KR20170122735A

KR20170122735A - 스위치드 릴럭턴스 모터와 그 방법.

Info

Publication number: KR20170122735A
Application number: KR1020177022699A
Authority: KR
Inventors: 사파이어 엘리아스 파이드; 파브리스 분
Original assignee: 펀치 파워트레인 엔.브이.
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2017-11-06
Also published as: BE1022795A9; WO2016113398A1; EP3245731A1; CN107438945A; JP2018503352A; US20180006592A1; BE1022795A1; BE1022795B1

Abstract

본 발명은, 고정자와 상기 고정자와 관련되어 회전하는 회전자를 포함하는, 스위치드 릴럭턴스 모터를 포함한다. 상기 고정자는, 상기 회전자의 주위에 원주형으로 배치된 복수의 코일들과 고정자 극들을 포함하고, 상기 고정자 극들은, 상기 코일들의 상기 코어들을 형성한다. 상기 회전자는, 상기 회전자에 자기 저항 토크를 적용하기 위해, 상기 고정자의 상기 고정자 극들과 상호 작용하기 위한 복수의 반대 극들을 포함한다. 상기 모터는, 하나 이상의 위상 단들을 작동시키기 위해 작동 신호를 수신하기 위한, 하나 이상의 위상 입력들을 포함한다. 각각의 위상 단이 적어도 두 개의 코일들을 포함하도록, 고정자 코일의 각각은 위상 단과 결합된다. 각각의 위상 단은, 병렬, 직렬, 병렬-직렬 전기의 배치 중 하나에서 상기 위상 단의 상기 코일들을 선택적으로 스위칭하기 위해, 스위치들로 구성하는 스위칭 배열을 포함하는 회로 단을 구성한다.

Description

스위치드 릴럭턴스 모터와 그 방법.

본 발명은 고정자 및 회전자를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것으로, 상기 회전자는 상기 고정자와 관련되어 회전 가능하고, 상기 고정자는, 상기 회전자의 주위에 원주형으로 배치된 복수의 코일들과 고정자 극들을 포함하고, 상기 고정자 극들은, 상기 코일들의 상기 코어들을 형성하고, 상기 회전자는, 상기 회전자에 자기 저항 토크를 적용하기 위해, 상기 고정자의 상기 고정자 극들과 상호 작용하기 위한 복수의 반대 극들을 포함하고, 상기 모터는, 상기 모터의 하나 이상의 위상 단들의 각각의 위상 단을 작동시키는 작동 신호를 수신하기 위한, 하나 이상의 위상 입력들을 포함한다. 본 발명은 또한 스위치드 릴럭턴스 모터 등을 포함하는 장치, 차량 및 스위치드 릴럭턴스 모터를 작동시키는 방법에 관한 것이다.

스위치드 릴럭턴스 모터(SR 모터)는 고정자에 대해 회전 가능하게 배치된 회전자에 자기 저항에 의해 구동되는 전기 모터의 타입이다. SR 모터에서, 상기 필요한 자기장을 생성하기 위한 코일들은 상기 고정자에 포함된다. 상기 회전자를 향하여 상기 고정자의 상기 둘레에 관하여 돌극인(salient), 많은 돌극형 고정자 극들은, 상기 코일들의 상기 코어들을 형성한다. 상기 회전자는, 반대 극들이 상기 고정자를 향하여 돌극인, 많은 수동 돌극형 반대 극들을 포함한다. 따라서, 상기 고정자 상의 상기 고정자 극들과 상기 회전자 상의 상기 반대 극들은, 상기 고정자와 회전자, 상기 회전자를 향한 상기 방향에서 연장한 상기 고정자 극들과 상기 고정자를 향한 상기 방향에서 연장한 상기 회전자 극들의 상기 주위 상에 돌극형 구조들로서 전형적으로 형성될 수 있다. 알 수 있듯이, 상기 고정자는 상기 회전자의 주위에 동심원으로 배치될 수도 있고, 그 반대일 수도 있다.

상기 회전축에 대하여 직각인 평면에서 상기 회전자의 상기 주위의 주변에 원주형으로 보통 배치되는, 상기 반대 극들은, 상기 고정자 극들에 의해 제공되는 상기 자기장을 수신(receive)한다.

전형적으로, 반대 극들의 상기 수는 고정자 극들의 상기 수에서 벗어나므로, 상기 고정자에 관련된 상기 회전자의 어떤 위치에서, 상기 반대 극들의 적어도 일부는 상기 고정자 상의 그들의 가장 근접한 고정자 극들에 관하여 정렬되지 않는다.

반대 극이 상기 고정자의 작동되는 코일의 고정자 극과 정렬되지 않은 경우, 토크가 생성된다.; 즉, 상기 반대 극은 순간적으로 상기 작동된 코일과 관련된 각 변위를 가진다. 최소 포텐셜 에너지(potential energy)의 가장 유리한 에너지 상황(energetic situation)을 수립 할 경우, 이는 상기 자기적 자기 저항이 최소화되는, 상기 작동된 코일과 상기 각각의 반대 극의 사이에 완벽한 정렬의 상기 상황이고, 자기력은 상기 고정자 극을 향하여 끌어당기는 상기 반대 극에 작용한다. - 이로 인해 상기 원하는 토크를 유도한다.

상기 회전자 상에 토크를 유도하기 위해, 코일들은 순차적으로나 그룹들에서 작동할 수 있으므로, 하나 이상의 코일들이 작동되는 시간마다, 상기 고정자 극들은 상기 회전자 상의 가장 가까운 반대 극들과 관련된 약간의 각 변위가 있다. 이것은 예를 들어 상기 코일들이 순차적으로 활성화 됨으로써 전력이 공급되는 다중 위상 배열에서 달성 된다.

유리하게는, SR 모터에서, 상기 회전자 상에 코일 와인딩(winding)들이 없기 때문에 마모되는 경향이 있는 브러시 접촉부를 사용할 필요가 없다. 상기 회전자 에서만 유도되는 열은 마찰 손실들(friction losses)과 철 손실들(iron losses)에 의해 발생된다.; 인덕션 모터들(induction motors)과 같이 발생되는 구리 손실(copper losses)이 없으므로, 냉각(cooling)은 필요없다. 인덕션 모터에 비해, SR 모터는 상기 회전자 상에 인덕션 와인딩들(induction windings)이 없는 단순한 설계이다. 영구적인 자석 모터(magnet motors)에 비해, 중요한 이점은 단순히 상기 SR 모터에 영구적인 자석들이 없다는 것이다. 특히, 희토류 자석들(rare earth magnets)의 제한된 매장량에 대한 비용 및 공급은 전세계적 이동성 전기(worldwide electrification of mobility)의 시나리오에서 영구적인 자석 모터들의 활용(application)에 대하여 제한하는 요소이다. 또한, 영구적인 자석들은 열 및 과도한 자기장들에 의해 야기되는 감자(demagnetization)를 겪는다.

SR 모터들의 설계에서 알려진 복잡성은 상기 회전자의 상기 회전 속도에 의존되므로, 원하는 토크의 양과 관련하여 상이한 설계 기준(design criteria) 및 요건들(requirements)이 존재할 수 있다. SR 모터의 최대 토크는 사용 가능한 전압(available voltage) 및 최대 허용 위상 전류에 의해 자연적으로 제한된다. 비교적 낮은 속도들에서 토크는 최대 허용 위상 전류에 의해 제한된다.; 더 빠른 속도들에서, 증가하는 역기전력(back-emf)과 감소하는 정류 시간(commutation time) 때문에, 최대 위상 전류는 더 이상 위상에서 강제(force)될 수 없다. 최대 위상 전류와 이러한 토크는 속도 증가에 따라 점차적으로 감소한다. 동일한 전압 및 최대 위상 전류 제한들(constrains)을 고려하여 최대 달성 가능한 토크를 증가시키는 것이 바람직한 특성이다.

본 발명의 목적은 가변 속도(variable speed)에서 동작할 수 있고(operable), 가동 조건(operational conditions)에 따라 모터 동작(motor behavior)을 적응(adapt)시키기 위해 상이한 토크 트랜스미션 상태(torque transmission states)로 스위칭(switchable)될 수 있는 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor)를 제공하는 것이다.

이를 위하여, 고정자(stator)와 회전자(rotor)를 포함하는, 스위치드 릴럭턴스 모터가 여기서 제공되고, 상기 회전자는 상기 고정자와 관련되어(relative to the stator) 회전할 수 있고(rotatable), 상기 고정자는, 상기 회전자의 주위에 원주형으로 배치된(arranged circumferentially around the rotor) 복수의 코일들(coils)과 고정자 극들(stator poles)을 포함하고, 상기 고정자 극들은, 상기 코일들의 상기 코어들(cores)을 형성(forming)하고, 상기 회전자는, 상기 회전자에 자기 저항 토크(reluctance torque)를 적용하기 위해, 상기 고정자의 상기 고정자 극들과 상호 작용하기 위한 복수의 반대 극들(counter poles)을 포함하고, 상기 모터는, 상기 모터의 하나 이상의 위상 단들의 각각의 위상 단(phase stage)을 작동시키는 작동 신호(actuation signal)를 수신하기 위한, 하나 이상의 위상 입력들(phase inputs)을 포함하고, 상기 고정자의 상기 복수의 코일들의 각각의 코일은, 적어도 두 개의 상기 코일들을 포함하는 각각의 위상 단인, 상기 모터의 하나의 상기 위상 단과 결합되고, 각각의 위상 단은, 병렬(parallel), 직렬(serial), 병렬-직렬(parallel-serial) 전기의 배치(electrical configuration) 중 하나에서 상기 위상 단과 결합된 상기 코일들을 선택적으로 스위칭하기 위해, 복수의 스위치들로 구성하는 스위칭 배열(switching arrangement)을 포함하는 회로 단(circuit stage)을 구성한다.

본 발명의 스위치드 릴럭턴스 모터에서, 모터의 각 위상 단의 코일은 직렬, 병렬 또는 병렬-직렬 전기 배치 중 하나로 스위칭 가능하다. 이러한 방식으로 상이한 배치에서 코일들을 스위칭함은 회전자의 상이한 회전 속도에서 모터의 가동에 직접적으로 영향을 미친다. 예를 들어, 위상 단에서 모든 코일들이 직렬로 연결될 경우, (예를 들어, 작동 신호로서)그 위상 단의 공급된 직류의 전체 전류는 각각의 코일을 통해 전달된다. 그러므로, 강한 자기장들이 이 코일들에서 생성되어 큰 유도된 토크(large induced torque)를 발생시킨다. 그러나, 회전자의 회전 속도(rotational speeds)가 높을수록, 고정자 극과 반대 극(역기전력(back-EMF)) 사이의 상대적 운동(relative motion)으로 인한 자기장의 변화(variation in magnetic field) 증가로 인하여 증가된 역기전력(counter-electromotive force)의 결과로서, 토크가 급속히 떨어지고, 정류 기간(commutation periods)이 더 짧아진다. 더 높은 회전 속도로 인한 더 짧은 정류 기간은 전류가 축적(build up)될 수 있는 시간을 줄여준다. 다른 한편으로, 코일들의 병렬 배치에서, 전류는 코일들 사이에 분배(distributed)될 것이다. 따라서, 코일들을 통한 더 낮은 전류는 유도된 토크의 더 작은 양을 제공할 것이다. 그러나 전달된 토크는 더 높은 회전 속도에서 더 잘 유지될 수 있다. 이는 더 낮은 위상 인덕턴스(phase inductance)와 결합된 낮은 역기전력(back electromotive force)이 전류를 더 잘 작동하도록 강제(force)할 수 있기 때문이다. 병렬-직렬 배치는 코일들의 병렬 다리(parallel legs)뿐만 아니라, 직렬로 연결된 두 개의 코일들을 포함한다. 이 배치는 직렬 및 병렬 배치 사이에 브리지(bridge)를 형성할 수 있다.

회전자의 속도에 따라 위상 단의 전기 배치(electric configuration)를 스위칭할 수 있게 함으로써, 낮은 속도에서 더 많은 토크가 유도(induced)될 수 있고, 반면에 주어진 위상 전류 및 전압 제약 조건(constraints)에 대한 빠른 속도에서 충분한 양의 토크가 유지된다. 전기 배치는 속도에 따라 최적의 토크의 양을 적용하기 위해 스위치된다. 결과적으로, 종래의 고정된 코일들의 배치와 비교하여, 보다 낮은 속도에서 동일한 양의 토크가 보다 낮은 위상 전류를 사용하여 획득될 수 있는 반면, 필요한 속도의 토크의 양은 더 높은 속도에서 유지될 수 있다. 모터는 낮은 위상 전류에서 동일한 양의 토크를 전달할 수 있거나, 최대 허용 위상 전류가 동일하게 유지되는 경우, 종래의 상황과 비교하여 동일한 위상 전류 레벨(phase current level)에서 더 많은 토크를 전달할 수 있다. 또한, 회전자의 속도 및 주어진 속도에서 원하는 토크의 양에 따라, 이것은 이용 가능한 전기 배치들 중 하나 이상을 통해 획득될 수 있다. 이것은 작동 중에 추가적인 자유도(degree of freedom)를 제공한다. 그러한 경우에, 전기 배치는 예를 들어, 모터가 최소량의 소리를 생성하거나, 보다 효율적으로, 또는 모터의 다른 동작을 최적화하도록 선택될 수 있다.

가동 조건들(가청 모터 노이즈(audible motor noise), 효율 또는 회전자 속도)에 따라, 상이한 전기 배치들로의 스위칭은, 종래의 연소 엔진(combustion engine)을 가지는 차량에서 다양한 기어들(gears)로의 스위칭과 유사한 방식으로 사용될 수 있다. 따라서, 이하, 이 유추(analogy reference)에 따라, 종종 '기어들'로 되거나 또는 그러한 기어들로 스위칭한다. 이 용어가 사용되는 데마다, 이 비유에 따른 '기어' 또는 '기어들'이라는 용어는 본 발명에 따른 전기 배치들의 스위칭을 의미한다.

알 수 있듯이, 직렬 병렬 배치는 모터의 특성에 따라 다르게 구현될 수 있다. 예를 들어, 4 개의 코일들을 포함하는 위상 단에서, 병렬-직렬 배치는 병렬 배치에서 2 개의 코일 쌍들(pairs)로 이루어질 수 있고, 각각의 쌍의 코일들은 직렬로 연결된다(in series connection). 그러나, 6 개의 코일들로 이루어진 위상 단에서, 직렬로 연결된 각각의 그룹에서 코일들과 3 개의 코일들의 2 개의 그룹들이 병렬로 연결될 수 있다. 대안적으로, 6 개의 코일들로 구성된 위상 단에서, 3 개의 코일 쌍들은 직렬로 연결된 각각의 쌍에서 코일들과 병렬 배치로 연결될 수 있다. 위에서 예로 든 6 개의 코일들을 사용한 위상 단들의 두 실시예들은 토크-속도 다이어그램에서 다른 동작을 보여줄 것이다. : 직렬로 연결된(in series) 대부분의 코일들을 가지는 버전(version)은 더 낮은 속도에서 더 많은 토크를 제공할 것이고, 대부분의 병렬 그룹들 (또는 쌍들)을 가지는 버전은 더 높은 속도에서 더 많은 토크를 생성할 것이다. 이해되는 바와 같이, 보다 많은 배치가 이 위상 단 당(per) 더 많은 코일들로 생성될 수 있으므로, 트랜스미션 시스템(transmission system)에서 더 많은 기어들의 생성을 가능할 수 있게 한다. 상기 직렬-병렬 전기의 배치에서의 일 실시예(상기 예시적 병렬-직렬 배치들과 맞춰서(in line with))에 따르면, 상기 위상 단은 적어도 세 개의 코일들을 포함하고, 상기 위상 단의 적어도 두 개의 코일들은 서로에 대해 직렬 배치에서 전기적으로 작동되고, 상기 위상 단의 적어도 두 개의 상기 코일들은 서로에 대해 병렬 배치에서 전기적으로 작동된다. 코일들, 고정자 극들 또는 반대 극들의 수는 어떤 방식으로도 제한되지 않고, 특정 활용에 대한 요구 사항 및 필요에 따라 선택될 수 있다. 알 수 있듯이, 병렬 및 직렬 모드만 이용 가능하게 되는 경우, 이는 적어도 두 개의 코일들을 적용함으로써 획득될 수 있다. 병렬-직렬 모드의 경우, 적어도 세 개의 코일들이 요구된다. 물론, 코일들의 임의의 수가 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에서, 스위치드 릴럭턴스 모터는 컨트롤러(controller)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 모터의 가동 조건을 나타내는 데이터(data)를 획득하고, 모터의 가동 조건(operational condition)에 따라 각각의 위상 단의 상기 스위치들을 작동시키기 위해 배치되고; 상기 모터의 상기 가동 조건을 나타내는 상기 데이터는 적어도 하나의 그룹(group)에 의해 획득될 수 있고, 상기 그룹은, : 센서 신호를 제공하는 센서 유니트(sensor unit); 상기 컨트롤러, 또는 계산에 기초한 상기 데이터를 제공하기 위해 배치된 부가적인 컨트롤러 유니트를 포함한다.

예를 들어, 스위치드 릴럭턴스 모터는 센서 유니트 및 컨트롤러를 포함할 수 있고, 센서 유니트는 컨트롤러에 센서 신호를 제공하도록 배치되며, 센서 신호는 회전자의 회전 속도를 나타낸다. 컨트롤러는 센서 신호에 따라 각각의 위상 단의 스위치들을 작동시키기 위해 배치될 수 있다. 이 실시예는 회전자의 속도에 따라 자동적으로 기어를 변경시키는(change) 자동 트랜스미션 시스템(automatic transmission system)을 제공한다. 알 수 있듯이, 대안적인 스위칭(alternatively switching)은 조작자(operator)(또는 차량의 운전자)가 기어를 스위칭할 때를 결정하도록 수동으로 요청(manually requiring)하도록 구현될 수 있다. 그러나, 작동 가능하더라도, 회전 속도를 나타내는 센서 신호를 기초로 자동으로 스위칭함은 제 시간에 최적의 순간에 스위칭함을 가능하게 하므로, 관심 파라미터들(parameters of interest)의 전반적 최적화(overall optimization)를 향상시킨다.

스위칭은 속도로(on speed) 수행됨이 요구 사항(requirement)이 아니라는 것을 알 수 있다. 스위칭을 위하여, 전달된 토크, 효율 또는 모터 소리(노이즈)와 같은(그러나 제한되지 않는) 모터의 다른 작동 파라미터들(operational parameters)이 사용될 수 있다. 또한, 상술한 센서 유니트는, 많은 실시예에서 컨트롤러에 이미 이용 가능하거나(이용 가능하게된) 정보로부터 원하는 작동 파라미터들을 계산할 수 있으므로, 명백한 요구 사항(explicit requirement)은 아니다. 컨트롤러는, 예를 들어, 파워 사용(예를 들어, 현재 사용된 배치(병렬, 직렬, 병렬-직렬)에 따라)을 기초로 회전자 속도 또는 전달된 토크를 계산할 수 있다. 이 실시예들 중 임의의 실시예는 스위칭을 제어하기 위하여 적용될 수 있고, 청구된 발명의 범위 내에 있다.

일 실시예에 따른, 상기 컨트롤러는, 센서 신호가 제1 임계치(threshold)보다 작은(smaller) 속도를 나타낼 경우, 상기 코일들의 직렬 배치에서 상기 위상 단을 작동시키는 것과 같이, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭하기 위해 배치된다. 추가된 실시예에 따른, 상기 컨트롤러는, 센서 신호가 제2 임계치보다 큰(larger) 속도를 나타낼 경우, 상기 코일들의 병렬 배치에서 상기 위상 단을 작동시키는 것과 같이, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭하기 위해, 배치된다. 원칙적으로, 일부 실시 예에 따른, 상기 제 1 및 제 2 임계치는 동일할 수 있다. - 사실, 직렬 배치로부터 병렬 배치로의 직접 전이(direct transition)를 그 사이에 아무것도 없이 제공함 - 이 실시 예는, 예를 들어, 코일들의 병렬-직렬 배치가 결여될 수 있고, 기어들(낮은 속도/높은 속도)만을 초래할 수 있다.

그러나, 다른 실시 예에 따르면, 제2 임계치가 제1 임계치보다 크거나 동일하고; 상기 제2 임계치가 상기 제1 임계치보다 클 때, 상기 컨트롤러는, 상기 센서 신호가 상기 제1 임계치 및 제2 임계치 사이의 속도를 나타낼 경우, 상기 코일들의 병렬-직렬 배치에서 상기 위상 단을 작동시키는 것과 같이, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭하기 위해 배치된다. 이 실시예에서, 상기 제1 임계치 및 제2 임계치는 동일하지 않고, 상기 병렬-직렬 배치는 중간 속도용(for intermediate speeds) 중간 기어(in-between gear)를 제공한다.

그러나, 또 다른 실시 예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 모터의 상기 가동 조건의 변화의 방향에 따라 제1 전기의 배치들로부터 제2 전기의 배치들까지 스위칭함과 같이, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭하기 위해 배치되고, 상기 가동 조건의 상기 값이 감소일 경우, 상기 스위칭은, 상기 데이터가 제3 임계치보다 작은 값을 가지는 상기 가동 조건을 나타낼 경우 수행되고, 상기 가동 조건의 상기 값이 증가일 경우, 상기 스위칭은, 상기 데이터가 제4 임계치보다 큰 값을 가지는 상기 가동 조건을 나타낼 경우 수행되고; 상기 제4 임계치는 상기 제3 임계치보다 크다.

이 실시 예에서, 컨트롤러는, 예를 들어, 속도가 증가하는 동안 속도(또는 평가된(evaluated) 다른 가동 조건)가 제4 임계치보다 작을 경우, 직렬 배치에서 각각의 위상 단의 코일들을 작동시키도록 배치된다. 제4 임계치를 초과하면, 위상 단의 코일들은 직렬-병렬 배치로 스위치된다. 하지만, 속도의 감소에 따라, 속도가 (제4 임계치보다 작은) 제3 임계치 아래로 떨어질 경우, 직렬 배치에서 다시 위상 단을 작동시키는 것과 같이, 다시 스위칭(switching back)이 수행된다. 이것은, 속도가 특정 평균 속도 또는 그 주위에서 다소 유지될 경우, 두 개의 전기의 배치들 간 반복된 스위칭이 수행되는 것을 방지한다. 속도 대신, 다른 가동 조건들 중 임의의 조건이 스위칭을 위해 사용될 수 있다.

본 발명은 2 또는 3 개의 속도 범위에 대해 2 또는 3 개의 기어들로 제한되지 않는다; 각각의 위상 단에서 코일들의 수에 따라, 병렬-직렬 모드의 상이한 구현은, 스위치들을 이용하여 적절한 스위칭 배열을 적용함으로써 획득될 수 있다. 이는, 6 개의 코일 위상 단에 대해 위에서 예시적으로 언급 한 바와 같이, 상이한 속도 범위들에 대해 3 개 이상의 기어들보다 더 많이 제공할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 스위치들은, 기계식(mechanical) 스위치들, 전기의(electrical) 스위치들, 전자-기계식(electromechanical) 스위치들, 트랜지스터형(transistor type) 스위치들과 같은 반도체형(semiconductor type) 스위치들로 구성하는 그룹의 적어도 하나의 요소(element)를 포함한다. 기계식 스위치들은, 컨트롤러에 의해 자동으로 작동될 수 있는 동안, 더욱 비용 효율적인 솔루션을 제공한다. 전기의 또는 반도체형 스위치들은 매우 빠른 스위칭을 허용할 수 있고, 각각의 사이클(cycle) 내 기간(time period) 동안 위상 단의 코일들의 전기의 배치를 스위칭함을 차례로 허용하고, 이때, 이 위상은 비활성화 상태(inactivated state)에 있고, 하나 이상의 다른 위상들은 활성화 상태(active state)에 있다. 기계식 스위치들은, 단일 사이클 내에서 위상 단의 비활성 상태 동안 수행할 수 있도록 충분히 빠르게 스위칭을 일반적으로 허용할 수는 없지만, 저비용이라는 이점을 가진다. 대신, 더 느린 스위치들을 사용하여, 위상 단에 대한 스위칭을 수행하기 위해 하나 이상의 연속적인 사이클들에 대해 위상 단을 비활성화할 필요가 있을 수 있다. 동시에 또는 이후에 스위칭을 허용하는 것처럼 다른 위상 단들은 비활성화 될 수 있다. 후자(즉, 순차적인 스위칭(sequential switching))는 전기의 배치를 변경할 경우, 출력 토크(output torque)를 완전히 인터럽팅(interrupting)하지 않는 이점을 가진다.

코일들의 설계(design)(예를 들어, 와인딩들(windings)의 수(number), 코어의 특성(specifics) 등)뿐만 아니라, 위상 단들의 수 및 코일들의 수는 SR 모터의 설계 및 활용(application)에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 전기 차량에 사용될 수 있는 실시예에 따르면, 고정자는 4 개의 위상 단들에 포함된 16 개의 코일들을 포함하고, 각각의 위상 단은 4 개의 코일들을 포함한다. 이 코일들은 적절한 스위칭에 의해 직렬 배치에서 4 개의 코일들의 직렬 연결(series connection)을 제공할 수 있다. 병렬 배치에서, 단 당 4 개의 코일들은 병렬로 연결되고, 병렬-직렬 모드에서는 2 개의 코일 쌍들이 병렬로 연결되고, 상기 쌍들의 코일들은 직렬에 있다.

일 실시예에서, 상술한 바와 같이 스위치드 릴럭턴스 모터를 포함하는 장치가 제공된다. 추가된 실시예에서, 상술한 바와 같이 스위치드 릴럭턴스 모터를 포함하는 차량이 제공된다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터를 작동시키는 방법을 제공하고, 상기 모터는, 고정자와 회전자를 포함하고, 상기 회전자는 상기 고정자와 관련되어 회전하고, 상기 고정자는, 상기 회전자의 주위에 원주형으로 배치된 복수의 코일들과 고정자 극들을 포함하고, 상기 고정자 극들은, 상기 코일들의 상기 코어들을 형성하고, 상기 회전자는, 상기 회전자에 자기 저항 토크를 적용하기 위해, 상기 고정자의 상기 고정자 극들과 상호 작용하기 위한 복수의 반대 극들을 포함하고, 상기 모터는, 하나 이상의 위상 입력들, 하나 이상의 위상 단들, 각각의 위상 단에 연결된 각각의 위상 입력을 포함하고, 상기 고정자의 상기 복수의 코일들의 각각의 코일은, 상기 모터의 하나의 상기 위상 단과 결합되어, 각각의 위상 단은 적어도 두 개의 상기 코일들을 포함하고, 상기 방법은, : 상기 각각의 위상 단을 작동시키기 위해, 상기 위상 입력들 중 적어도 하나를 통해 작동 신호를 수신하고, 상기 위상 단의 상기 고정자 극들을 통해 상기 회전자를 작동시키는 것과 같이, 상기 위상 단에 상기 작동 신호를 적용시키는 단계; 상기 회전자의 상기 작동 동안, 병렬, 직렬, 병렬-직렬 전기의 배치 중 하나에서 상기 위상 단과 결합된 상기 코일들을 선택적으로 스위칭하는 것과 같이, 복수의 스위치들을 포함하는, 각각의 위상 단의 스위칭 배열을 작동시키는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 방법은 센서 유니트를 이용하여, 상기 모터의 가동 조건을 나타내는 센서 신호를 획득하고, 컨트롤러에 상기 센서 신호를 제공하는 단계; 상기 컨트롤러에 의하여, 상기 센서 신호에 따라, 각각의 위상 단의 상기 스위치들을 작동시키는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 센서 신호가 나타내는, 상기 가동 조건은, 그룹의 적어도 하나의 요소를 포함하고, 상기 요소는, : 상기 회전자의 회전 속도, 상기 모터의 소요 출력 파워, 상기 모터에 의해 생성된 소리(sound) 또는 음량(sound volume), 상기 모터에 의해 전달된 상기 출력 파워(output power)에 대한 상기 모터에 공급되는 입력 파워(input power)의 효율(efficiency)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서는 센서 유니트에 대해 언급 하였지만, 이 요소는 상이한 방식들로 구현될 수 있다. (예를 들어, 컨트롤러 또는 상기 원하는 센서 신호를 유도하는 다른 수단들 또는 상기 모터의 다양한 구성 요소들의 가동 조건들로부터의 정보 또는 파워트레인(powertrain), 또는 전용 센서(dedicated sensor)를 대안적이거나 부가적으로 포함) 센서 유니트에 대한 대안으로서, 또는 그에 부가하여, 이미 상술한 바와 같이, 계산에 기초한 요청된 데이터(required data)를 제공하기 위해, 상기 컨트롤러 또는 부가적인 컨트롤러 유니트가 배치될 수 있다.

스위칭이 속도에 대하여 수행되는 것은 요구 사항이 아니라는 것을 알 수 있다. 전달된 토크, 효율 또는 모터 소리(노이즈)와 같은(그러나 이에 제한되지 않는) 스위칭을 위해 모터의 다른 작동 파라미터들이 사용될 수 있다. 또한, 상술된 센서 유니트는, 명백한 요구 사항은 아니며, 많은 실시 예에서 컨트롤러에 이미 이용 가능하거나(이용 가능하게된) 정보로부터 원하는 작동 파라미터들을 계산할 수 있기 때문이다. 컨트롤러는, 예를 들어, 파워 사용(예를 들어, 현재 사용된 배치(병렬, 직렬, 병렬-직렬)에 따라)을 기초로 회전자 속도 또는 전달된 토크를 계산할 수 있다. 이 실시예들 중 임의의 실시예는 스위칭을 제어하기 위하여 적용될 수 있고, 청구된 발명의 범위 내에 있다.

또한, 일 실시예에서, 상기 센서 신호가 제1 임계치보다 작은 속도를 나타낼 경우, 상기 코일들의 직렬 배치에서 상기 위상 단을 작동시키는 것과 같이, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭; 상기 센서 신호가 제2 임계치보다 큰 속도를 나타낼 경우, 상기 코일들의 병렬 배치에서 상기 위상 단을 작동시키는 것과 같이, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭; 및 상기 센서 신호가 상기 제1 임계치 및 제2 임계치 사이의 속도를 나타낼 경우, 상기 코일들의 병렬-직렬 배치에서 상기 위상 단을 작동시키는 것과 같이, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭; 하는 것과 같이, 상기 컨트롤러는 스위치들을 작동시킬 수 있다.

본 발명은, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 몇몇 특정 실시 측면의 설명에 의해 더 설명 될 것이다. 상세한 설명은 본 발명의 가능한 구현 예의 예를 제공하지만, 범위에 속하는 유일한 실시 예를 설명하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 발명의 범위는 특허 청구 범위에 정의되어 있고, 이 설명은 본 발명에 있어서 제한됨 없이 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 도면들에서 :
도 1은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터를 개략적으로 도시한다.;
도 2A 및 도 2B는 상이한 스위칭 상태에서 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 하나의 위상 단의 코일들의 전기 배치를 개략적으로 도시한다.;
도 3은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 위상 단에서의 코일들의 추가적 전기 배치를 개략적으로 도시한다.;
도 4는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 위상 단의 상기 코일들의 추가적 전기 배치를 개략적으로 도시한다.;
도 5는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 여러 위상 단들의 파워링 다이어그램들(diagrams)을 도시한다.;
도 6은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 상기 위상 단들의 대체 가능한 파워링 다이어그램(alternative possible powering diagram)을 도시한다.;
도 7은 본 발명의 스위치드 릴럭턴스 모터의 상기 위상 단들의 추가적인 대안적 파워링 다이어그램(further alternative powering diagram)을 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 상기 여러 위상 단들의 추가적인 대안적 파워링 다이어그램을 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 대한 개략적인 토크 - 속도 다이어그램(torque-speed diagram)이다.

도면들은 개략적으로 도시된 실시 예의 다양한 구성 요소들, 부품들 및/또는 양상을 나타내는 다수의 참조 부호들을 포함한다. 또한, 번호와 함께 흑색 도트(black dot)로 표시된 위상 단 번호, 즉 위상 단들

,

, 및

를 참조함으로써, 여러 위상 단들이 참조하게 된다. 이러한 위상 단 번호들은 참조 숫자들(예를 들어, 모터(1), 고정자(2) 또는 회전자(3)을 포함함)와 오인되어서는 안 된다. 따라서, 모터, 고정자, 및 회전자에 대한 참조 숫자들은 정규 번호들로서 제공되는 반면, 위상 단들을 나타내는 설명에 따라서 위상 단 번호들

,

, 및

의 표기가 사용된다.

도 1은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터를 개략적으로 도시한다. 스위치드 릴럭턴스 모터 (1)는 고정자 (2) 및 회전자 (3)를 포함한다. 회전자(3)는, 예를 들어, 모터의 고정된 부분에 대해 적절한 베어링들(bearings) (미 도시됨)을 사용하여 회전자(3)를 부유시킴(suspending)으로써 고정자(2)에 대해 회전할 수 있다. 회전 가능한 회전자(3)는 중심부(central part)(15) 및 복수의 돌극형 극들(16)을 포함한다. 극들(16)은 회전자(3) 상의 코일들의(또는 상호 작용하는) 코어들을 형성하지 않는다는 의미에서 전기적으로 수동적이다. 고정자(2)는 원주부(circumferential part)(4) 및 복수의 돌극형 극들(6-n, 8-n, 10-n 및 12-n)을 포함한다.( n은 설명할 각각의 위상 단에서의 특정 코일을 나타냄) 고정자(2) 상의 각각의 극은 스위치드 릴럭턴스 모터(1)의 각각의 코일의 코어를 형성한다. 스위치드 릴럭턴스 모터(1)는 상이한 그룹들로 분할된 복수의 코일들을 포함한다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 총 16 개의 코일들이 4 개의 그룹들로 분할된다. 이 그룹들은 위상 단들로서 표시된다. 도 1의 실시 예에서, 제1 위상 단

은 코일들(5-1, 5-2, 5-3 및 5-4)을 포함한다. 위상 단

에서, 코일(5-1)은 코어를 형성하는 극(6-1)을 감싸서 둘러싸게 된다(wound enclosing). 코일(5-2)은 극(6-2)을 그것의 코어로서 포함한다. 코일(5-3)은 극(6-3)을 그것의 코어로서 포함하고 코일(5-4)는 극(6-4)를 그것의 코어로서 포함한다. 마찬가지로, 위상 단

의 코일들은 극들(8-1, 8-2, 8-3 및 8-4)을 그것들의 코어로서 각각으로 감싸는(enclose) 코일들(7-1, 7-2, 7-3 및 7-4)을 포함한다. 위상 단

은 극들(10-1, 10-2, 10-3 및 10-4)을 각각으로 감싸도록(enclosing) 둘러싸는(wound) 코일들(9-1, 9-2, 9-3 및 9-4)을 포함한다. 마지막으로, 위상 단

은 그것들의 코어들로서 극들(12-1, 12-2, 12-3 및 12-4)을 각각으로 감싸는(enclosing) 코일들(11-1, 11-2, 11-3 및 11-4)을 포함한다.

전형적으로, 스위치드 릴럭턴스 모터에서, 고정자(2) 상의 극들의 수는 회전자(3) 상의 극들의 수와 다르다. 도 1에서, 고정자(2)는 16 개의 극들(6-n, 8-n, 10-n, 및 12-n, 여기서 n = 1,2,3,4)을 포함한다. 회전자(3)는 중심부(15) 둘레에 원주형으로 배치된 단지 12 개의 돌극형 극들(16)을 포함한다. 이 배치에서, 제1 위상 단

의 극들(6-1, 6-2, 6-3 및 6-4)만 회전자(3)의 몇몇 극들(16)과 좋게 배열(nicely aligned)된다. 다른 위상 단들

,

, 및

의 각각의 극들은 회전자(3)의 돌극형 극들(16) 중 어느 것과도 정렬되지 않는다.

알 수 있듯이, 위상 단들

,

, 또는

중 어떤 위상 단의 코일들이 각각의 코일에 전류를 제공함으로써 동력이 공급되는 경우, 회전자 극들(16)은, 활성화된 코일들의 각각의 극들이 회전자(3)의 극들(16) 중 하나와 정렬되는(aligned), 위치를 향하여 회전자를 끌어당길 힘을 경험(experience)할 것이다. 도 1에 도시 된 상황에서, 위상 단

의 극들(6-n)은 회전자의 일부 극들(16)과 정렬된다 따라서, 위상 단

의 코일들(5-n)을 활성화함은 회전자(3)의 회전의 결과를 야기하지 않는다. 그러나, 위상 단

의 코일들(7-n)이, 위상 단의 코일들 대신에, 전류의 수단에 의해 전력이 공급될 경우, 회전자(3)는 극들(8-1, 8-2, 8-3 및 8-4)이 회전자 상의 일부 극들(16)과 정렬될 때까지 회전할 것이다. 알 수 있듯이, 극들(8-n)(n = 1,2,3,4)은 도 1에 도시 된 상황에서 가장 가까운 회전자 극들(16)과 정렬될 것이다.

다음으로, 그 후에 위상 단

의 코일들(7-n)이 더 이상 전력이 공급되지 않을 경우, 대신에 위상 단의 코일들(9-1, 9-2, 9-3 및 9-4)이 전류로 전력이 공급되면, 회전자(3)는 회전자(3)를 시계 방향에서 회전하도록 유지시키는 토크를 다시 경험하게 될 것이다. 그 후에, 코일들(9-n)은 더 이상 전력이 공급되지 않고 위상 단

의 코일들(11-1, 11-2, 11-3 및 11-4)은 회전자(3)가 계속 회전하도록 전력이 공급된다. 알 수 있듯이, 위상 단들

,

및

의 코일들을 이어서 활성화시키고, 이러한 활성화 패턴을 반복함으로써, 스위치드 릴럭턴스 모터(1)가 작동될 수 있다.

도 1에서, 스위치드 릴럭턴스 모터(1)는 고정자(2) 내에서 회전하는 회전자(3)를 포함하여 도시된다. 알 수 있듯이, 대안 적으로, 고정자는 또한 내측과 회전 가능한 방식으로 외측(고정자 둘레에 원주형으로)의 회전자에 위치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 제1 위상 단

의 코일들(5-1, 5-2, 5-3 및 5-4)에 대해 동작하기 위해, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전기 배치가 도 2A 및 2B에서 도시된다. 도 2A에서, 코일들(5-n)의 병렬 전기 배치를 획득하도록 제1 스위칭 위치에서 스위치들(S1-S6)를 포함하는 배치가 예시된다. 도 2A 및 도 2B에 도시된 배치는 다수의 스위치들(S1(20), S2(22), S3(24), S4(26), S5(28) 및 S6)뿐만 아니라 코일들(5-1, 5-2, 5-3 및 5-4)을 포함한다. 단자들(terminals)(31, 32)의 접속(Connection)은 위상 단

이 전원(power supply)에 연결되도록 한다. 전원은 코일들(5-n)에 제공되는 전류를 조절(regulate)할 수 있는 전류 소스(current source) 또는 임의의 다른 적절한 유형의 전원일 수 있다.

도 2A의 상황에서, 스위치들(20, 22 및 24) (S1, S2 및 S3)는 폐쇄된(closed) 위치에 있다. 이 스위치들(26, 28, 30)은 코일들(5-1, 5-2, 5-3)을 접속 단자(connection terminal)(32)에 각각 연결한다. 이 구성에서, 도 2A로부터와 같이, 접속 단자들(31, 32) 사이의 코일들(5-1, 5-2, 5-3 및 5-4)은 전기적으로 병렬 배치로 배열된다.

도 2b의 상황에서, 스위치들(20, 22 및 24) (S1, S2 및 S3)은 개방(open) 위치에 있고, 반면에 스위치들(26, 28 및 30) (S4, S5 및 S6)은 코일(5-1)을 코일(5-2)에, 코일(5-2)을 코일(5-3)에, 및 코일(5-3)을 코일(5-4)에 각각 연결한다. 따라서, 도 2에 도시된 상황에서, 코일들은 접속 단자들(31, 32)에 대해 직렬 전기 배치 내에 있다.

알 수 있듯이, 전류(current)가 도 2A의 병렬 배치에서 연결 단자들(31 및 32) 사이에 적용된다(applied). 이 전류는 코일들(5-1, 5-2, 5-3, 5-4)로 분할된다(divided). 따라서, 각각의 코일은 접속 단자(31, 32) 사이에 적용되는 전류의 일부만을 받는다. 한편, 도 2B의 경우, 코일들(5-n)이 접속 단자들(31, 32)에 대해 직렬 전기 배치에 있는 경우, 접속 단자 (31, 32) 사이에 적용된 전체 전류는 각각의 코일(5-1, 5-2, 5-3 및 5-4)에 의해 수신된다(received). 각각의 코일에 의해 생성된 자기장은 코일을 통해 흐르는 전류에 의존한다. 따라서, 도 2A의 병렬 상황에서, 각각의 코일들(5-1 내지 5-4)에 의해 제공되는 자기장은 도 2B의 직렬 전기 배치(각각의 코일을 통해 전류가 훨씬 더 큼)에서보다 더 작다.

그러나, 동시에 도 2A의 병렬 배치에서, 코일들(5-1, 5-2, 5-3 및 5-4)의 각각에 걸리는 전압은 도 2B의 상황에서보다 훨씬 더 크다. 도 2B의 직렬 배치에서, 각각의 코일들(5-1 내지 5-4)에 걸리는 전압은 코일에 걸쳐 분배된다(divided). 이러한 차이들의 결과로서, 도 2B의 상황에서 획득 가능한 큰 자기장 때문에, 도 2B의 직렬 배치에서, 코일들(5-n)의 파워링은 도 1의 회전자(3) 상에 큰 실질적인(substantial) 토크를 적용(apply)할 수 있게 한다. 기술한 바와 같이, 적용될 수 있는 최대(maximum) 토크는 가용 전압 및 최대 허용 위상 전류에 의해 자연적으로 제한된다. 비교적 낮은 속도에서 토크는 최대 허용 위상 전류에 의해 제한된다.; 더 빠른 속도들에서, 증가하는 역기전력(back-emf)과 감소하는 정류 시간(commutation time)(회전자 속도 증가들로서) 때문에, 최대 위상 전류는 더 이상 위상 단에서 강제(force)될 수 없다. 최대 위상 전류와 이러한 토크는 속도 증가에 따라 점차적으로 감소한다(drop). 그림 2B의 직렬 배치의 경우, 저속에서 적용할 수 있는 토크가 더 높을지라도 더 빠른 속도에서 역기전력 및 감소하는 정류 시간의 영향은 그림 2A의 병렬 배치보다 심각하다. 따라서, 도 9의 곡선들(80(직렬) 및 84 (병렬))로부터 예시로 또한 이어지는 바와 같이, 보다 빠른 속도에서인가 될 수 있는 토크의 양은, 도 2B의 병렬 배치에 비교해, 다른 사정이 같을 경우에(ceterus paribus), 도 2A의 직렬 배치에 대해 낮아질 것이다.

제1 위상 단

의 코일들(5-n)의 또 다른 전기 배치가 도 3에 도시된다. 도 3의 구성에서, 각각의 스위치(40, 42, 44, 46, 48 및 50)인, 스위치들(S1 내지 S6)은, 스위칭 배치에 있으므로, 코일들(5-1, 5-2, 5-3 및 5-4)이 전기 직렬 배치에 있다. 그러나, 스위치(S1(40))을 위치 '1'로 스위칭함으로써 스위치(S5(48))을 위치 '1'로 스위칭할 동안, 코일들(5-1 및 5-2)이 서로에 대해 직렬이고, 동시에 코일들(5-3 및 5-4)이 서로에 대해 직렬이도록 배치가 획득되나, 이러한 코일들의 쌍들(한편으로는 코일 5-1 및 5-2, 및 다른 한편으로는 코일 5-3 및 5-4)은 서로에 대해 병렬이다. 따라서, 다른 모든 스위치들(42, 44, 46 및 50)가 스위칭 위치 '0'에 있는 동안, 스위치들(40 및 48) (S1 및 S5)가 '1'의 위치에 있는 이러한 스위칭 배열은 직렬/병렬 배치로 나타내는 하이브리드(hybrid) 배치이다.

또한, 모든 코일들(5-1 내지 5-4)이 서로에 대해 병렬인, 완전 병렬 배치는 스위치들(40, 42, 44, 46, 48 및 50) 모두를 위치 '1'로 스위칭함으로써 달성된다. 직렬 배치는 모든 스위치들(40, 42, 44, 46, 48 및 50)을 위치 '0'으로 스위칭함으로써 획득된다. 결과적으로, 도 3에 도시된 배치는 직렬 모드, 병렬 모드 및 직렬/병렬 모드를 허용한다. 직렬 모드 및 병렬 모드에 대해 위에서 설명된 것에 더하여, 직렬/병렬 모드에서 주어진 속도에서 적용될 수 있는 최대 토크의 동작(behavior)은, 직렬 모드 및 병렬 모드에서 주어진 속도로 적용될 수 있는 최대 토크의 동작 사이에서의 어딘가에 있다. 이는 그 결과, 도 9의 곡선(82)에 의해 예시된 바와 같은 직렬-병렬 배치(serial-parallel configuration)에 대한 토크-속도 곡선(torque-speed curve)이 된다. 따라서, 도 3의 구성은 3 개의 상이한 회전 속도들에 대해 유리한 전기의 배치를 제공한다. 저속(직렬, 중간 속도(직렬/병렬) 및 고속(병렬)). 추가의 대안적 전기 배치가 도 4에 도시된다. 접속 단자들(64 및 65) 사이의 도 4의 설명에서, 코일들(5-1 및 5-2)은 항상 서로에 대해 직렬이다. 동시에, 코일들(5-3 및 5-4)는 또한 항상 서로에 대해 직렬이다. 그러나, 스위치(60)(S1)와 스위치(62)(S2)를 선택적으로 위치 '0' 또는 '1'로 스위칭함으로써, 직렬 모드 또는 직렬/병렬 모드 중 어느 하나가 획득될 수 있다.

알 수 있듯이, 각각의 위상 단

,

및

의 전기 배치는 바람직하게는 스위치드 릴럭턴스 모터에 대해 동일할 수 있다. 선택적으로, 회전자의 속도에 따라, 배치는 직렬 모드, 병렬 모드, 또는 직렬/병렬 모드로 스위칭될 수 있다. 도 2A, 2B, 3 및 4는 위상 단

에 대한 개략적 전기 배치를 제공하지만, 다른 위상 단들

,

에 대한 회로는 그룹

에 대한 것과 동일하게 유지될 것이다. 전기 배치를 스위칭하기 위해 적용되는 스위치들은 어떤 원하는 유형(any desired type)이 될 수 있다. 그러나, 당업자는 상이한 유형의 스위치들이 각각이 특정 응용들(applications)에서 그들을 적합하거나 부적합하도록 하는 자신의 장단점들을 가지고 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 전자-기계식 스위치들(electro-mechanical switches)은 비교적 저렴할 수 있으나, 많은 상황에서 스위칭을 수행하기에 충분히 빠르다. 동시에, 그러한 전자-기계식 스위치들은 마모되는 경향이 있고, 유지 보수(maintenance)가 필요한 반면에, 스위칭 자체는 매우 신속하게 수행될 수 없다. 반면, 트랜지스터형(transistor type) 스위치들과 같은 반도체 기반 스위치들은, 코일들의 활성화를 방해하지 않고도, 각각의 위상 단들

,

및

의 작동 동안, 매우 빠른 스위칭을 허용한다. 그러나 반도체 기반 스위치들은 기계식 스위치들보다 비싸다.

도 5는 각각의 위상 단들

,

및

의 코일들에 전력을 공급(powering)하기 위한 파워 다이어그램을 개략적으로 도시한다. 수평적으로, 다이어그램은 파워링 시퀀스의 반복 패턴을 나타낸다. 각각의 사이클 동안, 각각의 위상 단

,

및

의 코일들은, 잠시 동안(70) 전력이 공급될 것이고, 그 사이에서 기간(71) (위상 단

에 대해 나타낸 바와 같이)동안 전원이 공급되지 않을 것이다. 도 5로부터 다음과 같이, 적용된 위상 전류는, 위상 단이 기간들(70) 동안 전력이 공급될 때, 위상 단을 통해 항상 동일한 방향에 있을 것이고, 위상 단들에 전력이 공급되지 않는 기간들(71) 동안 전류가 적용되지 않는다. 그러나, 도 5의 다이어그램으로부터 다음과 같이, 위상 단들

,

각각의 파워링은 위상 단

로 시작하여 순차적으로 수행되고,

,

및

에 의해 이어진다. 도 2A, 2B, 3 및 4에 도시된 배치들에서 반도체 스위치들을 이용하여, 스위칭은 코일들의 파워링이 중단될 필요가 없도록 충분히 빠르게 수행될 수 있다. 예를 들어, 위상 단들

,

, 및

각각은, 비활성 기간(71) 동안 다른 모드(직렬, 병렬, 직렬/병렬)로 스위치될 수 있다. 따라서, 다른 모드로의 전기 배치의 스위칭은, 단일 사이클 동안 수행될 수 있으므로, 모든 위상 단들은 다음 사이클에서 동일한 전기 배치에서 작동한다.

대안적으로, 스위치들은 매우 신속하게 수행되는 스위칭이 허락되지 않을 경우, 예를 들어, 기계식 스위치들 또는 전자-기계식 스위치들, 상이한 전기 모드를 지향하는 스위칭이 다른 방식으로 수행될 수 있다. 다양한 대안적 스위칭 방법이 도 6, 7 및 8에 각각 도시된다. 도 6에서 각각의 위상 단

,

및

에서 코일들의 파워링은 많은 사이클들이 전기 회로의 스위칭이 정확한 작동 모드가 되도록 허락하도록 인터럽트(interrupted)되어야 한다. 이는, 도 6의 기간들 75, 76, 77 및 78에 의해 지시된 인터럽션(interruption) 동안 수행된다. 전기 회로를 원하는 배치로 스위칭한 후에, 상이한 위상 단들

,

및

의 순차적인 파워링이 계속된다.

그림 7에서 위상 단들

,

및

의 각각은 이 위상 단을 원하는 새로운 전기 배치로 스위칭하는 동안 일시적으로 비활성화된다. 따라서, 위상 단

을 스위칭하기 위한 비활성 기간(75)은,

을 스위칭하기 위한 비활성 기간(76)이 뒤 따르고,

을 위한 비활성 기간(77)과

를 위한 비활성 기간(78)이 뒤 따른다. 또 다른 대안으로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 위상 단들

및

는 동시의 비활성 기간들(75 및 77) 동안 새로운 전기 배치로 동시적으로 스위치되고, 반면에 위상 단들

및

는 다음으로 비활성 기간들(76 및 78) 동안 새로운 전기 배치로 스위치된다. 당업자는 위상 단들

,

및

을 스위칭하는 방식이 도 5 내지 8에 도시된 특정 방법들에 의해 제한되지 않지만, 임의의 다른 바람직한 방식으로 수행될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

도 9는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 의해 획득될 수 있는 개략적인 토크-속도(torque-speed) 표현을 도시한다. 도 9의 다이어그램은 직렬 모드(S)에서 획득할 수 있는 토크-속도 특성(80)을 도시한다. 알 수 있듯이, 낮은 속도(speed)에서 매우 높은 토크(T)의 양이 획득될 수 있으나, 증가하는 속도로 토크의 양은 빠르게 떨어진다. 직렬 병렬 모드(serial parallel mode)에 대한 추가적 토크-속도 특성은 82(S/P)로 표시된다. 여기서, 획득될 수 있는 토크(T/2)의 최대 양은 직렬 모드에서 획득될 수 있는 토크보다 적으나(T/2는 예시적인 값(exemplary value)으로 사용되지만, 일반적으로 직렬 모드와 비교하여 직렬-병렬 모드에 대한 특성 또는 전형적인 것으로 간주되지 않음에 유의함), 더 높은 속도(higher speeds)에서 상당한 양(fair amount)의 토크가 훨씬 더 오래 유지될 수 있다. 병렬 모드에서 토크-속도 특성은 참조 숫자(84)로 표시된다. 낮은 속도에서 이 배치에서 이용 가능한 최대 토크의 양은 직렬 배치에서의 쿼터(quarter)(T/4)일 뿐이다(다시 또한 여기서, T/4는 예시적인 값으로서 사용되지만, 일반적으로 직렬 모드와 비교하여 병렬 모드에 대한 특성 또는 전형적인 것으로 간주되지 않음에 유의함). 그러나, 토크의 양은 직렬 배치와 직렬-병렬 배치와 비교하여 더 높은 속도에서 훨씬 더 오래 유지될 수 있다. 따라서, 직렬, 직렬/병렬 및 병렬의 다양한 전기 모드 간의 스위칭이 적절하게 선택된 속도(velocities)로 수행되면, 회전자의 속도(velocity)에 따라 획득할 수 있는 최대 토크의 양이 포락 곡선(envelope curve)(88)으로 표시된다. 실제로, 각각의 속도(speed)에서 적용되는 토크의 양은 곡선(88)에 의해 표시된 것과 다를 수 있다. 예를 들어, 스위치드 릴럭턴스 모터의 효율 또는 다양한 속도(various speeds)에서 모터에 의해 생성된 소리의 양은 또한 정확한 전기 배치를 선택함에 대해 결정적일 수 있다.

본 발명은 몇몇 특정 실시예의 관점에서 기재되었다. 도면들에 도시되고 본원에 기술된 실시예들은 단지 예시적인 목적을 위한 것이고, 어떤 방식 또는 수단에 의해 본 발명에 대해 제한하려는 것이 아님을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 작동 및 구성은 첨부된 설명 및 도면으로부터 명백할 것이다. 당업자에게 본 발명이 여기에 기술된 임의의 실시예에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범위 내에서 간주되어야 하도록 변경이 가능함이 명백할 것이다. 또한, 기구학적 전이(kinematic inversions)는 본질적으로 개시되고, 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 청구 범위에서, 임의의 참조 부호는 청구 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서 또는 청구 범위에서 사용되는 '구성하는' 및 '포함하는'이라는 용어는 배타적 또는 철저한 의미로 해석되어서는 안되고, 포괄적 의미로 해석되어서는 안 된다. 따라서, 여기에서 사용된 '구성하는'이라는 표현은 임의의 청구항에 열거된 것들에 추가하여 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 또한, '하나'라는 단어는 '오직 하나'로 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며, '적어도 하나'를 의미하는 것으로 대신 사용되고, 복수를 배제하지 않는다. 구체적으로 또는 명시적으로 기술되거나 청구되지 않은 특징들은 본 발명의 범위 내에 구조에 추가로 포함될 수 있다. "…을 위한 수단"과 같은 표현은 "…을 위해 구성된 구성 요소" 또는 "…로 구성되는 멤버"로 읽어져야 하고, 개시된 구조들에 대한 등가물들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "중요한", "바람직한", "특히 바람직한" 등의 표현들의 사용은 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.

본 발명은 단일 위상 또는 다중 위상 스위치드 릴럭턴스 모터들에 적용될 수 있고, 임의의 특정 개수의 위상 단들에 제한되지 않는다. 당업자의 이해의 범위 내에서 추가들, 삭제들 및 변형들은, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 청구 범위에 의해 결정되는 바처럼, 일반적으로 이루어질 수 있다. 본 발명은 여기에 구체적으로 기술된 바와 달리 실시될 수 있고, 첨부된 청구 범위에 의해서만 제한된다.

Claims

고정자와 회전자를 포함하는, 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서,
상기 회전자는 상기 고정자와 관련되어 회전하고,
상기 고정자는,
상기 회전자의 주위에 원주형으로 배치된 복수의 코일들과 고정자 극들을 포함하고,
상기 고정자 극들은,
상기 코일들의 상기 코어들을 형성하고,
상기 회전자는,
상기 회전자에 자기 저항 토크를 적용하기 위해, 상기 고정자의 상기 고정자 극들과 상호 작용하기 위한 복수의 반대 극들을 포함하고,
상기 모터는,
파워링 시퀀스의 반복 패턴에 따라, 상기 하나 이상의 위상 단들의 파워링을 위해, 상기 모터의 하나 이상의 위상 단들의 각각의 위상 단을 작동시키는 작동 신호를 수신하기 위한, 하나 이상의 위상 입력들을 포함하고,
상기 고정자의 상기 복수의 코일들의 각각의 코일은,
적어도 두 개의 상기 코일들을 포함하는 각각의 위상 단인, 상기 모터의 하나의 상기 위상 단과 결합되고,
각각의 위상 단은,
병렬, 직렬, 병렬-직렬 전기의 배치 중 하나에서 상기 위상 단과 결합된 상기 코일들을 선택적으로 스위칭하기 위해, 복수의 스위치들로 구성하는 스위칭 배열을 포함하는 회로 단을 구성하고,
상기 스위치들은,
기계식 스위치들 또는 전자-기계식 스위치들을 포함하고,
상기 모터는,
상기 모터의 가동 조건을 나타내는 데이터를 획득하고, 상기 모터의 상기 가동 조건에 따라, 각각의 위상 단의 상기 스위치들을 작동시키기 위해 구성되고,
상기 파워링 시퀀스의 상기 반복 패턴의 복수의 사이클들을 위해, 상기 각각의 위상 단의 상기 파워링을 인터럽션 동안 비활성화함으로써, 각각의 위상 단의 상기 스위칭을 수행하기 위해 구성된, 컨트롤러를 더 포함하는, 스위치드 릴럭턴스 모터.
제1항에 있어서,
상기 직렬-병렬 전기의 배치에서, 상기 위상 단은 적어도 세 개의 코일들을 포함하고,
상기 위상 단의 적어도 두 개의 코일들은 서로에 대해 직렬 배치에서 전기적으로 작동되고,
상기 위상 단의 적어도 두 개의 상기 코일들은 서로에 대해 병렬 배치에서 전기적으로 작동되는, 스위치드 릴럭턴스 모터.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 모터의 상기 가동 조건을 나타내는 상기 데이터는 적어도 하나의 그룹에 의해 획득될 수 있고,
상기 그룹은,
센서 신호를 제공하는 센서 유니트;
상기 컨트롤러, 또는 계산에 기초한 상기 데이터를 제공하기 위해 배치된 부가적인 컨트롤러 유니트
을 포함하고,
상기 가동 조건은,
그룹의 적어도 하나의 요소를 포함하고,
상기 요소는,
상기 회전자의 회전 속도, 상기 모터의 소요 출력 파워, 상기 모터에 의해 생성된 소리 또는 음량,
상기 모터에 의해 전달된 상기 출력 파워에 대한 상기 모터에 공급되는 입력 파워의 효율
을 포함하는, 스위치드 릴럭턴스 모터.
제3항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 데이터가 제1 임계치보다 작은 값을 가지는 상기 가동 조건을 나타낼 경우, 상기 코일들의 직렬 배치에서 상기 위상 단을 작동시키는, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭;
상기 데이터가 제2 임계치보다 큰 값을 가지는 상기 가동 조건을 나타낼 경우, 상기 코일들의 병렬 배치에서 상기 위상 단을 작동시키는, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭;
중 적어도 하나를 위해 배치되는, 스위치드 릴럭턴스 모터.
제4항에 있어서,
상기 제2 임계치는 상기 제1 임계치 이상이고,
상기 컨트롤러는,
상기 제2 임계치가 상기 제1 임계치보다 클 경우, 상기 데이터가 상기 제1 임계치 및 제2 임계치 사이의 값을 가지는 상기 가동 조건을 나타낼 경우, 상기 코일들의 병렬-직렬 배치에서 상기 위상 단을 작동시키는, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭
을 위해 배치되는, 스위치드 릴럭턴스 모터.
제3항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 모터의 상기 가동 조건의 변화의 방향에 따라 제1 상기 전기의 배치들로부터 제2 상기 전기의 배치들까지 스위치로써, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭하기 위해 배치되고,
상기 가동 조건의 상기 값이 감소일 경우, 상기 스위칭은, 상기 데이터가 제3 임계치보다 작은 값을 가지는 상기 가동 조건을 나타낼 경우 수행되고,
상기 가동 조건의 상기 값이 증가일 경우, 상기 스위칭은, 상기 데이터가 제4 임계치보다 큰 값을 가지는 상기 가동 조건을 나타낼 경우 수행되고,
상기 제4 임계치는 상기 제3 임계치보다 큰, 스위치드 릴럭턴스 모터.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
동시의 인터럽션들 동안, 적어도 두 개의 위상 단들의 스위칭과 인터럽팅을 위해 구성된, 스위치드 릴럭턴스 모터.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
순차적인 인터럽션들 동안, 적어도 두 개의 위상 단들의 스위칭과 인터럽팅을 위해 구성된, 스위치드 릴럭턴스 모터.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
스위치드 릴럭턴스 모터를 포함하는, 차량인, 장치.
스위치드 릴럭턴스 모터를 작동시키는 방법에 있어서,
상기 모터는, 고정자와 회전자를 포함하고,
상기 회전자는 상기 고정자와 관련되어 회전하고,
상기 고정자는,
상기 회전자의 주위에 원주형으로 배치된 복수의 코일들과 고정자 극들을 포함하고,
상기 고정자 극들은,
상기 코일들의 상기 코어들을 형성하고,
상기 회전자는,
상기 회전자에 자기 저항 토크를 적용하기 위해, 상기 고정자의 상기 고정자 극들과 상호 작용하기 위한 복수의 반대 극들을 포함하고,
상기 모터는,
하나 이상의 위상 입력들, 하나 이상의 위상 단들, 각각의 위상 단에 연결된 각각의 위상 입력을 포함하고,
상기 고정자의 상기 복수의 코일들의 각각의 코일은,
적어도 두 개의 상기 코일들을 포함하는 각각의 위상 단인, 상기 모터의 하나의 상기 위상 단과 결합되고,
상기 방법은,
상기 각각의 위상 단을 작동시키기 위해, 상기 위상 입력들 중 적어도 하나를 통해 작동 신호를 수신하고, 파워링 시퀀스의 반복 패턴에 따라 상기 하나 이상의 위상 단들의 파워링을 위해, 상기 위상 단의 상기 고정자 극들을 통해 상기 회전자를 작동시키도록, 상기 위상 단에 상기 작동 신호를 적용시키는 단계;
상기 회전자의 상기 작동 동안, 병렬, 직렬, 병렬-직렬 전기의 배치 중 하나에서 상기 위상 단과 결합된 상기 코일들을 선택적으로 스위칭하도록, 기계식 스위치들 또는 전자-기계식 스위치들을 포함하는 복수의 스위치들을 포함하는, 각각의 위상 단의 스위칭 배열을 작동시키는 단계;
컨트롤러에 의해, 상기 모터의 가동 조건을 나타내는 데이터를 획득하는 단계; 및
상기 컨트롤러에 의해, 상기 모터의 상기 가동 조건에 따라, 각각의 위상 단의 상기 스위치들을 작동시키는 단계
를 포함하고,
상기 파워링 시퀀스의 상기 반복 패턴의 복수의 사이클들을 위해, 각각의 위상 단의 상기 스위칭은, 인터럽션 동안, 상기 각각의 위상 단의 상기 파워링을 비활성화함으로써 수행되는, 방법.
제10항에 있어서,
센서 유니트를 이용하여, 상기 모터의 가동 조건을 나타내는 센서 신호를 획득하고, 컨트롤러에 상기 센서 신호를 제공하는 단계;
상기 컨트롤러에 의하여, 상기 센서 신호에 따라, 각각의 위상 단의 상기 스위치들을 작동시키는 단계
를 더 포함하는, 방법.
제11항에 있어서,
상기 센서 신호가 나타내는, 상기 가동 조건은, 그룹의 적어도 하나의 요소를 포함하고,
상기 요소는,
상기 회전자의 회전 속도, 상기 모터의 소요 출력 파워, 상기 모터에 의해 생성된 소리 또는 음량, 상기 모터에 의해 전달된 상기 출력 파워에 대한 상기 모터에 공급되는 입력 파워의 효율을 포함하는, 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 스위치들을,
상기 센서 신호가 제1 임계치보다 작은 값을 가지는 상기 가동 조건을 나타낼 경우, 상기 코일들의 직렬 배치에서 상기 위상 단을 작동시키도록, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭;
상기 센서 신호가 제2 임계치보다 큰 값을 가지는 상기 가동 조건을 나타낼 경우, 상기 코일들의 병렬 배치에서 상기 위상 단을 작동시키도록, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭; 및
상기 센서 신호가 상기 제1 임계치 및 제2 임계치 사이의 값을 가지는 상기 가동 조건을 나타낼 경우, 상기 코일들의 병렬-직렬 배치에서 상기 위상 단을 작동시키도록, 각각의 위상 단의 상기 코일들을 스위칭;
하도록 작동시키는, 방법.
제10항 내지 제13항 중 어느 하나 이상의 항에 있어서,
동시의 인터럽션들 동안, 적어도 두 개의 위상 단들을 위해, 상기 스위칭과 인터럽팅은 상기 컨트롤러에 의해 수행되는, 방법.
제10항 내지 제14항 중 어느 하나 이상의 항에 있어서,
동시의 인터럽션들 동안, 적어도 두 개의 위상 단들을 위해, 상기 스위칭과 인터럽팅은 상기 컨트롤러에 의해 수행되는, 방법.