KR20160022907A

KR20160022907A - 회전 전기 기계를 위한 권선 및 이러한 권선의 설계 방법

Info

Publication number: KR20160022907A
Application number: KR1020167001860A
Authority: KR
Inventors: 브루노 데헤즈; 프랑수와 바우다트
Original assignee: 위니베르시트카솔리끄드루뱅
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-03-02
Also published as: WO2014207174A3; JP6989259B2; CA2913502A1; CN105359384A; JP2016525860A; CN111697732A; EP3014744B1; HUE052540T2; US20160164358A1; US10461596B2; KR102366731B1; CN111697732B; EP3014744A2; WO2014207174A2

Abstract

본 발명은 제1 표면 상의 복수의 컨덕터(60) 및 제2 표면 상의 복수의 컨덕터(60)를 갖는 연성 PCB(45)를 포함하는 회전 전기 기계(1)를 위한 권선(40) 및 이러한 권선을 설계하는 방법을 제공하며, 상기 컨덕터는 기계의 성능을 최적화하는 형상을 갖는다.

Description

회전 전기 기계를 위한 권선 및 이러한 권선의 설계 방법{WINDING FOR A ROTATING ELECTRICAL MACHINE AND METHOD FOR DESIGINING SUCH A WINDING}

본 발명은 회전 전기 기계를 위한 권선에 관한 것으로, 기계는 인덕터, 철심, 및 그 사이의 에어 갭을 포함하고, 권선은 기판의 제1 표면 상의 복수의 컨덕터 및 제2 표면 상의 복수의 컨덕터를 가지는 연성 PCB를 포함하고, 상기 컨덕터는 상기 PCB 상에 인쇄된 트랙들이며, 제1 표면의 컨덕터는 비아를 통해 제2 표면의 컨덕터에 연결되어 턴을 형성함에 따라, 길이를 따라 1회 이상 권취되는 경우 축방향으로 상기 에어 갭 내로 삽입되도록 구성된다. 본 발명은 또한 이러한 권선을 설계하는 방법에 관한 것이다.

구리선으로 만들어진 일반적인 권선이 알려져 있고 브러시리스 직류 전기 모터(BLDC 모터)와 같은 전기 모터를 제조하는 데에 사용되어 왔다. 연성 회로 기판(Flex-PCB)에 인쇄된 권선은 또한 이러한 모터를 제조하는 데에 사용되어, 구리선으로 만들어진 권선에 비해 제조가 용이하고 더 저렴하며 형상과 설계에 융통성을 더욱 제공하므로, 이들 BLDC 모터의 성능을 개선할 기회를 부여한다.

문헌 FR76288은 평면 DC 모터를 개시하며, 여기서 자석의 유효 자기장은 축방향이고, 그 권선은 비아를 통해 연결된 제1 표면 상의 컨덕터 및 제2 표면 상의 회로를 구비한 강성 평면 PCB 상에 인쇄된다. 이 문헌은 만곡 형상의 컨덕터를 구비한 권선의 용도를 개시한다. 평면 모터의 만곡 형상을 가진 권선의 용도는 기계의 성능을 향상시키는 것으로 잘 알려져 있다. 그러나, 평면 모터에서 만곡 형상의 권선이 잘 알려져 있지만, 이러한 권선은 자석의 유효 자기장이 반경방향인 브러시리스 DC 전기 모터(BLDC 모터)의 성능을 향상시키는 것으로 알려져 있지는 않다.

문헌 US20090072651 및 FR2262880은 둘 다, 회전 전기 기계를 위한 슬롯리스 권선 및 그 제조 방법을 개시한다. 이들 문헌은 비아를 통해 연결된 제1 표면 상의 컨덕터 및 제2 표면 상의 컨덕터를 구비한 연성 PCB의 용도를 개시한다. 그러나, 이들 문헌은 성능을 최적화하는 문제를 다루지 않고, 각각의 PCB 표면 상의 컨덕터가 2개 또는 3개의 직선 세그먼트로 이루어진 권선에 한정되며, 제1 및 제2 표면 상의 컨덕터들 사이의 연결이 어떻게 구현되는지를 설명하고 있지 않다.

BLDC 기계를 위한 flex-PCB 슬롯리스 권선이 "B. Dehez, M. Markovic, Y. Perriard, "Analysis and comparison of classical and flex-PCB slotless windings in BLDC motores," Electrical Machines and Systems(ICEMS), 2012 15th International Conference on, pp. 1-6, 21-24 Oct. 2012"에 공지되어 있다. 이 문헌(이하, 참조문헌 1로 지칭됨)은 BLDC 모터의 일반적인 구조를 기술하고 있다. 권선을 특징짓는 두 파라미터의 분석적 표현, 즉 토크 상수 및 전기 저항이 주어진다. 전형적인 구리선 권선과 단순한 형상을 가진 Flex-PCB를 비교하여(저부로부터 상부까지 3개의 세그먼트를 가진 PCB의 일 측면 상의 컨덕터는, 도 2 및 도 3에 각각 도시된 바와 같이, 비스듬한 권선 또는 사방형 권선을 형성함), 전형적인 구리선 권선에 비해 Flex-PCB 권선의 전력 밀도에서 잠재적인 30%의 향상을 보여준다. 그러나, 최적의 성능을 가진 설계를 찾으려는 시도는 이루어지지 않았다. 어떻게 제1 표면 상의 컨덕터들이 제2 표면 상의 컨덕터들과 함께 배열되어 코일 또는 일련의 턴을 형성하는지에 대한 상세사항은 주어지지 않았다.

본 발명의 목적은, 향상된 성능을 가진 회전 전기 기계를 위한 권선 및 이러한 권선의 설계 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명은 독립 청구항에 의해 정의된다. 종속 청구항은 유리한 실시예들을 정의한다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 회전 전기 기계를 위한 권선이 제공되며, 상기 기계는 인덕터, 철심 및 그 사이의 에어 갭을 포함하고, 상기 권선은 기판의 제1 표면 상의 복수의 컨덕터 및 제2 표면 상의 복수의 컨덕터를 구비한 연성 PCB를 포함하고, 상기 컨덕터는 상기 PCB 상에 인쇄된 트랙이며, 제1 표면의 컨덕터는 비아를 통해 제2 표면의 컨덕터에 연결되어 턴을 형성하고, 상기 PCB는 높이 및 길이를 가짐으로써 길이를 따라 하나 이상의 층으로 1회 이상 권취되는 경우 축방향으로 상기 에어 갭 내로 삽입되도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 컨덕터는 연속 만곡부 또는 n개의 직선 세그먼트(n은 3보다 큼)를 따라 축방향으로 상기 연성 PCB의 저부 높이로부터 상기 PCB의 상부 높이로 연장되는 형상을 가진다. 본 출원인은, 컨덕터에 더욱 복잡한 형상, 즉 연속 만곡부 또는 3개보다 많은 직선 세그먼트 제공함으로써, 전기 기계의 성능을 증대시키는 예기치 않은 양호한 결과를 얻을 수 있음을 발견하였다.

바람직하게, 상기 형상은, 컨덕터와 이웃하는 컨덕터 사이의 갭이 상기 컨덕터의 길이를 따라 미리 결정된 상수와 같도록 가변 폭을 갖는다. 미리 결정된 일정 거리는 PCB의 동일 측면 상에 위치된 2개의 인접한 컨덕터 사이에 양호한 전기 절연을 달성하도록 선택된다. 다시 말해서, 컨덕터는 가변 폭을 가진다.

컨덕터의 형상이 n개의 직선 세그먼트를 따라 연장되는 경우, n은 유리하게는 6보다 크고 100보다 작거나 같다. 본 출원인은 6개 이상의 세그먼트가 여전히 성능을 향상시키지만, 100개가 넘는 세그먼트를 사용함으로써 상당한 향상은 얻지 못한다는 것을 발견하였다.

바람직한 제1 실시예에 따르면, 컨덕터는 선 대칭 형상을 갖고, 대칭축은 PCB의 중간 높이에서 PCB의 길이를 따른 선이다. 이러한 유형의 권선은 당 분야에서 랩 와인딩으로 알려져 있다.

바람직하게, 복수의 턴이 직렬로 연결되어 코일을 형성한다.

제1 연결 모드에서, 하나의 턴의 제1 표면 상의 컨덕터가 그 길이를 따라 연장되고, 비아를 통해 상응하는 연장부를 가진 제2 표면 상의 컨덕터에 연결되어, 상기 코일의 2개의 연속적인 턴 사이에 연결을 형성하며, 2개의 연속적인 턴은 길이 방향으로 이격되어 있다.

제2 연결 모드에서, 상기 복수의 턴은 t개의 턴이며, 제1 표면의 컨덕터는 길이 방향으로 1부터 t까지 번호가 매겨지고, 제2 표면의 컨덕터 또한 길이 방향으로 1부터 t까지 번호가 매겨지며, 제1 표면 상의 컨덕터 i는 i=1에서 i=t-1로 점점 더 감소하는 높이에서 PCB의 길이 방향을 따라 연장되는 트랙을 통해 제2 표면의 컨덕터 t-i에 PCB의 상측 단부에서 연결되며; 제1 표면 상의 컨덕터 i는 i=1에서 i=t로 점점 더 증가하는 높이에서 PCB의 길이 방향을 따라 연장되는 트랙을 통해 제2 표면의 컨덕터 t-i+1에 PCB의 하측 단부에서 연결된다. 제1 및 제2 표면의 컨덕터 t는 단자들에 연결된다. 이러한 제2 연결 모드를 사용함으로써, 제1 연결 모드에서와 동일한 토크가 얻어진다. 그러나, 컨덕터의 전체 길이가 짧아짐에 따라, 저항은 더 낮고 성능은 향상된다.

바람직한 제2 실시예에 따르면, 상기 컨덕터는 점 대칭 형상을 갖고, 반사점은 PCB의 중간 높이에 있다. 이러한 유형의 권선은 당 분야에서 웨이브 와인딩으로 알려져 있다.

바람직하게, 복수의 턴은 직렬로 연결되고 일련의 턴을 형성한다.

제1 연결 모드에서, 복수의 인접한 일련의 턴들은 길이 방향으로 이격되어 배열되고, 하나의 열의 하나의 턴의 제1 표면 상의 컨덕터는 길이를 따라 연장되며, 비아를 통해 상응하는 연장부를 가진 제2 표면 상의 연속된 열들의 컨덕터에 연결되어, 2개의 연속된 열 사이의 연결을 형성하고, 2개의 연속된 열은 길이 방향으로 이격되어 있다.

제2 연결 모드에서, 복수의 인접한 일련의 턴들은 길이 방향으로 이격되어 연속적으로 배열되고, 상기 복수의 열은 t개의 열들이고, 인접한 컨덕터들은 제1 및 제2 표면 둘 다에서 1부터 t까지 번호가 매겨지고, 제1 표면 상의 컨덕터 1~t는 PCB의 길이 방향을 따라 연장되는 t개의 트랙을 통해 점점 감소하는 높이에서 제2 표면 상의 컨덕터 t~1에 각각 PCB의 상측 단부에서 연결되고, 제2 표면 상의 컨덕터 1~t는 PCB의 길이 방향을 따라 연장되는 t개의 트랙을 통해 점점 증가하는 높이에서 제1 표면 상의 컨덕터 t~1에 PCB의 하측 단부에서 연결된다. 상기 복수의 열들 중 하나의 열의 인접한 턴들에 대해서, 제1 표면 상의 컨덕터 1부터 t-1은 PCB의 길이 방향을 따라 연장된 t-1개의 트랙들을 통해 점점 감소하는 높이에서 제2 표면 상의 컨덕터 t-1부터 1에 각각 PCB의 상측 단부에서 연결된다. 제1 및 제2 표면의 컨덕터 번호 t는 단자에 연결된다. 이러한 제2 연결 모드를 이용함으로써, 제1 연결 모드에서와 동일한 토크가 얻어진다. 그러나, 컨덕터의 전체 길이가 짧아짐에 따라, 저항이 더 낮고 성능이 향상된다.

제2 연결 모드의 트랙들은 제1 및 제2 실시예에서 유리하게는 PCB의 제1 및 제2 표면 둘 다에 위치될 수 있다. 이는 추가로 권선의 저항을 감소시키며 기계의 성능을 향상시킬 것이다.

이러한 경우, PCB의 두 측면 상의 트랙들은 복수의 비아를 통해 연결될 수 있다.

권선/컨덕터의 형상은 유리하게는 상기 권선의 상저항(R_ph)의 제곱근에 대한 토크 상수(K_T)의 비(K_p)를 최적화하도록 설계될 수 있다.

(1)

최적화될 다른 목적 함수가 선택될 수 있다: 효율, 즉 전력 입력에 대한 전력 출력의 비, 또는 전력 밀도, 또는 전기 기계의 크기.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 회전 전기 기계를 위한 권선을 설계하는 방법이 제공되며, 상기 기계는 인덕터, 철심 및 그 사이의 에어 갭을 포함하고, 상기 권선은 제1 표면 상의 복수의 컨덕터 및 제2 표면 상의 복수의 컨덕터를 구비한 연성 PCB를 포함하고, 상기 컨덕터는 상기 PCB 상에 인쇄된 트랙이며, 제1 표면의 컨덕터는 비아를 통해 제2 표면의 컨덕터에 연결되어 턴을 형성하고, 상기 PCB는 높이 및 길이를 가짐으로써 길이를 따라 하나 이상의 층으로 1회 이상 권취되는 경우 축방향을 따라 상기 에어 갭 내로 삽입되도록 구성된다. 컨덕터는, 연속 만곡부 또는 n개의 직선 세그먼트를 따라(n은 3보다 큼), 연성 PCB의 저부 높이로부터 PCB의 상부 높이로 축방향으로 연장되고, 컨덕터와 이웃하는 컨덕터 사이의 갭이 상기 컨덕터의 길이를 따라 미리 결정된 상수와 같도록 가변 폭을 갖는다.

본 발명에 따르면, 방법은 다음 단계들을 포함한다

a) 상기 컨덕터의 형상의 기하학적 파라미터에 의존하여 상기 회전 전기 기계의 토크 상수(K_T)를 결정하는 단계;

b) 상기 컨덕터의 형상의 기하학적 파라미터에 의존하여 상기 권선의 상저항(R_ph)을 결정하는 단계;

c) 상기 컨덕터의 최적 형상을 얻기 위한 하기의 목적 함수를 최적화시키기 위해 형상 파라미터를 변화시키는 단계

.

상기 논의된 다른 목적 함수들 또한 선택될 수 있다.

유전자 알고리즘을 이용하여 최적화가 유리하게 수행될 수 있다.

본 발명의 이러한 양태 및 다른 양태를 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 회전 전기 기계의 축에 수직인 평면을 따른 개략적인 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 권선의 PCB를 각각 권취된 형태와 평면 형태로 보여주는 개략적인 도면으로, 턴은 랩 구성을 갖는다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a 및 도 2b와 유사한, 본 발명에 따른 권선의 PCB의 개략적인 도면으로, 여기서 컨덕터는 더 많은 직선 세그먼트를 가지며 그에 따라 훨씬 더 많이 개선된 형상을 갖는다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 권선의 PCB를 각각 권취된 형태와 평면 형태로 보여주는 개략적인 도면으로, 턴은 웨이브 구성을 갖는다.
도 5a 및 도 5b는 도 4a 및 도 4b와 유사한, 본 발명에 따른 권선의 PCB의 개략적인 도면으로, 여기서 컨덕터는 더 많은 직선 세그먼트를 가지며 그에 따라 훨씬 더 많이 개선된 형상을 갖는다.
도 6a는 다수의 직선 세그먼트를 갖는 본 발명에 따른 권선의 컨덕터의 형상을 보여준다.
도 6b는 컨덕터의 직선 세그먼트의 개수 n에 의존하는 성능 비(k_p)에서의 상대 이득을 보여준다.
도 7a 및 도 7b는 턴 상호연결의 제1 모드에서, 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 기계의 권선을 보여준다.
도 8a 및 도 8b는 턴 상호연결의 제2 모드에서, 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 기계의 권선을 보여준다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제1 실시예에서, 턴 상호연결의 제1 모드에 따른 턴 상호 연결의 도면 및 확대 상세도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 제1 실시예에서, 턴 상호연결의 제2 모드에 따른 턴 상호 연결의 도면 및 확대 상세도이다.
도면의 그림들은 축적대로 그려지거나 비율에 맞게 그려진 것이 아니다. 전반적으로, 도면에서 동일한 구성요소들은 동일한 참조 번호로 나타내었다.

도 1은 본 발명에 따른 회전 전기 기계(1)의 회전축에 수직인 평면을 따른 개략 단면도이다. 중심에서부터 시작하여, 샤프트(10)가 반경 R_r을 가지고 철 또는 다른 강자성 재료로 만들어질 수 있다. 샤프트 상에는, 영구 자석(20)일 수 있고, 2극 자석일 수 있으며 반경 R_r으로부터 반경 R_m까지 연장된 인덕터가 존재하며, 이는 회전축에 수직인 방향으로 자기장을 생성하고, 그 자화는 방위각(θ)에서 화살표를 따라 유도된다. 인덕터는 DC 전류를 공급 받는 코일일 수도 있다. 반경 R_r으로부터 반경 R_m까지 연장된 에어 갭(30)이 전기 기계의 회전자와 고정자를 분리한다. 본 발명에 따른 권선(40)은 반경 R_w 및 R_s 사이에 배치된다. 반경 R_s로부터 반경 R_e로 연장되며 철 또는 다른 강자성 재료로 만들어질 수 있는 철 하우징(50)이 자기 회로를 폐쇄한다.

도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 권선(40)의 PCB(45)가 권취된 형태의 개략도이다. 도 2b는 동일한 PCB(45)를 평면 형태로 보여준다. 길이(φ)는 PCB가 권취된 경우의 방위각에 상응한다. PCB의 높이(L_w)는 PCB가 권취되어 에어 갭 내에 삽입될 때 전기 기계의 축을 따라 연장된다. PCB(45)의 일 측면(보이는 측면) 상에 인쇄된 컨덕터(61)가 실선으로 표시된다. PCB(45)의 다른 측면 상에 인쇄된 컨덕터(60)는 파선으로 표시된다. 컨덕터(60, 61)는 PCB(45)의 중간 높이의 선을 중심으로 선 대칭(또는 거울 대칭)을 이룬다. 컨덕터(60, 61)는 수직선을 중심으로 서로의 거울 이미지이다. 컨덕터(60, 61)는 저부에서 비아(43)를 통해 연결되어 랩 턴(41)을 형성할 수 있다. 컨덕터(60, 61)는 높이(L_w) 전체에 걸쳐 연장되는 것으로 도시되어 있지만, PCB의 기판은 조금 연장되어 마진을 제공할 수 있다. 턴(41)에 전류가 흐르면, 도면의 평면에 수직으로 자기장이 생성된다. 컨덕터(60, 61) 각각은 n=4개의 직선 세그먼트로 이루어진다. 도 2b의 권선은 하나의 턴으로 귄취될 수 있고, 턴들의 우측은 턴들의 좌측과 중첩된다. 도 2b의 PCB는 또한 길이 방향으로 다수 회 연장될 수 있고, 복수의 층을 가진 권선을 형성하기 위해 상기 횟수만큼 귄취되거나, 더 많은 극 및 더 큰 직경을 갖는 권선을 형성하기 위해 하나의 턴으로 귄취될 수 있다. 다층, 다극 권선의 조합 또한 설계될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 도 2a 및 도 2b와 유사하지만, 직선 세그먼트의 개수 n이 10과 같다. 직선 세그먼트의 개수를 늘림으로써 거의 연속적인 곡선을 얻을 수 있다.

도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b는 도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b와 유사하지만, 컨덕터(60, 61)는 중간 길이의 지점을 중심으로 점 대칭을 이룬다. 컨덕터(60, 61)는 또한 수직선을 중심으로 서로의 거울 이미지이다. 컨덕터(60, 61)는 비아(43)를 통해 연결될 수 있으며 웨이브 턴(42)을 형성한다.

도 6a는 다수의 직선 세그먼트를 가진 본 발명에 따른 권선의 컨덕터의 형상을 보여준다. 컨덕터(60)는 도 6a에 도시된 바와 같이 연결된 에지들을 가진 다수의 직선 세그먼트를 연속적인 방식으로 포함한다. 세그먼트의 개수 n을 늘림으로써, 원하는 만큼 연속적인 곡선에 가까워질 수 있다. 세그먼트 s_i는 그 끝단의 좌표 (φ_i-1, z_i _-1) 및 (φ_i, z_i)에 의해 정의된다. 세그먼트의 폭(W_i)은 세그먼트의 경사도 및 컨덕터와 이웃하는 컨덕터 사이의 거리에 따라 결정된다. PCB 기술을 이용함으로써, 어떠한 형상의 권선도 설계될 수 있다. 본 발명의 출원인은, 컨덕터의 형상을 신중히 설계함으로써 전력 밀도 및 전기 효율 둘 다의 측면에서 전기 기계의 성능을 상당히 향상시킬 수 있다는 것을 보여주었다.

도 7a는 본 발명의 제1 실시예 및 턴의 제1 연결 모드에 따른 회전 전기 기계를 위한 권선을 보여준다. 복수의 연속 턴이 직렬로 연결되어 코일을 형성한다. PCB의 전면측의 제1 컨덕터(61)(1번)가 상부에서 하방 화살표로 표시된 전류 입력 단자에 연결되고, 저부에서 비아를 통해 PCB의 후면의 제1 컨덕터(60)(또한 1번)에 연결된다. 그리고 나서 제1 컨덕터(60)는 L₁으로 표시된 높이에서 제1 컨덕터(61)와 교차하고, L₂로 표시된 높이까지 연장되어 비아(43)를 통해 정면의 2번 컨덕터와 교차 및 연결된다. 이러한 연장부들은 두 번째 턴의 컨덕터들이 첫 번째 턴의 컨덕터들과 이격되어 위치되는 것을 보장한다. 이들 연장부의 길이는, 턴들 사이의 거리가 미리 결정된 상수와 같도록 정해진다. 전면 및 후면 상의 컨덕터들은, 상방 화살표로 표시된 전류 출력 단자에 도달하는 후면의 마지막(10번째) 컨덕터(60)까지 유사하게 직렬로 연결된다. 3개의 상이 나타나 있다. 권선의 우측 단부가 1회 권취되어 권선의 좌측 단부를 덮으면, 3상 2극 권선이 형성된다. 권선은 점선으로 제시된 바와 같이 연장되고, 임의의 수의 상, 극 및 층을 형성하도록 1회 이상 권취될 수 있다.

도 7b는 본 발명의 제2 실시예 및 턴의 제1 연결 모드에 따른 회전 전기 기계를 위한 권선을 보여준다. 턴들은 직렬로 연결되어 일련의 턴들을 형성한다. 하방 화살표로 표시된 전류 입력 단자로부터 시작하여, 제1 컨덕터(61)가 저부 비아(43)를 통해 후면의 제1 컨덕터(60)에 연결되고, 다시 높이(L₁)에서 상부 비아(43')를 통해 전면의 제1 컨덕터(61')에 연결된다. 권선이 권취되면, 이러한 컨덕터의 하측 단부는 제1 컨덕터(60)의 하측 단부에 연결되어, 제1 열의 턴을 형성한다. 연속된 열들의 턴은 높이(L₂)까지의 연장부에 의존하는 비아(44)를 통해 연결되어, 연속된 열들의 턴은 길이 방향으로 미리 결정된 거리만큼 이격된다. 마지막(10번째) 컨덕터(60)의 상측 단부는 상방 화살표로 표시된 전류 출력 단자에 연결된다. 비아(44)는 두 전류 단자 사이에서 높이(L₂)에 있으며, 비아(43')는 다른 곳에서 높이(L₁)에 있다. 권선의 우측 단부가 1회 권취되어 권선의 좌측 단부를 덮으면, 3상 2극 권선이 형성된다. 권선은 점선으로 제시된 바와 같이 연장되고 1회 이상 권취되어 임의의 수의 상, 극 및 층을 형성할 수 있다.

도 8a는 턴 상호연결의 제2 모드에서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 기계의 권선을 보여준다. 하방 화살표로 표시된 전류 입력 단자로부터 시작하여, 전면 상의 마지막(10번째) 컨덕터(61)가 PCB의 저부에서 수평 트랙(65)에 연결되고, 후면의 제1 컨덕터(60)까지 연장된다. 컨덕터, 비아 및 수평 트랙은 도 8a에 나타난 바와 같이 나선형으로, 상방 화살표로 표시된 전류 출력 단자에 연결된 후면의 마지막(10번째) 컨덕터(60)까지 이어진다. 연속 수평 트랙들(65)은 점점 더 짧아지고, PCB의 중간 수평선에 더 가까워진다. 마지막 트랙, 즉 전면의 제1 컨덕터(61)와 저부에서의 후면의 마지막 컨덕터(10번 컨덕터) 및 상부에서의 9번 컨덕터 사이의 연결부는, 매우 짧을 수 있고 심지어 존재하지 않을 수 있다. 도 7a를 참조하여 논의한 바와 같이, 권선의 우측 단부가 1회 권취되어 권선의 좌측 단부를 덮으면, 3상 2극 권선이 형성된다. 또한, 권선은 점선으로 제시된 바와 같이 연장되고 1회 이상 권취되어 임의의 수의 상, 극 및 층을 형성할 수 있다.

도 8b는 턴 상호연결의 제2 모드에서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 기계의 권선을 보여준다. 이는 도 7b와 유사하고, 도 8a의 턴 상호연결을 이용한다.

도 9a는 도 7a의 권선의 단일 코일의 도면이다. 도 9b는 도 9a의 상측 부분의 확대도이다. 2개의 화살표는 후면의 컨덕터(60) 및 전면의 컨덕터(61)의 상응하는 부분들에서의 전류를 나타낸다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 전류의 축방향 성분만 모터에서 토크를 생성할 것이다. 그러므로, 후면의 컨덕터(60) 및 전면의 컨덕터(61)가 중첩되는 거의 삼각형인 영역에서, 결과적인 토크는 0이 될 것이다(2개의 화살표로부터 생성되는 벡터는 축방향 성분 없이 수평 방향이다). 이는 전기 기계가 모터인 경우 도 10a 및 도 10b에서 나타낸 턴 상호 연결의 제2 모드가 토크 손실을 나타내지 않는 이유를 설명한다. 동일한 기하형상 및 전류의 경우, 도 10a의 권선은 도 9a의 권선과 동일한 토크를 생성할 것이다. 도 9a의 권선과 비교하여, 도 10a의 권선은 더 짧은 트랙들을 가지며, 따라서 감소된 상저항 R_ph을 갖는다. 같은 이유에서, 전기 기계가 발전기인 경우, 도 10a의 권선으로 생성된 기전력은 동등할 것이다.

다음과 같은 2개의 파라미터가 본질적으로 전기 기계의 성능을 결정한다: 토크 상수 k_T, 즉 전류에 대한 토크의 비, 및 상저항 R_ph, 즉 컨덕터의 전체 저항. 권선의 기하학적, 형상 파라미터에 대한 이들 파라미터의 관계는 참고문헌 1에 주어져 있으며, 더 구체적으로 토크 상수에 대해서 웨이브 와인딩(경사 권선)은 식 16에, 랩 와인딩(사방형 권선)은 식 17에 주어져 있다. 이들 파라미터는 또한 전압, 전류, 영구 자석에 의해 생성되는 자기장의 형상과 같은 다른 파라미터에 따라 결정된다. 이들 파라미터는 최적화 과정에서 변경되지 않았다. 상저항은 웨이브 와인딩의 경우 식 17 및 18, 및 랩 와인딩의 경우 식 21 및 22을 참조하여 식 29에 주어진다.

식 1의 파라미터 k_p는 주어진 크기의 모터의 토크 밀도의 이미지이다. 실제로, 비의 분자와 분모를 전류 진폭과 곱함으로써, 파라미터 k_p는 그저 줄 손실의 제곱근과 모터 토크 사이의 비인 것으로 보인다. 동일한 치수의 경우, 그에 따라 거의 동일한 열 손실 회피(evacuation) 능력의 경우, 가장 높은 k_p를 가진 모터가 가장 높은 공칭 토크를 생성할 수 있을 것이다.

도 6a와 관련하여 논의된 바와 같이, 더 높은 k_p 값을 제공하는 컨덕터의 기하학적 파라미터를 찾기 위한 탐색이 수행되었다. 컨덕터의 직선 세그먼트의 개수 n의 여러 가지 값에 대해, 다음과 같은 k_p의 상대값들을 알아내었다.

n	k_p
2	100%
3	109.5%
4	112%
10	114%

이들 결과는 알려진 형상들에 비해 본 발명의 개선된 형상들의 성능이 상당히 증가되었음을 보여준다. 도 6b는 n에 대한 성능 비의 의존성을 보여준다. n=10일 때 상당한 증가가 얻어진다. n의 값이 더 높아질 때 유의미한 개선은 관찰되지 않는다.

본 발명은 구체적인 실시예와 관련하여 설명되었으며, 이는 본 발명을 예시하는 것이고, 제한적인 것으로 해석되지 않는다. 더 일반적으로는, 본 발명은 앞에서 구체적으로 도시되고/되거나 기술된 것에 의해 한정되지 않는다는 것을 당업자라면 이해할 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 권선은 전기 기계의 고정자 또는 회전자에 제공될 수 있다. 전기 기계는 모터 또는 발전기일 수 있다. 상기 기술된 PCB의 제1 및 제2 표면 상의 컨덕터들은 다층 PCB의 2개 이상의 층에 동등하게 존재할 수 있다. 상기 예들에서는 코일 또는 일련의 턴의 연속 턴들이 동일한 형상과 폭을 갖는 것으로 나타났지만, 코일 또는 일련의 턴들의 각각의 컨덕터의 형상 및 폭은 기계의 성능을 더욱 최적화하기 위한 파라미터들로서 간주될 수 있다.

청구항의 참조번호들은 그 보호 범위를 제한하지 않는다. 동사 "포함하다(comprise, include)", "~로 이루어지다" 또는 다른 임의의 변형어뿐만 아니라 이들 각각의 활용형의 사용은, 언급된 것 이외의 요소들의 존재를 배제하지 않는다. 어떤 요소의 앞에 오는 관사("a", "an", 또는 "the")의 사용은 복수의 요소들의 존재를 배제하지 않는다.

본 발명은 또한 다음과 같이 기술될 수 있다: 본 발명은 제1 표면 상의 복수의 컨덕터 및 제2 표면 상의 복수의 컨덕터(상기 컨덕터들은 기계의 성능을 최적화하는 형상을 가짐)를 구비하는 연성 PCB를 포함하는 회전 전기 기계를 위한 권선, 및 이러한 권선을 설계하는 방법을 제공한다.

Claims

회전 전기 기계(1)를 위한 권선(40)으로서, 상기 기계는 인덕터(20), 철심(50) 및 그 사이의 에어 갭(30)을 포함하고, 상기 권선(40)은 기판의 제1 표면 상의 복수의 컨덕터(60) 및 제2 표면 상의 복수의 컨덕터(61)를 구비한 연성 PCB(45)를 포함하고, 상기 컨덕터(60, 61)는 상기 PCB(45) 상에 인쇄된 트랙이며, 제1 표면의 컨덕터(60)는 비아(43)를 통해 제2 표면의 컨덕터(61)에 연결되어 턴(70, 80)을 형성하고, 상기 PCB(45)는 높이 및 길이를 가짐으로써 길이를 따라 하나 이상의 층으로 1회 이상 권취되는 경우 축방향으로 상기 에어 갭(30) 내로 삽입되도록 구성되는 것인, 권선에 있어서,
컨덕터(60, 61)는 연속 만곡부 또는 n개의 직선 세그먼트(n은 3보다 큼)를 따라 축방향으로 상기 연성 PCB(45)의 저부 높이로부터 상기 PCB(45)의 상부 높이로 연장되는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 권선(40).
제1항에 있어서,
상기 컨덕터는 컨덕터(60, 61)와 이웃하는 컨덕터(60, 61) 사이의 갭이 상기 컨덕터(60, 61)의 길이를 따라 미리 결정된 상수와 같도록 가변 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 권선(40).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 컨덕터(60, 61)는 n개의 직선 세그먼트를 따라 연장되며, n은 6보다 크고 100보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 권선(40).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨덕터(60, 61)는 선 대칭 형상을 갖고, 대칭축은 PCB(45)의 중간 높이에서 PCB(45)의 길이를 따른 선인 것을 특징으로 하는 권선(40).
제4항에 있어서,
복수의 턴이 직렬로 연결되어 코일을 형성하는 것을 특징으로 하는 권선.
제5항에 있어서,
하나의 턴의 제1 표면 상의 컨덕터(60)는 길이를 따라 연장되고 비아(43)를 통해 상응하는 연장부를 갖는 제2 표면 상의 컨덕터(61)에 연결되어 상기 코일의 2개의 연속하는 턴 사이에 연결부를 형성하고, 이러한 2개의 연속하는 턴은 길이 방향으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 권선.
제5항에 있어서,
상기 복수의 턴은 t개의 턴이며, 제1 표면의 컨덕터(60)는 길이 방향으로 1부터 t까지 번호가 매겨지고, 제2 표면의 컨덕터(61) 또한 길이 방향으로 1부터 t까지 번호가 매겨지며, 제1 표면 상의 컨덕터 i는 i=1에서 i=t-1로 점점 더 감소하는 높이에서 PCB의 길이 방향을 따라 연장되는 트랙(65)을 통해 제2 표면의 컨덕터 t-i에 PCB(45)의 상측 단부에서 연결되며; 제1 표면 상의 컨덕터 i는 i=1에서 i=t로 점점 더 증가하는 높이에서 PCB의 길이 방향을 따라 연장되는 트랙(65)을 통해 제2 표면의 컨덕터 t-i+1에 PCB의 하측 단부에서 연결되는 것을 특징으로 하는 권선.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨덕터는 점 대칭 형상을 갖고, 반사점은 PCB(45)의 중간 높이에 있는 것을 특징으로 하는 권선.
제8항에 있어서,
복수의 턴이 직렬로 연결되어 일련의 턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 권선.
제9항에 있어서,
복수의 열의 턴들은 길이 방향으로 이격되어 연속적으로 배열되고, 하나의 열의 하나의 턴의 제1 표면 상의 컨덕터는 길이를 따라 연장되며, 비아(44)를 통해 상응하는 연장부를 가진 제2 표면 상의 연속된 열들의 컨덕터에 연결되어, 2개의 연속된 열 사이의 연결을 형성하고, 2개의 연속된 열은 길이 방향으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 권선.
제9항에 있어서,
복수의 열의 턴들은 길이 방향으로 이격되어 연속적으로 배열되고, 상기 복수의 열은 t개의 열들이고, 인접한 컨덕터들은 제1 및 제2 표면 둘 다에서 1부터 t까지 번호가 매겨지고, 제1 표면 상의 컨덕터 1~t는 PCB의 길이 방향을 따라 연장되는 t개의 트랙(65)을 통해 점점 감소하는 높이에서 제2 표면 상의 컨덕터 t~1에 각각 PCB의 상측 단부에서 연결되고, 제2 표면 상의 컨덕터 1~t는 PCB의 길이 방향을 따라 연장되는 트랙(65)을 통해 점점 증가하는 높이에서 제1 표면의 컨덕터 t~1에 PCB의 하측 단부에서 연결되며, 예외적으로 상기 복수의 열들 중 하나에 대해서, 제1 표면 상의 컨덕터 1부터 t-1은 PCB의 길이 방향을 따라 연장된 t-1개의 트랙(65)을 통해 점점 감소하는 높이에서 제2 표면 상의 컨덕터 t-1부터 1에 각각 PCB의 상측 단부에서 연결되고, 제1 및 제2 표면의 컨덕터 t는 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 권선.
제7항 또는 제11항에 있어서,
PCB의 길이를 따라 연장되는 상기 트랙은 PCB의 제1 및 제2 표면 둘 다에 위치되는 것을 특징으로 하는 권선.
제12항에 있어서,
복수의 비아(43)가 PCB의 제1 및 제2 표면 상의 상기 상응하는 트랙들을 연결하는 것을 특징으로 하는 권선.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 형상은 상기 권선의 상저항(R_ph)의 제곱근에 대한 토크 상수(K_T)의 비(K_p)를 최적화하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 권선,

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회전 전기 기계(1)를 위한 권선(40)을 설계하는 방법으로서, 상기 기계는 인덕터(20), 철심(50) 및 그 사이의 에어 갭(30)을 포함하고, 상기 권선(40)은 제1 표면 상의 복수의 컨덕터(60) 및 제2 표면 상의 복수의 컨덕터(61)를 구비한 연성 PCB(45)를 포함하고, 상기 컨덕터(60, 61)는 상기 PCB 상에 인쇄된 트랙이며, 제1 표면의 컨덕터(60)는 비아(43)를 통해 제2 표면의 컨덕터(61)에 연결되어 턴을 형성하고, 상기 PCB는 높이 및 길이를 가짐으로써 길이를 따라 하나 이상의 층으로 1회 이상 권취되는 경우 축방향을 따라 상기 에어 갭 내로 삽입되도록 구성되며, 컨덕터는, 연속 만곡부 또는 n개의 직선 세그먼트를 따라(n은 3보다 큼), 상기 연성 PCB의 저부 높이로부터 상기 PCB의 상부 높이로 축방향으로 연장되고, 컨덕터(60, 61)와 이웃하는 컨덕터(60, 61) 사이의 갭이 상기 컨덕터의 길이를 따라 미리 결정된 상수와 같도록 가변 폭을 갖는 것인, 방법에 있어서,
다음 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법,
a) 상기 컨덕터의 형상의 기하학적 파라미터에 의존하여 상기 회전 전기 기계의 토크 상수(K_T)를 결정하는 단계;
b) 상기 컨덕터의 형상의 기하학적 파라미터에 의존하여 상기 권선의 상저항(R_ph)을 결정하는 단계;
c) 상기 컨덕터의 최적 형상을 얻기 위한 하기의 목적 함수를 최적화시키기 위해 형상 파라미터를 변화시키는 단계

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