KR20140078598A - 전기 모터/발전기 - Google Patents
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Abstract
소정의 구체예들은 전기 장치들을 사용하는 장치들, 방법들, 및/또는 시스템들로 안내된다. 예를 들어, 소정의 구체예들은 적어도 하나의 고정자; 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되고; 이에 부착되는 복수의 자석들을 가지는 적어도 하나의 회전자를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 복수의 자석들과 이격 관계에 있고; 또한 상기 적어도 하나의 회전자는 상기 적어도 하나의 고정자와 회전 관계에 있고, 이때 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 수와 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터들에 부분적으로 기초하여 정해지고; 이때 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 또한 이때 상기 적어도 하나의 모듈은, 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있는, 전기 장치로 안내된다. 다른 구체예들 또한 개시된다.
Description
2011년 6월 10일에 출원된, 호주 가출원 제 2011902310호가 그 전체로서 참조에 의해 여기에 반영된다.
본 개시는 관련된 방법들 및/또는 시스템들뿐만 아니라 다양한 적용분야들에 적합한 일반적인 전기 모터들/발전기들에 관한 것이다. 본 개시의 소정의 실시예들은 1)가역의, 2) 전력 및/또는 RPM 범위의 일부에서 고토크를 효율적으로 생산할 수 있는, 3) 전력 및/또는 RPM 범위의 일부에서 전력을 효율적으로 생산할 수 있는, 4) 정의된 확장 전력 및/또는 RPM 범위의 실질적으로 전부에서 고토크를 효율적으로 생산할 수 있는, 5) 정의된 확장 전력 및/또는 RPM 범위의 실질적으로 전부에서 전력을 효율적으로 생산할 수 있는, 6) 콤팩트하고, 8) 모듈방식, 또는 7) 이것들의 조합들인 전기 모터/발전기들과 관련 있다. 소정의 실시예들은 예를 들면, 직접구동 휠 모터들, 자체 추진 장치들, 펌프들 및/또는 발전기에 채용될 수 있다.
많은 적용 분야들에서 전기 모터들/발전기들의 용도가 알려져 있다. 예를 들면, 자체 추진 장치들, 펌프들, 및/또는 발전기가 될 수 있다. 전통적인 전기 모터들/발전기들은 통상적으로 특정 속도들과 전력 조건들에서 알맞게 잘 동작한다. 그러나, 속도와 전력 출력이 변화함에 따라, 이러한 전통적인 전기 모터들/발전기들의 효율은 떨어진다. 이러한 장치가 고효율로 운전이 유지되는 것을 보장하기 위해, 대부분의 장치들은 종종 더 낮더라도 충분하지만 에너지를 낭비하면서 더 높은 속도로 운행되거나, 또는 오류의 위험을 증가시키는 이동 부품들의 수를 크게 증가시키거나 계속적인 유지를 필요로 하는 고가의 무거운 전송 시스템과 결합된다.
적응적속도구동(Adjustable Speed Drive, ASD)이 가능한 것과 같은, 현존하는 모터 구동시스템을 변형하는 것은 적용분야에 따라서는 에너지 절약을 도입할 수 있다. 그러나, ADS를 전통적인 모터들에 추가하는 것은 비용이 드는 실행이다. 전력 공급부의 주파수가 변경되어야 하는데, 이는 크고 비싼 전기 스위치들을 사용하는, 높은 전류 스위칭을 필요로 한다. 나아가, 모터의 속도가 조절되기만 하면, 그 모터는 더이상 피크 효율로 동작되지 않을 수 있고, 그래서 더 느리게 모터를 운전하여 에너지를 절약하는 것은 덜 효율적인 영역에서 모터를 동작시키는 것에 의해 상쇄될 수 있다.
견인 전기 모터들(tranction electric motors)의 다양한 구성들이 알려져 있다. 그러나, 많은 적용분야들에서, 그러한 모터들은 과도하게 무겁고 부피가 커지는 경향이 있다. 또한, 휠 또는 휠 내부에 위치되고 직접 구동되는 디스크 모양의 휠 모터들의 사용도 알려져 있다. 현재, 예를 들면 하이브리드 전기차(hybrid electric vehichles, HEV)와 전기차(electric behhicles, EV)에서 사용되는 견인 모터들의 대다수는 내부 영구자석 동기 장치들이다. 다른 동기 설계들과 공통적으로, 이 장치들은 고전력 운전중에 전도, 자기력 손실들 및 열 발생을 겪을 수 있다. 회전자 냉각은 브러쉬리스(brushless) 직류 모터들보다 더 어려우며, 피크점에서의 효율은 일반적으로 더 낮다. 일반적으로 말하면, 전도(induction) 장치들은 제어하기 더 어려우며, 제어법이 보다 복잡하고 모델링으로 처리하기가 어렵다. 적절한 토크-속도 범위에서 안정성을 획득하고, 온도를 제어하는 것은 브러쉬리스 직류 모터들보다 더 어렵다. 전도 장치들과 교환 리럭턴스(switched-reluctance) 장치들은 오랫동안 사용되었지만, 예를 들어 HEV 및 EV 적용분야들에서 적절하고 최적의 성능을 제공하기 위해서는 변형이 요구된다.
풍력 발전기와 같은 적용분야에서는, 이러한 시스템들은 부피가 크고 수선비가 많이 드는 경향이 있다. 이것들은 또한 통상적으로 기어박스, 모터, 인버터 및/또는 변압기를 필요로 하여, 보다 더 고장의 확률이 높아지는 매우 복잡한 시스템으로 만든다.
전기 모터들/발전기들에 대한 개선된 시스템들, 장치들, 방법들에 대한 필요가 있다. 본 개시는 여기서의 논의로부터 명백해진 종래 기술의 문제점들 중 적어도 하나를 극복 및/또는 개선하는 것으로 안내된다.
이 요약은 소정의 구체예들의 예들을 의미한다. 장치들, 사용의 방법들, 제조의 방법들 및/또는 시스템들이 이 상세한 설명에서 개시된다. 소정의 실시예들은 이 요약에 개시되지 않을 수 있지만, 다른 예들 또는 이 개시의 다른 부분들에서 개시된다.
소정의 구체예들은 적어도 하나의 고정자; 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되고; 이에 부착되는 복수의 자석들을 가지는 적어도 하나의 회전자를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 복수의 자석들과 이격 관계에 있고; 또한 상기 적어도 하나의 회전자는 상기 적어도 하나의 고정자와 회전 관계에 있고, 이때 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 수와 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터들에 부분적으로 기초하여 정해지고; 이때 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 또한 이때 상기 적어도 하나의 모듈은, 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있는, 전기 장치로 안내된다.
소정의 구체예들은 적어도 하나의 고정자; 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일 및 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되고; 및 이에 부착되는 복수의 자석들을 가지는 적어도 하나의 슬라이더를 포함하고, 이때 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 복수의 자석들과 이격 관계에 있고, 또한 상기 적어도 하나의 슬라이더는 상기 적어도 하나의 고정자와 선형 관계에 있고, 이때 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터들에 부분적으로 기초하여 결정되고; 이때 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 또한 이때 상기 적어도 하나의 모듈은, 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있는, 전기 장치로 안내된다.
소정의 구체예들은 적어도 하나의 고정자; 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되고; 이에 부착되는 복수의 자석들을 가지는 적어도 하나의 회전자를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 복수의 자석들과 이격 관계에 있고; 또한 상기 적어도 하나의 회전자는 상기 적어도 하나의 고정자와 회전 관계에 있는 전기 장치로 안내된다.
소정의 구체예들은, 적어도 하나의 고정자; 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일 및 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되고; 및 이에 부착되는 복수의 자석들을 가지는 적어도 하나의 슬라이더를 포함하고, 이때 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 복수의 자석들과 이격 관계에 있고, 또한 상기 적어도 하나의 슬라이더는 상기 적어도 하나의 고정자와 선형 관계에 있는 전기 장치로 안내된다.
소정의 구체예들은 모듈화된, 더 유연하고, 더 적응적인 전기 모터로 안내된다.
소정의 구체예들은 배터리 수명 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 또는 그 이상을 증가시키는 전기 차에 맞는 전기 모터로 안내된다.
소정의 구체예들은 같은 클래스에 있는 유사한 경쟁 전기 모터보다 작고 및/또는 가벼운 전기 모터들로 안내된다. 크기가 작기 때문에 모터 장착 위치의 측면에서 다양한 선택이 가능하다. 예를 들어, 차량에서 모터가 바퀴에 직접 장착될 수 있다. 본 개시의 실시예들 중 하나와 테슬라의 전류 전기 모터의 비교는, 소정의 실시예들은 전력 대 중량의 비가 2배가 되는 것을 지시한다. 소정의 실시예들은 실질적으로 유사한 크기와 중량을 갖는 브러쉬리스 영구 자석 3상 전기 장치에 비해 25%, 50%, 100%, 125%, 150%, 200%, 250% 또는 300% 더 큰 전력 대 중량의 비를 가진다.
소정의 구체예들에 있어서, 브러쉬리스 축방향 자속 전기 모터의 전형적인 배치는 그 중심들을 관통하는 샤프트(shaft)에 회전가능하게 지지되는, 원판들의 형태(이들은 실질적 평편하고, 디스크 형태일 것임)인 하나 또는 그 이상의 회전자들을 포함하고, 각각의 회전자는 교차적인 극성을 가지고 그 둘레에 내재되는 고 에너지 영구자석의 원형 어레이를 가지고, 상기 자석들의 축들은 상기 샤프트와 평행하고; 원판들의 형태인 하나 또는 그 이상의 고정자는 상기 회전자들에 평행하게 고정되고 작은 공기 간극에 의해 분리되어 있고, 각각의 고정자는 상기 자석들과 동일한 중심 직경 상에 그 둘레에 내재되는 전자기 코일들의 원형 어레이를 가지고; 또한 상기 회전자들의 절대 위치 및 회전 속도를 검출하기 위한 센싱 방법(또는 수단); 및 상기 센싱 방법(또는 수단)으로부터의 입력들과 전력 및 회전 방향 명령들에 반응하여, 회전운동을 발생시키도록 상기 자석들을 밀거나 당기도록 상기 자기 코일들에 에너지를 가하는 제어 시스템을 포함한다. 소정의 구성들의 한 가지 장점은 높은 전력 및/또는 토크 밀도, 상기 코일들에 의해 발생된 자속의 강도에 비례하여 발생되는 토크의 크기, 영구 자석들의 자속 강도, 자석 배열과 상기 코일의 유효 직경, 및 그들 사이의 간격이다. 동시에, 각각의 고정자 코일들로 흐르는 전류를 제어하기 위한 전자 정류의 사용은 높은 에너지 효율을 넓은 전력과 RPM 범위에 공급하여, 본질적으로 편평한 효율 곡선으로 귀결된다.
본 개시의 소정의 구체예들은 고전력 및/또는 토크 밀도들의 특징들 중 하나 또는 그 이상을 가지고; 확장된 RPM 범위와 빠른 가속을 결합하고; 낮은 무게 및/또는 컴팩트 한 형태를 가져서, 다양한 분야들에 적용되기에 적합할 수 있고; 원하는 운전 파라미터들의 범위에서 높은 효율을 얻기 위해 복잡한 제어 메커니즘(또는 수단)을 채용하고; 최소한의 냉각 조건들을 가지고; 강력하고 기계적 및 전기적으로 신뢰할 수 있고; 자동차로부터 대형 트럭 및 기계설비에 이르기까지 이동수단들에서의 채용에 적합한 구성들의 범위에서 표준 구성 요소들의 조립을 통해 제조될 수 있고; 매우 가변적인 발전 조건들에서 발전 효율을 최적화할 수 있는 풍력, 조력 또는 파력 발전기에 사용하기에 적절하고, 또한 경쟁력 있는 가격으로 제조될 수 있는, 브러쉬리스, 축 방향 자속, 직류 전기 모터들의 구성들로 안내된다.
소정의 구체예들에 따르면, 브러쉬리스 축방향 자속 직류 전기 모터는, 균등 이격(또는 실질적으로 균등하게 이격)된 전자기 코일들의 원형 어레이가 내재될 수 있는 그 둘레에 하나 또는 그 이상의 디스크 형상의 고정자들; 및 균등 이격(또는 실질적으로 균등하게 이격)된 자석들의 원형 어레이가 내재될 수 있는 그 둘레에 하나 또는 그 이상의 디스크 형상의 회전자들을 포함하고, 상기 어레이는 상기 전자기 코일들과 동일한, 또는 실질적으로 동일한 중심 직경을 가지고, 상기 자석들은 교차 폴 방향을 가지고; 상기 회전자들은 그 사이에 공기 간극을 가지는 상기 고정자들에 평행(또는 실질적으로 평행)하게 회전가능하게 지지된다. 상기 고정자들의 중앙 부분들은 절단되어 상기 회전자들을 지지하는 샤프트가 관통되도록 허용하고, 회로 기판들은 상기 샤프트에 동심축으로 상기 고정자들로부터 지지되고, 상기 회로 기판들은 회전자들을 회전시키기 위해 상기 전자기 코일들에 전력을 가하도록 하는 제어 시스템으로부터의 명령 신호들에 의해 활성화될 수 있는 고체 상태 스위치와 통합될 수 있다. 소정의 구체예들에 있어서, 하나 또는 그 이상의 센서는 상기 회전자들의 절대적 및 순간적 위치들과 관련 있는 신호들을 생성하기 위해 제공될 수 있다. 소정의 구체예들에 있어서, 하나 또는 그 이상의 센서는 상기 회전자들의 실질적으로 절대적 및/또는 실질적으로 순간적 위치들과 관련 있는 신호들을 생성하기 위해 제공될 수 있다. 소정의 구체예들에 있어서, 상기 영구 자석들은 충분히 강력하고 희토류 종류일 수 있으며, 상기 전자기 코일들은 높은 수준들의 자속을 생성하는 형태이지만, 낮은 자기 저항은 극성의 급속한 전환이나 반전을 허용한다. 소정의 구체예들에 있어서, 상기 영구 자석들은 충분히 강력하고 희토류 종류일 수 있으며, 이때 상기 전자기 코일들의 하나 또는 그 이상은 충분히 높은 수준의 자속을 생성하는 형태이다. 소정의 구체예들에 있어서, 종래 형태의 영구 자석들 및/또는 전자기 코일들은 저비용 적용분야들 또는 서로 다른 운전 파라미터들을 충족하는 것을 요구하는 적용분야들의 전기 모터들에 선택적으로 채용된다. 전기 전류는 상기 고정자들의 구조를 통해 고체 상태 스위치들에 공급될 수 있고, 이로써 최소 손실들로 고체 상태 스위치들에 많은 전류 흐름을 허용하게 되고, 상기 고정자들에 상기 전자기 코일들을 내재시키는 것은 효율적인 도전성 냉각을 허용한다. 소정의 구체예들에 있어서, 전기 전류는 상기 고정자들의 구조를 통해 고체 상태 스위치들에 공급될 수 있고, 이로써 적절하게 최소한의 손실들로 고체 상태 스위치들 중 하나 또는 그 이상에 적절한 많은 전류 흐름을 허용하게 되고, 상기 고정자들에 상기 전자기 코일들을 내재시키는 것은 적절한 효율적인 도전성 냉각을 허용한다. 상기 스위치들의 상기 전자기 코일들에 바로 인접한 위치시킴은 최소한의 손실들을 가지는 낮은 저항의 전도 경로들을 제공한다. 소정의 구체예들에 있어서, 상기 전자기 코일들 중 하나 또는 그 이상에 인접한(또는 실질적으로 인접한) 스위치들의 위치시킴은 적절히 최소한의 손실들을 가지는 적절히 낮은 저항의 전도 경로들을 제공한다. 소정의 구체예들에 있어서, 이러한 특징들의 하나 또는 그 이상의 조합은 고전력 밀도의 전기 모터 및/또는 확장된 RPM 범위에서 효율적으로 동작할 수 있는 전기 모터를 제공한다. 소정의 구체예들에 있어서, 상기 직류 전기 모터의 제어 시스템은, 우세한 운전 파라미터들과 관련 있는 가장 효율적인 운전 모드를 결정하기 위해 복잡한 논리를 사용하여, 연속적으로 적응적으로 만들어질 수 있다. 소정의 구체예들에 있어서, 상기 직류 전기 장치의 제어 시스템은 하나 또는 그 이상의 우세한 운전 파라미터들과 관련 있는 가장 적절하게 효율적인 운전 모드를 결정 또는 예측하기 위해 논리를 사용하여, 충분히 연속적으로(또는 실질적으로 연속적으로) 적응적으로 만들어질 수 있다.
본 개시의 이것들과 다른 특징들, 측면들 및 장점들은 이하의 상세한 설명, 첨부된 청구항들, 및 첨부된 도면들과 함께 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 개시의 소정의 구체예들에 따라 제조된 전기 모터의 종단면도이다.
도 2는 도 1의 전기 모터의 고정자의 일 측의 불완전한 표면도(face view)이다.
도 3은 도 1의 전기 모터의 고정자의 타 측의 불완전한 표면도이다.
도 4는 본 개시의 소정의 구체예들에 따른, 전자기 코일들의 부분 절단도이다.
도 5는 소정의 구체예들에 따른, 도 1의 전기 모터의 회전자의 표면도이다.
도 6은 소정의 구체예들에 따른, 도 1의 전기 모터의 회전자의 표면도이다.
도 7은 도 1의 전기 모터의 전기 및 전자 시스템의 개략도이다.
도 8은 소정의 구체예들에 따른, 고정자의 도전성 영역의 갭을 도시한다.
도 9는 소정의 구체예들에 따른 회전자 플래터(platter) 구성의 단면도이다.
도 10은 소정의 구체예들에 따른 두 개의 회전자 플래터들 구성의 단면도이다.
도 11은 소정의 구체예들에 따른 세 개의 회전자 플래터들 구성의 단면도이다.
도 12는 소정의 구체예들에 따른 회전자 플래터와 코일 구성의 개략적인 상면도이다.
도 13은 도 12의 구성의 사시도이다.
도 14는 도 12와 도 13에 도시된 예시적 구성으로 구축된 전기 장치의 렌더링이다.
도 15는 소정의 구체예들에 따른, 플래터와 코일 구성의 이중 선형 배열의 측면도이다. 이 도면은 선형 구성에서 코일들과 관련 있는 자석들의 배치를 도시한다.
도 16은 소정의 구체예들에 따른, 플래터와 코일 구성의 단면 선형 배열의 저면도이다. 이 도면은 고정자와 슬라이더를 포함하며, 서로에 대한 움직임의 방향을 도시한다.
도 17은 도 16에 도시된, 플래터와 코일 구성의 단면 선형 배열의 단면도이다. 이 도면은 고정자 내의 코일들의 기하학적인 배치를 도시한다.
도 18은 소정의 구체예들에 따른, 엔드 캡(end caps) 없이, 두 개의 자석 회전자들과 하나의 코일 플래터 간의 자기장선(magnetic field line) 일 예의 측면도이다.
도 19는 소정의 구체예들에 따른, 철강(ferrous steel) 엔드 캡이 구비된, 두 개의 자석 회전자들과 하나의 코일 플래터 간의 자기장선(magnetic field line) 일 예의 측면도이다.
도 20은 소정의 구체예들에 따른, 할박(Halbach) 배열로 정렬된 자석들로 구성된 상부 회전자를 구비한, 두 개의 자석 회전자들과 하나의 코일 플래터 간의 자기장선(magnetic field line)의 일 예를 도시한다.
도 21은 소정의 구체예들에 따른, 코일이 회로 기판에 장착된 구성의 사시도이다.
도 22는 소정의 구체예들에 따른, 전기 장치에 장착된 도 21에 도시된 회로 기판의 사시도이다.
도 23은 소정의 구체예들에 사용될 수 있는 H-브리지 스위치 토폴로지(H-bridge switch topology)의 일 예를 도시한다.
도 24는 소정의 구체예에 따른, 예시적인 모터 제어 유닛(MCU), 코일 제어 유닛(CCU), 코일 구동 컨트롤러 아키텍처를 도시한다.
도 25는 소정의 구체예들에 따른 CCU의 아키텍처를 도시한다.
도 26은 소정의 구체예들에 따른, 1:1:1 구성에서 하나 또는 그 이상의 개별 MCU들 및 CCU들을 도시한다.
도 27은 소정의 구체예들에 따른, 1:1:n 구성에서 하나 또는 그 이상의 MCU에 의해 제어되는, 하나의 CCU에 의해 제어되는 스위치들을 도시한다.
도 28은 소정의 구체예들에 따른, 1:m:n 구성에서 하나 또는 그 이상의 MCU에 의해 제어되는, CCU들에 의해 제어되는 스위치들을 도시한다.
도 29는 예시적인 컨트롤러 구성들이 도시되어 있는데, 이로써 스위치들은 1:n 구성에서 하나 또는 그 이상의 MCU들에 의해 직접 제어된다.
도 30은 소정의 구체예들에 따른, 마스터 컨트롤러가 필요없는 CCU를 도시한다.
도 31은 소정의 구체예들에 따른, 하나의 모터 제어 유닛이 공용 통신 버스에 연결되며, 이것이 코일 제어 유닛들 중 하나 또는 그 이상에 연결되는 구성을 도시한다.
도 32는 소정의 구체예들에 따른, 복수의 모터 제어 유닛이 공용 통신 버스에 연결되며, 이것이 하나 이상의 코일 제어 유닛들 각각에 연결되는 구성을 도시한다.
도 33은 소정의 구체예들에 따른, 각각의 코일 제어 유닛이 다른 모든 코일 제어의 일부 또는 전부에 직접 연결되는 구성을 도시한다.
도 34는 소정의 구체예들에 따른, 중앙 통신 버스(토큰 링)가 사용되는 구성을 도시한다.
도 35는 소정의 구체예들에 따른, 세 개의 여분 통신 버스들을 가지는 구성을 도시한다.
도 36은 도 1에 설명된 전기 장치의 컴퓨터 렌더링이다. 소정의 구체예들에 따른, 적절한 응용분야는 차량 휠 허브(vehicle wheel hubs)의 견인 모터를 포함한다.
도 37은 소정의 구체예들에 따른, 현존하는 자동차 디자인의 서스펜션 시스템에 부착된 도 1에 설명된 전기 장치의 사진을 보여준다.
도 38은 자동차의 휠 허브 내부에 끼우는 전기 장치를 다른 관점에서 도시한 도 37의 전기 장치의 사진을 보여준다.
도 39는 도 22에 도시된 전기 장치를 구비한 기어 펌프의 렌더링이다.
도 40은 소정의 구체예들에 따른, 전기 장치의 선형 솔레노이드 구성의 사진이다.
도 41은 소정의 구체예들에 따른, 전기 장치의 선형 솔레노이드 구성의 개략적인 상면도이다.
도 42는 도 41의 선형 솔레노이드 구성의 부분 측면도이다.
도 43은 소정의 구체예들에 따른, 파도로부터 전기 에너지를 동력화하는데 적용되는 선형 발전기 전기 장치의 개략도이다.
도 44는 소정의 구체예들에 따른, CCU와 코일 구동 유닛을 포함하는 모듈 설계의 대략적인 상면도이다.
도 45는 도 44의 절단 평면도이다.
도 46은 모듈의 내부 구조 및 회전자 상의 자석들의 정렬을 도시하는, 도 44의 모듈의 절단 측면도이다.
도 47은 도 44의 모듈의 절단도이다.
도 48은 소정의 구체예들에 따른, 3상 발전기의 사시도이다.
도 49는 도 48에 도시된 구체예들의 수 개를 적층하여 구성되는 다중 플래터의 구체예의 도면이다.
도 50은 소정의 구체예들에 따른, 원형 어레이로 배치되는 자석 형상의 기하학적 특성을 나타내는 개략도이다.
도 51은 소정의 구체예들에 따른, 원형 어레이로 배치되는 원형 자석 형상의 기하학적 특성을 나타내는 개략도이다.
도 52는 소정의 구체예들에 따른, 등을 맞대고, 공통 회전자 샤프트를 공유하는 두 개의 전기 장치들로 구성되는 전기 장치의 측면도이다.
도 53은 도 52에 도시된 전기 장치의 측면도이지만, 이들 구체예들은 공통 자석 회전자를 공유한다.
도 54는 소정의 구체예들에 따른, 코일 단들의 수가 증가할 때 총 자석 수가 얼마나 감소하는지를 보여주는 그래프이다.
도 55는 소정의 구체예들에 따른, 토크 비교 그래프이다.
도 56은 소정의 구체예들의 전기 저항으로 인한 전력 손실들을 비교한 그래프이다.
도 1은 본 개시의 소정의 구체예들에 따라 제조된 전기 모터의 종단면도이다.
도 2는 도 1의 전기 모터의 고정자의 일 측의 불완전한 표면도(face view)이다.
도 3은 도 1의 전기 모터의 고정자의 타 측의 불완전한 표면도이다.
도 4는 본 개시의 소정의 구체예들에 따른, 전자기 코일들의 부분 절단도이다.
도 5는 소정의 구체예들에 따른, 도 1의 전기 모터의 회전자의 표면도이다.
도 6은 소정의 구체예들에 따른, 도 1의 전기 모터의 회전자의 표면도이다.
도 7은 도 1의 전기 모터의 전기 및 전자 시스템의 개략도이다.
도 8은 소정의 구체예들에 따른, 고정자의 도전성 영역의 갭을 도시한다.
도 9는 소정의 구체예들에 따른 회전자 플래터(platter) 구성의 단면도이다.
도 10은 소정의 구체예들에 따른 두 개의 회전자 플래터들 구성의 단면도이다.
도 11은 소정의 구체예들에 따른 세 개의 회전자 플래터들 구성의 단면도이다.
도 12는 소정의 구체예들에 따른 회전자 플래터와 코일 구성의 개략적인 상면도이다.
도 13은 도 12의 구성의 사시도이다.
도 14는 도 12와 도 13에 도시된 예시적 구성으로 구축된 전기 장치의 렌더링이다.
도 15는 소정의 구체예들에 따른, 플래터와 코일 구성의 이중 선형 배열의 측면도이다. 이 도면은 선형 구성에서 코일들과 관련 있는 자석들의 배치를 도시한다.
도 16은 소정의 구체예들에 따른, 플래터와 코일 구성의 단면 선형 배열의 저면도이다. 이 도면은 고정자와 슬라이더를 포함하며, 서로에 대한 움직임의 방향을 도시한다.
도 17은 도 16에 도시된, 플래터와 코일 구성의 단면 선형 배열의 단면도이다. 이 도면은 고정자 내의 코일들의 기하학적인 배치를 도시한다.
도 18은 소정의 구체예들에 따른, 엔드 캡(end caps) 없이, 두 개의 자석 회전자들과 하나의 코일 플래터 간의 자기장선(magnetic field line) 일 예의 측면도이다.
도 19는 소정의 구체예들에 따른, 철강(ferrous steel) 엔드 캡이 구비된, 두 개의 자석 회전자들과 하나의 코일 플래터 간의 자기장선(magnetic field line) 일 예의 측면도이다.
도 20은 소정의 구체예들에 따른, 할박(Halbach) 배열로 정렬된 자석들로 구성된 상부 회전자를 구비한, 두 개의 자석 회전자들과 하나의 코일 플래터 간의 자기장선(magnetic field line)의 일 예를 도시한다.
도 21은 소정의 구체예들에 따른, 코일이 회로 기판에 장착된 구성의 사시도이다.
도 22는 소정의 구체예들에 따른, 전기 장치에 장착된 도 21에 도시된 회로 기판의 사시도이다.
도 23은 소정의 구체예들에 사용될 수 있는 H-브리지 스위치 토폴로지(H-bridge switch topology)의 일 예를 도시한다.
도 24는 소정의 구체예에 따른, 예시적인 모터 제어 유닛(MCU), 코일 제어 유닛(CCU), 코일 구동 컨트롤러 아키텍처를 도시한다.
도 25는 소정의 구체예들에 따른 CCU의 아키텍처를 도시한다.
도 26은 소정의 구체예들에 따른, 1:1:1 구성에서 하나 또는 그 이상의 개별 MCU들 및 CCU들을 도시한다.
도 27은 소정의 구체예들에 따른, 1:1:n 구성에서 하나 또는 그 이상의 MCU에 의해 제어되는, 하나의 CCU에 의해 제어되는 스위치들을 도시한다.
도 28은 소정의 구체예들에 따른, 1:m:n 구성에서 하나 또는 그 이상의 MCU에 의해 제어되는, CCU들에 의해 제어되는 스위치들을 도시한다.
도 29는 예시적인 컨트롤러 구성들이 도시되어 있는데, 이로써 스위치들은 1:n 구성에서 하나 또는 그 이상의 MCU들에 의해 직접 제어된다.
도 30은 소정의 구체예들에 따른, 마스터 컨트롤러가 필요없는 CCU를 도시한다.
도 31은 소정의 구체예들에 따른, 하나의 모터 제어 유닛이 공용 통신 버스에 연결되며, 이것이 코일 제어 유닛들 중 하나 또는 그 이상에 연결되는 구성을 도시한다.
도 32는 소정의 구체예들에 따른, 복수의 모터 제어 유닛이 공용 통신 버스에 연결되며, 이것이 하나 이상의 코일 제어 유닛들 각각에 연결되는 구성을 도시한다.
도 33은 소정의 구체예들에 따른, 각각의 코일 제어 유닛이 다른 모든 코일 제어의 일부 또는 전부에 직접 연결되는 구성을 도시한다.
도 34는 소정의 구체예들에 따른, 중앙 통신 버스(토큰 링)가 사용되는 구성을 도시한다.
도 35는 소정의 구체예들에 따른, 세 개의 여분 통신 버스들을 가지는 구성을 도시한다.
도 36은 도 1에 설명된 전기 장치의 컴퓨터 렌더링이다. 소정의 구체예들에 따른, 적절한 응용분야는 차량 휠 허브(vehicle wheel hubs)의 견인 모터를 포함한다.
도 37은 소정의 구체예들에 따른, 현존하는 자동차 디자인의 서스펜션 시스템에 부착된 도 1에 설명된 전기 장치의 사진을 보여준다.
도 38은 자동차의 휠 허브 내부에 끼우는 전기 장치를 다른 관점에서 도시한 도 37의 전기 장치의 사진을 보여준다.
도 39는 도 22에 도시된 전기 장치를 구비한 기어 펌프의 렌더링이다.
도 40은 소정의 구체예들에 따른, 전기 장치의 선형 솔레노이드 구성의 사진이다.
도 41은 소정의 구체예들에 따른, 전기 장치의 선형 솔레노이드 구성의 개략적인 상면도이다.
도 42는 도 41의 선형 솔레노이드 구성의 부분 측면도이다.
도 43은 소정의 구체예들에 따른, 파도로부터 전기 에너지를 동력화하는데 적용되는 선형 발전기 전기 장치의 개략도이다.
도 44는 소정의 구체예들에 따른, CCU와 코일 구동 유닛을 포함하는 모듈 설계의 대략적인 상면도이다.
도 45는 도 44의 절단 평면도이다.
도 46은 모듈의 내부 구조 및 회전자 상의 자석들의 정렬을 도시하는, 도 44의 모듈의 절단 측면도이다.
도 47은 도 44의 모듈의 절단도이다.
도 48은 소정의 구체예들에 따른, 3상 발전기의 사시도이다.
도 49는 도 48에 도시된 구체예들의 수 개를 적층하여 구성되는 다중 플래터의 구체예의 도면이다.
도 50은 소정의 구체예들에 따른, 원형 어레이로 배치되는 자석 형상의 기하학적 특성을 나타내는 개략도이다.
도 51은 소정의 구체예들에 따른, 원형 어레이로 배치되는 원형 자석 형상의 기하학적 특성을 나타내는 개략도이다.
도 52는 소정의 구체예들에 따른, 등을 맞대고, 공통 회전자 샤프트를 공유하는 두 개의 전기 장치들로 구성되는 전기 장치의 측면도이다.
도 53은 도 52에 도시된 전기 장치의 측면도이지만, 이들 구체예들은 공통 자석 회전자를 공유한다.
도 54는 소정의 구체예들에 따른, 코일 단들의 수가 증가할 때 총 자석 수가 얼마나 감소하는지를 보여주는 그래프이다.
도 55는 소정의 구체예들에 따른, 토크 비교 그래프이다.
도 56은 소정의 구체예들의 전기 저항으로 인한 전력 손실들을 비교한 그래프이다.
본 개시는 첨부된 도면들에 도시된 하나 또는 그 이상의 구체예들과 실시예들을 참조하여 상세히 설명한다. 상기 실시예과 구체예들은 설명을 위해 제공되는 것으로 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 나아가, 하나의 구체예의 부분으로 도시되거나 기술된 특징은 그 자체로 다른 구체예들에 제공되기 위해 사용될 수 있고, 하나의 구체예의 부분으로 도시되거나 기술된 특징은 다른 구체예들을 제공하기 위해 하나 또는 그 이상의 다른 구체예들과 사용될 수 있다. 본 개시는 이러한 변형들 및 구체예들 뿐만 아니라 다른 변형들 및/또는 변경들을 커버하는 것으로 이해될 것이다. 또한, 하나의 구체예의 하나 또는 그 이상의 특징들은 다른 구체예들의 하나 또는 그 이상의 특징들과 결합될 수 있는 것으로 이해된다. 이에 더하여, 소정의 구체예들에서의 하나의 특징 또는 특징들의 조합은 부가적인 구체예들을 구성할 수 있다.
이 명세서(첨부된 청구항들, 요약, 및 도면들 포함)에 기재된 특징들은 별도로 그렇지 아니하다고 명시적으로 언급되지 않는 한, 동일하고, 균등하거나 유사한 목적을 제공하는 다른 대체 특징들에 의해 교체될 수 있다. 따라서, 별도로 그렇지 아니하다고 명시적으로 언급되지 않는 한, 공개된 각각의 특징은 균등하거나 유사한 특징들의 일반적인 집합의 일 예이다.
상세한 설명에 사용된 주제 제목들은 단지 독자의 참조의 용이성을 위해 포함되었고, 명세서 또는 청구항들에 걸쳐 개시된 주제 내용을 제한하는 데 사용되어서는 안된다. 이러한 주제 제목은 청구항들 또는 청구항의 제한사항을 해석하는데 사용되어서는 안된다.
소정의 구체예들은 격납부(enclosure) 안에 포함될 수 있는 고정자와 회전자로 구성된다. 상기 회전자는 상기 고정자의 근처에서 자기장을 생성하고; 상기 고정자는 자기장 교란(disturbance)을 최소화하는 위치로 상기 회전자가 이동하도록 자기장 교란을 생성한다. 상기 회전자는 샤프트에 부착된 일련의 영구 자석들로 구성될 수 있다. 상기 고정자는 격납부에 부착된 일련의 코일들로 구성될 수 있다. 상기 격납부는 상기 회전자가 자기장 교란을 최소화하도록 회전할 수 있음을 보장하기 위해 베어링을 수용할 수 있다. 소정의 구체예들은, 복수의 자석들이 그 내부에 또는 이에 접촉하여 사용되는 적어도 하나의 회전자, 적어도 하나의 고정자 및 상기 고정자 내부에 또는 이에 접촉하여 사용되는 복수의 코일들을 포함하는 전기 장치로 안내되는데, 이때 이 구성은 격납부 안에 포함 또는 부분적으로 포함되고, 제어 전자부품들이 교란을 발생시키는 각 코일 및/또는 코일들의 클러스터의 개별 제어를 제공한다. 소정의 구체예들에서, 상기 제어 전자부품은 교란을 발생시키는 하나 또는 그 이상의 코일들 및/또는 코일들의 하나 또는 그 이상의 클러스터의 개별 제어를 제공한다. 소정의 구체예들에서, 상기 제어 전자부품은 교란을 발생시키는 상기 코일들의 적어도 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% 또는 100% 또는 상기 코일들의 클러스터의 적어도 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% 또는 100%의 개별 제어를 제공한다.
소정의 구체예들은 전기 장치의 출력 전력, 효율, 유지보수성 또는 이들의 조합이 증가하고 있는 동안 상당한 크기, 무게 감소, 가격 인하, 또는 이들의 조합을 제공하는 전기 장치로 안내된다. 또한, 전기 장치의 사용 방법들, 전기 장치의 제조 방법들 및/또는 전기 장치를 통합하는 시스템들이 개시된다.
소정의 구체예들은 적응적 자속 어레이들로 안내되는데, 이때 장치, 방법들 및/또는 시스템들은 실시간으로 또는 실질적으로 실시간으로, 소프트웨어 재설정이 가능한 전기 모터/발전기를 허용한다. 상기 개시된 장치, 방법들 및/또는 시스템들은 모터와 발전기 모두로서 사용될 수도 있으며, 또한 전기 장치로 지칭될 수도 있다. 소정의 구체예들의 하나의 장점은 실시간으로 또는 실질적으로 실시간으로 그 자신을 재구성하는 능력으로, 이것은 상기 장치, 방법 및/또는 시스템이 매우 다양한 운전 속도 및/또는 부하들에서 최적의 설정값들을 찾을 수 있도록 허용한다. 이러한 유연성은 다양한 산업분야들에 걸쳐 에너지 절약으로 귀결된다. 여기에 개시된 소정의 구체예들의 다른 장점들은 권선에 사용되는 구리의 양, 전기 강철의 양, 이를 수용하는 데 필요한 패키지의 크기, 또는 이들의 조합을 감소시켜 비용을 줄이는 데 있다.
예를 들면, 전기 장치의 구리 권선의 중량은 전류의 크기에 비례하는데, 전류가 커질수록 와이어는 무거워진다. 이러한 관계는 선형이 아니라, 이차관계(quadratic)이다. 소정의 구체예들은 이러한 관계를 효과적으로 분할하여 공략한다. 소정의 구체예들에서, 각각의(또는 하나 또는 그 이상의) 독립적 코일은 비교적 적은 양의 전류를 처리한다. 수많은 작은 코일들을 사용함으로써, 각각의 코일(또는 하나 또는 그 이상)을 통하는 전체 전류는 로우(low) 상태를 유지하지만, 전체 시스템에 대한 전체 전류는 재료의 양 및/또는 전기 장치의 비용과 함께 선형적으로 비례한다. 이러한 이차관계를 극복함으로써 더 큰 전기 장치가 보다 저렴한 가격으로 구축될 수 있다.
예를 들어, 415V 전원으로 운전되는(operation off a 415v) 전통적인 3상 300kw 전기 장치는 코일의 각각의 위상에 240A의 전류를 필요로 한다. 일 구체예에서, 권선은 34개 코일들에 분산되어, 코일당 전류는 21A이다. 이 두 구성들을 통해, 동일하거나 실질적으로 동일하거나 유사한 저항성 전력 손실을 갖기 위해서, 전통적인 전기 장치는 와이어 무게의 약 10배 중량을 필요로 한다. 소정의 구체예들은 전기 장치로 안내되는데, 이때 저항성 전력 손실이 기존의 전기 장치의 저항성 전력 손실과 실질적으로 같지만, 상기 전기 장치는 적어도 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 75, 50, 25, 20, 10 또는 5 배 더 적은 무게의 와이어를 요구한다. 소정의 구체예들은 실질적으로 더 적은 구리를 사용하는 전기 장치로 안내되는데, 이때 저항성 전력 손실이 더 적은 코일들을 갖는 유사한 장치의 저항성 전력 손실과 실질적으로 동일하다. 상기 절약되는 구리는 비교되는 기계에 포함되는 코일들의 수 dn과 비교하여 이 구체예에 포함되는 코일들의 수 cn에 비례한다. 잠재적 비용절감은 cn으로 나누어지는 dn*구리에 이른다. 소정의 구체예들에서, 상기 전기 장치는 유사한 전력의 브러쉬리스 영구 자석 3상 전기 장치와 비교하여 500 내지 100, 100 내지 300, 50 내지 100, 150 내지 250, 300 내지 250, 225 내지 175, 150 내지 75, 75 내지 50, 50 내지 25, 20 내지 10, 15 내지 5배의 더 적은 더 무거운 중량의 와이어가 요구된다.
상기 예에서, 위와 같이 10배 적은 와이어가 있으면, 그 주위에 와이어를 감는데 필요한 철심의 부피가 감소된다. 그 결과, 전체 유닛은 실질적으로 더 작은 격납부에 장착될 수 있어, 나아가 재료의 질량을 감소시키게 된다. 고전류는 여전히 전원 입력 장치에서 코일로 전송될 필요가 있다. 상기 전기 장치의 본체가 알루미늄과 같은 양호한 컨덕터로 구성되는 경우, 상기 본체는 컨덕터로 사용될 수 있고, 나아가, 사용되는 재료의 질량이 감소된다. 이 예에서, 여기에 개시된 예시적인 전기 장치가 300kw 전기 장치의 중량을 수백 킬로그램에서 약 34kg으로 감소시킨다. 여기에 개시된 소정의 구체예들은 전통적인 전기 장치와 실질적으로 동일한 출력을 생성할 수 있지만, 적어도 95%, 90%, 85%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% 또는 20% 만큼 줄어든 중량을 가지는, 전기 장치를 제공한다. 여기에 개시된 소정의 구체예들은 실질적으로 전통적인 전기 장치와 동일한 출력을 생성할 수 있지만, 95% 내지 20%, 90% 내지 70%, 85% 내지 60%, 90% 내지 50%, 80% 내지 40%, 70% 내지 50%, 60% 내지 30%, 50% 내지 20%, 40% 내지 20% 또는 30% 내지 20% 만큼 줄어든 중량을 가지는 전기 장치를 제공한다.
소정의 구체예들의 또 다른 장점은 각각의 코일을 독립적으로 제어할 수 있는 능력에 있고, 적은 토크가 필요하거나 사용 가능할 때, 전기 장치의 일 부분들은 전원이 꺼진다. 소정의 구체예들에 있어서, 하나 또는 그 이상의 코일들을 독립적으로 제어할 수 있는 능력, 적은 토크가 필요하거나 사용가능할 때, 이때, 상기 전기 장치의 일 부분들이 전원이 꺼질 수 있다. 소정의 구체예들은 하나 또는 그 이상의 코일들을 독립적으로 제어하는 능력을 가지는 전기 장치로 안내된다. 소정의 구체예들은 복수의 코일들 중 하나 또는 그 이상의 코일들의 적어도 70%, 80%, 90%, 95%, 98% 또는 100%를 독립적으로 제어하는 능력을 가지는 전기 장치로 안내된다. 소정의 구체예들은 전기 장치가 상기 코일의 적어도 70%, 80%, 90%, 95%, 98% 또는 100%을 독립적으로 제어하도록 구성되고, 10 내지 100, 20 내지 50, 50 내지 200, 20 내지 60, 30 내지 80, 또는 30 내지 60 코일들을 구비한 전기 장치로 안내된다. 개시된 소정의 구체예들은 다수의 코일을 가지고 있기 때문에, 장치의 효율을 최적화하는 실질적으로 미세한 제어가 가능하다.
전통적인 전기 장치는 코일들의 위상(phase)들 간의 스위칭 타이밍을 변화시킴으로써 자신의 피크 효율을 제어한다. 타이밍은 전통적으로 구동회로의 브러쉬(brush) 또는 주파수에 의한 조합 또는 설치 시에 설정되므로, 속도와 전력의 변화들은 전기 장치의 피크 효율을 감소시킨다. 소정의 구체예들의 또 다른 장점은 연속적으로 코일들의 타이밍을 최적화하도록 구성될 수 있으며, 이것은 예를 들면, 상당히 전력이 가해지는 전기 장치의 전체 운전 영역에 걸쳐 합산하면 40%까지의 효율성 절감을 제공할 수 있다. 소정의 구체예들은 실질적으로 연속적으로, 충분히 연속적으로, 연속적으로, 비연속적으로, 또는 중간 정도 연속적으로, 복수개 코일들의 타이밍을 최적화하도록 구성될 수 있다. 소정의 구체예들에서 실질적으로 연속적으로, 충분히 연속적으로, 연속적으로, 비연속적으로, 또는 중간 정도 연속적으로 복수의 코일의 타이밍을 최적화할 수 있는 능력은 상당히 전력이 가해지는 전기 장치의 전체 운전 영역에 걸쳐 합산하면 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 또는 60%까지의 효율 절감을 제공한다.
축 구성에 있어서, 본 개시의 소정의 구체예들은 최소 25%의 영구 자석 총 개수를 감소시킬 수 있다. 전체 절감 비율은 필요한 회전자의 수에 따라 증가한다. 이것은 공통 회전자를 공유하고 하나보다는 회전자 자기장들의 양쪽을 이용함으로써 성취할 수 있다. 예를 들어, 2 고정자 4 회전자 모터에 있어서 한 회전자가 25% 절감을 위해 제거된다. 6 고정자 12 회전자 모터에 있어서 5개의 회전자들이 41%의 절감을 위해 제거된다. 소정의 구체예들에서, 영구 자석들의 총 개수는 최소 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60% 또는 70%로 감소될 수 있고, 여전히 이에 필적하는 출력을 제공한다.
본 개시의 소정의 구체예들은 다양한 형상의 자석을 수용할 수 있다. 예를 들면, 원통형(ccylinder), 입방형(cuboid), 분할형(segnented), 사다리꼴 또는 다른 적절한 형상들일 수 있다.
매끄러운 토크를 위해서는 동력(force)의 정현파(sinusoidal application) 적용이 적합할 수 있다. 소정의 개시된 구체예들의 인터리브된(interleaved) 코일 설계의 사용을 통해, 원통 자석을 사용하여 매끄러운 정현파 출력을 생성할 수 있다. 인터리브된 코일 설계의 다른 중요성은 자석의 부피를 줄이는 데 있다. 대부분의 축방향 자속(axial flux) 모터는 주어진 직경, 또는 사다리꼴 높이에서 더 많은 자기 볼륨(magnetic volume)을 점유하고 필요로 하는 사다리꼴 자석들을 사용한다. 장변 길이 40, 단변 길이 15와 높이 25인 사다리꼴은, 직경 25인 원형 자석에 비해, 29.24%의 체적 절감을 얻을 수 있다. 사다리꼴 모양이 사각형으로 접근할 때 대략 21% 이상 감소를 제공하는 최소 절감이 발생한다. 소정의 구체예들은 원형 어레이 또는 실질적으로 원형 어레이로 구성될 수 있는데, 전기 장치는 코일보다 하나 이상의 자석 세트를 갖게 되며, 코일들은 전기 장치에 의해 발생되는 토크가 충분히 부드럽도록 순차적으로 구동된다. 스타트업 동안 토크에 약간의 변화가 있다는 것을 보장하는 것은 저속에서 부드러운 가속을 보장한다. 예를 들어, 17 코일 원형 어레이를 포함하는 구체예는 동등 3상보다 회전 토크에서 약 30배 적은 편차를 갖는다. 적어도 하나의 원형 어레이 안의 복수의 코일을 포함하는 소정의 구체예들은 동등 3상보다 회전 토크에서 50, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5배 적은 편차를 갖는다.
자석 부피 감소
효율에 관해서, 코일 내부의 이상적인 스위칭 파형은 사인파이다. 사인파는 고주파 배음(higher frequency harmonics)이 신호에 포함되지 않을 수 있도록, 하나의 주파수 성분인, 기본 주파수를 갖는다. 이상적인 구형파(square wave)가 기본 주파수(구형파의 주파수)와 푸리에 급수에 포함된 고주파 배음(higher frequency harmonics)의 무한 시퀀스로 구성될 수 있다. 고주파 배음(high frequency harmonics)의 측면에서는 많은 단점이 있다. 고주파 신호는 표피 효과로 알려진 도체의 표면을 따라 이동하는 경향이 있다. 주파수가 높아짐에 따라 신호는 표면에 더 가깝게 이동한다. 와이어의 저항은 전자들이 이동하는 단면적에 비례한다. 와이어의 저항은 그 와이어를 통하는 주파수에 비례한다. 또한 고주파 신호는 기기로부터 방사되어 다른 기기들에 간섭을 일으키는 경향이 있다. 이러한 방사 효과는 억제되고(contained) CE, FCC, C-tick 및 기타 준수 기준을 통과하도록 필터링될 필요가 있다. 인터리브 코일 설계된 원형 자석은 양호한 사인파 출력을 생성한다. 도 50을 참조하면, 원통형 자석의 결과는 전체 자석의 부피가 감소되었다.
사다리꼴 자석의 부피: 
d= 자석 두께
원형 자석의 부피: 
주: 2r=C이고, a:b의 비는 사다리꼴 둘레가 원 둘레와 교차하지 않도록 충분하다고 가정함.
도 51을 참조하면,
코일당 부피절감:
또는:
소정의 구체예들에서, 예를 들어 25mm 직경의 원통형 자석을 포함한 것과 a=30, b=20, c=25인 사다리꼴 자석을 포함한 2개의 25mm 회전자를 비교하면 원통형 자석의 재료 절감은 21.46%가 될 것인데, 이 절감은 상당할 수 있다. 소정의 구체예들에서 자석의 재료 절감은 적어도 10%, 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 또는 60%일 수 있다. 소정의 구체예들에서, 자석의 재료 절감은 10% 내지 60%, 15% 내지 25%, 15% 내지 40%, 20% 내지 60%, 20% 내지 35%, 30% 내지 60 % 또는 35% 내지 55%일 수 있다. 소정의 구체예들에서, 이 절감은 다음과 같이 계산될 수 있다.:
피크 전력에 관해서는, 더 많은 전력이 사인파보다 구형파(square wave)로 전달될 수 있다. 사인파에 의해 코일에 전달되는 유효 전력은 1/(2의 제곱근)(약 2/3)이나, 구형파의 유효 전력은 1이다. 사인파 및 구형파에 의해 변환될 수 있는 기계적 에너지의 효율의 관점에서는, 코일과 자석의 설계에 적어도 부분적으로 좌우된다.
공유된 플래터 스택(platter stacks)을 통해 자석 절감
소정의 구체예들에서, 장치는 도 52에 도시된 바와 같이 2개의 모터를 등을 맞대도록 연결하여 더 많은 전력을 제공하도록 확장될 수 있다. 도 53에 도시된 바와 같이 중량 및/또는 비용 절감은 회전자들의 공유에 의해 성취될 수 있다. 이 예에서는, 자석의 총 개수는 하나의 회전자 세그먼트(158)로 조합되는 내측 회전자, 세그먼트들(154, 155)을 공유함으로 감소된다. 또한 단지 외측 플래터와 세그먼트들(156, 157)은 장치내부에 자계를 포함하기 위해 백아이언(back irons)을 요구하는 반면, 공유되지 않은 구성은 모든 회전자가 차폐되어야 한다(4 플레이트 전체). 일반적으로, 백아이언은 무겁기 때문에 내부 회전자의 공유를 통해 상당한 무게를 줄일 수 있다. 더욱이, 이 장치는 더 컴팩트해서 관련 재료의 질량을 줄일 수 있다. 즉, 자석의 총 개수(비공유):
자석의 총 개수(공유된 중심 회전자 플래터):
좌측 그림:
우측 그림:
도 54는 일반적인 자기 회전자가 복수개의 고정자들 간에 공유될 때 자석의개수의 감소를 도시한 그래프이다. 이 예에서는 18개의 자석을 갖는 회전자에 근거 하지만, 구체예들의 범위에 대한 일반적인 경향은 성립된다. X축은 고정자의 수를 도시하고, Y축은 자석의 개수를 나타낸다. 공통 내부 회전자의 플래터를 공유하는 구성(162)과 공유된 회전자 플래터가 없는 구성(161)을 비교하였다. 이것은 플래터 가 공유될 때 필요한 자석의 개수의 상당히 절감하게 되고, 이에 따라 비용, 공간 및 중량을 절감하게 된다는 것을 나타낸다. 이 절감은 거의 50% 이상의 플래터를 사용하는 방향으로 선형이 되는 경향이 있다.
토크 평활화(smoothing)
단상 공급만을 갖는 전통적인 모터는 회전당 두 번만 축에 최대 전력을 공급할 수 있다. 모터 구성 간의 기본적인 비교는 결과적으로 생기는 회전 토크가 영구 자석에 대한 코일의 각도 차의 사인 값에 비례한다고 가정함으로써 사용될 수 있다. ταsin(F)
이러한 예시적인 구체예에서, 모터에서 위상들의 수와 인가전력은 일정하다고 가정한다. 모터에서 위상의 수가 증가되면, 전력은 분배되고 보다 균등하게 공급된다. 삼상 모터의 경우, 회전당 6배의 최대 전력과 토크를 상기 샤프트에 제공한다. 최대 순시 전력은 단상 모터보다 작다. 이후(since) 본 발명의 소정의 구체예들은 적어도 17 내지 1024 사이의 독립적으로 제어가능한 상들(phases)을 가질 수 있다. 소정의 구체예들은 17 내지 1021, 19 내지 1181, 29 내지 109, 53 내지 127, 89 내지 257, 211 내지 331, 199 내지 577, 433 내지 751, 577 내지 1051, 613 내지 757, 619 내지 919, 773 내지 857,787 1021 또는 811 내지 1283 사이의 독립적으로 제어가능한 상들을 가질 수 있다. 소정의 구체예들은, 10 내지 1050, 20 내지 40, 30 내지 50, 50 내지 1200, 75 내지 150, 200 내지 500, 400 내지 1200, 600 내지 900, 또는 700 내지 1100 사이를 가질 수 있다. 이것은 한번 회전할 동안 보다 균등하게 전력을 분배하고, 결과적으로 부하에 적용되는 토크가 부드럽게(smooth torque) 된다.
모터가 회전할 동안 최대 생산 가능한 순시 토크의 단순 비교는 도 55에 제시되어 있다. 이 그래프는 유사하게 평가된 단상(164), 3상(165), 17상 전기 장치(163)의 y축에 대한 상대적인 토크를 보여준다. X축은 0 내지 360도 범위의 모터의 각도 위치를 나타낸다. 17상 전기 장치의 구성이 효율적으로 다른 전기 장치 구성보다 더 많은 상(phase)이 있기 때문에 스마트한 소프트웨어 제어 없이 또는 전기장치의 제어 없이 좀 더 지속적으로 생산 가능한 토크와 보다 매끄러운 토크를 갖는다. 특정 적용에서, 획득가능한 토크는 소프트웨어 알고리즘 및 피드백 제어의 도움으로 보다 부드럽게 할 수 있다. 다른 모터 구성의 생산가능한 최대 순시 토크가 17상 전기 장치보다 크지만, 전달되는 전력은 대략 동일하고, 다른 모터 종류로부터의 전력은 제어하기 어려운 짧은 버스트(short burst)로 크게 적용된다.
개시된 구체예들의 특징 중 하나는 코일과 자석쌍 사이의 오프셋이 있을 수 있다는 것으로, 즉 n개의 코일과 n+1개의 자석이 있는 경우, 자석이 코일과 완벽히 정렬되지 않을 수도 있다. 이것은 이러한 구체예들의 전기 장치가 이 장치에 적용되는 토크를 부드럽게 하는 효과를 가지면서 이 장치를 가동(turn)하는 적어도 하나의 코일을 켤 수 있도록 한다. 코일과 자석 사이의 오프셋이 있기 때문에 모터를 n상 모터로 만드는 효과가 있다. 전통적인 전기 모터에서는, 보다 적은 전력이 요구될 때, 모터의 각 회전마다 인가되는 전력의 양이 감소된다. 이것은 생성된 토크를 비선형적으로 감소시킨다. 하나 또는 그 이상의 코일(또는 각각의 코일)이 디지털 방식으로 제어될 수 있는 특정 개시된 구체예들에서, 해당 자석에 보다 적은 최적 순시 토크를 생성하는 코일은 꺼질(turned off) 수 있다. 이것은 비선형적 전력 감소에 대한 토크 감소를 발생시킨다.
도 56은 상(phase)의 수가 다르고, 비교 전력이 각각 다른 전기 장치에서 전력이 증가할 때 저항 손실로 인한 발열의 비선형 증가를 나타낸다. 17상 장치(166)의 소정의 구체예들은 실질적으로 동일한 입력 전력을 갖는 3상(167) 및 2상(168)과 비교된다. X축은 전력의 비율의 비교축이고, Y축은 저항열(resistive heating)을 통한 전력 손실이다. 이것은 만약 코일에 전력이 선형적으로 0 내지 100%로 조정되는 경우(이것은 직접 마이크로 프로세서 제어로 가능하다), 본 명세서에 개시된 소정의 구체예들의 우수한 전력 처리 능력을 보여준다. 전력에 대한 더 많은 위상(phase)을 갖는 것은 실질적으로 균등하게 각 상 사이에 공급되는 전류를 분할하고, 전력 손실은 일반적으로 전류의 제곱과 도체의 저항과 동일한데, 저항열로 인한 전력손실은 비선형적으로 위상 수의 인자에 의해 감소된다. 이것은 소정의 구체예들은 다른 종류의 모터와 같은 전력을 제공하기 위해 기존의 모터 종류들보다 훨씬 작고 및/또는 가벼우며 및/또는 높은 전력 요구 사항 및 출력을 처리할 수도 있다는 것을 의미한다.
토크 평활화(smoothing) 대 운전 주파수
어떤 순간에 공급되는 토크는 모터 플래터의 각의 함수이므로, 명백한 토크 평활화는 주파수에 따라 변화한다. 즉, 모터가 빨라짐에 따라, 토크의 변화는 덜 분명해진다. 소정의 구체예들은 n상으로 작동될 수 있기 때문에, 하나 또는 그 이상의 코일들(또는 각각의 코일)은 단상 모터보다 n배 더 빠르게 동작할 수 있다. 토크는 최적 위치에서 코일에 인가되는 최대 전력을 제한하는 디지털 알고리즘을 이용하여 평활화될 수 있다. 이것은 약간의 최대 토크를 감소시키는 효과를 가질 수 있지만, 출력 토크를 상당히 부드럽게 할 수 있다. 도 55는 몇 가지 표준 모터 종류에 비해 특정 디지털 축방향 자속 모터 구체예의 우수한 토크 평활화를 보여주는 그래프를 개시한다. 이들 구체예에서 모터의 장점 중 하나는 n상 토크 평활 특성을 유지하면서 적절하게 높은 출력 전력 및/또는 토크를 유지할 수 있도록, 각각의 코일(또는 하나 또는 그 이상의 코일)에 전력을 개별적으로 제어할 수 있다는 것이다. 이러한 구체예들은 즉석에서 변경할 수 있는 능력을 가지고, 토크 평활화가 더 중요한 저 RPM으로, 모터가 지능적으로 평활화 프로파일 또는 요구되는 대로 적절한 최대 토크 및/또는 출력 전력에 대한 프로파일을 적용할 수 있고, 또는 고 RPM으로 변경할 수 있다.
회전자
본 발명의 예시적인 구체예는 하나 또는 그 이상의 회전자로 구성될 수 있다. 그것들의 목적 중 하나는 고정자 코일이 회전자에 토크를 유도하도록 전자석의 근방에 자계를 생성하는 것이다. 자석은 여러 방법을 통해 회전자 내에 확보될 수 있다. 예를 들어, 접착; (2개 이상의 회전자층 사이에) 클램핑 및/또는 (주변 구멍에)의 억지 끼워 맞춤; 기계적으로 고정(예를 들어, 볼트, 나사 또는 다른 적합한 방법); 용접(선택된 자석 및/또는 회전자 재료에 적용가능할 경우); 소결 ; 다른 효과적인 수단 또는 이들의 조합이다.
회전자는 다수의 재료로 구성될 수 있다. 회전자를 위해 선택된 재료는 모터의 적용뿐만 아니라 회전자 사이의 선택된 자계 강도에 따라 변경될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 선택된 재료는 두 개의 별도 회전자 플래터 간의 축방향 자력에 의해 용인할 수 없는 변형 또는 상당한 변형을 방지하기 위해 전형적으로 충분한 영률(강성)을 가질 것이다. 사용되는 재료는 알루미늄, HDPE(고밀도 폴리에틸렌) 등의 중합체, 다른 적합한 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다(이에 제한되지 않음).
자석 회전자 : 소정의 구체예들에서, 분리된 자석 및 기계적 케이싱을 실질적으로 하나의 구조로 접착시키는 소결의 사용을 통하여 별도의 자석(다음에 회전자에 부착되는)에 대한 필요성이 제거(또는 감소)될 수 있다. 마무리 표면(finishing surface)가 기계적 강도 및/또는 내구성을 높이기 위해 (예를 들어, 니켈, 에폭시) 적용될 수 있다.
릴럭턴스 구성 : 소정의 구체예들에서, 자석이 철 스트립(ferrous strips)과 전체적으로 또는 부분적으로 대체되어 릴럭턴스 모터 구성이 가능하다. 인덕턴스의 구성 : 소정의 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 실질적인 부분, 또는 코일을 구비한 회전자의 자석을 모두 대체함으로써, 고정자 코일 자기장은 회전자 코일에 자기장을 유도한다. 회전자 코일을 자신의 대칭 또는 오프셋 등가 코일(회전자에 대하여)로 배선하여 자기장 대향(opposing magnetic fields)이 유도될 수 있고, 이는 회전력을 발생시킨다. 재료 감소 : 특정 적용에서 회전자 및/또는 샤프트 어셈블리의 회전 관성을 감소시키는 것이 유리할 수 있다. 이를 위해 회전자 디스크는 디스크의 기계적인 구조에 불필요한 여분의 재료를 제거하기 위해 모양을 변경할 수도 있다.
샤프트 및 스페이서 : 소정의 구체예들에서, 회전자 어셈블리는 샤프트의 사용을 통해 모터 격납부 내부에 또는 부분적으로 내부에 위치될 수 있다. 이 샤프트는 상기 사프트의 회전축에 회전자 자석 플래터의 병진(translational) 이동이 실질적으로 감소, 실질적 방지 또는 방지되도록 비균일 직경을 가질 수 있다. 병진력(translational force)은 상기 샤프트로부터 상기 케이싱으로 흡수될 수 있다. 방법은 축 방향 추력 베어링 또는 다른 볼, 핀 또는 원추형 베어링, 마찰이 적은 표면을 갖는 샤프트와 어셈블리 사이의 억지 끼워 맞춤(interference)을 포함하고, 상기 샤프트는 충분한 직경 및/또는 강성을 가져 자기력에 의한 벤딩이 발생하지 않거나 충분히 줄일 수 있다(이에 제한되지 않음). 소정의 구체예들에서, 샤프트 및/또는 스페이서에 사용될 물질은 금속(예: 강, 알루미늄 등), 폴리머 또는 다른 적절한 물질을 포함한다. 토크 전달 : 소정의 구체예들에서, 토크가 회전자에 유도되면 그것은 샤프트에 직접고정을 통한 기계적으로, 외부 자기 플래터에 자기 커플링을 통하거나 샤프트에 기계적으로 커플링(예를 들면, 클러치를 통해), 다른 적합한 방법 또는 이들의 결합을 통해 전달될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 두 개 이상의 회전자 플래터를 분리하도록 상기 샤프트가 완전히(또는 부분적으로) 제거되고 스페이서 또는 복수의 스페이서들로 대체될 수 있다. 이러한 구성에서, 상기 어셈블리는 자기 서스펜션의 사용을 통해 격납부 내에 위치될 수 있다. 대안적으로, 소정의 구체예들에서, 회전자(또는 회전자의 실질적 부분)의 바깥 지름 가장자리를 지지하는 환형 베어링이 사용될 수 있다. 이러한 구성은 사용된 베어링의 수에 따라, 회전자를 축방향으로 분리시키는 중앙 스페이서를 사용 또는 사용하지 않을 수 있다.
자석
본 출원에 개시된 전기 장치의 소정의 구체예들은 다른 종류 및/또는 형상의 자석을 포함할 수 있다. 자석의 목적 중 하나는 자기장을 유도하는 것인데, 이를 통해 전자기 코일이 통과할 수 있다(따라서 코일/회전자에 운동력을 유도). 자석의 적용 가능한 유형은 예를 들어 다음을 포함한다. 네오디뮴, 네오디뮴-붕소, 사마륨-코발트 합금 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는 희토류 자석과; 초전도 자석의 다양한 종류, 알니코(Alnico), 비스마노(Bismano), 쿠니프(Cunife), 페리코(Ferico), 헤우슬러(Heusler), 메트글래스(Metglas) 및 다른 자기 합금 또는 이들의 조합이지만 이에 한정되지 않는 재료로 만든 표준 및/또는 영구 자석; 전자석(예를 들어 철사 코일로 전자기장을 유도할 수 있는); 인코딩 양자 스핀 효과를 갖는 물질로 인한 자기장; 전자기장의 중심을 향해 당겨지는 힘을 받을 전자기장에 수직 또는 실질적으로 수직으로 노출된 철재료를 포함하는 유도자석; 다른 적절한 자석; 또는 이들의 조합.
소정의 구체예들에서, 사용될 수 있는 자석 형상은(이에 한정되지는 않음) 실린더, 입방(적당한 3D 모양), 작은 자석의 클러스터 전체 또는 부분으로 구성되는 자석의 세그먼트, 사다리꼴, 고체 또는 중공(예를 들어, 도넛 모양이나 중공 실린더), 실질적 동일한 극성 또는 반대의 극성 중 하나인 그룹, 각도 방향 및/또는 반경 방향으로 상기 배치의 오프셋 반복, 특정 응용 분야를 위한 다른 적절한 모양, 또는 이들의 조합일 수 있다. 자석의 두께는 고정자 마운트/플래터 두께와 같거나 같지 않을 수 있다. 코일의 두께는 응용 분야에 적합하도록 변경될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 자석과 코일의 개수는 하나 또는 그 이상, 실질적으로 복수의 또는 모든 자석 및 코일이 절대 완전하게 정렬되지 않는 것을 보장하기 위하여, 코일의 개수는 자석의 개수와 절대 동일하지 않거나, 만약 코일의 수가 자석의 개수와 동일한 경우, 자석 또는 코일의 위치는 기하학적으로 오프셋되어 동심 배향(concentric alignment) 또는 이들의 조합을 실질적으로 방지, 방지 또는 줄이도록 설정 또는 설정되지 않을 수 있다. 소정의 구체예들에서, 자석 및/또는 코일은 다음과 같이 정렬될 수 있다. 자석이 적절히 축 방향으로 코일과 정렬되거나 반대로(예를 들면 축방향 자속 구성에서) 정렬될 수 있다. 또는, 자석은 적절히 축 방향으로 코일과 오정렬(misaligned)되거나 그 반대로 최대 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 또는 65도로 오정렬될 수 있다. 또는, 플래터와 정렬 또는 실질적으로 정렬될 수 있다. 또는, 플래터에 실질적으로 수직 또는 수직으로, 다른 적절한 직교 구성 또는 이들의 조합일 수 있다.
고정자
개시된 전기 장치의 소정의 구체예들은 전기 코일을 위치시키기 위해 사용될 수 있는 하나 또는 그 이상의 고정자를 포함할 수 있다. 고정자는 직접적으로 케이싱과 통합되거나, 독립적으로 또는 이들의 조합으로 통합될 수 있다. 고정자를 위해 선택된 재료와 같은 것은 케이스 설명의 '재료' 섹션의 설명 또는 다른 곳에서 개시된 동일한 규칙을 따른다. 선택된 재료는 전기적 및/또는 열적으로 높은(또는 적절하게) 전도성을 가질 수 있다. 소정의 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 고정자는 열 싱크(전자 및 코일로부터 케이싱으로)뿐만 아니라 기계적으로 코일과 전자 또는 이들의 조합을 지지하는 것으로, 전기 도체(전력 공급)로서 사용될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 고정자는 디지털 또는 아날로그로, 전력층(power layer) 또는 자체 층에 또는 이들의 조합에 놓여진 통신 신호의 송신을 허용할 수 있다. 따라서, 전기 전도 용도로 사용하는 경우, 고정자의 층은 전기적으로 서로 절연될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 절연 방법은 하드 양극산화( anodisation), 플라스틱 또는 이들의 조합과 같은 층 사이에 절연 물질을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 소정의 구체예들에서, 간극(gap)은 필요한 재료 및/또는 중량을 감소시키기 위하여 하나 또는 그 이상의 고정자들에 포함될 수 있다. 고정자가 도전 재료로 구성될 때, 코일의 주위에 형성되는 와류 전류를 제거하기 위해 간극이 추가될 수 있다. 도 8에 도시된 예에서, 도전성 고정자(91)의 간극(90)이 전류가 자기 코일을 통하여 흐를 때 유도된 와전류(93)의 전도 경로를 깨는 자기 코일(92)의 장착홀 근처 고정자에 도입된다. 소정의 구체예들에서, 간극은 두 개의 동심 환형 링은 코일에 의해 형성된 고리의 양쪽에 방사상으로 형성되지 않도록 위치한다.
코일
개시된 전기 장치의 소정의 구체예들은 다양한 종류 및/또는 형상의 유도 코일을 포함할 수 있고, 그 목적은 전류를 사용하여 모터의 회전자를 회전시키는 힘을 만들면서 기존의 전자기장을 유도 및/또는 변경하는 것이다. 소정의 구체예들에서, 코일은 열 및 모터의 전류 요구 사항을 모두 처리할 수 있는 충분한 재료로 구성될 수 있다. 그리고, 코일은 저항열에 의한 최소한의 전력 손실이 있도록 전기 저항을 낮추도록 구성될 수 있다. 그리고, 코일은 충분한 힘 또는 이들의 조합을 생성할만큼 충분히 큰 자기장을 생성할 수 있도록 구성될 수 있다. 하나의 예시적 코일이 도 4에 도시된다.
소정의 구체예들에서, 코일은 도전성 재료가 코일의 중앙 에어갭이 존재하는 방식으로 래핑(wrapped)이나 압연(rolled)되는 에어 코어로 구성될 수 있으며, 코일의 중간에 에어갭이 없는(또는 적합하게 작은) 솔리드 코어로 구성될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 코어는 사용할 도전성 재료 또는 철이나 비-철 중 하나의 비도전성 재료일 수 있다. 높은 투자율을 가진 철 물질은 자기장의 크기를 증가시킨다. 소정의 구체예들에서, 코일은 인터리빙될 수도 있고, 코일은 전도성 리본 및/또는 시트로 만들어진다. 절연된 철 재질의 층을 인터리빙하는 동안, 리본은 중앙 코어에서 외부로 감긴다. 비철 재료는 리본의 루프 수에 비례하는 자계를 강화하는 절연체 및 코어재료로서 작용한다. 자기장은 양쪽에 사인 분포 코일의 중심에서 최대 진폭에 도달할 수 있다. 본 출원에 개시된 다양한 구조의 조합이 또한 고려된다. 코일은 다음과 같은 모양 중 하나 또는 그 이상으로 구성될 수 있다: 원형/원통형, 정사각형/입방형, 사다리꼴, 고체 또는 중공(에어 갭)/환상, 그리고 다른 적절한 모양.
소정의 구체예들에서, 전자기 코일은, 감기거나 벤딩 및/또는 그렇지 않으면 전도성 물질의 하나 또는 그 이상의 조각 또는 충분한 전도성 재료로 구성될 수 있다. 코일은 3D 인쇄되거나 다르게 만들어질 수 있다. 전도체는 코어(2물질(또는 그 이상) 3D 인쇄가 사용되는 경우)는 도체 코어와 함께 3D 인쇄될 수 있다. 전도체는 3D 인쇄할 수 있으며, 코어는 별도의 프로세스에 추가될 수 있다. 3D 인쇄는 선택적 레이저 소결, 선택적 전자빔 용융 및/또는 다른 선택적 증착 기술을 지칭한다.
소정의 구체예들에서, 코일은 고정자에 접착제/결합제, 클램핑, 기계적, 용접, 고정자 플레이트에 직접 3D 인쇄 또는 이들의 조합에 의해 부착될 수 있다.
코일 및/또는 자석의 위치
소정의 구체예들에서, 코일 및/또는 자석은 많은 다른 물리적 구성으로 배열/변화될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 축방향 플럭스 구성은 교류 자기장을 축에 평행 또는 실질적 평행하도록 생성하는 적어도 1, 2 또는 복수개의 자석의 회전자 플래터;및 자기장 사이의 복수의 코일을 포함하여 사용될 수 있다.
도 9, 도 10 및 도 11은 전기 장치의 상이한 구성들을 다수 예시한 것이다. 도 9는 소정의 구체예들에 따른 회전자 플래터 구성의 단면도를 도시한다. 플래터(8)는 샤프트(10) 및 복수의 교류 극성 자석(94, 95)(이 예시적인 구체예에서 18개의 자석이 존재)과, 코일(88)(이 예시적인 구체예에서 17개의 코일이 존재)을 갖는다. 자석은 플래터의 외주 근처에 실질적 동심구성의 배열로 배치되어 있다. 도 10은 도 9와 유사하지만, 코일(88)에 걸쳐 보다 집중된 자기장을 만드는 두 개의 회전자, 요소(8)가 있다. 또한 두 개의 플래터 사이의 스페이서(12)가 도시된다. 도 11은 트리플 회전자 플래터 구성으로 도 9와 유사하다. 이 구성은 별도의 코일 플래터를 추가하여 더 많은 전력이 추가되도록 허용한다.
도 6은 도 9에서 도 11에 도시된 구성에서 회전자 플래터(8)의 평면도를 도시한다. 회전자 플래터(8)에 반경 방향으로 분산된 교류 극성 자석(9)이 도시된다. 또한, 축(10)의 위치가 도시되어 있다.
상기 개시된 전기 장치의 소정의 구체예들은 실질적으로 원형 어레이(방사상 정렬)로 구성될 수 있다. 여기서, 복수의 자석과 복수의 코일은 적어도 하나의 회전자 샤프트의 주축에 수직(또는 실질적으로 수직)일 수 있다. 이들 구체예에서, 일반적인 축방향 정렬 고정자 모터의 자기 특성은 세밀한 적응 자속 제어의 추가적인 장점과 함께 존재한다. 도 12는 소정의 구체예들에 있어서, 자석(94, 95)이 회전자 샤프트(10)에 대해 수직(또는 실질적으로 수직) 축이며, 적어도 부분적으로 플래터 내에 존재하는 회전자 플래터(97)의 개략적인 평면도이다. 또한, 회전자 샤프트(10)에 축 방향으로 수직(또는 실질적으로 수직)의 복수의 코일(5)이 도시되고, 상기 플래터 실시예의 외주 주위에 동심원으로 구성된다. 고정자(98)는 자석의 주위에 방사상으로 코일(5)을 보유하며 보여진다. 간극(96)은 자석과 코일 사이에서 볼 수 있다. 도 13은 도 12의 구성 사시도를 도시한다. 도 14는 도 12 과 13에 도시된 예시적인 구성으로 구축된 전기 모터의 사진이다.
소정의 실시예들에서, 구성은 선형 슬라이더 구성일 수 있다. 이 구성에서 코일과 자석은 도 15에 도시된 바와 같이, 서로 교류 극성을 가지며 선형으로 옆으로 정렬된다. 각 코일에 대한 개별 컨트롤러의 사용을 통해, 소정의 구체예들의 적응 자속 어레이는 기존의 리니어 모터나 솔레노이드에 비해 하나 또는 그 이상의 장점이 있다. 특정 코일을 스위칭하고 유지함으로써, 마모될 기계적 메카니즘을 필요로 하지 않고, 회전자/슬라이더(99)의 위치를 고정할 수 있다. 구성은 원한다면, 코일에 주전력 공급의 극성을 전환하는 외부 제어의 필요없이 전방 및 후방으로(100) 모두로 직선 운동을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 선형 구성에 대한 하나의 사용은 조류나 파도 전력과 같은 불안정한 입력 전력 프로파일과 장기간 운전되는 발전기에 비해 유리한 도시된 구체예의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환할 때의 고효율을 갖는 발전기이다. 회전 모터의 구성에 대한 경우와 마찬가지로, 선형 구성은 전기 발전 용량의 전력 출력이 증가하는 동안, 내부 슬라이더/로터(99)를 공유할 수 있도록 다른 선형 모터 또는 발전기와 적층될 수 있다. 도 17은 자석(95)에 관하여 코일(5)의 위치를 나타낸 리니어 모터의 개념 구성의 단면도이다. 고정자 마운트(101)에 관한 슬라이더/회전자(99)의 움직임 방향을 알 수 있다.
선형 외에, 실질적 선형, 원형, 실질적 원형, 아크 형, 및/또는 실질적 아크형 코일과 자석의 다른 구성이, 복수의 코일 중 적어도 하나의 트랙이 조합되고, 하나 또는 그 이상의 어레이의 복수 개의 자석이 코일을 따르는 한 형성될 수 있다. 다른 구성은 선형, 실질적 선형, 원형, 실질적 원형, 아크형 및/또는 실질적 아크형의 조합일 수 있다.
개시된 전기 장치의 소정의 실시예들은 실질적으로 원형 어레이(방사상 정렬)로 구성될 수 있고, 복수의 자석과 복수의 코일이 적어도 하나의 로터 샤프트의 주축에 축 방향으로 수직(또는 실질적으로 수직)으로 구성될 수 있다. 이러한 실시예는 세밀한 적응 자속 제어의 추가적 이점과 함께, 일반적인 축 방향 정렬 고정자 모터의 자기 특성이 있다.
엔드 캡(End Caps)
구속되지 않은 자기장은 전도성 표면 위로 결합될 수 있고, 자석의 움직임을 방해하는 자기장을 생성할 수 있는 와류를 유도한다. 예를 들어, 도 18은 균일하게 분포된 자석의 선형 어레이의 측단면 자계도이고, 연속된 자석들(95)이 N극이 위로 향하고 나머지 자석들(94)은 N극을 아래로 향하고 자기장 N(102)과 S(103)을 유도하는 전자기 코일이 중간에 있다. 도 18은 어떠한 차폐 없이 외부 방사 자기장(104)를 보여준다. 도 19는 철 차폐판(105)가 추가된 도 18에 설명된 시나리오에서 방사 전자기 에너지의 감소를 보여준다. 소정의 구체예들에서, 철 차폐 대신 할바흐(Halbach) 어레이 배열이 사용될 수 있다. 도 20은 상부 플래터의 자석이 할바흐(Halbach) 어레이 배열을 갖는 도 18에 설명된 응용에 방사 전자기 에너지의 감소를 나타낸다. 할바흐(Halbach) 어레이 배열은 작은 자석(106)과 반대 극성의 자석(107)을 사용할 수 있다. 작은 자석이 2개의 큰 자석들 사이에 위치되고, 그 자기장은 큰 자석들의 자기장과는 실질적으로 수직이다. 작은 자석은 첫번째 큰 자석으로부터 다음 큰 자석으로 향하는 자기장 선을 굽히고, 플레이트(108)의 끝단을 지나는 자속 루프까지의 거리를 감소시킨다. 이것은 시스템에 철 차폐를 추가한 효과와 유사하고, 외부 전자기 에너지를 극적으로 줄일 수 있다. 이는 본 출원에서 대체되어 사용되는 철 차폐판의 무게를 절감하는 효과를 갖는다. 철 차폐(105)는 비교를 위해 자석의 바닥층에 사용된다.
격납부(Enclosure)
여기에서 논의된 격납부는 여러 용도로 사용된다. 소정의 구체예들에서, 이동부품과 회로 기판을 덮거나 둘러싸기 위해(부분적으로, 실질적으로 또는 완전히) 설계될 수 있고, 또한 하나 또는 그 이상의 코일과 전자부품을 적절한 장소에 수납할 수 있도록 하며, 코일 및 전자부품으로부터 방열되도록 하며, 베어링을 지지하고/하거나 샤프트에 축방향 힘을 흡수하도록 하고, 전자부품, 또는 이들의 조합으로 및/또는 으로부터 전력을 이동시키는 전도체로 사용될 수도 있다. 격납부는 회전자 샤프트에서 가해진 하중에 의한 변형에 저항(또는 실질적으로 저항)하기에 충분히 강한 재료(또는 재료의 조합)로 구성될 수 있다. 더욱이, 소정의 구체예들에서, 케이싱이 전자 전류 소비에서 일부 생성된 열 변동을 충분히 저항하는 것이 바람직하다. 이러한 속성과 일치하는 예시적인 재료(알루미늄, 폴리머 또는 다른 적당한 재료)를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
소정의 구체예들에서, 격납부는 도전성일 수도 있고 아닐 수도 있다. 소정의 구체예들에서, 전원 및 신호선은 배치 경로를 정하지만, 케이싱 자체는 도체로 사용되지 않는다. 소정의 구체예들에서, 케이싱 자체는 도체로서 사용될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 격납부의 부분은 일반적으로 절연층에 의해 분리된 도전부를 갖고, 도전성일 수 있다. 이러한 구성은 전력이 케이싱을 통해 전자부품에 직접적으로(또는 간접적으로) 공급되도록 할 수 있다. 소정의 구체예들에서, 도전성 마운트 지점은 케이싱의 외부 및/또는 내부에 직접적(또는 간접적)으로 부착될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 케이싱의 일부는 도체(예를 들면, 신호전송용 도체)로서 사용될 수 있다. 비전도성 부분은 도전성 부분을 분리하기 위해 사용될 수 있으며, 이것은 케이싱을 통해 복수개의 신호 '라인'을 가능하게 한다. 소정의 구체예들에서, 전력 구성 및/또는 전자 통신 및/또는 다른 신호는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS)와 같은 적합한 기술에 의해 높은 주파수에서 전원 라인 상에 다중화될 수 있다. 본 발명은 또한 본 명세서에서 논의된 격납부 구성의 조합을 고려한다. 소정의 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 회로 기판은 전도성/트랙/패드 라우팅 및/또는 장치 케이싱에 직접 에칭으로 대체될 수도 있다. 소정의 구체예들에서, 회로 기판의 적어도 상당 부분은 전도성/트랙/패드 라우팅 및/또는 장치 케이싱에 직접 에칭으로 대체될 수도 있다.
소정의 구체예들에서, 케이싱의 목적 중 하나는 전자부품(예를 들어, 코일)으로부터 열을 추출할 수 있다. 이 열이 케이싱을 둘러싼 환경으로 가능한 효율적으로 전달되면 유용하다. 소정의 구체예들에서, 구현될 수 냉각 방법은 다음 중 하나 또는 그 이상을 포함한다: 능동 냉각(강제 기류); 능동 냉각(강제 액체 흐름); 능동 냉각(냉장); 수동 냉각(열 파이프/펌프 이동); 수동 냉각(대류 열 핀, 리브); 수동 냉각(대류 홀); 능동 또는 수동 냉각(대류 채널); 챔버(집중 및/또는 직접 열 흐름에 높은 열 전도도를 가진 밀봉 정적 유체); 및 비전기적 전도성 유체가 밀봉된 전체 격납부.
소정의 구체예들에서, 회로 기판(및 이에 부착된 전자부품)이 외부 또는 내부의 힘(모터의 선형 또는 각가속도)이나 진동에 따라 이동하지 않도록 장착될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 회로 기판(및 이에 부착된 전자부품)이 외부 또는 내부의 힘(모터의 선형 또는 각가속도)이나 진동에 따라 실질적으로 이동하지 않도록 장착될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 회로 기판(및 이에 부착된 전자부품)이 외부 또는 내부의 힘(모터의 선형 또는 각가속도)이나 진동에 따라 충분히 안정되도록 장착될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 회로 기판(및 이에 부착된 전자부품)은 다음 방법 중 하나 또는 그 이상을 사용하여 장착될 수 있다: 케이싱에 특별히 형성되어 회로기판이 중간 끼워맞춤(transition fit) 또는 억지 끼워 맞춤으로 끼워질 수 있는 공동(cavities); 모듈러 인서트; 두 케이스의 구성 요소 사이에 끼워진 회로 기판; 기계적으로 고정(fastened) 또는 클리핑(clipped) ; 접착 또는 그렇지 않으면 영구적 결합.
소정의 구체예들에서, 스위칭 회로는 케이싱의 핀(finned) 구성에 부착될 수 있다(예를 들어, 납땜에 의해). 도 2 요소(37)와 도 15 요소(37)는 소정의 구체예들에 따른 위치를 도시한다.
도 21은 전자 스위치 및 구동부(111, 112) 및 코일(88)이 모듈형 회로 기판상에 집적되고 장착되는 스위치 및 코일의 구성을 나타낸다. 기계적으로 제한되지 않은 응용 분야의 경우, 이것은 보다 유연한 전기적 및 기계적 해결책을 나타낸다. 도 22는 원형 배열로 장착된 도 21에 도시된 코일(114)을 구비한 17 코일 구동 유닛을 이용하고, 코일 구동부(111) 회로 기판을 통해 코일을 직접 제어하는 2개의 모터 제어 유닛(113)을 이용하는 소정의 구체예들를 도시한다. 소정의 구체예들에서, 전자 부품(및/또는 회로 기판)은 다른 인서트 및/또는 주케이싱을 분해할 필요없이, 끼움(slot)/스냅(snap)/ 또는 다르게 외측의 주케이싱에 부착될 수 있는 모듈형 인서트로 구성될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 전자 부품(및/또는 회로 기판)은 다른 인서트 및/또는 주케이싱을 분해할 필요없이, 외측의 주케이싱에 부착될 수 있는 모듈형 인서트로 구성될 수 있다.
소정의 구체예들에서, 전기 장치는 적어도 하나의 전기 버스 및/또는 적어도 하나의 광학 버스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다수의 마이크로 컨트롤러가 사용되는 경우, 마이크로 프로세서들 사이의 상호간 통신은 일반적으로 버스를 통해 발생할 수 있다. 이 버스는 다음 중 하나 또는 그 이상의 방법으로 장착 및 구성할 수 있다: 전기 도체(회로 기판의 그루브컷, 또는 다른 형태의 장착될 도체); 광전도체(반사 코팅이 절단 표면에 도포되는 케이싱 직접 절단 및/또는 케이싱의 홈에 삽입); 도체를 장착하기 위한 다른 적절한 방법. 소정의 구체예들에서, 광학 버스가 사용중일 때, 하나 또는 그 이상의 CCU의 광 트랜시버는 버스와 인터페이스하도록 장착될 수 있다. 따라서, CCU 위치는 광학 버스 주위에 접선 방향으로 배열될 수 있다.
소정의 구체예들에서, 케이싱의 또 다른 기능은 외부의 손상으로부터 하나 또는 그 이상의 내부 부품을 보호하는 것일 수 있다. 이 케이스의 이음새를 방수 처리하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 케이싱은 진동/충격 흡수 코팅(예를 들면, 엘라스토머 중합체)이 덮히거나(cover) 및/또는 부분적으로 이루어지는 것이 바람직하다. 특정 응용 분야에서, 케이싱은 마스터 전원 차단 스위치를 위한 선택적 장착 포인트가 될 수 있다.
소정의 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 전력 및/또는 제어 신호는 격납부를 통과할 수 있다. 소정의 구체예들에서, 전력 및/또는 제어 신호의 적어도 상당 부분은 격납부를 통과할 수 있다. 연결을 위한 장착은 다음 중 하나 또는 그 이상을 사용하여 제공할 수 있다: 러그 / 클립, 볼트, 링/소켓/클램프, 용접 포인트 및 장착을 위한 다른 적절한 방법. 또한, 외부 제어 및/또는 정보의 장착은 다음 중 하나 또는 그 이상을 사용할 수 있다: 스위치 마운트, 교정 마운트(변수, 준 고정 제어), 및 임베디드 디스플레이(LCD 또는 기타). 마이크로 버스 인터페이스의 경우, 다음 중 하나 또는 그 이상을 사용할 수 있다: 전기적으로 절연된 연결(광, 무선통신(radio)), USB, 시리얼, 기타 디지털 및 아날로그 연결 및 다른 적절한 방법이나 구조. 소정의 구체예들에서, 가능하면 기계적 출력을 위해 주 샤프트는 다음 중 하나 또는 그 이상의 방법을 통해 케이싱을 통과할 수 있다: 선택적으로, 베어링 씰, 가변 직경, 홀을 통해 개봉된 통과(pass)(내부 조립이 노출) 및 샤프트의 통과점을 실링하는 다른 방법. 소정의 구체예들에서, 격납부는 또한 자기 결합 플래터를 위한 장착 포인트를 가질 수 있다.
스위치 아키텍처
소정의 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 전자적으로 제어된 스위치는 코일에 흐르는 전류의 크기와 방향을 제어하는데 사용될 수 있다. 이러한 스위치는 다음 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 개별 컴포넌트(예를 들어, 트랜지스터 및/또는 다른 실리콘 스위치 기술)로 구성될 수 있다: IGBT 또는 다른 유사한 기술; FET 또는 다른 채널/전계 효과 트랜지스터 기반 디바이스(MOSFETS 등); BJT 또는 다른 바이폴라 트랜지스터 기반 장치; ECP 또는 다른 에미터 결합 트랜지스터 장치; 트랜지스터와 같은 디지털 스위치; 실리콘 카바이드 트랜지스터; 다이아몬드 스위치; 트라이액(Triacs); 다이오드; SCR ; 다른 적합한 전자 제어 스위칭 기술; 및 전기 릴레이. 소정의 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 스위치는 전자기 코일을 구동하기 위해 사용될 수 있고 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 다음과 같은 구성/장치 중 하나 또는 그 이상으로부터 전체 또는 부분적으로 구성될 수 있다: 하나의 스위치; H- 브리지(풀 브리지); 하프 브리지; 하이 및 로우 사이드 스위칭을 갖는 하프 브리지; 양쪽(bilateral) 스위치 구성, 단상 전압 소스 인버터, 하프 브리지 전압 소스 인버터, AC 찹퍼(chopper) 규제 및 기타 다양한 1, 2, 3상 및 다중 위상 구성.
스위치는 플라스틱 패키징 없이 얻어질 수 있고, 하나 또는 그 이상의 코일에 직접 내장될 수 있다. 스위치는 하나 또는 그 이상의 코일의 제작 과정 후거나 제작 과정 중에 하나 또는 그 이상의 코일의 몸체에 통합될 수 있다. 하이 사이드(high side) 스위치(85, 89)인 23을 참조하는 소정의 구체예들에서, 트랜지스터는 코일의 하이 사이드 쪽에 바이어스될 수 있다. 포지티브 전계 효과 트랜지스터(PFET) 또는 포지티브 네거티브 포지티브(PNP) 바이 정션(Bi Junction) 트랜지스터(BJT)를 사용하는 경우, 음의 전압은 양의 입력을 참조하여 적용되고 제어 핀(pin)은 게이트를 켤 수 있다. PNP BJT와 PFET는 일반적으로 네거티브 포지티브 네거티브(NPN) BJT, 네거티브 FET 및 IGBT 보다 더 비싸다. 이들 소자들은 제어 단자에서의 전압이 음극 단자에서의 전압보다 몇 볼트 크면 점등된다. 소정의 구체예들에서, 이것을 성취하기 위해 다음 중 하나 또는 그 이상이 사용될 수 있다: 전하 펌프; 절연 DC-DC 컨버터; 별도의 전원 공급 장치; 및 다른 승압 방법이 사용될 수 있다. 코일에 흐르는 전류는 펄스 폭 변조를 이용하여 변경할 수 있다. 소정의 구체예들에서, 스위치는 높은 주파수에서 켜지고 꺼질 수 있고, 코일을 통해 흐르는 전류의 크기는 듀티 사이클(스위치 온 시간을 스위치 오프 시간과 비교)을 제어함으로써 이 듀티 사이클에 의해 제어된다. 스위치는 단지 온(100% 듀티 사이클)이라면, 최대 전류가 코일을 통해 흐른다. 스위치가 오프(0% 듀티 사이클)라면 전류가 코일을 통하여 흐르지 않을 것이다. 스위치는 반시간 온, 반시간 오프인 경우에 전류는 전체 전류의 50%가 될 수 있지만, 스위칭 주파수에서 코일의 인덕턴스가 너무 높거나 너무 낮은 경우에 의존할 수 있다. 소정의 구체예들에서, 코일을 통과하는 전류의 방향이 반전될 필요가 없을 때, 하나의 스위치는 전압원, 코일 및 접지 사이에 사용될 수 있다. 이것은 3개의 스위치만큼 부품 수를 감소시켰다. 단상 AC 구성에서, 전압은 포지티브 레일(rail)과 네거티브 레일을 생성하도록 반정류(half rectified)될 수 있다. 이 두 레일은 효과적으로 전류의 방향을 변경하면서 코일에서 그라운드를 통해 전환될 수 있다. 이것은 요구되는 스위치의 수를 2만큼 감소시킨다. 특정 3상 스타(star)구성에서, 이상적인 전압에 가장 가까운 전압을 갖는 위상은 그 위상에서 그라운드로 전력이 흐를 수 있도록 전환될 수 있다. 특정 델타 3상 구성에서는, 두 개의 스위치가 각각의 위상에 대한 코일의 양단에 요구될 수도 있고, 이러한 구성에서 전류는 하나 또는 그 이상의 위상에서 하나 또는 그 이상의 다른 위상으로 흐르도록 선택될 수 있다.
제어
소정의 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 제어 메커니즘은 하나 또는 그 이상의 전자 부품의 구동 동작에 대하여 사용될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 제어 메커니즘은 하드웨어 또는 소프트웨어 또는 이 둘 모두의 수준에서 구현될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 특정 순간에 활성화되는 코일의 수는 0부터 코일의 총 개수까지 변화될 수 있다. 이 개수의 선택은 현재 능동 제어 방식에 적어도 부분적으로 근거할 수 있다. 이러한 결정은 주 제어 장치(MCU), 코일 제어 장치(CCU) 및/또는 외부 수준에서 만들어질 수 있다. 소정의 구체예들에서, 모터는 시계 방향, 시계 반대 방향, 또는 양 방향으로 동작하도록 구성될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 동작을 생성하기 위해, 코일은 특정 순간에 온 및 오프로 전환될 수 있다. 이러한 순간들은 다음 중 하나 또는 그 이상에 의해 결정될 수 있다:
A. 다음을 포함하는 저장된 시퀀스: 관찰(센서 피드백을 통해 얻어진); 스트리밍(외부 장치를 통해 얻어진); 미리 계산(모터 전자부품에 저장)
B. 다음을 포함하는 계산된 시퀀스: 순차적 기반 활성화(코일이 교류 극성 회전 방식으로 순차적으로 토급된다); 최적의 힘을 활성화(코일은 개별 피드백 데이터가 최적의 힘이 회전자에 적용되는 것을 지시할 때 활성화된다); 최적 효율 활성화(코일은 전력 소비를 최소화하면서 목표 작동 모터 역학을 유지하는 방식으로 작동된다); 및 랜덤 기반 활성화(코일은 랜덤하게 활성화); 패턴 기반 시퀀스(코일은 소정의 패턴으로 시퀀스화된다); 피드백 주파수 기반(코일은 구동 아날로그 주파수 신호에 기초하며 활성화된다); 및
C. 바람직한 모터 성능을 성취하는 다른 적절한 구동 시퀀스.
소정의 구체예들에서, 피드백은 다음과 같은 변화하는 조건에 장치를 적응시키도록 최적의 구동 루틴/패턴을 생성 및/또는 선택하는데 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다: 모터 동작 성능을 변경할 수 있는 변화하는 온도 또는 다른 일시적 힘/응력의 변화; 방전 배터리/변경되는 전압 공급; 발전기 또는 적용분야에서의 기계적 출력에 대한 수요의 증가; 손상 및/또는 일반적 마모 및 훼손으로 인한 장치의 파라미터에서의 변화; 또는 이들의 조합.
소정의 구체예들에서, 특정 전기 장치 파라미터는 센서 피드백 또는 다른 방법의 조정(tuning)을 사용하여 보정될 수 있다. 예를 들어, 기계 학습 기술의 사용, 및/또는 다른 자동화된 튜닝, 내부적으로, 외부적으로 동작, 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다.
소정의 구체예들에서, 능동 제어 방식은 전력 소비 및/또는 보다 최적화된 전력 소비를 감소시키기 위해 여러 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 다음 중 하나 또는 그 이상이 사용될 수 있다: 활성 코일 수의 동적 감소(토크 당 더 낮은 전력); 활성 코일 전력 비율의 동적 감소(더 평탄화된 토크); 백(back) EMF 재생/소거 최적화; 및 코일에 인가되는 전력을 정밀 제어할 수 있도록 하는 코일 구동 신호의 펄스 폭 변조.
소정의 구체예들에서, 피드백 모니터링은 결함을 검출하고 자동적으로 오류 있는 장치의 전원을 오프시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 다음 중 하나 또는 그 이상: 코일 과전류 보호/감지; 과전압/과전력 보호; 과열 보호; 및 속도의 오버 스핀 보호. 소정의 구체예들에서, 조정된 마스터 메커니즘은 마스터 컨트롤러의 리던던시를 보장하기 위한 3웨이 투표(voting) 메커니즘을 사용하여 조정된 제어 신호를 생성하고, 마스터 컨트롤러가 정칙(nonsingular)일 수 있도록 사용될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 외부 신호는, 종료, 재시작, 또는 하나 또는 그 이상의 컨트롤러를 재구성하는 목적으로 하나 또는 그 이상의 단일 컨트롤러를 우회하도록 적용될 수 있다 .
피드백
소정의 구체예들에서, 피드백은 하나 또는 그 이상의 조건에서 최적의 작업에 유용할 수 있지만, 특정 장치에 통합하기 위한 단지 비용 효과적일 수도 있다. 피드백이 요구되지 않은 경우, 표준 오픈 루프 제어가 사용될 수 있다. 피드백은 CCU 또는 MCU 또는 둘 다를 컨트롤러로 이용할 수 있다. 특정 구체예에서, 제어 섹션에 기술된 바와 같이 피드백은 각각의 장치에 대해 로컬 또는 원격으로 수집될 수 있고, 하드웨어 및/또는 소프트웨어 중 하나에서 사용될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 본 출원에 논의된 바와 같이 피드백은 하나 또는 그 이상의 장치에 대해 로컬 또는 원격으로 수집될 수 있고, 하드웨어 및/또는 소프트웨어 중 하나에서 사용될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 피드백은 다음 방법 중 하나 또는 그 이상으로 측정 및/또는 얻어질 수 있다: ADC를 통한 코일의 순시 전압, 또는 다르게는 언제든지 또는 실질적으로 언제든지; 비접촉식(홀 효과) 또는 접촉식 전류 측정방법에 의한 코일 또는 전원 공급 장치를 통하는 전류; 코일에 전원이 공급되지 않는 상태에서 백(back) EMF 측정; 여기에서 논의된 바와 같은 센서에 의해 얻어진 각위치; 자기장 강도 또는 각도; 온도; 및 가속도계 또는 다른 것을 통한 진동. 소정의 구체예들에서, 회전자의 각도 위치는 다음 중 하나 또는 그 이상을 측정함으로써 획득될 수 있다: 절대 각도 또는 위치; 상대 각도 또는 위치; 및 속도. 소정의 구체예들에서, 판독은 하나 또는 그 이상의 다음과 같은 센서의 사용을 통해 달성될 수 있다: 홀 효과 및/또는 GMR, AMR과 같은 다른 자기 센서기술; 회전(rotary) 및/또는 쿼드러처 인코더, 광학 또는 다른 방법; 현재 컴퓨터 마우스에 사용되는 레이저/광 추적기와 같은 위치/속도 감지센서; 및 소프트웨어 처리기능을 갖는 카메라.
컨트롤러(controller) 아키텍처
소정의 구체예들에서, 축방향 자속 전기 장치는 다음을 포함할 수 있다: 코일 구동 컨트롤러, 코일 제어 유닛(CCU) 및/또는 모터 제어 유닛(MCU). 소정의 구체예들에서, 컨트롤러의 레이아웃은 개별적으로 각 코일의 제어를 유지하면서 변할 수 있다. 소정의 구체예들에서, 컨트롤러의 레이아웃은 개별적으로 하나 또는 그 이상의 코일의 제어를 유지하면서 변할 수 있다. 소정의 구체예들에서, 컨트롤러의 레이아웃은 개별적으로 코일의 적어도 상당 수의 제어를 유지하면서 변할 수 있다. 소정의 구체예들에서, 컨트롤러의 레이아웃은 개별적으로 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98%, 99% 또는 100%의 제어를 유지하면서 변할 수 있다. 본 발명에 설명된 것과 같이, 컨트롤러는 코일의 제어를 허용하며 본 발명에 설명된 '스위치'를 구동한다. 도 24는 예시적인 모터 제어 유닛(MCU)(113), 코일 제어 유닛(CCU)(115), 사용가능한 통신 버스(116, 117) 사이의 예시적인 관계를 보여준다. 하나 또는 그 이상의 MCU는 복수의 CCU들 중 하나와 통신할 수 있다. 또한, 소정의 구체예들에 따른 코일 구동 아키텍처가 도시되어 있는데, 이는 하나 또는 그 이상의 코일(88)에 대한 하나 또는 그 이상의 코일 구동부(111)를 포함한다. CCU, MCU와 코일 구동부 사이의 시그널링은 전기적으로 분리될 수 있다. 도 25는 소정의 구체예들에 있어서, CCU 아키텍처(115)를 도시한다.
마이크로 컨트롤러(118)는 장치를 제어하는 데 사용될 수 있으며, 이는 센서 (121)로부터 데이터를 수집하기 위한 아날로그 디지털 컨버터(ADC)(122)를 포함한다. 통신 송수신기(119)는 명령을 수신하고 MCU와 데이터를 교환할 수 있도록 마이크로 컨트롤러 직렬 버스(120)에 접속된다. 마이크로 컨트롤러는 디지털 버스 또는 PWM 이용하여 코일 구동부(111)를 제어한다. 코일 구동부는 고전압 입력(123)을 수신하고, 코일(88)에 그것의 공급을 제어한다. 마이크로 컨트롤러와 다른 주변 저전력 장치는 DC 변환기(124)에 고효율 DC가 공급될 수 있다. 갈바닉(Galvanic) 절연은 여러 지점(81)에서 선택 사항이다. 소정의 구체예들에서, 사용되는 컨트롤러의 수는 적용분야의 특정 요구에 따라 변화될 수 있다. 도 26은 1:1:1 구성을 보여주는데, 하나의 개별 모터 제어 유닛(MCU)(113)이 하나의 코일 제어 유닛(CCU)(115)와 통신하고, 각 스위치 및/또는 스위치 구동부(114)를 1:1:1 구성으로 차례로 제어한다. (예를 들어, 도 26 참조); 1:n으로 하나 또는 그 이상의 CCU에 의해 제어되는 많은 스위치(예를 들어, 도 27 참조) 또는 m:n 구성(예를 들어, 도 28, 29 참조); 모터 제어 유닛(MCU)은 속도 및/또는 다른 명령을 주면서, CCU를 제어한다; 그리고, MCU는 CCU의 필요성을 우회하여 직접 하나 또는 그 이상의 코일들을 제어할 수 있다.
소정의 구체예들에서, 컨트롤러는 여러 가지 방법을 통해 구현될 수 있으며, 그 예는 다음 중 하나 또는 그 이상을 포함한다: 마이크로 컨트롤러 또는 마이크로 프로세서와 같은 임베디드 시스템의 소프트웨어 및/또는 하드웨어 특징을 사용; FPGA, CPLD, ASIC 또는 다른 VLSI나 프로그래머블 로직 디바이스의 사용; 기본적 제어 루프를 생성하는 전형적인 전기 피드백 토폴로지의 사용과 같은 아날로그 시스템; 및 이들의 조합.
도 30은 복수의 마이크로 프로세서 구성이 있고, 마스터 제어 프로세서가 예를 들어 CCU(115)가 될 수 있는 특정 구체예를 도시한다. 소정의 구체예들에서, CCU는 마스터 컨트롤러가 필요없이 독립적으로 작동할 수 있다. 소정의 구체예들에서, CCU는 마스터 컨트롤러가 필요없이 독립적으로 작동할 수 있으며, 동기 동작은 공통의 센서 또는 전기 장치의 동작과 관련된 예측 가능하고 일관성 있는 독취(readings)를 갖는 센서의 사용을 통해 달성될 수 있다. 모터 속도 및/또는 전력이 균일하고(또는 실질적으로 균일), 시스템으로의 유일한 입력은 전원이 ON 또는 OFF되는 것인 소정의 구체예들에서는, 공통 통신 버스는 필요하지 않을 수도 있다.
소정의 구체예들은 하나의 모터 제어 유닛이 하나 또는 그 이상의 코일 제어 유닛이 연결된 공통 통신 버스에 연결되는 표준 마스터 슬레이브 구성에서 MCU(모터 제어 유닛)에 관한 것이다. 소정의 구체예들은 하나의 모터 제어 유닛이 적어도 70%, 80%, 90%, 95%, 98%, 99% 또는 100%의 코일 제어 유닛이 연결된 공통 통신 버스에 연결되는 표준 마스터 슬레이브 구성에서 MCU(모터 제어 유닛)에 관한 것이다. 도 31은 하나의 모터 제어 유닛(MCU)(113)이 각 코일 제어 유닛(CCU)(115)에 연결된 공통 통신 버스(125)에 접속되는 구성을 나타낸다. 소정의 구체예들은 복수 개의 마스터가 허용값으로 보내지도록 조절하는 리던던트 마스터 슬레이브 구성에 관한 것이다. 예를 들어 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10의 MCU는 CCU에 대한 명령을 계산할 수 있지만, 단지 하나의 MCU의 명령들만 중재(arbitration) 방법에 의해 사용된다. 이 방식으로 장애 발생시, 실패한 MCU는 비록 다른 MCU들에 의해 전원을 OFF될수 있다 하더라도 '다수결에서 밀리게(outvoted)'되며 그 명령은 폐기된다. 다른 구체예들은 다른 MCU가 실패한 경우에만 활성되어 명령을 전송하고, 실패한 경우에 리던던트 MCU를 포함할 수 있다. 도 32는 3 모터 제어 유닛(MCU)(115)이 코일 제어 유닛(CCU)(113)의 각각에 접속되는 공통 통신 버스(125)에 연결되는 구성을 나타낸다. 소정의 구체예들에서, 코일 제어 유닛 중 하나 또는 그 이상이 복수개의 모터 제어 유닛과 통신하지 않는 구성을 갖는 것이 가능하다. 소정의 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 CCU는 센서 데이터를 공유 및/또는 공통 출력을 제공하는 그룹으로 함께 작동할 수 있다. 이러한 구체예에서, 통신은 공통 버스 또는 직접 피어와 피어간(peer to peer)을 통해 발생할 수 있다. 이러한 구체예에서, 모터 제어 유닛은 필요하지 않을 수도 있다. 도 33은 중앙 통신 버스가 존재하지 않고 각 CCU(113)부터의 통신은 점대점(point to point)(126)인 구성을 보여준다. 도 34는 중앙 통신 버스(토큰 링)(127)가 CCU(113)들 사이의 통신에 사용되는 구성을 나타낸다. 도 33 및 34 모두에서, MCU는 필요하지 않다.
소정의 구체예들에서, CCU 및/또는 MCU에서 디지털 로직 및/또는 다른 장치를 공급하기 위한 전력 시스템은 사용되는 기기의 동작 전압에 높거나 낮은 전압으로 변환할 필요가 있고, 하나 또는 그 이상의 다음 토폴로지(topologies)를 갖는다: 벅(buck) 또는 부스트(boost)로 스위칭되는 DC-DC 컨버터; 선형 규제 또는 다른 것; 변압기; 저항 공급(분할에 의한); 및 광 전력 전송. 소정의 구체예들에서, 전력(ppower)은 제어 유닛, CCU, MCU, 전체 모터 및/또는 다른 장치에 공급될 수 있다. 이러한 구현은 다음 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다: 스위치가 모터 케이스에 장착되는 때처럼 동일한(또는 실질적으로 동일한) 스위치가 사용하는 전원; RF/EM으로부터 '폐기물(waste)'이나 '배경(background)' 에너지 수확; 발전기 분야와 같이, EM 유도/생성을 통해; 배터리, CCU/MCU 디바이스 마다 하나 및/또는 그렇지 않으면, 충전 또는 비충전; 태양, 풍력, 수력 및/또는 다른 형태의 재생 에너지원; 및 다른 다양한 전압에서의 주전원, 단상, 삼상.
소정의 구체예들에서, 스위치 및/또는 CCU/MMU에 대한 전원 공급은 또한 하나 또는 그 이상의 CCU 또는 코일에 대해 전원을 차단할 수 있도록, 안전 기능으로서, 전력 제어 오버라이드(overrides)를 가질 수 있다. 이것은 예를 들어 여기에서 논의된 바와 같이 적절한 스위칭 토폴로지를 통해 구현될 수 있다.
소정의 구체예들에서, MMU와 외부 컨트롤러 사이, MMU와 내부 CCU 및/또는 다른 장치들 간의 통신은 다음 방법중 하나 또는 그 이상을 사용하여 갈바닉 절연될 수 있다: 광(IR 또는 다른 스펙트럼)의 섬유 또는 성형된 플라스틱 같은 공간/공기 또는 다른 것을 통해 광을 안내하는 물리적 매체를 통해; 적합한 스펙트럼, 물리 계층 기술, 및/또는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS), O- QPSK 또는 다른 방식과 같은 인코딩 방식의 무선주파수; 와이어 및/또는 다른 도전물질을 통한 도전 그리고, RF 절연 IC, 변압기, 전기 용량, 광학 절연 IC, 또는 이들의 조합과 같은 전기적 절연을 사용하여 절연.
도 35는 두 개의 중복(redundant) 통신 버스(128)를 가진 구성을 나타낸다. 소정의 구체예들에서, 통신 계층은 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 그 이상의 중복 층을 가질 수 있다.
소정의 구체예들에서, 제어기/드라이버/MCU(115) 및/또는 CCU(113) 및/또는 외부 장치(예: 차량 제어 유닛과 MCU)간의 장치 내부 통신은 하나 또는 그 이상의 여기에 기술된 물리 계층 구현과 함께 다음 기술 및/또는 통신 프로토콜 중 하나 또는 그 이상과 관계된다: 단일 종단형(single ended), 직렬 및/또는 병렬(예를 들어, UART, SPI 또는 I2C), 차동 신호(예를 들어, CAN 버스 또는 RS485 프로토콜), 광학 포인트 투포인트 및/또는 광학 버스와 RF 통신.
도 1을 참조하면, 브러쉬리스, 축방향 자속, 직류 전동 모터(1)는, 하나 또는 그 이상의 디스크 형상의 고정자를 포함하되, 각각(또는 하나이상)의 고정자는 제 1 환형 전도성 요소(4)와 제 2 환형 전도성 소자(2)를 포함하고, 전도성 요소는 전기 절연층(3)에 의해 분리될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 절연층은 캡톤(Kapton)과 같은 고-유전값을 갖는 기계적으로 강인한 재료로 제조될 수 있다. 다른 적절한 재료도 또한 사용될 수 있다. 소정의 구체예들에서(미도시), 고정자는 표면을 경질 양극산화(hard anodising)하여 전기적으로 분리할 수 있는데, 이는 양극 산화가 실질적으로 또는 충분히 가장자리까지 연장되는 것을 보장한다. 양극 산화는 대안적으로 적용 및/또는 절연층에 부가해서 사용된다. 고정자의 둘레에는 등간격 또는 실질적 등간격으로 원형 어레이의 전자기 코일(5)이 장착되고, 코일로부터의 열은 환형 전도성 요소의 외부면으로 전달될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 요소들은 알루미늄이나 마그네슘 합금 등의 적절한 기계적 강도 및/또는 전도도의 가벼운 소재로 제조될 수 있으며, 외부 표면은 방열 표면적을 더 넓게 하도록 핀 또는 리브가 형성될 수 있다. 다른 적합한 방열 메카니즘 또는 방법이 사용될 수도 있다. 환형 전도성 요소(4)는 전원 도체(여기에 더 상술되는)로 사용되는 내측 방사상으로 연장되는 핑거(도 3에서 37로 도시된)로 만들어질 수 있고, 환형 전도성 요소(2)으로부터 핑거를 생략하면 하나 또는 그 이상의 적층 회로 기판(6)을 수용하는 내부 공간이 만들어진다. 이러한 적층 회로 기판(6)은 평행, 실질적으로 평행 및/또는 다른 적절한 구성을 가질 수 있다. 소정의 구체예들에서(미도시), 회로 기판은 부분적 또는 전체적으로 내부 도체의 시스템으로 대체될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 회로 기판은 그것에 납땜 되는 고체(solid-state) 스위치(7)의 땜납 태그(tag)에 의해 지지될 수 있고, 스위치는, 차례로 환형 전도성 요소(4)의 핑거에 고정된다(본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것처럼). 소정의 구체예들에서(미도시), 회로 기판은 전도성 브라켓, 절연성 브라켓, 기둥(pillars), 스트러트 또는 이들의 조합을 포함하는 적합한 구조에 의해 고정자로부터 지지를 받을 수 있다. 전동 모터는 하나 또는 그 이상의 디스크 형상의 회전자(8)와 그 둘레에 등 간격(또는 실질적으로 등간격)의 원형 어레이로 장착되는 강력한 영구자석(9)를 더 포함할 수 있으며, 어레이는 전자기 코일과 동일한 또는 실질적으로 동일한 중앙 직경을 가질 수 있고, 자석은 교대 극방향(alternating pole orientation)을 가질 수 있다. 소정의 구체예들에서(미도시), 영구 자석과 전자기 코일 어레이의 중앙 직경은 불균일하지만 자석과 코일의 자기장이 교차하게 된다. 소정의 구체예들에서(미도시), 어레이 내의 영구 자석의 극은 방향(like orientation)을 가질 수 있다. 소정의 구체예들에서(미도시), 배열된 영구 자석은 그룹으로 만들어질 수 있고, 각 그룹의 자석의 극방향은 공통되지만 인접그룹의 극방향은 대향된다. 소정의 구체예들에서(미도시), 영구 자석은 불균등한 숫자의 그룹이고, 그룹 내 자석의 극 방향은 공통되도록 배열될 수 있다. 소정의 구체예들에서(미도시), 영구 자석은 회전자의 축 방향 깊이의 전부를 통과하고, 샤프트에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배향될 수 있지만, 그들의 중심 거리는 임의로 최대 반경 방향 깊이의 반만큼 위치가 변경된다(내측 또는 외측으로 방사상 의미의 변위). 소정의 구체예들에서, 변위(내측 또는 외측으로 방사상 의미의 변위)는 반경 방향 깊이의 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 또는 0.9까지 일 수 있다. 소정의 구체예들에서(미도시), 배열된 영구 자석은 회전자의 축 방향 깊이의 전부를 통과하고, 0 내지 30도 사이의 축이 편향될 때 샤프트에 평행하게 또는 실질적으로 평행하도록 공통으로 변위될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 편향은 0 내지 30도, 0 내지 20도, 0 내지 40도, 5 내지 40도, 5 내지 30도, 5 내지 10도, 10 내지 30도, 20 내지 35도 또는 다른 적절한 범위 사이에 있을 수 있다. 소정의 구체예들에서(미도시), 영구 자석의 배열은 회전자의 축 방향의 깊이의 일부분만 통과하고, 그들의 내측 단부는 선택적으로 회전자에 장착되는 적합한 자기 투과성 재료의 백(back) 아이언과 접한다. 소정의 구체예들에서(미도시), 영구 자석과 전자기 코일은 본 출원에 개시된 구체예들의 가능한 조합으로 배치될 수 있다. 회전자는 전자기 코일과 영구자석 사이에 간극을 가지며, 축상에 회전자가 정확(또는 적절)한 축방향 분리를 유지(또는 부분적으로 유지)하도록 적절한 스페이서(11, 12, 13, 14)를 가지고 고정자에 평행(실질적 평행)하게 스플라인 결합이거나 샤프트(10)에 고정된다. 샤프트의 내측 단부는 전기 모터의 케이싱의 엔드 플레이트(15)에 탑재된 적합한 베어링(16)에 의해 회전이 지지된다. 케이싱은 엔드 플레이트(15), 환형 전도성 요소(4), 환형 전도성 요소(2)와 케이싱 요소(17, 18, 19, 20)를 포함할 수 있으며, 이것들은 축 방향으로 통과하는 복수의 조립 볼트(21)에 의해 적층된 배열로 유지된다. 적층된 요소들의 외부 표면은 방열 표면적을 더 넓게 하도록 핀 및/또는 리브가 형성될 수 있고, 접하는 면들 사이에는 적절한 밀봉재(또는 밀봉 수단)가 제공될 수 있다. 샤프트의 외측 단부는 고정 너트(25)로 샤프트에 결합되는 휠 플랜지(23)에 고정된다. 복수개의 휠 고정 볼트(24)는 휠 플랜지 상에 제공된다. 케이싱의 외측 단부는 적합한 추력 베어링과 적합한 밀봉재(또는 밀봉 수단)(미도시)을 수용하는 추력 베어링 하우징(22)에 의해 밀봉되어 폐쇄되는데, 이것은 회전하는 샤프트를 지지하고, 휠의 부하를 지지하고, 휠 플랜지와 샤프트를 축 방향으로 유지하며, 윤활유의 유출 또는 오염 물질의 유입을 방지, 실질적 방지 또는 충분히 방지한다. 자속 귀환 경로를 제공하기 위해, 적합한 자기 투과성 재료의 환형 백 아이언(26)은 고정자에 대향하는 회전자의 하나 또는 그 이상의 면(또는 각면) 상에 제공될 수 있으며, 여기서 백 아이언은 자석이 점유하는 환형 영역을 덮는다. 다른 구체예에서(미도시) 바로 인접하지 않는 고정자를 갖는 회전자에서, 백 아이언은 생략될 수 있으며, 자석은 적당한 할바흐(Halbach) 배열의 형태를 취한다. 전자부품 하우징(27)은 하우징의 적절히 위치된 부분 상에 형성되거나 고정되어 제어 회로 기판(33)을 포함한다. 고체 상태 스위치는 전자기 코일에 전력을 공급함으로써 회전자를 회전하게 하는 제어 시스템(미도시)으로부터 명령 신호에 의해 활성화된다. 적합한 센서(미도시)는 회전자의 절대적이고 순간적인 위치에 대한 데이터를 제공하는 제어 시스템으로 전송되는 신호들을 생성하기 위해 제공된다. 소정의 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 적합한 센서(미도시)는 하나 또는 그 이상의 회전자의 절대적, 실질적으로 절대적 또는 충분히 절대적 및/또는 순간적, 실질적으로 순간적, 비교적, 실질적으로 비교적, 또는 이들의 조합인 위치에 대한 데이터를 제공하는 제어 시스템으로 전송되는 신호들을 생성하기 위해 제공된다. 소정의 구체예들에서(미도시), 센서는 하나 또는 그 이상의 광학 및/또는 하나 또는 그 이상의 홀효과 센서의 종류일 수 있다. 소정의 구체예들에서(미도시), 회전자의 위치는 구동되지 않은 코일에서 발생된 역기전력(back EMF)을 참조하여 결정될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 영구 자석은 강력하거나 충분히 강력한 희토류형 자석의 형태를 취할 수 있으며, 회전자의 축 방향 깊이 이내의 위치에서 안전할 수 있도록 예를 들어, 본딩, 적합한 기계적 잠금 또는, 중앙 회전자 그림에 도시된 바와 같이 두 부분 사이를 함께 고정(imprisonment)할 수 있다. 소정의 구체예들에서(미도시), 저비용 적용 분야 및/또는 상이한 동작 파라미터를 충족시키기 위해 요구되는 것들에 이용될 수 있으며, 자석은 종래의 형태를 취한다. 회전자 본체 부품은 회전자가 동작 및/또는 휴식중일 때 발생하는 자력에 저항하기에 충분히 강한 및/또는 강성이 있도록 만들어진다. 회전자의 몸체 부품은 선택적으로 회전 질량을 감소 및/또는 강성을 부여하도록 반경 리브와 솔리드 및/또는 부분적으로 중공으로 만들어진다. 소정의 구체예들에서, 전자기 코일은 도 4에 기술된 형태로 만들어질 수 있으며, 자기 극성의 신속한 스위칭 및/또는 역전을 허용하도록 적당히 낮은 자기 저항을 가지면서 적절히 높은 자속 레벨을 생성한다. 소정의 구체예들에서(미도시), 종래의 권선 또는 리본으로 감긴 코일, 보빈 구조는 공기 코어 및/또는 적합한 자기 투과성 재료로 이루어진 코어와 함께 사용될 수 있다. 특정 관점에서, 코일 구성은 반드시 전류 흐름의 최대화와 인덕턴스 효과의 최소화 및/또는 적어도 일부 히스테리시스로 인한 손실이 절충될 수 있다. 환형 전도성 요소(4)를 통해 고체 스위치에 공급될 수 있으며, 그로 인해 전류는 고체 스위치에 큰 전류 흐름을 허용한다. 복수의 적합한 러그(lug)(도 3의 34, 35로 도시)는 전기 도체의 부착을 위한 환형 도전 요소의 주변부에 제공될 수 있다. 전자기 코일은 고정자의 축 방향의 깊이 내에 장착될 수 있고, 장소에 결합 및/또는 내장될 수 있다(예를 들어, 고강도, 고온 에폭시 수지, 배열 효율(또는 적절한 효율) 도전성 냉각). 고정자는 동작 및/또는 휴식 중에 발생하는 자력에 저항하기에 충분히 강한 및/또는 강성으로 만들어질 수 있다. 특정 적용분야에서, 전기 모터가 직접 구동 자동차 휠 모터로서 사용될 수 있으며, 케이싱의 단부판(15)에 제공된 부착 볼트 구멍(28)을 적절히 결합함으로써 자동차의 서스펜션에 장착될 수 있다.
특정 적용분야에서, 전동 모터가 직접 구동 자동차 휠 모터로서 사용될 수 있으며, 영구 자석과 전자기 코일의 배열 어레이의 중앙 직경은 15 내지 60cm 범위이고, 코일의 개수는 홀수, 자석의 개수는 코일의 수보다 하나 많다. 다른 적합한 범위도 사용될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 18개의 자석이 사용될 수 있다. 유사한 동작 원리를 이용하는 다른 소정의 구체예들에서, 영구 자석과 전자기 코일의 수는 선택적으로 2배, 3배, 또는 4배이고, 원하는 토크와 RPM을 생성하기 위해 필요에 따라 코일에 전원이 공급될 수 있다. 특정 적용분야에서, 영구 자석의 개수와 전자기 코일의 개수는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 20, 또는 그 이상이고, 원하는 토크와 RPM을 생성하기 위해 필요에 따라 코일에 전원이 공급될 수 있다. 마찬가지로, 다른 대안적인 구체예에서, 영구 자석과 전자기 코일은 선택적으로 동일한 개수로 이루어질 수 있다. 마찬가지로, 다른 대안적인 구체예에서, 영구 자석 과 전자기 코일은 선택적으로 동일한 개수로 이루어지지만, 스타트업시 자기 정체(magnetic stasis)를 방지하기 위해 위치적 비대칭을 갖도록 한다. 특정 적용분야에서, 영구 자석과 전자기 코일의 배열의 중심 직경이 커질수록 생성되는 토크도 커진다. 전기 모터의 배치는 특수 설계 부품, 표준 구성 부품, 또는 이들의 조합으로부터 하나의 회전자와 고정자의 조합으로부터 적어도 10개의 회전자를 사용하는 조합까지 많은 조합을 허용한다. 특정 응용분야에서, 회전자의 수는 적어도 5, 10, 15, 20 또는 25일 수 있다. 회전자 및 고정자의 큰 숫자를 이용하는 조합은 대형 트럭 및 토목 장비와 같은 대형 장치 또는 기계에 사용될 수 있다.
소정의 구체예들에서, 전자 정류를 제공하기 위해 사용되는 고체 스위치는 전기 모터에 의해 요구되는 공급 전압을 처리할 수 있는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)일 수 있다. 비록 p-형(P-FET) 및 n-형(N-FET) 전계 효과 트랜지스터들 모두는 적용분야에 적합할 수 있지만, 소정의 구체예들에서는, IGBT는 전하 펌프를 통합한 집적 회로에 의해 각 IGBT(또는 하나 또는 그 이상)의 하이 사이드 전원공급(powering)을 갖는 H-브리지 배열에 사용될 수 있다. 소정의 구체예들에서, IGBT는 전하 펌프를 통합한 예를 들어, 집적 회로에 의해 하나 또는 그 이상의 IGBT의 하이 사이드 전원공급(powering)을 갖는 H-브리지 배열에 사용될 수 있다. 전자기 코일과 바로 인접한 IGBT의 위치 결정은 저-저항의 짧고 효율적인 전도 경로를 제공할 수 있다. 실질적으로 인접하거나 적절하게 인접 또는 서로 통신하는 것과 같은 다른 위치 결정도 또한 사용될 수 있다. 사용된 IGBT의 종류는 히트 싱크로서 의도된 큰 탭(tab)을 제공할 뿐만 아니라, 전기 전도성일 수도 있다. 따라서 탭은 저-저항의 효율적인 전류 공급 경로를 갖는 IGBT를 제공하고 공간의 효율적인 사용 및/또는 환형 전도성 요소의 외면에 형성된 핀 또는 립으로 효율적인 열 전도 경로를 제공하는 환형 전도성 요소(4)의 핑거에 직접 또는 간접적으로 고정될 수 있다.
도 2 및 3을 추가 참조하면, 복수의 적절한 러그(34, 35)는 전기 도체의 부착을 위한 환형 전도성 요소의 주변부에 제공될 수 있고, 커넥터(29, 30)는 각 러드마다 제공된다. 전자기 코일 중 하나 또는 그 이상 주변의 와전류의 발생을 방지(실질적으로 방지, 충분히 방지하거나 감소)하기 위해, 전자기 코일을 수용하는 각각의 개구로부터 다소 반경 방향 내측으로 연장되는 슬롯(38)이 절단에 의해 (예를 들어, 대체 핑거) 생성될 수 있다. IGBT는 부분적으로 슬롯(38)에 수용될 수 있고, 전자기 코일의 권선과의 제1 연결부(도 4에서 41로 도시)는 슬롯의 한쪽면을 통해 공통 접지판(39)에 도달하고, 적합한 절연이 전기적으로 슬롯의 표면으로부터 연결부를 분리하기 위해 제공된다. 전자기 코일의 권선과의 제2 연결부(도 4 에서 42로 도시)는 슬롯의 다른쪽 면을 통해 공통 IGBT에 도달한다. 공통 접지판에 IGBT로의 연결은 40에서 만들어질 수 있다. DC to DC 절연 컨버터(44, 46) 및 고전압 스텝 다운 레귤레이터 회로 기판(43,45)은 회로 기판(6)의 내부 에지에 장착될 수 있다. 두 개의 독립적인 전원 공급은 유도 전류가 전자 기능에 악영향을 미치는 것을 방지(실질적으로 방지 또는 충분히 방지)하기 위해 사용될 수 있다. 마찬가지로, 유도전류가 명령이나 피드백 신호들에 간섭을 일으키는 것을 방지, 실질적으로 방지 또는 충분히 방지하기 위해 내부 및/또는 외부 회로가 전기적으로 절연될 수 있다. 일부 구체예에서, 전기적 절연은 각 고정자마다 하나의 쌍으로 제공되는 적외선 송신 회로(47), 수신 회로(48)의 사용을 통해 얻을 수 있다. 소정의 구체예들에서, 고정자 내부의 마이크로 컨트롤러로부터의 제어 신호는(도 7에서 81으로 도시)는 전자파(RF) 절연 구조 또는 기술을 이용하여 절연(galvanically isolated)될 수 있다. 다른 구체예에서(미도시), 전기적 절연은 그 목적에 적합한 광학, 캐패시턴스, 유도, 전자기, 음향, 기계적인 구조나 기술 또는 이들의 조합의 사용을 통해 달성될 수 있다.
추가적으로 도 4를 참조하면, 소정의 구체예들에서, 120V에서 90A의 전류는 전기 모터에서 최대 전력 출력을 얻기 위해 전자기 코일로 공급되도록 요구될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 전자기 코일(5)은 정방형 단면 형상의 적합한 자기 투과성 코어(61) 주변의 두 개의 분리된 스트립의 구리 호일(foil)(49-52) 등 및 53-56 등으로부터 권선될 수 있다. 구리호일 권선의 턴(turn)은 방향성 규소 철강(57-60) 등 특별히 절단 형성된 사각형으로 인터리브될 수 있다. 철강은 종종 비절연 에지가 구리 호일 권선에 노출될 때 절연성 복합물로 코팅되어 공급된다. 실제로, 특정 응용분야에서, 이는 구리 호일의 저-저항 때문에 강판 통해 흐르는 전체 전류의 비율 또한 최소이므로 코일 기능에 단지 최소한의 영향을 미친다. 구리 호일 권선의 내측 단부는 2개의 구리 호일 권선들 사이의 간극과, 적절하게 위치한 개구를 통해 인출되는 절연된 도체(41)에 연결되어 있고, 구리 호일 권선의 외측 단부(42)와 함께, 코일과 IGBT 사이에 필요한 연결을 만들기 위해 필요한 만큼 연장된다. 전자기 코일은 고정자 내에 자리 잡도록 고강도, 고온 에폭시 수지로 접착되고, 고정(potted)될 수 있다. 전자기 코일은 인덕턴스의 영향을 감소시켜 극성 스위칭의 최대 속도를 증가시키도록 구리 호일로 권선될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 400 Hz의 최대 스위칭 속도가 얻어진다. 소정의 구체예들에서, 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz, 500 HZ, 600 Hz 또는 800 Hz의 최대 스위칭 속도가 얻어질 수 있다. 소정의 구체예들에서(미도시), 다른 동작 파라미터를 만족시키기 위해, 높거나 낮은 스위칭 속도를 얻을 수 있다. 또한, 백(back) EMF를 다시 감소시킴으로써, 소정의 속도로 전기 모터를 작동하기 위해 필요한 전압은 감소될 수 있다. 소정의 구체예들에서(미도시), 전자기 코일은 구리와 코일의 이러한 구현의 복사(facsimile)를 생성하기 적합한 강자성 재료(빌드 업 어셈블리는 소결로 영구적 성형됨)의 컴퓨터 제어 증착에 의해 만들어질 수 있다. 소정의 구체예들에서(미도시), 전자기 코일의 구리 호일 부분은 방향성 규소 강판의 프리-컷 조각이 구리 호일의 턴들 사이에 개구에 슬라이딩 될 수 있고, 컴퓨터 제어 증착 및 전자 빔 용접 또는 소결에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 0.2 mm의 두께와 25 mm의 최대 유효 폭을 갖는 구리 호일은 90A의 원하는 최대 전류를 운반할 수 있다. 다른 적합한 호일 구성도 사용될 수 있다. 0.23 mm의 두께로, 전자 코일 내의 방향성 규소 강판의 체적은 필요한 자속 강도의 생성을 허용하기에 충분하다. 구리 호일 및 방향성 규소 강판의 두께는 실질적으로 단지 표시하기 위한 의도이고, 대체 구체예에서, 두꺼운 또는 얇은 물질이 선택적으로 사용된다. 소정의 구체예들에서(미도시), 일반적 방법으로 권선 또는 리본으로 감긴 전자기 코일 보빈 구조는 공기 코어 또는 적합한 자기 투과성 재료로 이루어진 코어와 함께 사용될 수 있다. 다른 구체예에서, 전자기 코일은 고온 초전도 코일로 만들어질 수 있다. 코일은 공기 코어 및/또는 적당한 작동 온도를 유지하기 위해 액체 질소 냉각 기술 또는 수단을 사용할 수 있다.
도 6을 추가적으로 참조하면, 소정의 구체예들에서, 강력한 또는 충분히 강력한) 원형 단면 형상의 영구 자석(9)은 여기에 설명된 대로 회전자 디스크(8)의 두께에 내장될 수 있다. 적당한 슬롯(63)은 회전 질량을 감소시킴으로써 회전자의 각 운동량과 전동 모터 케이싱 내의 공기의 축 방향 흐름을 허용하기 위하여 회전자 디스크에 제공될 수 있다. 회전자 디스크의 중심 보어(bore)(64)는 축의 상보 스플라인을 수용하도록 스플라인 형태를 갖는다. 도 5를 추가적으로 참조하면, 소정의 구체예들에서, 강한 영구 자석(9)은 다소 사다리꼴 형상으로 이루어질 수 있고 극 방향을 번갈아 서로 맞닿게 된다. 이들 구체예에서, 상기 영구 자석의 반경 방향 내측에는 회전자 디스크의 외주에 형성된 상보적인 형상과 결합(또는 연결)되도록 형성될 수 있고, 자석의 측면 에지는 배열된 인접 자석에 형성된 상보적인 형상과 결합(또는 연결)되도록 형성될 수 있고, 자석은 고강도 금속 재료의 원주 구속 밴드(미도시)에 의해 회전자 디스크의 위치에 유지될 수 있다. 회전자 디스크의 중앙 보어(62)는 샤프트의 상보 스플라인을 수용하도록 스플라인이 형성되어 있다. 소정의 구체예들(미도시)에서, 강력한 영구 자석은 대략 사다리꼴 형상일 수 있지만, 2.5 및 20도 사이의 각도로 방사상으로 통과하여 축이 경사질 수 있다. 다른 범위의 각도 또한, 예를 들어, 2.5 내지 5도 사이, 5 내지 25도, 5 내지 10 도 또는 15 내지 20도의 각도를 사용할 수 있다.
소정의 구체예들에서(미도시), H-브릿지, 마이크로 컨트롤러 및 갈바닉 절연 수단을 포함한 전력 전자부품 수용하는 개별적 작은 회로 기판은 하나 또는 그 이상 전자기 코일의 인접한 고정자 디스크에 배치될 수 있다. 회로 기판은 코일의 반경 방향 외측에 위치하지만, 최소한의 공간을 차지하며, 실질적으로 코일의 도전성 냉각을 저해하지 않고 있다. 전력 전자부품 및 전원 입력 사이의 감소된 도체 길이로 인해 저항 가열에 의한 손실을 줄인다. 순수한 고분자 소재의 링은 마이크로 컨트롤러로 제어 신호를 전달하는 광 튜브 역할을 한다. 소정의 구체예들(미도시)에서, IGBT는 전자기 코일의 구리와 일체로 제조될 수 있다.
도 7을 참조하면, 반사형 광학 위치 센서(65) 및 홀 효과 센서(66)는 마이크로 프로세서 기반의 제어 유닛(67)에 회전자 위치 관련 신호를 제공한다. 제어 유닛은 선택적으로 마이크로 컨트롤러 및/또는 프로그램 가능한 논리 장치 및/또는 프로그램 가능한 게이트 어레이 및/또는 기타 맞춤형 유닛의 형태를 취한다. 전동 모터의 내부(70)로부터, 제어 유닛은 마이크로 컨트롤러 유닛(75)에 전기적 절연 전송기(68)를 통해 전동 모터의 외측면(71) 위의 전기적 절연 수신기(72)로 데이터를 전송하여 마이크로 컨트롤러 유닛(75)으로 보내진다. 마찬가지로, 마이크로 컨트롤러 유닛(75)은 전기적 절연 전송기(73)와 전기적 절연 수신기(69)를 통해 제어 유닛(67)을 제어하는 데이터를 송신한다. 분리된 양방향 전기적 절연 수단은 각 고정자마다 요구될 수 있다. 마이크로 컨트롤러 유닛(75)에서, 데이터는 도전체(74) 를 통해 마스터 제어 유닛으로/으로부터 송신된다. 마이크로 컨트롤러 유닛(75)은 선택적으로 마이크로컨트롤러 및/또는 프로그램 가능한 논리 장치 및/또는 다른 목적으로 만들어진 로직 디바이스의 형태를 취한다. 컨트롤 유닛(67)은 갈바닉 절연 부(81)를 통해 스위치 구동부(80,82)와 통신한다. 갈바닉 절연 장치는 하나 또는 그 이상의 여기에 기재된 작동 원리 선택적으로 사용하고, 하나의 갈바닉 절연 장치는 하나 또는 그 이상의 고정자에 제공된다. 전류는 도체(83, 84)를 통해 IGBT의 H-브릿지 배열로 공급되고, IGBT(85, 86, 87, 89)는 스위치 구동부에 의해 제어된다. 전자 코일(88)은 스위칭을 통한 전류 흐름의 반전으로 코일의 자기 극성을 반전하도록 H-브릿지에 접속된다. 전류는 도체(76)를 통해 DC to DC 다운 컨버터(77)로 공급되고, 다운 컨버터는 전류를 독립된 DC to DC 다운 컨버터(스위칭)(78)와 독립된 DC to DC 다운 컨버터(로직)(79)로 공급한다. 다운 컨버터(스위칭)는 갈바닉 절연부(81)에 전류를 공급하고, 스위치 구동부와 IGBT와 다운 컨버터(로직)는 제어 유닛(67)에 전류를 공급한다.
제어 유닛(67)은 다른 코일과 독립적으로 전자기 코일 중 하나 또는 그 이상에 임의의 스위칭을 허용한다. 펄스 폭 변조를 사용하여, 여기(excitation) 파형이 생성되고, 코일을 구동하는데 사용될 수 있다. 코일 구동의 다양한 프로파일은 RPM 및 작동 온도의 넓은 범위에 걸쳐 효율 및 출력의 실시간 극대화를 위해 사용될 수 있다. 전기 모터의 운전 방법에 관한 소정의 구체예들에서, 최대 전력은 동시에 하나를 제외한 전자기 코일에 전력을 공급함으로써 유지될 수 있는데, 전력이 공급된 코일의 극성은 교번된다. 그리고 나서 무동력 코일은 다음 코일(동일한 회전 의미에서의 다음)의 전원이 해제되는 동안 전력이 공급되어 이전 코일의 극성과 반대되는 극성을 갖는다(회전자의 회전 방향으로 진행하는 의미). 이러한 과정은 각각의 연속 코일에 전력이 공급되지 않았다가 공급되는 과정이 이어지는데, 반대의 극성을 갖도록 하여 하나 또는 그 이상의 영구 자석을 하나의 코일에서 다음 코일로의 이동을 완성한다. 따라서, 회전자의 완전한 회전을 위해서, 코일 어레이의 무동력(de-powerings) 및 재동력(re-powerings)(반대 극성을 갖는) 코일의 수는 배열된 코일의 전체 개수의 제곱에 의해 주어진다. 배열된 동력 코일의 수는 n이고, 전기 모터는 전자기적으로 n:1의 비율에 의해 효과적으로 연결된다. 전기 모터의 운전 방법의 소정의 구체예들에서, 최소 전력은 회전자의 회전당 단 한번 하나 또는 그 이상의 전자기 코일에 전력을 가함으로써 유지되는데, 그렇게 하여 각각의 코일은 배열된 자석들 중 하나만을 끌어당긴다. 무동력(de-powerings) 및 재동력(re-powerings) 코일의 다양한 시퀀스 또는 이들의 조합이 추천될 전자기 기어링을 달성하기 위해 사용될 수 있다.
소정의 구체예들에서(미도시), 코깅(cogging) 효과를 감소시키기 위하여 및/또는 효율을 최대화하기 위해, 전원이 공급되지 않은 전자기 코일의 역기전력(back EMF)는 마이크로 컨트롤러에서 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 속도의 대표적인 범위에서 기록된다. 운전 중에, 일반적으로 전원이 해제되는 배열된 전자기 코일은 역기전력과 동일, 또는 실질적으로 동일하게 자속이 생성되는 수준에서 전원이 공급될 수 있고, 따라서 무동력 코일과 영구자석 간의 자기 상호 작용을 중화하게 된다. 이러한 메카니즘은 또한 파가 분석되고, 올바른 전력판(power planes)으로 전환하도록 허용하는 재생 제동에 사용된다. 코일의 역기전력 특성은 가능한 전기 모터의 효율을 최대화하기 위해 특정 속도, 전력 요구 사항 및 운영 온도, 최적의 또는 최적 근처의 펄스 폭 변조를 사용한 파에 대해 운전 시간 동안 더 분석될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 이러한 분석은 자동으로, 실질적 자동으로, 연속적 기준으로, 불연속 기준으로 또는 다른 적절한 간격으로 수행될 수 있다. 미리 계산된 또는 부분적으로 미리 계산된 파형 패턴은 룩업 테이블에 저장될 수 있고, 특정 속도, 전력 요건, 작동 온도 및 선택적으로 역기전력, 또는 이들의 조합이 검출될 때 호출될 수 있다. 룩업 테이블은 선택적으로 메타 휴리스틱 알고리즘, 진화 알고리즘, 전통적, 결정론적 알고리즘, 다른 적절한 최적화 기법 또는 이들의 조합의 사용을 통해 최적화되어 있다. 소정의 구체예들에서, 적응 제어는 통합 지원 벡터 기계의 사용을 통해, 뉴럴(neural) 네트워크 기술의 사용을 통해, 퍼지 로직 기술의 사용을 통해, 기계 학습 기술의 다른 적절한 적용을 이용하여, 적합한 적응 제어 기술 또는 이들의 조합의 사용을 통해 실행시간에 최적화를 수행함으로써 구현될 수 있다.
소정의 구체예들에서(미도시), 소정 온도에서 고정자를 유지하기 위해 깨끗한 냉각 공기는 모터 케이싱의 내부로 공급될 수 있다. 냉각 공기는 케이스 내에서 소정의 최소 압력을 유지하여 오염 물질의 유입을 방지, 또는 실질적으로 감소시키도록 적절한 밸브를 통해 배출될 수 있다. 냉각 공기의 공급은 전기 모터 케이싱에 공급되기 전에 냉동 열교환기에서 선택적으로 냉각된다. 또 다른 소정의 구체예들(미도시)에서, 액화 냉매의 흐름은 케이싱 벽 및/또는 전기 모터의 고정자에 형성된 공간(갤러리)에 공급될 수 있고, 그것은 케이싱으로부터 열을 차지하여 끓는 것이 허용될 수 있다. 냉각 과정에 의해 형성된 증기는 배출되거나 액화를 위해 적절한 열교환기 구성 또는 수단에서 압축 및 냉각될 수 있다. 이들 구체예에서,액화 냉매는 선택적으로 종래의 냉매 또는 고온 초전도 코일을 채용하거나 액체 질소일 수 있다. 소정의 구체예들(미도시)에서, 적절한 액체 냉매의 흐름이 상기 케이싱의 벽 및/또는 전기 모터의 고정자에 형성된 갤러리를 통해 순환될 수 있고, 냉매에 의해 흡수된 열은 이후 적절한 공냉식 열교환 구성이나 수단에 의해 방출된다.
소정의 구체예들에서(미도시), 전기 모터가 발전기로서 사용될 수 있으며, 빠르게 변화하는 생성 조건하에서는 작동 원리 중 하나 또는 그 이상이 전력 발생 효율을 최대화하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 변수 생성 조건은 예를 들면, 풍력 발전, 조력 발전과 파력 발전 등과 같은 환경 상황에서 경험할 수 있다.
소정의 구체예들에서(미도시), 전기 모터는 전기 자동차의 추진 장치로서 사용되고, 선택적으로 휠에 결합되고, 선택적으로 경질 또는 관절 샤프트를 통해 휠을 구동하거나, 선택적으로 하나 이상의 체인 또는 벨트를 통해 휠을 구동하거나, 선택적으로 차량 중앙에 고정되고 관절 샤프트를 통해 양쪽 바퀴를 구동하거나, 선택적으로 하나 또는 그 이상의 휠을 구동하는 유압 모터에 전력을 공급하기 위해 가압된 유압 유체의 흐름을 생성한다.
소정의 실시예들의 설계 및 제조 방법
하기 실시예는 특정 공개된 실시예를 사용하여 설계 및/또는 제조할 수 있는 장치의 다양한 예시에 포함된다. 본 출원에 공개된 접근방법을 사용함으로써, 많은 장치가 본 출원에 제시된 기술을 사용하여 설계 및 구성될 수 있음을 알 수 있다.
A. 이러한 제조방법의 예로서, 하나 또는 그 이상의 설계 요구사항이 제공된다. 예를 들면, 이러한 요구사항은 다음을 포함할 수 있다: 장치의 크기, 장치의 무게, 장치의 최대전력, 차단전압 또는 발전전압, 공급받거나 공급하는 피크 전류(최대 전력을 제어), 전원과의 연결 개수(DC, 단상, 삼상), 장치가 작동하는 각속도의 범위, 전달되어야 할 토크의 크기, 샤프트가 흡수해야 할 최대 토크, 혹은 상기 조합. 다른 특징들도 본 장치의 설계 및 제조에 이용될 수 있다.
이러한 정보는 하기의 방법으로 처리될 수 있다: 먼저 적절한 모듈이 선택되어 필요전압을 핸들링할 수 있게 되고 충분한 접촉 및 스위치를 갖게 된다(예를 들면, 단상과 DC를 위해 두개, 3상 델타를 위해 세개, 3상 스타를 위해 네개). 그러면 각 모듈의 전력 등급은 최대 필요 전력으로 나누어진다. 원형 배열로 들어갈 수있는 코일의 개수를 결정하기 위해 모터의 최대 크기가 고려되는데, 이것이 플래터의 크기가 된다. 플래터의 수는 플래터 당 코일의 수로 전체 코일 수를 나눈 것이다. 이러한 코일의 수는 최대 각속도에 대해서 검토되는데 이는 모듈의 코일 인덕턴스가 원하는 주파수에서 스위칭 될 수 있도록 한다. 너무 고속이면 지름을 줄일 수 있어서 결과적으로 더 적은 플래터당 코일 수가 되어, 더 낮은 작동 주파수가 된다. 이것은 본 장치를 제작하는 데 사용될 수 있는 설계 정보를 제공한다.
B. 이러한 제작방법의 예시로서 하나 또는 그 이상의 사양이 제공된다. 본 실시예에서 설치될 장치는 가능한 가벼운, 바람직하게는 30 kg 이하인, 300 kw의 모터, 400 mm 이하의 직경에 끼워맞춤되고, 토크는 가능한 크고, 정지상태에서 부드럽게 가속되고, 최고각속도는 3,000 RPM, DC 120 볼트, 피크 전류 1,500암페어의 사양을 갖춘다. 이 장치는 추가로 높은 토크, 작은 크기, 철심, 고성능 자석을 사양으로 한다. DC전원은 2개의 입력이 된다.
다음 단계는 330V 철심, 120 볼트, 최대 전류 90A에서 동작하는 90A 단상모듈을 선택한다. 이 정보는 최소 30코일을 나타낸다. 최대 토크를 부드럽게 하기 위해, 이 규격은 플래터 당 코일보다 하나 더 많은 자석을 나타내고, 400 mm의 직경의 원형으로 배열할 수 있는 자석의 수를 계산하여, 19개가 끼워질 수 있다는 것을 알게 된다. 본 실시예에서 선택된 자석은 짝수로서 플래터 주위에 교번자장을 가질 수 있으므로, 짝수를 만들기 위해 하나 적은 수의 자석, 즉, 18개의 자석으로 한다.
다음으로, 코일의 수가 선택된다. 소정의 실시예들에서, 코일수는, 공진을 최소화하기 위해서 종종 소수를 사용하는데,여기에서는 17 작업, 34 회전마다 반복되고, 최대 각속도 1.5 HZ에서 공진된다. 최대 각속도에서의 스위칭 코일의 최대 주파수는 초당 50회전 곱하기 17 코일이고, 양과 음 스위치를 425 Hz에 같게 하기 위해 둘로 나누어진다.
이것은 17 코일의 고정자 플래터가 2개이고, 총 34 코일들 전체 320 kw(플래터 당 하나의 코일이 어떤 시점에서 off이기 때문에), 그리고 18 자석들의 3 플래터가 최종 구성이 된다. 이 설계를 기반으로 하여, 17 코일들을 수용하는 코일 플래터 고정자를 갖는 장치를 제작할 수 있다. 다음 단계는, 18 코일들을 수용하는 자기 플래터를 설계 및 제조하고, 장치를 같이 지지하는 격납부 및 베어링 지지부를 설계 및 제조하는 것이다. 다음, 코일을 고정자 플래터에 조립하고, 자석을 회전자 플래터에 조립하여 장치를 제작한다. 다음 단계는 17 코일들을 제어하고 파괴(breaking)때 발전 모드로 전환하는 소프트웨어를 수정하는 것이다.
C. 본 예시적 제조에서 사양은 3 MW이고, 무게는 고려하지 않고, 2000 mm이하의 직경에 맞을 필요가 있으며, 회전은 최대 120 RPM, 출력 전압은 3상에 주전원에 맞도록 50 Hz에서 3000볼트 RMS의 650A이어야 한다. 또한, 사양은 저속에서 높은 전압, 철심, 다수의 권선, 효율을 최적화하는 낮은 전류를 지정한다. 3상 소스는 따라서 3개의 출력을 지정한다.
이것은 철심 4000V, 10A 3상 모듈을 선택하도록 나타낸다. 3000V, 10A의 최대 전류에서 실행된 최대 전력은 30KW이다. 이것은 또한 최소 100개의 코일들을 지시한다. 더욱이, 코일에 대한 각속도를 최대화하고, 전압 발생을 최대화하기 위해, 큰 직경 플래터가 이 적용분야에 매우 적합하다. 토크 평탄화는 많은 관심사항이 아니지만, 큰 블레이드에서 고조파(harmonics)는 문제가 될 수 있기 때문에, 이 예는 플래터 당 코일보다 하나 더 많은 자석을 나타낸다.
이 정보에 기초하여, 다음 단계는 2,000 mm 직경의 원형으로 배열될 수 있고 최대 104개가 설치되는 자석의 개수를 계산하는 것이다. 코일의 수는 일반적으로 고조파를 최소화하기 위해 주요하기 때문에, 101은 이 예에서 작용한다.
101 코일의 1 고정자 플래터, 102 자석의 2 플래터가 최종적으로 구성된다.
다음 단계는, 101 코일들을 수용하는 플래터 고정자를 설계하고 제조하는 것이다. 102 코일들을 수용하는 자기 플래터를 설계하고 제조한다. 장치를 같이 지지하는 격납부와 베어링을 설계하고 제조한다. 코일을 고정자 플래터에, 자석을 회전자 플래터에 조립하고 같이 넣는다. 101 코일들을 제어하고, 그리드(grid)에 동기기를 맞추고, 전압이 3000V RMS에서 유지하도록 소프트웨어를 수정한다.
D. 본 실시예에서, 사양은 1GW, 무게와 크기는 문제가 되지 않고, 회전은 300 RPM 까지, 3상 주구동부의 50Hz 주파수에서 출력 전압은 3000 볼트 RMS, 333333 암페어이어야 한다. 이 사양에는 많은 제약이 없기 때문에 여러 매개 변수를 변경하는 것이 가능하다. 그러나, 이 예는 예 C에 기술된 프로세스를 사용한다. 또 다른 요인은 그 직경이 회전력 1GW이 샤프트에 투입될 때 전단되지 않는 충분히 강한 샤프트에 충분히 큰지 확인하는 것이다. 이 예에서는 101 코일의 512 스택, 총 5221묘듈을 사용할 수 있다.
E. 본 실시예에서, 사양은 2KW, 최대 직경 400mm, 최대 300RPM, 입력 전압 단상 230V 교류 50Hz, 가격 제한을 지정한다. 작은 모듈, 공기 코어, 코일당 최대 1Amps를 선택한다. 코일 230w 당 전체는, 약 10이 필요하고, 17을 선택하여 단상의 데드 포인트가 전체 전력 출력에 영향을 미치지 않도록 한다. 비용을 최소화하기 위해 하나의 회로 기판에 스위치와 프로세서를 결합하고, 고정자 주위에 코일을 배치한다.
응용 분야
소정의 구체예들은 기계적 에너지를 전기로 변환하는데 사용될 수 있다. 이것은 트랙션(tranction)을 위해 사용될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 모터는 직접 구동을 위해 차량 휠 하우징에 직접 장착될 수 있다. 도 37과 38에 표시된 사진을 참조한다. 도 36은 트랙션 적용분야에서 사용될 수 있는 예시적인 전기 장치를 도시하고, 더 상세한 설계는 도 1에서 찾을 수 있다. 소정의 구체예들에서, 전기 장치 격납부는 격납부가 마운트를 보유하여 적합한 잠금 수단에 의해 서스펜션 시스템 및/또는 전기 장치 주위에 사용될 수 있는 기존의 제동 장치에 직접 장착되도록 한다. 직접 휠에 모터를 부착하는 것은 구동축의 무게 및 가능한 기어박스와 트랜스미션을 절약하고 이러한 시스템의 동일한 기계적 손실을 겪지 않기 때문에 보다 효율적이다.
대안적인 구체예(미도시)로, 전기 모터는 전기 자동차의 추진 장치로서 사용되고, 선택적으로 휠에 결합되고, 선택적으로 경질 또는 관절 샤프트를 통해 휠을 구동하거나, 선택적으로 하나 이상의 체인 또는 벨트를 통해 휠을 구동하거나, 선택적으로 차량 중앙에 고정되고 관절 샤프트를 통해 양쪽 바퀴를 구동하거나, 선택적으로 하나 또는 그 이상의 휠을 구동하는 유압 모터에 전력을 공급하기 위해 가압된 유압 유체의 흐름을 생성한다.
또한 특정 응용분야에서, 제동 및/또는 가속도의 전자 제어를 갖는 차량에 대해서는, 다음 중 하나 또는 그 이상을 포함한 차량 동역학의 컴퓨터 제어를 할 기회가 존재한다:
차량이 전방 차량으로부터 일정 거리를 유지하는 액티브 크루즈 컨트롤;
차량 브레이크가 자동으로 충돌 피하는 충돌 방지;
차량이 비상 정지를 감지하고 최대 유효 제동을 적용하는 비상 브레이크 보조;
각각의 바퀴 속도가 다른 입력에 대한 응답으로 조정되는 능동 소프트웨어 차동장치;
차량 안정성을 유지하기 위해 개별 휠 브레이크을 실시간으로 조절되는 능동 브레이크 바이어스;
개별 휠 브레이크 바이어스를 조절하여 스티어링을 지원하는 브레이크 스티어; 및
지속적 또는 간헐적으로 트랙션 분야를 위한 전류원.
마찬가지로, 다른 대안적인 구체예에서, 자석과 전자기 코일은 선택적으로 동일한 수로 만들어질 수 있지만, 바람직하게는 시동시 자기 정체를 방지하거나 감소시키기 위치적 비대칭으로 이루어질 수 있다. 특정 적용 분야에서, 영구 자석과 전자기 코일의 배열의 중심 직경이 커질수록 생성되는 토크도 커진다. 전기 모터의 배치는 표준 구성 부품 - 하나의 회전자와 고정자의 조합으로부터 적어도 10개의 회전자를 사용하는 조합까지 많은 조합을 허용한다. 회전자 및 고정자의 큰 숫자를 이용하는 조합은 대형 트럭 및 토목 장비와 같은 대형 기계에 사용될 수 있다.
소정의 구체예들은 전기 장치에 관한 것으로, 펌프에서 적용할 수 있다. 이러한 구체예들은 전기 장치에 적합한 적용 분야에서 사용될 수 있다. 여기에 개시된 소정의 구체예들은 기어링의 필요없이 적합한 높은 토크를 생성하는 것으로, 예를 들어, 펌프가 낮은 속도에서 많은 양의 물을 이동시키는 구성이 될 수 있다. 물에 부여되는 관성량을 감소시킴으로써, 물을 이동하기 위해 실질적으로 더 적은 전력이 필요하다.
소정의 구체예들은, 수영 스파뿐만 아니라 광산, 화학 처리에서의 다양한 적용분야 및 적합한 고체, 슬러리, 및/또는 액체의 많은 수량이 낮은 속도로 이동하도록 요구되는 다른 적용분야에서 펌프를 사용할 수 있다. 도 39은 소정의 구체예들에 있어서, 전기 장치를 포함하는 펌프의 렌더링이다.
소정의 구체예들은, 선형 솔레노이드 구성 및 관련 응용 분야에 관한 것이다. 이러한 구성은 전기 에너지를 실질적인 직선 운동으로 변환하는데 사용될 수 있다. 기존의 솔레노이드에 비해 하나의 장점은 원하는 위치를 추적할 수 있는 능력과 코일 레벨당 피드백 제어에 사용되는 '락 '이다. 이들 구체예는 또한 하나 또는 그 이상의 코일에 사용될 수 있는 피드백 제어를 포함할 수 있다. 다른 적응 모터 구성에 대해 여기서 논의된 바와 같이 이러한 구성은 유사 전력 효율 특성이 있다. 하나의 응용분야는 발전으로, 예를 들면 파의 운동이다. 도 40은 단일 플래터, 단일 고정자 구성의 렌더링이다. 도 41은 자석(94, 95)의 위치를 나타내는, 동일한 설계의 개략적인 평면도이다. 도 42는 개략적인 사시도이다. 개시된 바와 같이, 자석(94, 95)은 슬라이딩 자석 마운트(99)에 장착된다. 코일(88)은 고정자(101) 내부에 위치하고, 미표시되었다. 코일 제어 유닛 및 스위칭 전자부품의 설치예는 129에서 볼 수 있다. 본 출원에 개시된 모터의 구성과 마찬가지로, 선형 구성은 코일 및/또는 자석 플래터를 적층하여 전력이 증가 될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 20 또는 그 이상의 유닛이 적층될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 2 내지 40, 2 내지 10, 3 내지 15, 3 내지 6, 4 내지 8, 10 내지 25 또는 적합한 범위의 적층과 합체가 특정 적용 분야에서 사용될 수 있다. 여기서 개시된 선형 구성의 다른 용도는 다음과 같다: 선형 댐퍼, 선형 스프링/능동 서스펜션 시스템, 액추에이터, 컨베이어 벨트, 에스컬레이터, 팬, 산업/광업 및 기타 기계(광업 및 산업용) 3상 및/또는 자기 유도 기어링.
다른 적용분야는 재생 제동 및/또는 발전일 수 있다. 이러한 회전 기계 에너지 적용분야와 같은 재생 에너지 적용분야와 관련하여, 일부 적용분야는: 풍력 발전, 수력 발전, 화력 발전 및/또는 열 교환기 및/또는 증기 터빈.
도 43은 파력 발전에 이용될 수 있는 시스템의 개략적인 측면도이다. 예를 들어 여기에 개시된 특정 자속 선형 어레이를 이용한 파 발생 장치의 예시적인 구성은 연속적인(또는 실질적으로 연속적인 또는 부분적인) 발전에 사용될 수 있다. 도 43에서, 하나 또는 그 이상의 선형 어레이(130)는 물 표면(132) 또는 근처에 플로트(131)에 부착될 수 있다. 또한, 이 시스템은 고정(또는 부분적으로 삽입) 물 본체의 바닥(133)에 부착될 수 있다. 그림은 풀 확장에서 하나의 선형 어레이(134) 및 풀 압축에서 두 어레이(135, 135)를 보여준다. 파도가 지나감에 따라, H모양 플로트(131)는 상승하고 하락한다. 다른 구성은, 예를 들어, 유사한 접근법이 회전 축 플럭스 발생기 및 플로트가 부착된 긴 암(arm)을 사용하여 구현될 수 있다. 소정의 구체예들은 발전에 사용될 수 있는 모듈식 인서트에 관한 것으로, 특정 측면에서는 대형 발전에 적합할 수 있다. 여기에 논의된 바와 같이, 개시된 특정한 전기 장치 설계의 특징 중 하나는 각각의 코일(또는 하나 또는 그 이상의 코일)이 자체의 전용 제어 회로를 가질 수 있다는 것이다. 코일 및 이를 지지하는 전자부품은 작고, 핫 스왑되는 모듈에 통합될 수 있다. 이것은 (장애 코일과 전자부품은 모터를 완전 분해하지 않고 교체될 수 있다) 대형 모터의 현장 조립 및/또는 대규모 구성의 유지 보수에 유리하다.
전기 장치의 예시적 삼상, 단일 플래터, 2 메가 와트, 101 모듈의 구체예는 도 44, 45, 46, 47, 및 48에 도시된다. 도 44를 참조하면, 설계는 하나의 코일 (88), 모듈을 공유 전기 레일에 연결하는 마운팅 레일(140, 141, 142,143), 모듈이 장치에 용이 제거 및 삽입하는 핸들(138)로 구성된 모듈(137)을 통합한다. 각 모듈은 독립적일 수 있다. 도 45 및 46은 모듈의 내부에 포함된 부품의 위치 결정을 도시한다. 전자 부품은 회로 기판(145)에 위치된다. 전원 스위치(111)는 자신의 솔더 탭이 전원(139)과 마운팅 레일(144)에 장착되도록 배치된다. 다른 전자 부품은 전원 스위치(112), 마이크로 컨트롤러(79), 절연 DC to DC 컨버터와 전원 공급 장치(79), 광 트랜시버(119) 및 거대 자기 저항(GMR) 위치 센서(121)를 포함한다. 다른 구체예에서, 상대 또는 절대 위치 센서의 다양한 대체물이 사용될 수 있다.
도 47은 3상 공유 레일 및 접지에 모듈을 연결시키는 슬라이더를 나타낸다. 소자(140)는 모듈을 접지로, 141을 1상으로, 142를 2상으로, 143을 3상으로 연결시킨다. 이 슬라이더는 또한 모듈이 전기 장치가 동작중이거나 정지 상태일 때 모듈이 삽입되거나 제거되도록 허용한다. 레일은 또한 모듈에서 전기 장치로 열방출을 용이하게 한다. 도 47B는 전기 장치 섀시에 삽입되는 방향(146)을 나타낸다.
도 48은 명확하도록 접지판, 장착 베이스 및 격납부가 제거되고, 모듈(101)이 설치된 전기 장치를 보여준다. 이 구성은 풍력 발전 분야에 사용될 수 있다. 도 44 내지 도 47에 도시된 특징 중 일부는 일련의 환형 모양으로 절연층(148)을 사용하여 서로 절연되는 레일(147)을 포함한다. 전력 레일은 여러 금속 탭(149, 150, 151)에 연결될 수 있다. 영구 자석(8)을 구비한 두 회전자(8)들이 주위 (5)에 부착 된다. 회전자와 고정자의 중간에 절개부(152)는 구조 강도를 유지하면서 소재와 무게를 절약한다.
일련의 발광 다이오드(LED) 및 광학 센서는 코딩된 영역의 반사면과 덜 반사되는 면 또는 구멍으로 구성된 고정자의 단면과 정렬(도 48에 미도시)되며 각각(또는 하나 또는 그 이상) 모듈(도 44에 미도시)에 장착될 수 있다. 모듈이 켜지면, 모듈 내부의 마이크로 컨트롤러는 LED를 점등하고, 센서는 접지판의 코딩 영역은 접지 판으로부터 반사인지의 여부를 검출한다. 마이크로 컨트롤러는 통신 버스에서 사용하기 위한 주소를 생성하고, 시스템의 기하학적 위치를 알기 위해서 센서로부터 정보를 사용한다. 대체 구체예들에서, 주소는 버스 프로빙 혹은 공유 버스를 따라 전파 지연을 측정 및/또는 주소를 할당하는 다른 적절한 방법을 통해 마이크로프로세서에서 하드 코딩될 수 있고, 일련의 스위치와 점퍼에 의해 설정된다. 이 모듈식 설계는 일부(또는 많은) 모듈이 실패할 경우에도 발전기가 작동을 유지할 수 있도록 한다. 작동하는 동안 장치를 교체할 수 있다는 것은 전기 장치가 연장된 기간 동안 계속해서 작동할 수 있다는 것을 보장하며, 그렇지 않으면 발전기가 종료해야 할 수도 있다. 모듈이 실패할 때, 모듈은 모듈을 교체하도록 지시하는 전기 장치의 관리자로 그 실패를 통신할 수 있다. 선택적인 모듈의 지시자들은 교체가 수행되는 경우 문제가 있는 모듈을 발견할 수 있도록 도움을 제공한다. 모듈은 풍력 발전기에서와 같은 전기 장치에 도달하기 어려운 교체 부품을 충분히 작고 및/또는 휴대하기 가벼워 쉽게 성취할 수 있다. 이것은 특정 개시된 구체예에 유용한 장점이며, 시간 및/또는 비용 기준에서 수리 및 유지 보수를 향상시킨다.
이러한 발전기의 특정 개시된 구체예는 동일한 샤프트에 등을 맞대고(back to back) 같이 결합될 수 있어서, 회전자를 공유하고, 발전 능력을 증가시킨다. 이 발전기의 스태킹은 여기에 개시된 바와 같이 어떤 장점이 있다. 10MW 발전기의 버전이 49에 도시되어 있다. 이러한 모듈형 유닛(153)은 전체 전력이 샤프트에 가해질 때 전단되지 않는 충분한 강도의 한 샤프트(10)를 따라 복수개의 플래터를 갖는 구체예들을 생성하기 위하여 적층될 수 있다. 동일한 전력 레일(149 내지 151)은 하나의 라인에 각 발전기를 연결하는 데 사용된다. 그러나, 다른 도체는 저항성 전력 손실을 최소화하도록 사용될 수 있다. 발전기 또는 모터는 거의 다양한 전력 또는 크기 사양을 충족하도록 설계될 수 있다. 소정의 구체예들에서, 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 512, 모듈러 유닛이 결합될 수 있다. 소정의 구체예들에서 2 내지 40, 2 내지 6, 3 내지 9, 4 내지 12, 5 내지 16, 5 내지 25 또는 10 내지 512 유닛이 결합될 수 있다.
또한, 모듈에 커패시터를 추가하고, 스위치와 코일을 구성하고, 코일은 벅, 부스트 또는 벅, 부스트 구성일 때, 장치는 특정 주파수에서 특정 전압을 생성하기 위해 소프트웨어에 의해 구동될 수 있고 승/하강 변합기의 필요없이 상당한 공간과 비용을 절감하면서 직접적으로 전원 그리드에 연결될 수 있다. 또한, 발전은 소프트웨어에서 중지시킬 수 있다.
소정의 구체예들에서, 전기 장치를 회전하는 데 필요한 토크는 코일의 개수에 의존한다. 전기 장치를 회전하는 데 필요한 토크는 아마 실질적으로 실시간(또는 실시간)으로 증가 및/또는 감소된다. 샤프트가 풍력 발전 등의 변동 소스에 의해 설정될 때, 전기 장치는 계속(또는 다른 적절한 시간 동안) 실질적으로 균일한 회전 속도 를 유지하기 위해 필요한 토크를 최적화할 수 있다. 정지 상태로부터 가속하는 경우, 전기 장치의 시동에 필요한 토크를 최소화할 수 있다.
풍력 터빈 발전기와 다른 발전기들은 종종 충분히 높은 효율로 발전기가 작동할 수 있는 충분히 높은 각속도로 축이 회전하도록 샤프트의 각속도를 증가시키는 기어 박스를 필요로 한다. 여기에 개시된 전기 장치의 소정의 구체예들의 회전자가 적절하게 큰 반경으로, 장치의 단부의 상대 속도가 코일에 의해 통과할 때 충분한 양의 전력을 생성하기에 충분한 속도를 가진다. 인버터 및 다른 컨트롤러는 이 기술에 요구되지 않을 수 있으며, 발전기 자체에 통합될 수도 있다.
다음의 비-제한적인 예들은 본 명세서에 개시된 소정의 구체예들을 더 예시한다.
실시예 1A.1 다음을 포함하는 전기 장치: 적어도 하나의 고정자, 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되며; 적어도 하나의 회전자가 상기 적어도 하나의 회전자에 부착되는 복수의 자석을 갖고, 상기 적어도 하나의 모듈은 복수의 자석에 이격 설치되고; 및 상기 적어도 하나의 회전자는 상기 적어도 하나의 고정자와 회전 관계에 있고, 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터에 부분적으로 기초하여 결정되고; 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 및 상기 적어도 하나의 모듈은 다음 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있다: 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합인 전기 장치.
실시예 1A.2 다음을 포함하는 전기 장치: 적어도 하나의 고정자, 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되며; 적어도 하나의 슬라이더는 상기 적어도 하나의 슬라이더에 부착되는 복수의 자석을 갖고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 복수의 자석에 이격 설치되고; 및 상기 적어도 하나의 슬라이더는 상기 적어도 하나의 고정자와 선형관계에 있고, 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터에 부분적으로 기초하여 결정되고; 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 및 상기 적어도 하나의 모듈은 다음 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있다: 운전중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합인 전기 장치.
실시예 1A.3 다음을 포함하는 전기 장치: 적어도 하나의 고정자, 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되며; 적어도 하나의 슬라이더는 상기 적어도 하나의 슬라이더에 부착되는 복수의 자석을 갖고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 복수의 자석에 이격 설치되고; 및 상기 적어도 하나의 회전자는 선형, 실질적 선형, 원형, 실질적 원형, 아크형, 실질적 아크형, 또는 이들의 조합으로 상기 적어도 하나의 고정자와 관계가 있고, 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터에 부분적으로 기초하여 결정되고; 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 및 상기 적어도 하나의 모듈은 다음 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있다: 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합인 전기 장치.
실시예 1A.4 다음을 포함하는 전기 장치: 적어도 하나의 고정자, 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되며; 적어도 하나의 플래터 또는 회전자가 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자에 부착되는 복수의 자석을 갖고, 상기 적어도 하나의 모듈은 복수의 자석에 이격 설치되고 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자는 상기 고정자와 이동관계에 있고, 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터에 부분적으로 기초하여 결정되고; 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 및 상기 적어도 하나의 모듈은 다음 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있다: 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합인 전기 장치.
실시예 1A.5 다음을 포함하는 전기 장치: 적어도 하나의 고정자, 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되며; 복수개의 자기 유도 루프를 갖는 적어도 하나의 플래터 또는 회전자가 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자에 부착되는 복수개의 자기 유도 루프를 갖고, 상기 적어도 하나의 모듈은 복수개의 자기 유도 루프에 이격 설치되고 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자는 상기 고정자와 이동관계에 있고, 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터에 부분적으로 기초하여 결정되고; 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 및 상기 적어도 하나의 모듈은 다음 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있다: 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합인 전기 장치.
실시예 1A.6 다음을 포함하는 전기 장치: 적어도 하나의 고정자, 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되며; 복수개의 자기 저항 프로젝션를 갖는 적어도 하나의 플래터 또는 회전자가 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자에 부착되는 복수개의 자기 저항 프로젝션를 갖고, 상기 적어도 하나의 모듈은 복수개의 자기 저항 프로젝션에 이격 설치되고 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자는 상기 고정자와 이동관계에 있고, 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터에 부분적으로 기초하여 결정되고; 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 및 상기 적어도 하나의 모듈은 다음 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있다: 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합인 전기 장치.
실시예 1A.7 다음을 포함하는 전기 장치: 적어도 하나의 고정자, 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되며; 적어도 하나의 회전자가 상기 적어도 하나의 회전자에 부착되는 복수의 자석을 갖고, 상기 적어도 하나의 모듈은 복수의 자석에 이격 설치되고; 및 상기 적어도 하나의 회전자는 상기 적어도 하나의 고정자와 회전 관계에 있는 전기 장치.
실시예 1A.8 다음을 포함하는 전기 장치: 적어도 하나의 고정자, 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되며; 적어도 하나의 슬라이더는 상기 적어도 하나의 슬라이더에 부착되는 복수의 자석을 갖고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 복수의 자석에 이격 설치되고; 및 상기 적어도 하나의 슬라이더는 상기 적어도 하나의 고정자와 선형관계에 있는 전기 장치.
실시예 1A.9 다음을 포함하는 전기 장치: 적어도 하나의 고정자, 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되며; 적어도 하나의 회전자는 상기 적어도 하나의 회전자에 부착되는 복수의 자석을 갖고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 복수의 자석에 이격 설치되고; 및 상기 적어도 하나의 회전자는 선형, 실질적 선형, 원형, 실질적 원형, 아크형, 실질적 아크형, 또는 이들의 조합으로 상기 적어도 하나의 고정자와 관계가 있는 전기 장치.
실시예 1A.10 다음을 포함하는 전기 장치: 적어도 하나의 고정자, 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되며; 복수개의 자석을 갖는 적어도 하나의 플래터 또는 회전자가 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자에 부착되는 복수개의 자석을 갖고, 상기 적어도 하나의 모듈은 복수개의 자석에 이격 설치되고 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자는 상기 고정자와 이동관계에 있는 전기 장치.
실시예 1A.11 다음을 포함하는 전기 장치: 적어도 하나의 고정자, 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되며; 복수개의 자기 저항 프로젝션를 갖는 적어도 하나의 플래터 또는 회전자가 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자에 부착되는 복수개의 자기 저항 프로젝션를 갖고, 상기 적어도 하나의 모듈은 복수개의 자기 저항 프로젝션에 이격 설치되고 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자는 상기 고정자와 이동관계에 있는 전기 장치.
실시예 1A.12 다음을 포함하는 전기 장치: 적어도 하나의 고정자, 적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일과 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되며; 복수개의 자기 유도 루프를 갖는 적어도 하나의 플래터 또는 회전자가 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자에 부착되는 복수개의 자기 유도 루프를 갖고, 상기 적어도 하나의 모듈은 복수개의 자기 유도 루프에 이격 설치되고 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자는 상기 고정자와 이동관계에 있는 전기 장치.
실시예 2A.1 실시예 1A.7 내지 1A.12의 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터에 부분적으로 기초하여 결정되고; 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 및 상기 적어도 하나의 모듈은 다음 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있다: 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합인 전기 장치. 2A.2 실시예 1A.7 내지 1A.12의 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터에 부분적으로 기초하여 결정된다. 2A.3 실시예 1A.7 내지 1A.12의 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있다. 2A.4 실시예 1A.7 내지 1A.12의 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 적어도 하나의 모듈은 다음 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있다: 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합인 전기 장치. 2A.5 실시예 1A.7 내지 1A.12의 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터에 부분적으로 기초하여 결정되고; 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있다. 2A.6 실시예 1A.7 내지 1A.12의 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 및 상기 적어도 하나의 모듈은 다음 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있다: 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합인 전기 장치. 2A.7 실시예 1A.7 내지 1A.12의 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터에 부분적으로 기초하여 결정되고; 및 상기 적어도 하나의 모듈은 다음 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있다: 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합인 전기 장치.
3A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 운전 중의 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터는 다음의 하나 또는 그 이상에서 선택된다: 최대 각속도, 평균 각속도, 최소 각속도, 최대 출력 전력, 평균 출력 전력, 최소 출력 전력, 최대 입력 전압, 평균 입력 전압, 최소 입력 전압, 최대 발전 전압, 평균 발전 전압, 최소 발전 전압, 생성되는 전압의 형상 및 주파수, 최대 입력 전류, 평균 입력 전류, 최소 입력 전류, 최대 발전 전류, 평균 발전 전류, 최소 발전 전류, 최대 토크, 평균 토크, 최소 토크, 토크 평활성, 활성 시퀀스, 가속율, 홀드 각도의 정확도 차수, 각속도의 편차 최소화, 단절시 감속율, 샤프트의 직경, 상기 전기 장치의 최대 반경, 상기 전기 장치의 최대 길이, 상기 전기 장치의 최대 깊이, 상기 전기 장치의 최대 높이, 최대 슬라이드 거리, 최소 슬라이드 거리, 상기 전기 장치의 최대 중량, 상기 전기 장치의 최소 중량, 최대 저항 전력 손실 및 단위 리던던시와 전체적 가격인 전기 장치.
4A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 운전중의 적어도 하나의 운전 파라미터는 다음의 하나 또는 그 이상에서 선택된다: 최대 각속도, 평균 각속도, 최소 각속도, 최대 출력 전력, 평균 출력 전력, 최소 출력 전력, 최대 입력 전압, 평균 입력 전압, 최소 입력 전압, 최대 발전 전압, 평균 발전 전압, 최소 발전 전압, 생성되는 전압의 형상 및 주파수, 최대 입력 전류, 평균 입력 전류, 최소 입력 전류, 최대 발전 전류, 평균 발전 전류, 최소 발전 전류, 최대 토크, 평균 토크, 최소 토크, 토크 평활성, 활성 시퀀스, 가속율, 홀드 각도의 정확도 차수, 각속도의 편차 최소화, 단절시 감속율, 축의 직경, 상기 전기 장치의 최대 반경, 상기 전기 장치의 최대 길이, 상기 전기 장치의 최대 깊이, 상기 전기 장치의 최대 높이, 최대 슬라이드 거리, 최소 슬라이드 거리, 상기 전기 장치의 최대 중량, 상기 전기 장치의 최소 중량, 최대 저항 전력 손실 및 단위 리던던시와 전체적 가격인 전기 장치. 4A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터는 다음의 하나 또는 그 이상에서 선택된다: 최대 각속도, 최대 전력 출력, 발전하는 동안 출력 전압으로부터의 편차, 요구된 발전 전압의 유지, 토크 평활성, 가속도, 홀드 각도의 정확성, 각속도의 편차 최소화, 단절시 요구된 감속율 매칭, 저항 전력 손실의 최소화, 전체 효율, 역률 보정, 기계적 고조파 취소, 전기적 고조파 취소, 재생된 출력 전압 파형의 정확도, 및 생성된 주파수의 정확도인 전기 장치. 4A.3 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 운전 중의 하나 또는 그 이상의 성능 파라미터는 다음의 하나 또는 그 이상에서 선택된다: 최대 각속도, 최대 전력 출력, 발전하는 동안 출력 전압으로부터의 편차, 요구된 발전 전압의 유지, 토크 평활성, 가속도, 홀드 각도의 정확성, 각속도의 편차 최소화, 단절시 요구된 감속율 매칭, 저항 전력 손실의 최소화, 전체 효율, 역률 보정, 기계적 고조파 취소, 전기적 고조파 취소, 재생된 출력 전압 파형의 정확도, 및 생성된 주파수의 정확도인 전기 장치. 4A.4 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 적어도 하나의 모듈은 다음 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있다: 운전 중의 적어도 하나의 4A.3에 예시된 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 4A.2에 예시된 성능 파라미터, 또는 이들의 조합인 전기 장치.
5A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 전자기 코일은 실질적 원형 배열 또는 축방향 자속 배열인 복수개의 전자기 코일을 포함한다.
6A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 전자기 코일과 복수개의 자석은 원형 또는 방사형 오프셋 배열이다.
7A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 전자기 코일에서 코일의 수는 복수개의 자석에서 자석의 수와 같지 않다.
8A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수개의 전자기 코일에서 코일의 수는 복수개의 자석에서 자석의 수와 같은 수이고, 복수개의 전자기 코일과 복수개의 자석은 이격 관계이며, 동일 중심인 얼라인먼트를 방지하기 위해 기하학적 오프셋이 있다.
9A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 전자기 코일에서 코일의 수는 복수개의 자석에서 자석의 수보다 적어도 하나 적다.
10A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수개의 전자기 코일이 축방향으로 복수개의 자석과 정렬된다.
11A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수개의 전자기 코일이 적어도, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 또는 45도만큼 복수개의 자석과 어긋나게 배열된다.
12A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수개의 전자기 코일의 축방향으로 적어도 하나의 고정자와 정렬되고, 복수의 자석이 적어도 하나의 회전자와 정렬된다.
13A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수개의 전자기 코일은 적어도 하나의 고정자와 실질적으로 수직 또는 수직이고, 복수개의 자석 코일은 적어도 하나의 회전자와 실질적인 수직 또는 수직이다.
14A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 동작시에 적절한 기계적 힘에 의한 변형에 저항하기에 기계적으로 충분한 격납부를 포함한다.
15A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 열전도성 격납부를 포함한다.
16A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 전자 스위치용 도체로서 사용될 수 있다.
17A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 전기 장치의 전력 중량비는 적어도 5, 10, 20, 50, 100, 500, 1000 킬로그램/킬로와트이다. 17A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 전기 장치의 전력 중량비는 5 내지 1000, 5 내지 10, 10 내지 100, 10 내지 500, 10 내지 50, 20 내지 1000, 20 내지 50, 50 내지 100, 50 내지 500, 100 내지 500 또는 500 내지 1000 킬로그램/킬로와트이다.
18A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 전력 중량비는 실질적으로 유사한 크기와 무게를 가진 브러쉬리스 영구 자석 3상 전기 장치보다 10%, 25%, 50%, 100%, 125%, 150%, 200%, 250%, 300%, 500%, 1000% 더 크다. 18A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 전력 중량비는 실질적으로 유사한 크기와 무게를 가진 브러쉬리스 영구 자석 3상 전기 장치보다 10% 내지 1000%, 10% 내지 25%, 10% 내지 100%, 25% 내지 50%, 25% 내지 150%, 50% 내지 250%, 50% 내지 100%, 100% 내지 125%, 100% 내지 250%, 125% 내지 150%, 150% 내지 300%, 200% 내지 1000%, 250% 내지 500%, 250% 내지 1000%, 또는 500% 내지 1000% 더 크다.
19A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 적어도 하나의 회전자의 절대적 또는 상대적 위치를 검출하는 적어도 하나의 센서를 더 포함하고; 및 다음 하나 또는 그 이상으로부터의 입력에 응답하는 적어도 하나의 제어 시스템: 상기 적어도 하나의 센서, 적어도 하나의 전력 명령, 하나 또는 그 이상의 다음을 포함하는 적어도 하나의 모드 명령: 적어도 하나의 구동, 생성, 제동 및 홀드 명령, 및 적어도 하나의 회전 방향 명령인 전기 장치. 19A.2 실시예 19A.1의 전기 장치에서, 상기 적어도 하나의 제어 시스템은 구동 구성으로 구성되거나, 상기 적어도 하나의 구동 모드 명령을 가지고, 상기 적어도 하나의 제어 시스템은 움직임을 위해 하나 또는 그 이상의 자기 코일에 에너지를 가하여 상기 자석들을 당기거나 밀도록 적어도 하나의 스위치를 활성화하는 전기 장치. 19A.3 실시예 19A.1의 전기 장치에서, 상기 전기 장치는 생성 구성으로 구성되거나 전력을 생성하기 위해 적어도 하나의 모드 명령을 가지고, 상기 적어도 하나의 제어 시스템은 외부의 전원 레일에 하나 또는 그 이상의 코일을 연결하는 적어도 하나의 스위치를 활성화하는 전기 장치. 19A.4 실시예 19A.1의 전기 장치에서, 상기 전기 장치는 제동 구성으로 구성되거나 적어도 하나의 제동 모드 명령을 가지고, 상기 적어도 하나의 제어 시스템은 말단부가 움직임을 방해하도록 자기 코일 중 하나 또는 그 이상을 연결하는 적어도 하나의 스위치를 활성화하는 전기 장치. 19A.5 실시예 19A.1의 전기 장치에서, 상기 전기 장치는 유지 구성으로 구성되거나 적어도 하나의 유지 모드 명령을 가지고, 상기 적어도 하나의 제어 시스템은 움직임을 정지시키기 위해 자기 코일 중 하나 또는 그 이상에 에너지를 가하여 자석을 당기거나 밀도록 적어도 하나의 스위치를 활성화하는 전기 장치.
20A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 운전중 상기 적어도 하나의 제어 시스템이 상기 적어도 하나의 운전 파라미터와 관련하여 운전시간 동안 실질적으로 연속적이도록 하나 또는 그 이상의 적절한 효율 모드를 결정하는 전기 장치. 20A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 운전중 상기 적어도 하나의 제어 시스템이 상기 적어도 하나의 운전 파라미터, 상기 적어도 하나의 성능 파라미터 또는 이들의 조합과 관련하여 운전시간 동안 실질적으로 연속적이도록 하나 또는 그 이상의 적절한 효율 모드를 결정하는 전기 장치.
21A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98% 또는 100%의 RPM 범위로 효과적으로 조작할 수 있다.
22A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 전기 장치는 대략 100, 500, 1000, 2000, 5000, 10000, 또는 20000 kw/meter cubed의 전력 밀도를 갖는다. 22A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 100, 500, 1000, 2000, 5000, 10000, 또는 20000 kw/meter cubed의 전력 밀도를 갖는다. 2A.3 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 100 내지 20000, 100 내지 200, 100 내지 500, 250 내지 500, 500 내지 1000, 500 내지 2000, 1000 내지 10000, 1000 내지 5000, 2000 내지 5000, 5000 내지 10000, 5000-15000 또는 10000 내지 20000 kw/meter cubed.사이의 전력 밀도를 갖는 전기 장치.
23A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 운전 파라미터 중 하나 또는 그 이상은, 실질적으로 실시간으로 재구성될 수 있는 전기 장치. 23A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 운전 파라미터, 상기 적어도 하나의 성능 파라미터 또는 이들의 조합 중 하나 또는 그 이상은, 실질적으로 실시간으로 재구성 될 수 있는 전기 장치.
24A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 적어도 하나의 제어 시스템은 적어도 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% 또는 100%의 상기 복수개의 코일을 개별 제어할 수 있는 전기 장치.
25A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 전기 장치의 적어도 하나의 운전 파라미터가 실질적으로 실시간으로 재구성될 수 있고, 결정되고 구현된 성능의 최적 설정값은 하나 또는 그 이상의 운전속도와 부하의 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98%, 또는 100%이다.
26A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수개의 코일의 타이밍이 실질적으로 실시간으로 재구성될 수 있어 복수개의 코일의 타이밍이 연속적으로 최적화된다. 26A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 코일의 타이밍이 실질적으로 실시간으로 재구성될 수 있어 적어도 하나의 코일의 타이밍이 연속적으로 최적화된다.
27A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 영구 자석의 총 개수는 최소 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60% 또는 70%로 감소될 수 있고, 여전히 브러쉬리스 영구자석 3상 전기 장치와 유사한(comparable) 출력을 제공한다. 27A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 영구 자석의 총 개수는 최소 10% 내지 70%, 10% 내지 25%, 20% 내지 50%, 15% 내지 35%, 20% 내지 55%, 25% 내지 50%, 30% 내지 60%, 35% 내지 50%, 40% 내지 60%, 45% 내지 70% 또는 50% 내지 70%로 감소될 수 있고, 여전히 브러쉬리스 영구자석 3상 전기 장치와 유사한 출력을 제공한다.
28A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수의 코일은 유사한 출력을 제공하는 브러쉬리스 영구자석 3상 전기 장치에 비해 약 1000, 500, 100, 50, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5배 적은 편차를 갖는 회전시 토크를 제공한다. 28A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수의 코일은 유사한 출력을 제공하는 브러쉬리스 영구자석 3상 전기 장치에 비해 1000 내지 100, 1000 내지 100, 500 내지 100, 500 내지 20, 100 내지 5, 100 내지 30, 50 내지 10, 40 내지 15, 35 내지 10, 30 내지 15, 25 내지 10, 20 내지 5, 15 내지 5 또는 10 내지 5배 적은 회전시 편차를 갖는다.
29A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 자석의 재료 절감은 유사한 출력을 제공하는 브러쉬리스 영구자석 3상 전기 장치에 비해 적어도 10%, 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 또는 60%이다. 29A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 자석의 재료 절감은 유사한 출력을 제공하는 브러쉬리스 영구자석 3상 전기 장치에 비해 적어도 10% 내지 60%, 10% 내지 30%, 15% 내지 30%, 20% 내지 50%, 30% 내지 50%, 40% 내지 60% 또는 50% 내지 70%이다.
30A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 구리의 재료 절감은 유사한 출력당 저항 전력 손실을 갖는 브러쉬리스 영구자석 3상 전기 장치에 비해 적어도 10%, 15%, 20%, 30%, 40%, 100%, 200%, 1000% 이다. 30A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 구리의 재료 절감은 유사한 출력당 저항 전력 손실을 갖는 브러쉬리스 영구자석 3상 전기 장치에 비해 적어도 10% 내지 100%, 15% 내지 40%, 20% 내지 100%, 20% 내지 200%, 30% 내지 1000%, 40% 내지 150%, 100% 내지 200%, 200% 내지 500%, 200% 내지 1000%, 500% 내지 1000% 사이에 있다.
31A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 고정자는 알루미늄, 강철, 구리, 폴리에틸렌, 아크릴, 중합체 강화 탄소 섬유, 중합체 강화 유리 섬, 다른 금속, 플라스틱 및/또는 복합 재료 또는 이들의 조합으로 제조할 수 있고, 고정자는 적당한 단단함이 있다.
32A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 회전자는 알루미늄, 강철, 구리, 폴리에틸렌, 아크릴, 중합체 강화 탄소 섬유, 중합체 강화 유리 섬, 다른 금속, 플라스틱 및/또는 복합 재료 또는 이들의 조합으로 제조할 수 있고, 회전자는 적당한 단단함이 있다.
33A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 격납부는 알루미늄, 강철, 구리, 폴리에틸렌, 아크릴, 중합체 강화 탄소 섬유, 중합체 강화 유리 섬, 다른 금속, 플라스틱 및/또는 복합 재료 또는 이들의 조합으로 제조할 수 있고, 격납부는 적당한 단단함이 있다.
34A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 희토류나 다른 종래의 종류의 영구자석을 사용하여 회전자나 슬라이더에 자계를 형성할 수 있다.
35A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수개의 자기장 발생기는 다음 중 하나 또는 그 이상이다: 자기장을 생성하는 루프에 전류를 유도하는 금속재료의 루프 또는 코일.
36A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수개의 자기장 발생기는 자기장을 다시 보내는(redirect) 강자성 물질의 스트립이다.
37A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 공간, 비용 또는 둘다를 절약하기 위해 적어도 하나의 모듈에 대한 적어도 하나의 스위치는 동일한 기판상에 제조된다. 37A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈에 대한 적어도 하나의 스위치가 동일한 회로 기판상에 제조된다.
38A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 공간, 비용 또는 이 둘을 절약하기 위해 적어도 하나의 모듈의 적어도 하나의 전자기 코일은 하나의 유닛으로 제조된다. 38A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈의 적어도 하나의 전자기 코일은 단일 유닛으로 제조된다.
39A, 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈은 별도의 고정자 구조를 가질 필요없이, 적어도 하나의 고정자를 구성하기 위해 하나 또는 그 이상의 다른 모듈에 부착되는 격납부를 갖는다.
40A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 샤프트에 연결되는 적어도 하나의 회전자를 생성하도록 하나 또는 그 이상의 자석이 다른 하나 또는 그 이상의 자석에 부착되어 복수의 자석들 중 하나 또는 그 이상이 그 주위에 격납부를 갖는다.
41A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 하나 또는 그 이상의 다른 모듈과 적어도 하나의 고정자를 참조한 적어도 하나의 모듈의 물리적 위치는 제어소프트웨어로 하드 코딩된다.
42A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 하나 또는 그 이상의 다른 모듈과 적어도 하나의 고정자를 참조하는 적어도 하나의 모듈의 물리적 위치는 하나 또는 그 이상의 전기적 연결의 시퀀스에 의해 부호화된다. 전기적 연결은 스위치, 납땜 브리지, 점퍼, 절단 인쇄 회로 트랙 또는 다른 적절한 방법의 전기적 연결을 만들고 차단하는 방법, 또는 이들의 조합이 사용된다.
43A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 하나 또는 그 이상의 다른 모듈과 적어도 하나의 고정자를 참조하는 적어도 하나의 모듈의 물리적 위치는 적어도 하나의 모듈이 적어도 하나의 고정자에 삽입되는 위치에 의해 검출되고, 일련의 전기 접점, 광 반사, 자기력 또는 이들의 조합에 의해 적어도 하나의 모듈의 물리적 위치를 인코딩한다.
44A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 실시예 41A, 42A 및 43A의 하나 또는 그 이상의 조합이다.
45A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 전자기 코일이 적어도 하나의 고정자의 외주 주위에 배치된다.
46A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 샤프트를 포함한다.
47A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수의 자석이 상기 적어도 하나의 회전자의 외주에 배치되고, 적어도 하나의 전자기 코일, 복수개의 적어도 하나의 전자기 코일, 또는 적어도 하나의 전자기 코일의 주요부분 중 하나 또는 그 이상과 실질적으로 동일한 중심 직경을 갖는다.
49A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수의 자석이 상기 적어도 하나의 회전자의 외주에 배치되고, 적어도 하나의 전자기 코일, 복수개의 적어도 하나의 전자기 코일, 또는 적어도 하나의 전자기 코일의 주요부분, 교류 극성의 둘 이상의 자석 중 하나 또는 그 이상과 실질적으로 동일한 중심 직경을 갖는다.
50A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 복수의 자석 중 두 개 이상의 자석이 교류 극성을 갖는다.
51A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 고정자 및 적어도 하나의 회전자 사이에 간극이 있다.
52A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 전자기 코일 의 상대중량이 실질적으로 유사한 저항 손실을 갖는 단상 전기 장치에 비하여 코일의 총 개수의 역수와 대략 동일하다. 52A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 전기 장치는 (n)코일과 실질적으로 유사한 저항 손실을 갖는 단상 모터에 비해 대략 1/(N-1) 내지 1/(N+1)의 무게를 갖는다.
53A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 하나 또는 그 이상의 모듈 코일 활성화 시퀀스는 장치 운전 동안 계산되고 모듈 활성화순서는 순차적으로 모듈 배열에서의 기하학적 위치에 근거한다. 53A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 모듈 코일 활성화 시퀀스가 장치 운전 동안 계산되고 모듈 활성화순서는 순차적으로 모듈 배열에서의 기하학적 위치에 근거한다.
54A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 하나 또는 그 이상의 모듈 코일 활성화 시퀀스는 장치 운전 동안 계산되고, 모듈 활성화순서는 센서의 피드백에 적어도 부분적으로 근거하는 전기 장치. 54.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 모듈 코일 활성화 시퀀스는 장치 운전 동안 계산되고, 모듈 활성화순서는 센서의 피드백에 근거하는 전기 장치.
55A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 모듈 코일 활성화 시퀀스는 장치 운전 동안 계산되고, 모듈 활성화순서는 시퀀스 패턴에 근거하는 전기 장치. 55A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 모듈 코일 활성화 시퀀스는 장치 운전 동안 계산되고, 적어도 하나의 모듈 활성화순서는 하나 또는 그 이상의 시퀀스 패턴에 적어도 부분적으로 근거하는 전기 장치.
56A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 상기 모듈 코일 활성화 시퀀스는 장치 운전 동안 계산되고, 모듈 활성화순서는 적어도 부분적으로 하나 또는 그 이상의 최적 전력 사용 시나리오에 근거하는 전기 장치. 57A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 모듈 코일 활성화 시퀀스는 미리 정해지고, 저장되며, 시퀀스는 적어도 부분적으로 센서의 피드백에 근거하는 전기 장치.
58.A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 모듈 코일 활성화 시퀀스는 미리 정해지고, 저장되며, 시퀀스의 속성은 모듈내에 저장된 미리 계산된 데이타로부터 근거하는 전기 장치.
58.A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 모듈 코일 활성화 시퀀스는 미리 정해지고, 저장되며, 시퀀스의 속성은 모듈내에 저장된 미리 계산된 데이타로부터 적어도 부분적으로 근거하는 전기 장치.
59A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 모듈 코일 활성화 시퀀스는 미리 정해지고, 저장되며, 시퀀스의 속성은 통신 버스를 통해 외부 모듈에서 공급되는 전기 장치. 59A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 모듈 코일 활성화 시퀀스는 미리 정해지고, 저장되며, 시퀀스의 속성은 하나 또는 그 이상의 통신 버스를 통해 하나 또는 그 이상의 외부 모듈에서 공급되는 전기 장치.
60A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 모듈 코일 활성화 시퀀스가 상기 예들 중 하나 또는 그 이상에 근거하거나 공급되어 또는 둘다에 의해 결정된다.
61A.1 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 활성 시퀀스에 의해 작동되는 코일의 총수는 운전중에 코일의 총수로 부터 0까지 변화할 수 있다. 61A.2 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 활성 시퀀스에 의해 작동되는 적어도 하나의 코일의 총수는 운전중에 코일의 총수로부터 0까지 변화할 수 있다.
62A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 활성화된 적어도 하나의 전자기 코일의 수는 센서 피드백에 근거할 수도, 근거하지 않을 수도 있다.
63A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 전기 장치의 제어가 적어도 하나의 제어 모듈로 집중된다.
64A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 전기 장치의 제어는 하나 또는 그 이상의 모듈에 분배되고, 하나 또는 그 이상의 모듈은 독립적으로 작용한다.
65A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 전기 장치의 제어가 둘 이상의 지정된 모듈 사이에서 중재된다.
66A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 하나 또는 그 이상의 모듈은 장치의 운전중에 실질적으로 기계의 작동 상태에 영향을 주지 않고 개별적으로 제거, 추가, 또는 대체될 수 있다.
67A 실시예 66A의 전기 장치에서, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 모듈은 장치의 운전 중에 실질적으로 기계의 작동 상태에 영향을 주지 않고 개별적으로 제거, 추가, 또는 대체될 수 있다.
68A 실시예 66A의 전기 장치에서, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 모듈은 장치의 운전 중에 실질적으로 기계의 작동 상태에 영향을 주지 않고 개별적으로 제거, 추가, 또는 대체될 수 있다.
69A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈 중 하나 또는 그 이상은 장치의 전원이 꺼진 중에 실질적으로 기계의 작동 상태에 영향을 주지 않고 개별적으로 제거, 추가, 또는 대체될 수 있다.
70A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 개별 모듈에 의해 사용되는 적어도 하나의 운전 파라미터들 중 하나 또는 그 이상이 적어도 부분적으로 센서 피드백에 근거하여, 전기 장치의 동작 중에 동적으로 조절된다.
71A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 개별 모듈에 의해 사용되는 적어도 하나의 운전 파라미터들 중 하나 또는 그 이상이 전기 장치의 동작 중에 동적으로 조절되고, 사용된 조절 방법은 기계 학습 알고리즘의 사용과 관계될 수도, 관계 안될 수도 있다.
72A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 기계 제어 시스템은 기본 출력 또는 입력의 회전축에 대하여 시계 방향 및 반시계 방향 모두에서 작동하는 모터를 허용한다.
73A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈들 중 하나 또는 그 이상이 피드백 기반 이벤트의 경우에 코일에 대한 자동 전원 차단을 허용하기 위해 하드웨어, 소프트웨어 또는 이 둘 모두에서 구현되는 하나 또는 그 이상의 안전 시스템을 포함한다.
74A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈들 중 하나 또는 그 이상이 상기 모듈들 중 하나 또는 그 이상에 대한 적어도 하나 또는 그 이상의 외부 전원 안전 차단 제어 입력을 더 포함한다. 입력은 촉각 스위치 또는 디지털 터치 패널 또는 통신 버스의 형태를 가지고 컷오프들은 각 모듈의 기본 컨트롤러를 우회하도록 설계된다.
75A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈들 중 하나 또는 그 이상이 상기 모듈들 중 하나 또는 그 이상에 대한 적어도 하나 또는 그 이상의 외부 전원 안전 차단 제어 입력을 더 포함한다. 입력은 촉각 스위치 또는 디지털 터치 패널 또는 통신 버스 또는 이들의 조합 중 하나 또는 그 이상일 수 있고, 컷오프들은 하나 또는 그 이상의 적어도 하나의 모듈의 기본 컨트롤러를 우회하도록 설계된다.
76A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈은 코깅 효과를 감소시키고, 효율을 향상시키기 위해 모듈의 코일로부터 역기전력을 검출하기 위한 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 무동력 코일의 역기전력은 운전중 적어도 하나의 코일 제어 유닛의 AD 컨버터를 사용하여 대표적인 범위에서 기록된다. 무동력 코일에 실질적으로 역기전력을 없애서 무동력 코일과 자석 간의 자기간섭을 중화시키는 전압이 공급된다. 선택적으로 이러한 과정은 코깅 효과를 감소시키기 위해 하나 또는 그 이상의 배열된 코일에 대해 반복될 수 있다.
77A 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현된 상기 실시예들 중 하나.
78A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 모듈의 코일의 전압을 검출하기 위한 하나 또는 그 이상의 센서를 더 포함한다.
79A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 모듈의 코일에 흐르는 전류를 검출하기 위한 하나 또는 그 이상의 센서를 더 포함한다.
80A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 모듈의 코일로부터 역기전력을 검출하기 위한 하나 또는 그 이상의 센서를 더 포함한다.
81A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 모듈의 위치에 대한 장치의 적어도 하나의 회전자의 절대 또는 상대 위치를 검출하기 위한 하나 또는 그 이상의 센서를 더 포함한다.
82A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈은 장치의 속도를 검출하기 위한 하나 또는 그 이상의 센서를 더 포함한다. 적어도 하나의 회전자는 적어도 하나의 모듈의 위치와 관련이 있다.
83A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 모듈 또는 전기 장치 내의 다른 표면 주위의 온도를 검출하기 위한 하나 또는 그 이상의 센서를 더 포함한다.
84A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈은 하나 또는 그 이상의 크기, 각도 및 적어도 하나의 자기장의 방향 중 하나 또는 그 이상을 검출하기 위한 하나 또는 그 이상의 센서를 더 포함한다.
85A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 모듈은 진동 검출의 목적으로 가속도를 검출하기 위한 하나 또는 그 이상의 센서를 더 포함한다.
86A 본 출원에 개시된 특징의 하나 또는 그 이상의 상기 실시예 또는 이들의 조합의 전기 장치를 사용하는 방법.
87A 본 출원에 개시된 특징의 하나 또는 그 이상의 상기 실시예 또는 이들의 조합의 전기 장치를 사용하는 시스템 .
88A 본 출원에 개시된 특징의 하나 또는 그 이상의 상기 실시예 또는 이들의 조합을 통합한 모듈 .
89A 본 출원에 개시된 특징의 하나 또는 그 이상의 상기 실시예 또는 이들의 조합의 전기 장치를 위한 제어 시스템.
90A 본 출원에 개시된 특징의 하나 또는 그 이상의 상기 실시예 또는 이들의 조합을 통합한 모듈의 제어 시스템 .
91A 상기 하나 또는 그 이상의 실시예의 전기 장치는, 적어도 하나의 적응 제어는 다음 중 하나 또는 그 이상을 사용하여 시스템 동작 동안 최적화를 수행함으로써 구현된다: 적어도 하나의 지원 벡터 기계, 신경망 알고리즘, 퍼지 로직 알고리즘, 기계 학습 알고리즘 및 다른 적합한 적응 제어 기술.
본 발명은 여기에 기술된 특징의 가능한 조합을 포함하도록 간주되어야 한다.
설명된 특징의 조합은 전기 모터가 넓은 출력과 RPM 범위에서, 필요한 경우 고출력과 고토크 밀도를 가지고, 효율적으로 작동하도록 허용하는 것과 같은 것이다. 또한, 전기 모터의 구성의 범위를 제공하기 위해 함께 조립되는 표준 부품의 조합을 허용한다.
설명된 예시적인 방법은 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 적절한 조합을 사용하여 수행될 수 있으며, 그러한 특정의 조합에 한정되지 않는다. 본 출원에 기재된 실시 방법을 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램 명령어는, 자기 디스크 또는 다른 자기 메모리, 광 디스크(예를 들면, DVD) 또는 다른 광학 메모리, RAM, ROM, 또는 플래시 메모리, 메모리 카드 등과 같은 다른 적합한 메모리와 같은 명백하고, 비일시적이며, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 구현될 수 있다.
또한, 본 발명은 특정 구체예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 위에서 설명한 구체예들 이외의 특정 형태로 발명을 구현하는 것이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 상기 구체예는 단지 예시에 불과하며, 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 발명의 범위는 이전의 상세한 설명보다는 청구범위에 의해 주어지고, 변형, 균등물도 청구항이 의도한 범위 안에 포함되는 것으로 해석된다.
Claims (22)
- 전기 장치에 있어서,
적어도 하나의 고정자;
적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일 및 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되고; 및
이에 부착되는 복수의 자석들을 가지는 적어도 하나의 회전자를 포함하고, 이때 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 복수의 자석들과 이격 관계에 있고, 또한 상기 적어도 하나의 회전자는 상기 적어도 하나의 고정자와 회전 관계에 있고,
이때 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터들에 부분적으로 기초하여 결정되고;
이때 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 또한
상기 적어도 하나의 모듈은, 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있는, 전기 장치. - 전기 장치에 있어서,
적어도 하나의 고정자;
적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일 및 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되고; 및
이에 부착되는 복수의 자석들을 가지는 적어도 하나의 슬라이더를 포함하고, 이때 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 복수의 자석들과 이격 관계에 있고, 또한 상기 적어도 하나의 슬라이더는 상기 적어도 하나의 고정자와 선형 관계에 있고,
이때 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터들에 부분적으로 기초하여 결정되고;
이때 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 또한
이때 상기 적어도 하나의 모듈은, 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있는, 전기 장치. - 전기 장치에 있어서,
적어도 하나의 고정자;
적어도 하나의 모듈, 상기 적어도 하나의 모듈은 적어도 하나의 전자기 코일 및 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 적어도 하나의 고정자에 부착되고; 및
이에 부착되는 복수의 자석들을 가지는 적어도 하나의 플래터 또는 회전자를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈은 상기 복수의 자석들과 이격 관계에 있고, 또한 상기 적어도 하나의 플래터 또는 회전자는 상기 고정자와 이동 관계에 있고,
이때 상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 모듈의 양과 구성은 하나 또는 그 이상의 운전 파라미터들에 부분적으로 기초하여 결정되고;
이때 상기 적어도 하나의 모듈은 독립적으로 제어될 수 있고; 또한
이때 상기 적어도 하나의 모듈은, 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터, 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터, 또는 이들의 조합 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 운전 중의 적어도 하나의 운전 파라미터는,
최대 각속도, 평균 각속도, 최소 각속도, 최대 출력 전력, 평균 출력 전력, 최소 출력 전력, 최대 입력 전압, 평균 입력 전압, 최소 입력 전압, 최대 발전 전압, 평균 발전 전압, 최소 발전 전압, 생성되는 전압의 형상 및 주파수, 피크 입력 전류, 평균 입력 전류, 최소 입력 전류, 최대 발전 전류, 평균 발전 전류, 최소 발전 전류, 최대 토크, 평균 토크, 최소 토크, 토크 평활성, 활성 시퀀스, 가속율, 홀드 각도의 정확도 차수, 각속도의 편차 최소화, 단절시 감속율, 샤프트의 직경, 상기 전기 장치의 최대 반경, 상기 전기 장치의 최대 길이, 상기 전기 장치의 최대 깊이, 상기 전기 장치의 최대 높이, 최대 슬라이드 거리, 최소 슬라이드 거리, 상기 전기 장치의 최대 중량, 상기 전기 장치의 최소 중량, 최대 저항 전력 손실 및 단위 리던던시와 전체적 가격 중 하나 또는 그 이상으로부터 선택될 수 있는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 운전 중의 적어도 하나의 성능 파라미터는,
최대 각속도, 최대 전력 출력, 발전하는 동안 출력 전압으로부터의 편차, 요구된 발전 전압의 유지, 토크 평활성, 가속도, 홀드 각도의 정확성, 각속도의 편차 최소화, 단절시 요구된 감속율 매칭, 저항 전력 손실의 최소화, 전체 효율, 역률 보정, 기계적 고조파 취소, 전기적 고조파 취소, 재생된 출력 전압 파형의 정확도, 및 생성된 주파수의 정확도 중 하나 또는 그 이상으로부터 선택될 수 있는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 장치의 전력 대 중량비는 5 내지 1000, 5 내지 10, 10 내지 100, 10 내지 500, 10 내지 50, 20 내지 1000, 20 내지 50, 50 내지 100, 50 내지 500, 100 내지 500 또는 500 내지 1000 kg/kw 사이에 있는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 회전자의 절대적 또는 상대적 위치를 검출하는 적어도 하나의 센서; 및
상기 적어도 하나의 센서, 적어도 하나의 전력 명령, 적어도 하나의 구동, 생성, 제동 및 홀드 명령 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 적어도 하나의 모드 명령, 및 적어도 하나의 회전 방향 명령 중 하나 또는 그 이상으로부터의 입력들에 응답하는, 적어도 하나의 제어 시스템을 더 포함하는, 전기 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제어 시스템은, 구동 구성으로 구성되거나, 또는 상기 적어도 하나의 구동 모드 명령을 가지고, 상기 적어도 하나의 제어 시스템은 움직임을 생성하기 위해 상기 자석들을 당기거나 밀도록 하나 또는 그 이상의 자기 코일들에 에너지를 가하는 적어도 하나의 스위치를 활성화하는, 전기 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 전기 장치는 생성 구성으로 구성되거나 또는 전력을 생성하기 위해 적어도 하나의 모드 명령을 가지고, 상기 적어도 하나의 제어 시스템은 외부의 전원 레일들에 하나 또는 그 이상의 코일들을 연결하는 적어도 하나의 스위치를 활성화하는, 전기 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 전기 장치는 제동 구성으로 구성되거나 또는 적어도 하나의 제동 모드 명령을 가지고, 상기 적어도 하나의 제어 시스템은 말단부와 함께 움직임을 방해하도록 하나 또는 그 이상의 자기 코일들을 연결하는 적어도 하나의 스위치를 활성화하는, 전기 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 전기 장치는 홀딩 구성으로 구성되거나 또는 적어도 하나의 홀딩 모드 명령을 가지고, 상기 적어도 하나의 제어 시스템은 움직임을 정지시키기 위해 자석을 당기거나 밀도록 하나 또는 그 이상의 자기 코일들에 에너지를 가하여 적어도 하나의 스위치를 활성화하는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
운전 중 상기 적어도 하나의 제어 시스템이 운전시간 동안 실질적으로 연속적으로 기초하여, 상기 적어도 하나의 운전 파라미터들, 상기 적어도 하나의 성능 파라미터 또는 이들의 조합과 관계있는 하나 또는 그 이상의 적절한 효율 모드를 결정하는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 장치는 100 내지 20000, 100 내지 200, 100 내지 500, 250 내지 500, 500 내지 1000, 500 내지 2000, 1000 내지 10000, 1000 내지 5000, 2000 내지 5000, 5000 내지 10000, 5000 내지 15000 또는 10000 내지 20000 kw/meter cubed 사이의 전력 밀도를 가지는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 장치의 상기 적어도 하나의 운전 파라미터, 상기 적어도 하나의 성능 파라미터 또는 이들의 조합 중 하나 또는 그 이상은, 실질적으로 실시간으로 재구성 될 수 있는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제어 시스템은 상기 복수의 코일들 중 적어도 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% 또는 100%에 대해 개별적인 제어를 제공하는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모듈 코일 활성화 시퀀스는 장치 운전 동안 계산되고 모듈 활성화 순서는 상기 모듈 어레이에서의 기하학적 위치에 순차적으로 기초하는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모듈 코일 활성화 시퀀스는 장치 운전 동안 계산되고, 모듈 활성화 순서는 센서의 피드백에 기초하는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모듈 코일 활성화 시퀀스는 장치 운전 동안 계산되고, 적어도 하나의 모듈 활성화 순서는 하나 또는 그 이상의 시퀀스 패턴에 적어도 부분적으로 기초하는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 활성 시퀀스로 전력이 가해지는 상기 적어도 하나의 전자기 코일들의 총 수는 운전 동안 코일의 총수로부터 0까지 변경될 수 있는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 장치의 제어는 적어도 하나의 제어 모듈에 집중되는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 또는 그 이상의 모듈들은 상기 장치의 운전 상태에 실질적으로 영향을 주지 않고 상기 장치의 운전 동안 개별적으로 제거, 추가 또는 대체될 수 있는, 전기 장치. - 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 모듈은,
운전 동안 제 4 항에 열거되어 있는 파라미터 중 하나 또는 그 이상으로부터 선택될 수 있는 적어도 하나의 운전 파라미터,
운전 동안 제 5 항에 열거되어 있는 파라미터 중 하나 또는 그 이상으로부터 선택될 수 있는 적어도 하나의 성능 파라미터,
또는 이들의 조합 중 하나 또는 그 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 재구성될 수 있는 전기 장치.
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