 베어링을 받치는 베어링 면 상에 조인트를 포함하는 부착면을 포함하는 것.

- 상기 축이 쌍기어 전달 시스템에 의해 회전자에 종동되는 것.

- 회전식 전기기계가 회전자와 함께 형성하는 균형추를 추가로 포함하고, 상기 균형추의 유닛의 중력 중심이 고정자의 축선 근처에 위치되는 것.

- 상기 균형추는 초승달 형상으로 구성한 것.

- 상기 고정자는 짝수 개의 극을 가지고, 상기 고정자의 권선 방향은 2 개의 연속하는 극들 사이에서 반전되며, 모든 극들이 직렬로 연결된 것.

- 고정자가 회전자 보다 하나 더 많은 극을 갖는 것.

- 회전자를 보어가 종방향으로 가로지르되, 고정자의 직경과 회전자의 직경 간의 차보다 작은 보어의 직경보다 작은 외경을 갖는 중공축이 가로지르는 것.

본 발명의 다른 특징들, 목적들 및 이점들은 비제한적인 예로서 제공되는 다음과 같은 도면을 참조하면서 이하의 상세한 설명을 숙지할 때에 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 편심 회전자를 구비한 모터의 종방향 단면도이다.
도 2는 도 1의 모터의 횡방향 단면도이다.
도 2b는 고정자의 극과 회전자의 극을 도해식으로 보이는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편심 회전자를 구비한 모터의 균형추의 상세도이다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 모터의 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 편심 회전자를 구비한 모터의 횡방향 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 편심 회전자를 구비한 모터의 종방향 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 편심 회전자를 구비한 모터를 제어하는 수단의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 편심 회전자를 구비한 모터의 구름 트랙의 상세 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 편심 회전자를 구비한 모터의 단순화한 횡방향 단면도이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 편심 회전자를 구비한 모터로서 고정자가 홀수 개의 극을 갖고 있는 모터의 단순화한 횡방향 단면도이다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 일 실시예에 따른 편심 회전자를 구비한 모터로서 고정자가 짝수 개의 극을 갖고 있는 모터의 단순화한 횡방향 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 편심 회전자를 구비한 모터로서 고정자가 짝수 개의 극을 갖고 있는 모터의 단순화한 횡방향 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편심 회전자를 구비한 모터는, 모터의 환기 및 냉각을 위한 블레이드들을 바람직하게 구비하는 고정자 기부(10)를 포함하고; 상기 고정자는 연강으로 제조되는 것이 바람직한 골격(carcass)(2)도 또한 포함하고; 또한 상기 고정자는, 상기 몸통(2)의 반경 방향 연장부(7a)와 상기 연장부(7a) 둘레에서 반경 방향으로 권취된 권선(3)으로 구성되되, 권선(3)으로 동력이 공급되면 상기 연장부(7a)에 의해 발생되는 자계가 생성될 수 있도록 구성된 전자석(7)도 또한 포함한다(모터의 철손, 즉 히스테리시스 및 와전류에 의한 손실을 제한하기 위해 이들 연장부들의 적층화 및 구름은 더 많이 제공된다). 물론, 모터의 자계는 축방향 권선과 같은 종래 기술의 임의의 다른 해결책에 의해서 발생될 수 있다. 고정자의 극들은 원형 섹션의 중공부 또는 공동 둘레에 반경 방향으로 위치된다. 고정자는 또한, 이 고정자의 종축의 어느 한 측부에, 고정자(1)의 기부 안으로 매립된 플랜지(4, 5)에 의해 형성된 구름 트랙(4a, 5a)도 포함한다. 모터는 또한 고정자의 공동의 직경 보다 직경이 작은 회전자(6)도 포함하고, 상기 회전자는 2개의 구름 트랙(4a, 5a)을 포함하고, 상기 구름 트랙의 폭 E는 고정자의 구름 트랙(4a, 5a)의 폭 E'과 실질적으로 동일하고, 상기 구름 트랙은 고정자의 구름 트랙(4a, 5a) 상에 각각 실질적으로 정렬된다. 회전자는 그의 주변 둘레에 반경 방향으로 분포된 다수의 고정 자석(7b)을 포함한다. 바람직하기로는, 이들 자석은 영구 자석으로 하고, 그 수는 고정자의 극의 수보다 적게 하는 것이 좋고, 그 수를 짝수로 하는 것이 바람직하며, 그 자석들은 S극이 2개의 N극들 사이에 배치될 수 있도록 분포시킨다. 고정자는 3 내지 21개의 극을 포함하고 회전자는 2 내지 20 개의 극을 포함하는 것이 바람직하다. 고정자에 3개(혹은 3의 임의의 배수)의 극을 사용하게 되면, 편심 회전자 구비형 전기기계에 전력을 인가함에 있어서 3상 전력 공급을 바로 이용할 수 있게 되고, 이에 의해 제조 및 유지 비용을 절감할 수 있게 된다. 또한, 공급 전력의 주파수를 변동시킬 수 있도록 하기 위해서는, 시중에서 입수할 수 있는 저렴한 3상 주파수 가변기를 사용하는 것만으로도 충분한데, 이로 인해 제조 및 유지 비용이 절감된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 고정자의 전자석에 연속적으로 전력을 인가하게 되면 그의 극성에 따라서 회전자의 영구 자석을 끌어당기게 되는데, 이에 의해 회전자가 구름 트랙 상에서 회전하게 된다.

고정자의 권선의 동력은 회전자의 자석의 인력에 의해 발생된 토크가 실질적으로 일정해지도록 제어된다. 이를 위해, 권선으로의 공급 전력을 제어하는 장치가 제공되는데, 이 장치는 회전자의 각도 위치를 검지하는 센서를 포함한다.

모터는 케이블, 파이프 또는 또 다른 운동을 지지하는 다른 축이 지날 수 있게 하기 위해 중공인 것이 바람직한 출력축(11)을 포함한다. 이와 같은 중공으로 하면 출력축의 관성을 줄일 수도 있다. 상기 출력축은 베어링 홀더(17, 18) 상에 장착되어서 결국에는 플랜지(4, 5)에 연결된 베어링(12, 13)의 도움을 받으면서 고정자에 대해 회전하게 장착된다. 출력축은 고정자의 공동을 관통해서 축방향으로 연장되고, 고정자는 이 출력축 둘레에서 순환한다. 회전자의 구름을 출력축(11)의 회전으로 변환시키는 것은 쌍기어 시스템을 이용하여 실행된다. 이 쌍기어 시스템은, 고정자 상에, 플랜지(5)와 일체로 형성되며 이 개수를 Z₁₆으로 나타낸 고정 기어인 기어(16)를 포함한다. 이 기어는 회전자(6)와 일체로 형성되고 기어(16)와 맞물리는 기어(25)를 구동시킨다. 기어(25)는 Z₂₅ 이(teeth)를 구비한다. 회전자는 회전자와 일체로 형성되며 Z₂₄ 이(teeth)를 구비하는 제2 터미널 기어(24)를 포함한다. 외측 터미널 기어(24)는, 출력축(11)과 일체로 형성된 지지체(14)를 관통하여 출력축(11)에 고정되어서 출력축(11)과 일체로 형성된 기어(15)와 맞물린다. 출력축(11)의 회전 속도는 이 출력축(11)의 회전 속도와 회전자의 회전 속도 간의 다음과 같은 비 r₂에 의해 회전자(6)의 회전 속도에 연동된다.

출력축의 회전 속도와 고정자를 부양하는 각 속도 간의 비 r₃은 다음과 같다.

회전자(6)와 일체로 된 기어(4c)와 출력축(11)과 일체로 된 기어(4d)가 추가로 마련되고, 이 경우 기어(4c)와 기어(4d) 사이의 맞물림에 의해서, 회전자가 고정자에 대해서 미끌림 없이 회전하는 것이 보장될 수 있으며 이에 따라 극의 정렬이 보장된다.

물론, 회전자의 편심 배치에 의하면 실질적인 불균형이 발생할 수 있고, 그 불균형 자체가 모터의 변동을 야기할 수 있다. 이와 같은 불균형을 보상하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 회전자와 고정자 사이에 균형추(19)가 삽입된다. 상기 균형추(19)를 초승달(또는 반달) 형태의 형상으로 구성하는 것이 바람직한데, 이것의 내측부에는 회전자의 주변부가 접하게 되고 외측부에는 고정자의 주변부가 접하게 된다. 상기 균형추는 몸체(19b)와 2개의 단부 부분(19a)을 포함하고, 상기 단부 부분들은 구름 트랙(4a, 5a) 상에 위치되는 것이 바람직하다. 바람직한 예로서, 상기 균형추는 이것의 중량을 조정하기 위한 리세스(19c)들을 포함하는데, 중량 조정은 일례로 리세스들에 충전재를 충전하거나 혹은 충전하지 않음으로써 행해질 수 있다. 균형추(19)는 회전자의 회전에 의해서 같은 높이로 되어서 고정자의 폐쇄 경로를 따라서 회전자의 회전과 반대되는 방향으로 회전하고, 이와 같은 효과 측면에서, 2개의 일련의 롤러(20)들을 구비하게 되는데, 한 롤러는 고정자 상에서 회전하도록 한 것이고 다른 한 롤러는 회전자 상에서 회전하도록 한 것이다. 또한, 상기 균형추는 전기기계와 물리적으로 고정된 링크를 구비하지 않는다는 것인데, 이에 의해, 출력축이 고정자의 한 단부에서 다른 단부까지 횡방향으로 뻗을 수 있다.

균형추(19)의 단부(19b)를 더 정확하게 도시하는 도 3을 참조하면, 상기 단부는 고정자와 회전자 상에서 구름 트랙(4a, 5a)을 따라서 각각 회전하는 한 쌍의 롤러(20)를 포함한다. 이와 같이, 회전자가 고정자의 폐쇄 경로를 따라서 회전하게 되면, 균형추를 롤러 상에 접촉하게 함으로써 균형추를 밀어내게 되는 경향이 있는데, 이 때 균형추는 다른 롤러를 거쳐서 고정자 상에서 구름으로써 높이가 같아진다.

회전자(6)/균형추(19) 유닛은 고정자의 주축 상에 실질적으로 위치된 중력 중심과 함께 균형을 유지하는 질량을 갖는다.

다시 도 2를 참조하면, 회전자의 극들과 고정자의 극들 간에 자기적으로 상호 작용하는 영역 상에서, 회전자 극(7b)의 축폐선(evolute)과 고정자 극(7a)의 축폐선은 실질적으로 그들 각각의 원주 방향을 따라서 동일한 길이를 갖는다. 도 2b를 참조하면, 회전자의 극은 곡형이 아님을 알 수 있다. 사실, 회전자의 극은 타이 플레이트(8)에 의해 회전자에 고정된 대체로 직사각형 섹션으로 된 영구 자석(7b)을 포함하고 회전자의 골격(carcass)에 대해서 돌출한다. 이 경우에서, 회전자의 극(7b)의 원주 방향 축폐선의 길이는 고정자의 극의 원주 방향 축폐선의 길이와 동일하다.

극들은 편심 회전 운동을 하는 중에 서로 대면하는 상태를 유지한다. 권선에 전류가 교번하면 회전자가 권선 상에서 출력축(11) 둘레에서 회전한다.

극의 축폐선을 이와 같이 한 구성에는 여러 가지 장점들이 있다. 특히, 회전자와 고정자 간의 자기 결합이 최적화되고, 회전자를 고정자에 대해서 미끌리게 할 수 있는 유격부 내의 접선 성분 힘이 최소화된다. 가변 자기저항 모터에서처럼 정교한 극 형상에 의지하거나 높은 토크 유도 모터에서처럼 극의 수를 다수로 하지 않아도 토크를 실질적으로 일정하게 할 수 있다.

또한, 축폐선들의 길이를 실질적으로 동일하게 함으로써, 극들의 기하학적 형상을 단일 형상으로 하는 것에만 제약되지 않는다. 이와 같은 극들을 원통형으로 하는 것은 필수적이 아니며, 도 2b에서처럼 회전자의 극을 직사각형 형상으로 할 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 회전자의 회전을 출력축(11) 상으로 전달하는 것은 일련의(바람직하기로는 6개의) 구동 핀(32)들을 사용함으로써 실행된다. 이를 위해, 회전자는 대응하는 일련의 구멍(30)과 지지 베어링(33)을 구비하는 구동 플레이트를 포함하고, 상기 구멍 각각은 원통형 형상인 것이 바람직하다. 상기 베어링에 의하면, 구멍의 보어 외측 가장자리 상에서의 핀의 마찰을 없앨 수 있고, 이에 따라 핀의 마멸을 피할 수 있다. 각 베어링 핀(32)은 외부에는 부착면 상에 부착 조인트(33b)를 구비하고(핀의 원주 홈 안에는 O-링이 삽입되는 것이 바람직함), 상기 조인트는 핀이 지지 베어링과의 접촉점에 더 양호하게 부착될 수 있게 한다. 조인트를 사용하게 되면 완충 기능을 추가하는 것도 가능해지고, 이에 따라 구동 핀과 지지 베어링 사이의 기계적 충격(이와 같은 기계적 충격은 사실상 장치의 열화를 유발하는 것임) 피할 수 있게 된다. 상기 조인트에 의하면, 핀과 지지 베어링 사이의 작은 미끌림을 피할 수 있고, 이에 따라 마찰에 의한 열화(침식 부식)를 방지할 수 있다.

출력축(11)은 구동 핀(32)을 포함하는 핀 홀더(34)와 일체로 형성된다. 핀 홀더(34) 및 구동 플레이트(31)는 핀 홀더(34)의 각 핀(32)이 구동 플레이트(31)의 대응하는 구멍 내측에 위치되도록 설치된다. 반면에, 핀 홀더를 회전자와 일체로 되게 설치하고 구동 플레이트를 출력축과 일체로 되게 설치할 수도 있다.

회전자의 회전은 플레이트(31)와 구멍(30)을 회전 구동시키고, 이는 결국 핀(32)과 핀 홀더(34)를 구동시키게 되어, 출력축(11)의 회전을 유발시키게 된다. 회전자(6)의 축선은 구름 중에 변위되고, 구멍은 핀들이 제 위치에서 대응하는 운동을 할 수 있게 설계된다. 더 정확하게 말하자면, 각 핀의 직경이 대응하는 구멍의 직경보다 작을 뿐만 아니라, 핀의 직경과 구멍의 직경 간의 차이는 회전자와 고정자의 편심으로 인한 직경 차이에 상당한다. 또한, 일련의 핀들과 구멍들 간의 상호 작용으로 인한 과도 정지 상태(hyperstaticity)를 피하기 위해 핀의 직경과 구멍의 직경 간의 차이를 회전자와 고정자의 편심으로 인한 직경 차이보다 약간 크게 한다.

지지 베어링(33)과 O-링 조인트(33b)는 각 구동 핀(32)과의 계합을 양호하게 하는 기능을 갖는다.

도 6을 참조하면, 회전자(6)의 회전을 출력축(11)으로 전달하기 위해 카단 조인트(cardan joint)(70) 시스템이 마련되어 있다. 이를 실행하기 위해, 회전자 상에 카단 조인트(70)의 링크(71)가 마련된다. 상기 카단 조인트는 축(72)을 포함하고, 링크(71)를 매개시켜 출력축(11)을 회전 구동시킨다.

바람직한 예로서, 베어링(75)(출력축(11)을 지지하는 베어링)과 베어링(74)(회전자를 지지하는 베어링)을 이용하여, 고정자에 대해 편심 회전하는 회전자와 출력축(11) 간의 독립적인 회전을 보장하기 위하여 모터에 편심 베어링 홀더(73)를 구비시키는 것도 제안한다. 이와 같이 편심 베어링 홀더(73)와 베어링(74, 75)을 조합하게 되면, 회전자가 출력축(11) 둘레에서 출력축의 회전에 장애를 주지 않으면서 회전할 수 있다. 상기 출력축은 베어링(76)의 도움을 받아 고정자(1)에 대해 피벗 연결된다.

도 7을 참조하면, 고정자 권선에 대한 전력 공급 제어는, 일례로 프로세서, 작동 메모리, 및 다수의 입력/출력부(아날로그 및/또는 디지털 방식)로 구성되는 제어 유닛(80)에 의해 실행된다. 상기 제어 유닛은 적절한 입력/출력 확장기(보드, 주변 장치 등)를 포함하는 컴퓨터 도는 마이크로컨트롤러로 구성하는 것이 바람직하다.

제어 유닛(80)의 제어 출력은 절환 유닛(switching unit)(81)으로 전송된다. 상기 절환 유닛(81)은 전력 공급 도선(85)에 의해서 권선(84)(여기서는 3개로 표시됨)에 연결되고, 또한 전원(82)에도 연결된다. 절환 유닛(81)은 모터 상에 배치하거나 모터 외측에 배치할 수 있다. 상기 전원(82)은 대표적으로는 50 내지 400볼트인 것이 바람직한 전압을 갖는 직류 전원이거나 혹은 단상 또는 복상(3상인 것이 바람직함)의 교류 전원으로 할 수 있다.

바람직한 예로서, 상기 절환 유닛(81)은, 전원(82)이 교류인 경우에는 정류 수단과, 전압을 고르게 조절하는 수단과, 제어식 스위치, 바람직하기로는 트랜지스터, 더 바람직하기로는 IGBT 타입의 트랜지스터를 포함한다.

권선(84)으로 공급되는 전력을 제어하는 여러 가지 전략들이 제공된다.

그 첫 번째 전략은, 회전자의 위치를 알기 위하여 회전자 상에 배치된 하나 이상의 센서를 이용하여 권선으로 공급되는 전력을 관리하는 것이다.

다른 전략은, 권선 내에 흐르는 전류를 측정하는 것과, 전류/전압 비를 분석하는 것과, 지금의 권선 상의 회전자의 자석이 어느 권선으로 다가가는지를 결정하는 것으로 이루어진다. 이와 같이 함으로써, 고정자 내의 회전자의 위치를 신뢰성있게 알 수 있다. 이에 따라, 모터를 토크 제어 방식으로 작동시킬 수 있게 된다.

전자석으로 전력을 공급하는 것과 관련하여 여러 해결책들을 생각할 수 있다. 그 해결책들은 공통적으로 회전자와 고정자의 접촉점의 어느 한 측부(닙 라인(nip line)) 상의 권선에 전력을 다르게 인가하는 것이다. 여기서 "접촉점"이라는 용어는 회전자와 고정자 간의 물리적 접촉점만을 지칭하는 것이 아니다. 특히, 고정자와 회전자가 구름 트랙 상에서만 물리적으로 접촉하는 경우(이는 극 상의 재료의 보존을 보장한다), 상기 "접촉점"이라는 용어는 고정자와 회전자가 가장 근접하게 되는 지점과 관련된다. 더욱이, 상기 접촉점은 구름 트랙 상에서 회전자와 고정자가 물리적으로 접촉하는 지점들에 대해 축방향으로 대응한다. 운동 방향에서 이 접촉점을 지나 위치된 극들은 회전자를 밀어내고, 이와 동시에 그 접촉점 이전에 위치된 극들은 회전자의 극들을 당긴다. 상기 접촉점이 고정자의 2개의 극들 사이에 있게 되면, 이들 2개의 극들은 회전자의 극들이 바뀜에 따라서 동일한 극성을 띄고, 그 작용하는 힘은 반대 방향이 된다. 회전자가 움직일 때에 상기 접촉점이 절환 발생 시의 움직임 중에 직면하게 되는 제1 극의 대칭 면을 통과하면, 이 극에서 전류의 방향이 바뀐다. 그에 이웃하는 극들은 그들의 변경된 극성을 유지한다. 반경 방향으로 대향된 극 또는 극들은 극들의 개수가 짝수 개 혹은 홀수 개인지 여하에 따라서 수정된 전력 공급원을 구비하게 된다.

그 제1 해결책은, 고정자의 극들이 짝수 혹은 홀수 개인 경우 각 코일에 개별적으로 전력을 공급하는 것이다.

다른 해결책은, 고정자의 전자석의 개수가 짝수 개인 경우 각 코일들 사이에 위치된 전력 공급 지점에 직렬로 연결된 코일들 모두에 전력을 동시에 공급하는 것이다. 권선의 방향은 이웃하는 2개의 권선 사이에서 반전된다. 이어서, 전자석에 전력이 공급되는데, 전력 공급 지점에 연결된 직류 전원과의 접촉점인 고정자의 축선을 통과하는 평면의 어느 한 측부 상에 연속하는 N극과 S극이 고정자의 폐쇄 경로를 따라서 형성될 수 있게 공급된다. 이어서, 회전자를 회전시키기 위해, 하나의 전력 공급 지점을 통해서 전자석 모두를 편심시키면, 회전된 평면에 대칭되게 새롭게 연속하는 N극과 S극이 형성된다. 이러한 작동은 회전자가 고정자 안에서 회전할 수 있도록 하기 위해 계속해서 갱신된다. 극성 변동은 고정자의 극에 이웃하는 회전자의 극을 밀어내고 회전자의 후속하는 극을 (회전자의 회전 방향으로) 끌어당긴다. 여기서 상기해야 할 점은, 고정자와 회전자의 극들의 일치가, 고정자와 회전자의 극들의 진전된 길이들의 동일성과 아울러서 상기 기어 시스템에 의해서 보장된다는 것이다. 이와 같은 동일성에 의해, 토크가 직류 전류 전원에서도 실질적으로 일정해진다.

도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 극들의 개별적인 전원의 예를 보이고 있다. 이 경우, 고정자는 9개의 극(A ~ I)을 구비하고 회전자는 8개의 극(J ~ Q)을 구비한다. 3개의 도면은 회전자의 연속하는 3개의 위치를 고정자 및 대응하는 고정자의 극의 코일의 전원과 관련하여 도시하고 있다. 이들 3개의 도면은 회전자가 고정자의 극(극(A)) 상에서 회전 방향(R)을 따라 통과하는 것을 보이고 있는데, 이를 고정자의 모든 극에 대해 마찬가지로 적용할 수 있다는 것은 당연하다.

도 10a는 회전자(6)와 고정자(1)의 배치를 보이는 것으로, 회전자와 고정자 간의 접촉점(100)이 극(A)의 상류측에 위치되게 배치된 것을 보이는 것이다. 이어서 고정자의 모든 극에 전력을 인가하는데, 이 때 극(A)은 S극이 되고, 이에 따라 극(A)에 이웃해서 위치하고 있으며 N극인 회전자의 극(J)을 밀어내게 된다. 극(A)을 극성화시키기 위해, 코일(3)에 전력을 인가하되 상기 극(A)이 S극이 되는 방향으로 인가시킨다. 극(B)은 이와 반대로 극성화시키되 극(B)이 S극인 회전자의 극(K)과 같은 극을 끌어당기는 N극이 되도록 극성화시킨다. 동일한 방식으로, 고정자의 극(C, D)에 전력을 인가하는데, 이 때 이들 극 각각은 S극과 N극이 되게 해서 회전자의 극(L, M)을 각각 끌어당길 수 있도록 한다. 회전자의 극(E)에는 전력을 인가하지 않고, 그에 따라 극성이 없다. 이어지는 코일(F ~ I)에 전력을 인가하되 극(N ~ Q)을 각각 밀어내도록 한다. 이렇게 해서 끌어당기는 힘과 밀어내는 힘 모두가 작용해서 회전자(6)가 접촉점(100) 둘레에서 회전하게 된다. 도 10b는 회전자(6)의 후속하는 위치를 고정자(1)와 관련하여 보이는 것으로, 이들 둘 사이의 접촉점(101)은 극(A) 상에 위치한다. 극(B ~ D)에 전력을 인가하되 고정자의 극(K ~ M)을 끌어당기도록 한다. 코일(E, F)에 전력을 인가하되, 회전자의 극(N)을 고정자의 극(E)이 끌어당기고 고정자의 극(F)이 밀어내도록 극(S)과 극(N)을 취할 수 있도록 한다. 극(G ~ I)의 코일에 전력을 인가하되 회전자의 극(O ~ Q)을 밀어내도록 한다. 이렇게 해서 끌어당기는 힘과 밀어내는 힘 모두가 작용해서 회전자(6)가 접촉점(101) 둘레에서 회전하게 된다.

도 10c는 회전자(6)와 고정자(1) 간의 접촉점(102)이 코일(A, B)들 사이에 위치된 후속 상황을 보이고 있다. 고정자의 극들의 코일에 전력을 인가하는 것은 도 10a에서와 동일하지만, 하나의 극은 회전자(6)의 회전 방향(R)과 반대되는 방향을 따라 편위된다.

도 11a 내지 도 11c는 극들 각각의 전원의 예를 보이고 있다. 고정자는 9개의 극(A ~ I)을 구비하고 회전자는 8개의 극(J ~ Q)을 구비한다. 3개의 도면은 회전자의 연속하는 3개의 위치를 고정자 및 대응하는 고정자의 극의 코일의 전원과 관련하여 도시하고 있다. 이들 3개의 도면은 회전자가 고정자의 극(극(A)) 상에서 회전 방향(R)을 따라 통과하는 것을 보이고 있는데, 이를 고정자의 모든 극에 대해 마찬가지로 적용할 수 있다는 것은 당연하다.

도 11a는 회전자(6)와 고정자(1)의 배치를 보이는 것으로, 회전자와 고정자 간의 접촉점(110)이 극(A)의 상류측에 위치되게 배치된 것을 보이는 것이다. 이어서 고정자의 모든 극에 전력을 인가하는데, 이 때 극(A)은 N극이 되고, 이에 따라 극(A)에 이웃해서 위치하고 있으며 S극인 회전자의 극(K)을 끌어당기게 된다. 극(A)을 극성화시키기 위해, 코일(3)에 전력을 인가하되 상기 극(A)이 N극이 되는 방향으로 인가시킨다. 극(B)은 이와 반대로 극성화시키되 극(B)이 N극인 회전자의 극(L)을 끌어당기는 S극이 되도록 극성화시킨다. 동일한 방식으로, 고정자의 극(C, D)에 전력을 인가하는데, 회전자의 극(M, N)을 각각 끌어당길 수 있도록 한다. 회전자의 극(E)에 전력을 인가하는데, 극(N)(N극)을 밀어내기 위해 N극을 취할 수 있도록 한다. 회전자의 극(F)에 전력을 인가하되 극(O)(S극)을 끌어당길 수 있게 N극을 취하도록 한다. 극(G, H, I, Z)의 코일들에 전력을 인가하되, 극(O, P, Q, J) 각각 밀어낼 수 있도록 한다. 이렇게 해서 끌어당기는 힘과 밀어내는 힘 모두가 작용해서 회전자(6)가 접촉점(110) 둘레에서 회전하게 된다. 도 11b는 회전자(6)의 후속하는 위치를 고정자(1)와 관련하여 보이는 것으로, 이들 둘 사이의 접촉점(111)은 극(A) 상에 위치한다. 극(B ~ D)의 코일에 전력을 인가하되 고정자의 극(L ~ N)을 끌어당기도록 한다. 극(E, G)의 코일에 전력을 인가하되, S극과 N극의 극성을 취하도록 한다. 극(H, I, Z)의 코일에 전력을 인가하되 회전자의 극(P, Q, K)을 밀어내도록 한다. 코일(A, F)이 회전자의 극(K, Q)과 각각 직접 접촉하게 되면, 그에 대한 전력 인가는 회전자(6)의 회전 운동을 수반하는 N극에서 S극으로의 통과가 이루어지도록 하는 방향으로 바뀐다.

도 11c는 회전자(6)와 고정자(1) 간의 접촉점(111)이 코일(A, B)들 사이에 위치된 후속 상황을 보이고 있다. 고정자의 극들의 코일에 전력을 인가하는 것은 도 11a에서와 동일하지만, 하나의 극은 회전자(6)의 회전 방향(R)과 반대되는 방향을 따라 편위된다.

도 12는 고정자가 짝수 개의 극을 갖는 본 발명의 일 실시예를 보이고 있다. 모든 극들이 각 코일들 사이에 위치된 전력 공급 지점에 직렬로 연결되어 있다. 도 11a 내지 도 11c에 도시된 권선과 관련하여 주목할 점은, 권선의 방향이 2개의 연속하는 권선들 사이에서 반전되어 있다는 것이다. 직경 방향에서 반대 방향인 전력 공급 지점(120, 122)들에 연결된 직류 전원에 의해서, 극들에 전력을 인가하되, 닙 라인(nip line)의 고정자의 축선을 통과하는 평면의 어느 한 측부 상에 연속하는 N극 및 S극이 고정자의 폐쇄 경로를 따라서 형성될 수 있도록 한다. 직경 방향에서 반대인 극들을 연결하게 되면 전력 공급 지점(120)과 전력 공급 지점(122)은 동일 전위에서 회로 단락되어, 이들 극들의 어떠한 극성도 활성화되지 못한다. 이어서, 회전자를 회전시키기 위하여, 하나의 극을 편위시켜 전력을 인가하면, 이에 의해 이미 회전한 평면에 대해 대칭인 새로운 연속하는 N극 및 S극이 형성된다. 이와 같은 작동은 회전자가 고정자 안에서 회전할 수 있도록 하기 위해 지속적으로 갱신된다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 양호한 일 실시예에 따르면, 고정자의 구름 트랙(91) 및 회전자의 구름 트랙(92)은, 그들 각각의 구름면(912, 922) 상에, 이 구름면들이 실질적으로 상보형이 되도록 한 동형의 경사부(914, 924)를 구비한다.

이 경사부들은 경사면 형태로 실시하거나 적절한 곡률 프로파일(쌍곡선, 포물선 등)의 도움을 얻어 실시할 수 있다.

경사부에 의하면, 축방향 반작용력을 생성시킬 수 있고, 이에 의해 회전자가 회전하는 중에 축방향으로 변위되는 것을 방지할 수 있다.

회전자의 축방향 편심은 구름 트랙의 기울기와 회전자의 트랙의 회전 반경에 의해 증가될 수 있고, 편심된 측부의 단부는 다른 단부보다 약간 빠르게 전진하고, 구름 트랙 상의 나사 피치에서의 궤적은 회전자가 초기 편심과 반대된 방향으로 움직일 수 있도록 한다. 아주 작은 경사 귀도는 회전자의 위치를 신속하게 교정하고, 기어 세트는 충분한 교정 각도를 제공한다.

이와 같이, 상기 경사부는 회전자의 축방향 위치를 기계적으로 조정할 수 있게 한다. 이와 같은 기계적 조정에 의하면, 마멸과 열화를 유발하는 축방향 하중이 회전자의 지지 부재 상에 가해지는 것을 피할 수 있다.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 고정자가 반경이 r_s인 내부 공간을 포함하며, 그 안에는 반경이 r_r인 중공 회전자가 배치되어 있다(여기서, 회전자의 두께는 무시하였음). 이렇게 해서 이해할 수 있는 바와 같이, 회전자가 회전하는 중에 그리는 궤적은 상기 내부 공간이 반경이 r_d인 원형부(93)의 공간의 둘레를 따른다. 이 공간은, 출력축 이외에도 케이블 등과 같이 모터의 내부 또는 외부에 있는 요소들이 통과할 수 있게 하면서도 이들 요소들은 회전자의 운동에 종동되지 않게 하고 공간 둘레에서 순환할 수 있게 한다는 점에서 보면 흥미롭다.

이 공간(93)을 확보하기 위해서는, 고정자와 회전자의 반경의 비는 다음 식의 제약 조건 하에서 선택되어야 한다.

물론, 회전자가 고정자의 중공부 안으로 삽입될 수 있도록 하기 위해서는 상기 비는 1보다 커야 한다. 또한, 3개의 반경을 연동시키는 비는 다음과 같다.

그러나, 실제에 있어서 회전자는 특정 두께를 가지고 그에 따라 내측 반경 r_i와 외측 반경 r_re로 특정할 수 있고 그렇게 되면 그 공간은 회전자의 내부 표면의 궤적에 의해 한정되기 때문에, 상기 비는 단순화된다. 도 9b를 참조하면, 위와 같이 한정된 공간에 의하면, 모터의 출력축용으로 사용되는 실린더를 배치할 수 있다. 이 실린더는 중공으로 구성할 수 있고, 이에 의하면 상술한 바와 같이 요소들이 내측을 통과할 수 있다. 상기 비는 다음과 같다.

그리고

고정자의 내측 반경 r_s와 회전자의 내측 반경 r_ri와 외측 반경 r_re는 이 경우에서는 이 공간(93)에서 보이는 반경 r_d에 따라서 선택된다.

도 9b는 또한 출력축(94)이 반경 r_d와 실질적으로 동일한 반경을 가지며 출력축이 중공으로 구성되어서 상기한 바와 같이 그 내측을 요소들이 통과할 수 있게 한 특별한 예를 보이고 있다.

그러나 회전자 극들과 고정자 극들의 진전된 길이가 동일하다는 가정 하에서 보면, 고정자 극들의 개수와 회전자 극들의 개수는 고정자의 내측 반경과 회전자의 외측 반경에 실질적으로 비례하고, 이러한 공식은 고정자의 극의 개수를 ns라 하고 회전자의 극의 개수를 nr이라 할 때 이들 간의 관계에 다음과 같이 적용할 수 있다.

물론, 본 발명은 이상에서 설명하고 도면에 도시한 실시예에만 결코 한정되지 않고, 당해 기술 분야의 숙련인들이라면 본 발명을 여러 형태로 변경하고 수정할 수 있다.

전기 모터 형태의 본 발명의 실시예를 일반적으로 설명하였지만, 당해 기술 분야의 숙련인들이라면 본 발명의 특징들을 임의의 다른 회전기계(일례로, 발전기)에도 적용시킬 수 있다.

Claims (12)

1. 고정자와 편심 회전자를 포함하는 편심 회전자 구비형 회전식 전기기계로서,
   상기 회전자의 회전 구성부재에 의존하는 축도 또한 포함하고,
   상기 고정자는 폐쇄된 원통형 공간을 한정하기 위해 원주 방향으로 분포된 다수의 자극을 포함하고,
   상기 회전자는 상기 폐쇄된 공간보다 작은 직경을 갖는 대체로 원통 형태로 구성되고, 원주 방향으로 분포된 다수의 자극을 포함하고, 또한, 상기 회전자는 상기 폐쇄 공간 내측에서 회전하고,
   상기 고정자와 회전자 사이의 전자기 인력 영역에서, 고정자 극의 축폐선과 회전자 극의 축폐선이 실질적으로 동일한 길이로 되어 있는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고정자가 적어도 하나의 구름 트랙을 포함하고,
   상기 회전자의 구름 트랙은 구름 운동을 할 수 있으며, 축방향의 대응하는 반작용력을 형성할 수 있는 상보형의 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계.
3. 제1항에 있어서,
   고정자의 극들이 권선을 포함하고,
   고정자의 위치 정보에 따라 상기 권선으로의 동력 공급을 제어하는 제어기도 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계.
4. 제3항에 있어서,
   회전자의 상기 위치 정보는 각도 센서에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계.
5. 제1항에 있어서,
   고정자 내에서의 회전자의 미끌림 없는 회전을 보장하기 위해 회전자와 고정자 사이를 맞물리도록(meshing) 하기 위한 장치도 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계.
6. 제1항에 있어서,
   상기 축은, 핀들의 섹션보다 큰 크기로 되어 있는 구멍과 협동하는 구동 핀 전달 시스템에 의해서, 회전자에 종동되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계.
7. 제6항에 있어서,
   상기 구멍들 각각은 기계 베어링을 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계.
8. 제7항에 있어서,
   각 구동 핀이, 대응하는 기계 베어링을 받치는 베어링 면 상에 조인트를 포함하는 부착면을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계.
9. 제1항에 있어서,
   상기 축이 쌍기어 전달 시스템에 의해 회전자에 종동되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계.
10. 제1항에 있어서,
    회전자와 함께 형성하는 균형추를 추가로 포함하고, 상기 균형추의 유닛의 중력 중심이 고정자의 축선 근처에 위치되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계.
11. 제10항에 있어서,
    상기 균형추는 초승달 형상인 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계.
12. 제1항에 있어서,
    상기 고정자는 짝수 개의 극을 가지고, 상기 고정자의 권선 방향은 2 개의 연속하는 극들 사이에서 반전되며, 모든 것들이 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 회전식 전기기계.

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