KR20200110443A - 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터 - Google Patents

슬롯리스 동기식 영구 자석 모터 Download PDF

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요나스 구스타프 밀링게르
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아틀라스 콥코 인더스트리얼 테크니크 에이비
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Abstract

본 발명은 로터(5) 및 로터와 전자기적으로 상호 작용하도록 구성된 스테이터(3)를 포함하는 슬롯리스 동기식 영구 자석(PM) 모터(1)에 관한 것으로, 로터(5)에는 제 1 고조파 로터 철극성을 생성하도록 구성된 제 1 전도성 금속층(5a)이 제공된다.

Description

슬롯리스 동기식 영구 자석 모터
본 개시는 일반적으로 동기식 모터에 관한 것이다. 특히, 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터와 관련이 있다.
슬롯리스 영구 자석 모터는 일반적으로 산업 조립 및 충격 도구와 같이 전력 밀도가 높은 응용 분야에서 선호된다. 이러한 유형의 응용 분야에는 고급 모터 제어가 필요하며, 이는 일반적으로 모터에 연결된 전력 변환기를 통해 달성되고 펄스 폭 변조(PWM)를 통해 작동된다.
위에서 식별된 응용분야의 경우, 드라이브 회로의 속도 제어 루프 내부에서 로터 위치 검출 피드백을 위해 정류 변환기 또는 각도 인코더가 종종 사용된다. 변환기 사용의 단점은 모터 모듈의 복잡성과 크기가 증가한다는 것이다.
논문 "Sensorless Estimation of Rotor Position of Cylindrical Brushless DC Motors Using Eddy Currents" by Tomita et al, Proceedings of 4th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control - AMC '96 -MIE, March 1996, Vol. 1, pp. 24-28 은 슬롯형 스테이터 코어를 가진 모터 구조를 개시한다. 비자 성 물질이 로터 표면에 붙여져 와전류를 흐르게 한다.
슬롯형 기계의 센서리스 로터 위치 감지를 위한 일반적인 방법은 철극 로터 설계를 사용하는 것이다. 로터 위치는 고조파 위상 전류의 신호 처리로 감지할 수 있다. 슬롯형 모터와 달리 슬롯리스 모터의 철극성 로터 설계는 활성 영구 자석 재료를 제거해야하므로 모터 성능이 저하된다.
상기의 관점에서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하거나 적어도 완화하는 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터를 제공하는 것이다.
따라서, 본 개시 내용의 제 1 양태에 따르면, 로터, 및 로터와 전자기적으로 상호 작용하도록 구성된 스테이터를 포함하는 슬롯리스 동기식 영구 자석(PM) 모터가 제공되며, 로터에는 고조파 로터 철극성을 생성하도록 구성된 제 1 전도성 금속층이 제공된다.
구리 및 알루미늄과 같은 전기 전도성 재료는 저주파에서 자기 관점에서 공기처럼 행동하지만 Lenz의 법칙에 따라 고주파수 자속을 반사한다. 반사는 전도 층 h의 두께보다 작은 표피 깊이 δ에 대해 유효해진다. 로터에 제 1 금속층이 제공 됨으로써, 로터의 고주파 철극성을 얻을 수 있다. 따라서, 본 설계에 의해, 슬롯리스 동기식 PM 모터를 제어하도록 구성된 전력 변환기의 스위치의 높은 스위칭 주파수에 대해 철극성 로터 거동에 기초하여 로터 위치 검출이 달성될 수 있다. 특히, 모터 성능에 미치는 영향을 최소화하면서 로터 위치 감지를 제공할 수 있다.
또한, 로터 위치를 결정하는 데 센서가 필요하지 않기 때문에 슬롯리스 동기식 PM 모터는 더 짧고 저렴하며 더 신뢰할 수 있다.
Tomita 등의 논문에 개시된 슬롯형 구성과 관련하여, 슬롯리스 동기식 PM 모터의 로터에 제공된 제 1 전도 층을 갖는 구성은 로터 위치 결정과 관련하여 놀랍게도 훨씬 높은 정확성을 가진다. Tomita의 논문에 따르면 로터 위치 추정의 최대 오차는 26°로, 많은 제어 방식에 유용하지 않은 반면, 슬롯리스 동기식 PM 모터의 경우 정밀도는 ± 5° 미만에서 ± 2°까지 떨어질 수 있다. 또한 슬롯형 모터의 경우 로터 위치 추정은 모터 부하에 의존하는 반면, 슬롯리스 동기식 PM 모터의 경우 모터 부하와는 독립적이다. 따라서 제안된 슬롯리스 동기식 PM 모터 구성은 로터 위치 결정에 훨씬 더 유용하다. 예를 들어, Tomita의 경우처럼 6 단계 정류 대신 정현파 정류를 포함하는 모터 제어를 사용할 수 있으며, 이에 따라 토크 리플을 제거하고 매끄러운 동작 및 정밀한 모터 제어를 제공할 수 있다.
"로터 위치"는 일반적으로 전기 로터 위치를 의미한다. 로터 위치는 예를 들어 αβ-프레임과 같은 고정 프레임과 d-q 프레임과 같은 로터 기준 프레임 사이의 로터 각도일 수 있다.
고조파 로터 철극성(harmonic rotor saliency)은 기본 주파수에 대한 고조파에 대한 로터 철극성을 의미한다. 기본 주파수는 초당 로터 회전 수이다.
제 1 금속층은 제 1 금속 시트 또는 제 1 금속 코팅층일 수 있다.
제 1 금속층의 외부 표면은 로터의 외부 표면과 동일 평면 또는 본질적으로 동일 평면일 수 있다.
제 1 금속층은 상자성 또는 반자성 물질과 같은 약자성 물질로 만들어 질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제 1 금속층은 구리 또는 알루미늄으로 만들어진다. 제 1 금속층은 예를 들어 구리 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 제 1 금속층은 대안적으로 전도성 합금으로 만들어 질 수 있다.
스테이터에는 복수의 권선, 즉 스테이터 위상 권선이 제공될 수 있으며, 각 권선은 각각의 전기 위상에 연결되도록 구성된다. 특히, 각 권선에는 두 개의 권선 부분이 있다. 권선의 권선 부분은 전력 변환기의 각 단자에 연결된다. 권선에 연결된 단자는 동일한 전기 위상과 연관된다.
제 1 금속층이 고조파 로터 철극성을 제공하는 유일한 금속층인 예에서, 제 1 금속층은 로터의 임의의 회전 위치에서 동시에 일 전기 위상의 일 권선의 두 권선 부분을 모두 정렬하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 로터에는 고조파 로터 철극성을 생성하도록 구성된 제 2 전도성 금속층이 제공된다.
제 2 금속층은 제 2 금속 시트 또는 제 2 금속 코팅층일 수 있다.
외부 표면 제 2 금속 층은 로터의 외부 표면과 동일 평면이거나 본질적으로 동일 평면일 수 있다.
제 2 금속층은 상자성 또는 반자성 물질과 같은 약자성 물질로 만들어 질 수 있다.
제 2 금속층은 구리 또는 알루미늄으로 만들어 질 수 있다. 제 2 금속층은 예를 들어 구리 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 제 2 금속층은 대안적으로 전도성 합금으로 만들어 질 수 있다.
제 1 금속층 및 제 2 금속층을 포함하는 예에서, 제 1 금속층 및 제 2 금속층은 제 1 금속층 및 제 2 금속층이 일 전기 위상의 각각의 권선 부분과 동시에 정렬될 수 있도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제 1 전도성 금속층 및 제 2 금속층은 전기적으로 연결된다. 제 1 전도성 금속층 및 제 2 전도성 금속층은 예를 들어, 축 방향으로 로터의 각 단부 부분 또는 단부에서 서로 연결될 수 있다. 따라서, 제 1 전도성 금속 층 및 제 2 전도성 금속 층은 로터의 각 단부 부분 또는 단부에서 하나씩, 2 개의 위치에서 연결되고 단락될 수 있다. 이에 따라 제 1 전도성 금속층 및 제 2 전도성 금속층에 유도된 전류는 서로에 대해 반대 방향으로 흐르고, 따라서 전류는 복귀 경로를 얻을 것이다. 유도 전류의 수준은 d-축 방향 전류를 받을 때 증가하므로 더 높은 로터 철극성을 얻을 수 있다. 따라서 보다 높은 신호 대 잡음비를 갖는 보다 강한 철극성 표시를 얻을 수 있다. 이에 의해 로터 위치의 추정이보다 정밀해질 수 있다.
로터 단면의 일 실시예에 따르면, 제 1 금속층이 로터 주변에 제공되어 제 1 원형 섹터의 원호를 형성한다.
제 1 금속층만을 포함하는 실시예에서, 제 1 원형 섹터의 중심 각도는 적어도 120도, 예를 들어 120 도일 수 있다. 이 구성은 집중 권선 유형의 슬롯리스 동기식 PM 모터에 유리하게 사용된다. 이 경우, 제 1 금속층은 유리하게 로터의 축 방향으로 비스듬하게 배열될 수 있다. 이는 고조파 로터 철극성으로 인한 전기 위상의 인덕턴스 변화를 감지할 수 있는 가능성을 향상시킨다.
로터 단면의 일 실시예에 따르면, 제 2 금속층이 로터 주변에 제공되어 제 2 원 섹터의 원호를 형성하고, 제 2 원 섹터의 원호의 중심은 제 1 원형 섹터의 원호의 중심에 대해 소정 각을 이룬다.
일 실시예에 따르면 각도는 약 180°이다. 약 180° 각도는 180° ± 20° 범위, 예를 들어 180° ± 10° 범위를 의미한다. 각도가 180°가 될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 제 1 금속층은 로터의 자석 세그먼트 사이에 배치되어 로터의 제 1 중앙 평면을 형성하고, 제 2 금속층은 로터의 자석 세그먼트 사이에 배치되어 제 1 중앙 평면에 수직인 로터의 제 2 중앙 평면을 형성한다.
일 실시예에 따르면, 제 1 금속층은 로터의 축 방향 길이의 대부분을 따라 연장된다. 특히, 제 1 금속층은 하나의 짧은 단부로부터 반대의 짧은 단부까지 연속 구조를 형성할 수 있다.
제 2 금속층은 로터의 축 방향 길이의 대부분을 따라 연장될 수 있다. 특히, 제 2 금속층은 하나의 짧은 단부로부터 반대의 짧은 단부까지 연속 구조를 형성할 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 제 1 양태에 따른 슬롯리스 동기식 PM 모터, 슬롯리스 동기식 PM 모터에 전류 또는 전압을 주입하도록 구성된 전력 변환기, 전력 변환기에 의해 주입된 전류 또는 전압으로 인해 생성된 슬롯리스 동기식 PM 모터의 전류를 측정하도록 구성된 전류 센서, 및 전류 센서에 의해 측정된 전류를 기반으로 로터 위치를 결정하도록 구성된 제어 시스템을 포함하는 슬롯리스 동기식 PM 모터 시스템이 제공된다.
각각의 전류 센서는 각각의 전기적 위상에서 전류를 측정하도록 구성될 수 있다. 전류 센서는 특히 스테이터의 각각의 권선에서 전류를 측정하도록 구성될 수 있다. 따라서 측정된 전류의 수는 일반적으로 슬롯리스 동기식 PM 모터의 전기 위상의 수와 동일할 수 있다.
전류 센서에 의해 측정된 전류는 일부 실시예에서 전류 리플일 수 있다. 이 경우 제어 시스템은 전류 리플을 기반으로 로터 위치를 결정하도록 구성된다.
전류 리플은 정류-유도 전류 리플일 수 있다. 정류는 전기 위상에서 극성이 변경될 때 발생한다.
전력 변환기는 넓은 밴드 갭 반도체 스위치, 예를 들어 넓은 밴드 갭 트랜지스터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전력 변환기는 제 1 금속층의 표피 깊이 δ가 제 1 금속층의 두께 h 미만이 되도록 충분히 높은 전력 변환기의 스위치의 스위칭 주파수를 사용하여 슬롯리스 동기식 PM 모터에 전류를 주입하도록 구성되며, 표피 깊이는
δ = √(2ρ/μπf)
여기서 ρ는 제 1 금속층의 비저항이고, μ는 제 1 금속층의 투자율이며, f는 스위칭 주파수이다.
로터에 두 개 이상의 금속 층이 제공되는 경우, 표피 깊이 및 두께에 관한 위의 고려 사항이 모든 금속 층에, 가령, 제 2 금속층에도, 적용된다.
슬롯리스 동기식 PM 모터 시스템은 높은 스위칭 주파수를 활용하여 얇은 제 1/제 2 금속층을 사용할 수 있으므로, 모터 성능에 대한 손상을 최소화할 수 있다.
예를 들어 스위칭 주파수는 약 100kHz일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 주입된 전압은 고주파 정현파 전압 성분과 같은 고주파 전압 성분을 포함할 수 있다. 고주파 성분은 로터 위치 결정을 위해 특별히 주입될 수 있다. 고주파 성분은 슬롯리스 동기식 PM 모터의 최대 각 주파수보다 높은 각 주파수를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어 시스템은 측정된 전류의 전류 리플에 기초하여 각 전기 위상에 대한 인덕턴스를 결정하도록 구성되고, 제어 시스템은 인덕턴스에 기초하여 로터 위치를 결정하도록 구성된다.
각 위상에 대한 인덕턴스는 예를 들어 정류 간의 전류 리플의 기울기 또는 미분 dI/dt에 의해 결정될 수 있으며, 여기서 전기 위상에 대한 인덕턴스 L은 L = U/dI/dt에 의해 얻어 질 수 있다. 여기서 U는 위상 전압이다.
일 실시예에 따르면, 로터 위치는 룩업 테이블에서 특정 로터 위치와 관련된 기준 인덕턴스에 이러한 인덕턴스들을 비교함으로써 결정된다. 특히, 인덕턴스들의 조합, 특히 일치하는 기준 인덕턴스는 룩업 테이블에서 단일 로터 위치 값을 제공한다.
일 실시예에 따르면, 전류 센서는 측정된 전류의 전류 리플을 오버 샘플링하도록 구성된다. 오버 샘플링은 나이퀴스트 주파수보다 높은 샘플링 주파수로 해석된다.
일 실시예에 따르면, 스테이터는 복수의 스테이터 위상 권선을 가지며, 제어 시스템은 스테이터 위상 권선의 기하학적 비대칭을 보상하도록 구성된다.
스테이터 위상 권선의 기하학적 비대칭, 즉, 비 이상적인 제조로 인해 방사형 평면을 따른 대칭이 불완전하도록 스테이터의 원주 방향으로 하나 이상의 스테이터 위상 권선의 변위는, 본 발명의 발명자에 의해 수행된 연구에 따르면 로터 위치의 추정에 영향을 미치는 것으로 입증되었다. 특히 기하학적 비대칭에 의해 추정 오차가 증가한다. 기하학적 비대칭을 보상함으로써, 로터 위치의 추정/결정이 더 정확해질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어 시스템은 로터 기준 프레임에서 3 상 프레임으로 전력 변환기에 대한 전압 기준의 변환을 이용하여 보상을 수행하도록 구성된 제 1 변환 블록을 포함하고, 이러한 변환은 기하학적 비대칭을 형성하는 스테이터의 원주 방향으로 스테이터 위상 권선의 변위를 고려한다.
특히, 각 스테이터 위상 권선의 각도 변위가 보상 제공을 위해 변환에 사용될 수 있다. 변환은 예를 들어, 로터 기준 프레임과 abc-프레임 사이 또는 스테이터 기준 프레임과 abc-프레임 사이에서 변환하기 위한 행렬과 같은 선형 연산자일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어 시스템은 d-축 전류 및 q-축 전류를 얻기 위해 전류 센서에 의해 측정된 전류를 변환하도록 구성된 제 2 변환 블록, q-축 전류를 복조하도록 구성된 복조기 블록, 및 로터 위치를 결정하기 위해 복조된 q-축 전류의 피드-포워드를 사용하도록 구성된 PI 관찰자를 포함하는 추정기 블록을 포함한다.
따라서 과도 거동이 개선된다. 특히, 과도 거동의 경우에, 추정 오류가 매우 낮은 정상 상태를 빠르게 얻을 수 있다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 제 1 양태에 따른 슬롯리스 동기식 PM 모터의 로터의 로터 위치를 결정하는 방법이 제공되며, 상기 방법은: 전류 또는 전압을 슬롯리스 동기식 PM 모터에 주입하도록 전력 변환기를 제어하는 단계, 주입된 전류에 의해 생성된 슬롯리스 동기식 PM 모터에서 측정된 전류를 획득하는 단계, 및 전류를 기반으로 로터 위치를 결정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제어하는 단계는 제 1 금속층의 표피 깊이 δ가 제 1 금속층의 두께 h 미만이 되도록 충분히 높은 전력 변환기의 스위치의 스위칭 주파수를 사용하는 단계를 포함하며, 표피 깊이는 다음과 같이 정의된다.
δ = √(2ρ/μπf)
여기서 ρ는 제 1 금속층의 비저항이고, μ는 제 1 금속층의 투자율이며, f는 스위칭 주파수이다.
일 실시예에 따르면, 스테이터는 복수의 스테이터 위상 권선을 가지며, 단계 a)는 스테이터 위상 권선의 기하학적 비대칭을 보상하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 보상은 로터 기준 프레임에서 3 상 프레임으로 전력 변환기에 대한 전압 기준의 변환을 이용하는 단계를 포함하며, 이러한 변환은 기하학적 비대칭을 형성하는 스테이터의 원주 방향으로 스테이터 위상 권선의 변위를 고려한다.
일 실시예에 따르면, 결정하는 단계는 d-축 전류 및 q-축 전류를 얻기 위해 측정된 전류를 변환하는 단계, q-축 전류를 복조하는 단계, 및 복조된 q-축 전류의 피드 포워드를 사용하여 PI-관찰자를 포함하는 추정기 블록을 이용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 4 양태에 따르면, 슬롯리스 동기식 PM 모터 시스템의 처리 회로에 의해 실행될 때, 슬롯리스 동기식 PM 모터 시스템으로 하여금 제 3 양태에 따른 방법의 단계를 수행하게 하는 컴퓨터 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
본 발명의 제 5 양태에 따르면, 제 1 양태에 따른 슬롯리스 동기식 PM 모터를 포함하는 전동 공구가 제공된다.
본 개시 내용의 제 6 양태에 따르면, 제 2 양태에 따른 슬롯리스 동기식 PM 모터 시스템을 포함하는 전동 공구(power tool)가 제공된다.
일반적으로 청구 범위에서 사용되는 모든 용어는 본 명세서에서 달리 명시 적으로 정의되지 않는 한 기술 분야에서 일반적인 의미에 따라 해석되어야 한다. "일/하나의/상기 요소, 장치, 구성요소, 수단, 등에 대한 모든 언급은 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 요소, 장치, 구성 요소, 수단 등의 적어도 하나의 사례를 언급하는 것으로 개방적으로 해석되어야 한다.
본 발명의 개념의 특정 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
도 1a는 슬롯리스 동기식 PM 모터의 예의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 1b는 도 1a의 슬롯리스 동기식 PM 모터의 로터의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 2는 슬롯리스 동기식 PM 모터의 다른 예의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 3은 슬롯리스 동기식 PM 모터의 또 다른 예의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 4는 슬롯리스 동기식 PM 모터 시스템의 블록도를 개략적으로 도시한다.
도 5는 슬롯리스 동기식 PM 모터의 로터의 로터 위치를 결정하는 방법의 흐름도이다. 그리고,
도 6은 슬롯리스 동기식 PM을 제어하기 위한 대안적인 제어 방식의 예를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 개념은 예시적인 실시예가 도시된 첨부된 도면을 참조하여 이하에서보다 완전하게 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시가 철저하고 완전할 것이며 본 발명의 개념의 범위를 당업자에게 완전히 전달할 수 있도록 예로서 제공된다. 유사한 번호는 설명 전체에서 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 슬롯리스 동기식 PM 모터의 예를 보여준다. 슬롯리스 동기식 PM 모터(1)는 스테이터(3) 및 스테이터(3)와 전자기적으로 상호작용하도록 구성된 로터(5)를 포함한다. 로터(5)는 영구 자석 로터이다. 스테이터(3)는 복수의 권선, 즉 스테이터 위상 권선을 가지며, 각각은 각각의 전기 위상 A, B 및 C에 연결된다. 본 예에서, 권선은 동일한 전기 위상의 권선 부분이 슬롯리스 동기식 PM 모터(1)의 단면에서 각각 반대편에 배치되도록 연결된다. 따라서 A+ 및 A-로 표시되는 전기 위상 A의 두 권선 부분은 서로 반대 방향으로 배열되며, B+ 및 B-로 표시된 전기 위상 B의 두 권선 부분은 서로 대향 배치되며, C+ 및 C-로 표시된 전기 위상 C의 두 권선 부분은 서로 대향 배치된다.
스테이터 위상 권선의 기하학적 비대칭인 경우 권선 부분은 서로 정확히 반대가 되지 않는다. 특히, 전기 위상의 대향하는 권선 부분 사이에서 스테이터(3)의 원주 방향으로 작은 변위가 있을 수 있다. 이로 인해 로터 위치의 추정/결정에 오류가 발생할 수 있다. 일부 예들에 따르면, 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 이러한 기하학적 비대칭과 관련하여 보상이 제공될 수 있다.
슬롯리스 동기식 PM 모터(1)는 로터 샤프트(7)를 포함하고 로터(5)는 로터 샤프트(6) 주위에 배치된다. 로터(5)는 스테이터(3)에 회전 가능하게 배치된다.
로터(5)는 전기 전도성 제 1 금속층(5a) 및 전기 전도성 제 2 금속층(5b)을 갖는다. 제 1 금속층(5a) 및 제 2 금속층(5b)은 후술하는 바와 같이 고조파 로터 철극성(harmonic rotor saliency)을 생성한다. 제 1 금속층(5a)은 로터(5)의 외부 표면의 일부를 형성한다. 제 2 금속층(5b)은 로터(5)의 외부 표면의 일부를 형성한다. 제 1 금속층(5a)은 로터(5)의 축 방향 길이의 대부분을 따라 연장된다. 제 1 금속층(5a)은 분할되지 않는다. 즉, 단일-조각 연속 구조이다. 제 2 금속층(5b)은 로터(5)의 축 방향 길이의 대부분을 따라 연장된다. 제 2 금속층(5b)은 분할되지 않는다. 즉, 단일-조각 연속 구조이다. 일반적으로, 제 1 금속층(5a) 및 제 2 금속층(5b)은 서로 동일하거나 본질적으로 동일할 수 있다.
제 1 금속층(5a)은 제 1 금속 시트 또는 코팅일 수 있다. 제 2 금속층(5b)은 제 2 금속 시트 또는 코팅일 수 있다.
제 1 금속층(5a)과 제 2 금속층(5b)은 일 변형에 따라 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 금속층(5a) 및 제 2 금속층(5b)은 단락될 수 있다. 여기서, 제 1 금속층(5a)과 제 2 금속층(5b)은 하나 이상의 저 저항 연결(들)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 전형적으로, 제 1 금속층(5a) 및 제 2 금속층(5b)은 로터(5)의 축 방향으로 각 단부 또는 단부 영역/부분에서 서로 연결된다. 하나 이상의 저 저항 연결은 예를 들어 제 1 금속층(5a) 및/또는 제 2 금속층(5b)과 동일한 재료로 만들어질 수 있다.
도 1b는 로터(5)를 보다 상세히 도시한다. 제 1 금속층(5a)은 로터(5)를 따라 둘레 방향으로 연장된다. 제 1 금속층(5a)은 두께(h)를 갖는다. 제 1 금속층(5a)은 제 1 중심각(θ1)을 갖는 로터(5)의 제 1 원형 섹터(7a)의 원호를 형성한다. 제 2 금속층(5b)은 로터(5)를 따라 원주 방향으로 연장된다. 제 2 금속층(5b)은 제 2 중심각(θ2)을 갖는 로터(5)의 제 2 원형 섹터(7b)의 원호를 형성한다. 제 1 원형 섹터(7a)와 제 2 원형 섹터(7b)는 서로 분리되어있다. 따라서, 제 1 금속층(5a) 및 제 2 금속층(5b)은 로터(5)의 주변부의 분리된 부분을 따라 배열된다. 예를 들어, 제 1 원형 섹터(7a)의 원호 중심(9a) 및 제 2 원형 섹터(7b)의 중심(9b)은 약 180 도의 각도 α를 이룰 수 있다. 따라서, 제 1 금속층(5a) 및 제 2 금속층(5b)은 로터(5)의 단면에서 반대 방향으로 배열될 수 있다.
제 1 중심 각도 θ1 및 제 2 중심 각도 θ2는 일반적으로 슬롯리스 동기식 PM 모터(1)의 권선 구성에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 2-극 구성의 경우 제 1 중심 각도 θ1 및 제 2 중심 각도 θ2는 각각 2π/(전기 위상 수 x 2)와 본질적으로 같거나, 동일하거나, 그보다 큰 것으로 결정되며, 금속층의 수는 극의 수와 동일하다. 도 1a의 예에서 이것은 제 1 중심 각도 θ1과 제 2 중심 각도 θ2가 각각 60° (즉 360°/6) 이상이라는 것을 의미한다.
도 2는 슬롯리스 동기식 PM 모터의 또 다른 예를 보여준다. 슬롯리스 동기식 PM 모터(1')는 도 1a 및 1b를 참조하여 설명된 예와 유사하다. 그러나 로터(5')는 로터(5)와 다소 다르다. 로터(5')는 고조파 로터 철극성을 제공하는 제 1 금속층(5a') 및 제 2 금속층(5b')을 갖는다. 제 1 금속층(5a')은 자석 세그먼트(10a-10d) 사이에 제공되고 로터(5')를 통해 연장되는 제 1 중앙 평면을 형성하여 로터(5')를 로터(5')의 단면에서 두 개의 절반으로 분할한다. 따라서, 제 1 금속층(5a')은 로터(5')를 통해 방사상으로 연장된다. 제 2 금속층(5b')은 자석 세그먼트(10a-10d) 사이에 제공되고, 로터(5'a)를 통해 연장되는 제 2 중앙 평면을 형성하여, 로터(5')를 로터(5')의 단면에서 2 개의 절반으로 분할한다. 제 2 금속층(5b')은 로터(5')를 통해 방사상으로 연장된다. 제 1 중앙 평면과 제 2 중앙 평면은 서로에 대해 소정의 각도를 이룬다. 본 예에서, 제 1 중앙 평면과 제 2 중앙 평면은 서로 수직이다.
이 경우에도 일 변형에 따라 제 1 금속층(5a')과 제 2 금속층(5b')이 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 금속층(5a') 및 제 2 금속층(5b')은 단락될 수 있다. 여기서, 제 1 금속층(5a')과 제 2 금속층(5b')은 하나 이상의 저 저항 연결(들)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 일반적으로, 제 1 금속층(5a') 및 제 2 금속층(5b')은 로터(5)의 축 방향으로 각 단부 또는 단부 영역/부분에서 서로 연결된다. 하나 이상의 저 저항 연결은 예를 들어 제 1 금속층(5a') 및/또는 제 2 금속층(5b')과 동일한 재료로 구성될 수 있다.
도 3은 슬롯리스 동기식 PM 모터의 또 다른 예를 보여준다. 슬롯리스 동기식 PM 모터(1”)는 집중 권선 유형이다. 따라서 동일한 전기 위상에 연결된 권선 부분은 도면에 도시된 바와 같이 서로 인접하게 배열된다. 예를 들어, A+ 및 A-로 표시된 위상 A의 두 권선 부분은 서로 인접해 있고, 등등이다.
또한 이 경우 스테이터 위상 권선의 기하학적 비대칭이 존재할 수 있다. 일부 예들에 따르면, 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 이러한 기하학적 비대칭과 관련하여 보상이 제공될 수 있다.
슬롯리스 동기식 PM 모터(1")는 제 1 금속층(5a")이 제공된 로터(5")를 포함한다. 특히, 예시된 로터(5")에는 단일 금속층, 즉 제 1 금속층(5a")만이 제공된다. 제 1 금속층(5a")은 로터(5")의 주변에 제공된다. 제 1 금속층(5a")은 중심각(θ1)을 갖는 제 1 원형 섹터(7a")의 원호를 형성한다. 중심 각도(θ1)는 유리하게는 2π를 전기 위상의 수로 나눈 값과 본질적으로 같거나, 동일하거나, 그보다 클 수 있다. 금속 층의 수는 극 쌍의 수와 같다. 따라서, 이 예에서 중심각(θ1)은 적어도 120°, 즉 360°/3, 예를 들어 120°일 수 있다. 따라서, 제 1 금속층(5")은 권선의 2 개의 권선 부분과 완전히 정렬될 수 있다.
도 4는 슬롯리스 동기식 PM 모터 시스템(12)의 예를 도시한다. 슬롯리스 동기식 PM 모터 시스템(12)은 슬롯리스 동기식 PM 모터(1, 1', 1"), 전력 변환기(14), 전류 센서(16) 및 제어 시스템(18)을 포함한다.
전력 변환기(14)는 스테이터(3, 3')의 권선에 연결되도록 구성된다. 전력 변환기(14)는 슬롯리스 동기식 PM 모터(1, 1', 1")를 작동시키기 위해 적절한 전류를 권선에 주입하기 위한 스위칭 주파수로 스위칭할 수 있게 제어되도록 구성된 복수의 스위치 또는 스위칭 장치를 포함한다. 스위치는 일반적으로 예를 들어 반도체 스위치, 가령, 트랜지스터와 같은 전력 전자 스위치일 수 있다. 스위치는 예를 들어 실리콘 카바이드 또는 질화 갈륨 전력 전자 스위치와 같은 넓은 밴드 갭 전력 전자 장치일 수 있다. 스위치는 예를 들어 H- 브리지 또는 하프-브리지 구성, 또는 그 변형과 같이 다수의 상이한 공지된 방식으로 구성될 수 있다.
전력 변환기(14)의 스위치는 예를 들어 PWM에 의해 제어될 수 있다. 이를 위해 예를 들어 스위치의 게이트는 PWM을 이용하는 제어 신호에 따라 스위치를 개방 또는 폐쇄 상태로 선택적으로 설정하도록 제어할 수 있다.
전력 변환기(14) 및 전류 센서(16)는 슬롯리스 동기식 PM 모터(1, 1', 1")를 위한 드라이버 회로를 형성한다.
전류 센서(16)는 스테이터(3, 3')의 권선의 전류를 측정하도록 구성된다. 전류 센서(16)는 각각의 전기적 위상, 즉 각각의 권선에서 전류, 예를 들어 전류 리플을 측정하도록 구성될 수 있다. 전류 센서(16)는 유리하게는 전류의 오버 샘플링을 가능하게 하는 높은 대역폭을 가질 수 있다. 전류 센서(16)의 대역폭은 바람직하게는 전력 변환기(14)의 스위치의 스위칭 주파수의 대역폭의 2 배 이상일 수 있다. 대역폭은 예를 들어 스위칭 주파수의 대역폭의 3 배 이상, 4 배 이상, 5 배 이상, 6배 이상 또는 그 이상일 수 있다.
제어 시스템(18)은 전류 센서(16)에 의해 측정된 리플 전류에 기초하여 로터(5, 5', 5")의 로터 위치를 결정하도록 구성될 수 있다. 제어 시스템(18)은 저장 매체(18) 및 처리 회로(18b)를 포함할 수 있다. 저장 매체(18)는 처리 회로(18b)에 의해 실행될 때 제어 시스템(18)이 본 명세서에 개시된 방법의 단계를 수행하게 하는 컴퓨터 코드 또는 명령어를 포함한다.
처리 회로(18b)는 전기적 로터 위치 결정에 관한 여기에 개시된 임의의 동작을 실행할 수 있는, 예를 들어 적절한 중앙 처리 장치(CPU), 멀티 프로세서, 마이크로 컨트롤러, 디지털 신호 프로세서(DSP), 주문형 집적 회로(ASIC), 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA), 등 중 하나 이상의 조합을 사용할 수 있다.
저장 매체(18a)는 예를 들어 RAM(random access memory), ROM(read-only memory), EPROM(erasable programmable read-only memory), 또는 EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory)고 같은 메모리로, 그리고 특히, 컴팩트 플래시 메모리와 같은 플래시 메모리 또는 USB(Universal Serial Bus) 메모리와 같은 외부 메모리 내에 장치의 비휘발성 저장 매체로 구체화될 수 있다.
제어 시스템(18)은 결정된 로터 위치에 기초하여 전력 변환기(14)를 제어하도록 구성된 제어기를 포함할 수 있다. 도 5를 참조하면, 도 4에서 설명된 에에서의 로터 위치 결정과 관련한 제어 시스템(120의 동작이 더 상세하게 설명될 것이다.
단계 a)에서 제어기는 스테이터의 권선에 전류를 주입하도록 전력 변환기(14)를 제어한다. 이 전류 제어는 일반적으로 앞서 언급한 PWM을 사용하여 스위치를 전환하는 것을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 전력 변환기(14)의 스위치를 제어하기 위한 스위칭 주파수는 제 1 금속층(5a, 5a', 5a")에서 그리고 제 2 금속층(5b, 5'b)을 포함하는 실시예에서의 표피 깊이(δ)가 제 1 금속층(5a, 5a', 5a")/제 2 금속층(5b, 5'b)의 두께 h보다 낮도록 충분히 높다. 이것은 전류 리플에 의해 생성된 고주파 플럭스 패턴이 로터(5, 5', 5")가 회전할 때 제 1 금속층(5a, 5a', 5a/제 2 금속층(5b, 5'b))에 의해 차단되어 전기 위상의 인덕턴스에 영향을 미치게 됨을 보장한다. 특히, 고주파 플럭스 패턴은 제 1 금속층(5a, 5a', 5a"/ 제 2 금속층(5b, 5'b)이 전기 위상의 통전된 권선 부분과 정렬됨에 따라 차단되어, 로터(5, 5', 5")가 회전함에 따라 문제가 되는 전기 위상의 인덕턴스의 정현파 또는 유사-정현파 변화를 야기한다. 특히, 전기 위상의 인덕턴스는 제 1 금속층(5a, 5a', 5a")/제 2 금속층(5b, 5'b)이 그 전기 위상의 통전 권선 부분과 정렬됨에 따라, 즉 고주파 플럭스 패턴이 차단됨에 따라, 감소하고, 그렇지 않으면 증가한다. 그 결과 고조파 로터 철극성이 발생하여 각도 인코더를 사용하지 않고도 로터 위치를 감지할 수 있다.
단계 b)에서, 전류 센서(16)는 스테이터의 권선에서 전류 리플을 측정한다. 각 전기 위상에서 측정된 전류 리플은 일반적으로 정류 유도 전류 리플이며, 이는 전력 변환기(14)의 스위치의 스위칭으로부터 유도될 수 있다. 측정된 전류 리플은 제어 시스템(18)에 의해 얻어진다.
전류 리플 측정에 기초하여 정류 사이의 전류 리플의 기울기 또는 미분 dI/dt가 결정될 수 있다. 각 전기 위상의 위상 전압(U)도 측정될 수 있다.
단계 c)에서 로터 위치는 제어 시스템(18)에 의해 전류 리플에 기초하여 결정된다. 본 예에 따르면, 각 위상에 대한 전류 리플의 미분 dI/dt에 기초하여 각 위상에 대한 인덕턴스 L은 위상 전압 U를 전류 리플의 미분 dI/dt로 나눔으로써 결정될 수 있다. 즉 인덕턴스 L = U/dI/dt.
전기 위상 별 인덕턴스(L)가 결정되면, 각 인덕턴스(L)는 룩업 테이블에서 해당 위상에 대한 기준 인덕턴스와 비교할 수 있다. 기준 인덕턴스는 특정 로터 위치와 연관된다. 즉, 결정된 인덕턴스와 일치하는 기준 인덕턴스 세트는 로터 위치, 일반적으로 로터 각도를 제공한다.
로터 각도는 그 후 제어 시스템(18)에 의해 전력 변환기를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 단계 c) 이후의 단계에서 전력 변환기는 로터 각도에 기초하여 제어될 수 있다.
도 6은 로터 위치를 결정하기 위한 다른 제어 방식의 예를 보여준다. 도 5에 도시된 제어 방식은 처리 회로(18b)에 의해 소프트웨어 및/또는 하드웨어로서 구현될 수 있다. 전력 변환기(14) 및 전류 센서(16)는 단순화를 이유로 도시되지 않는다.
예시된 제어 시스템(18')은 로터 기준 프레임 또는 dq- 프레임의 d- 축 및 q- 축에 고주파 전압 성분을 주입하도록 구성된 고주파 주입 블록(21)을 포함한다. 고주파 전압 성분은 전압 레퍼런스
Figure pct00001
및
Figure pct00002
와 결합되어 전력 변환기(14)에 대한 조정된 전압 레퍼런스
Figure pct00003
및
Figure pct00004
를 형성한다. 제어 시스템(18')은 또한 조정된 전압 레퍼런스
Figure pct00005
및
Figure pct00006
를 로터 레퍼런스 프레임에서 3 상 프레임 또는 abc- 프레임으로 변환하여 전압 ua, ub 및 uc를 획득하도록 구성된 제 1 변환 블록(23)을 포함한다. 전류 센서(16)는 위상의 전류 ia, ib 및 ic를 측정하도록 구성된다. 제어 시스템(18')은 측정된 전류 ia, ib 및 ic를 로터 기준 프레임으로 변환하도록 구성된 제 2 변환 블록(25)을 포함한다.
예시된 제어 시스템(18')은 측정된 q-축 전류를 복조하도록 구성된 복조기 블록(27)을 더 포함한다. 복조기 블록(27)은 고주파수 성분을 얻기 위해 q-축 전류를 고역 통과 필터링하도록 구성된 고역 통과 필터 블록(27a)을 포함하며, 각 주파수 ωh는 q-축 전류의 고주파 주입 블록(21)에 의해 사용되는 주입된 고주파 전압 성분의 주파수이다. 고역 통과 필터링된 q-축 전류는 주파수 ωh를 갖는 정현파 신호와 곱셈에 의해 결합된다. 복조기 블록(27)은 dc-신호를 얻기 위해 결합된 신호를 저역 통과 필터링하도록 구성된 저역 통과 필터 블록(27b)을 더 포함할 수 있다.
예시된 제어 시스템(18')은 PI 관찰자를 포함하는 추정기 블록(29)을 포함한다. dc 신호는 PI 처리를 위해 추정기 블록(29)에 입력된다. PI 관찰자는 DC 신호의 피드 포워드를 사용한다. 여기서, 추정기 블록은 적분 계수 ki 및 비례 상수 kp와 곱해지는 dc- 신호에 더하여 dc- 신호와 곱해지는 피드-포워드 계수 kf를 포함한다. 피드 포워드 계수 kf와 곱해진 dc 신호는 저역 통과 필터링된 측정된 q-축 전류와 결합된다. 이 결합된 신호는 추정된 로터 속도 ωest를 획득하기 위해 추정기 블록(29)의 제 1 통합 블록(29a)에 통합되는 적분 계수 ki와 곱해진 dc- 신호에 추가된다. 추정된 로터 속도 ωest는 로터 속도 오류를 구하여 q-축 전류 기준
Figure pct00007
를 얻는 데 사용된다. 추가적으로, 추정된 로터 속도 ωest는 dc- 신호 및 비례 상수 kp의 곱셈과 결합되며, 그 결합은 추정된 로터 위치 θest를 얻기 위해 추정기 블록(29)의 제 2 적분기 블록(29b)에 통합된다. 추정된 로터 위치(θest)는 로터 기준 프레임과 abc- 프레임 사이의 변환을 제어하고 따라서 전력 변환기(14)를 제어하기 위한 제 1 변환 블록(23) 및 제 2 변환 블록에 제공된다.
따라서 도 6을 참조하여 설명된 방법은 일반적인 단계 a) -c)에서 도 5를 참조하여 설명된 방법과 유사하지만 전류 리플을 측정 및 활용하고 인덕턴스를 결정하는 대신, 고주파 전압 성분 주입, 위상 전류 측정, 및 예시된 제어 방식에서 이를 처리한다.
일부 예들에서, 스테이터 위상 권선의 기하학적 비대칭이 보상될 수 있다. 따라서 제어 시스템(18, 18')은 스테이터 위상 권선의 기하학적 비대칭을 보상하도록 구성될 수 있다. 특히, 제어 시스템(18, 18')은 로터 기준 프레임-abc-프레임으로의 변환을 수행하도록 구성된 제 1 변환 블록을 포함할 수 있다. 제 1 변환 블록은 로터 기준 프레임으로부터 3 상 또는 abc 프레임으로의 전력 변환기(14)에 대한 전압 기준의 변환을 이용하여 보상을 수행하도록 구성될 수 있다. abc- 프레임에서 로터 기준 프레임으로의 변환을 수행하도록 구성된 제 2 변환 블록에서도 동일한 보상이 제공될 수 있다.
로터 기준 프레임과 abc- 프레임 사이의 변환은 기하학적 비대칭성을 형성하는 각도 변위 또는 스테이터의 원주 방향으로 스테이터 위상 권선의 변위를 고려하도록 구성될 수 있다. 서로 다른 프레임 간의 변환은 일반적으로 회전 행렬에 의해 수행된다. 회전 행렬, 특히 코사인 및 사인 함수의 인수는 스테이터 위상 권선의 각도 변위와 관련된 각 구성 요소를 포함할 수 있다.
여기에 제공된 모든 예에서, 로터는 스테이터에 의해 수용된다. 그러나, 이러한 예 중 어느 하나에 대한 대안으로서 역 구성도 가능하며, 여기서 로터는 소위 외부 로터 기계인 스테이터 주위에 배열된다.
본 발명의 개념은 주로 몇 가지 예를 참조하여 위에서 설명되었다. 그러나, 당업자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같이, 상기 개시된 것 이외의 다른 실시예는 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 개념의 범위 내에서 동등하게 가능하다.

Claims (18)

  1. 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터(1)에 있어서,
    로터(5) 및
    로터(5)와 전자기적으로 상호 작용하도록 구성된 스테이터(3)를 포함하되,
    상기 로터(5)에는 고조파 로터 철극성을 생성하도록 구성된 제 1 전도성 금속층(5a)이 제공되며, 로터(5)의 단면에서 제 1 금속층(5a)은 로터 주변에 제공되어 제 1 원형 섹터(7a)의 원호를 형성하고, 상기 로터에는 고조파 로터 철극성을 생성하도록 구성된 제 2 전도성 금속층(5b)이 추가로 제공되며, 로터의 단면에서 상기 제 2 금속층(5b)이 로터의 주변부에 제공되어 제 2 원형 섹터(7a)의 원호를 형성하고, 제 2 원형 섹터의 원호의 중심은 제 1 원 섹터의 원호 중심에 대해 특정 각도를 이루고, 제 1 전도성 금속층과 제 2 전도성 금속층은 축 방향으로 각각의 로터의 단부 또는 각각의 단부 부분에서 서로 연결되어있어, 제 1 금속층(5a)과 제 2 금속층(5b)이 해당 전기 위상의 통전 권선 부분과 정렬됨에 따라 전기 위상의 인덕턴스가 감소하여, 각도 인코더를 사용하지 않고도 로터 위치를 검출할 수 있는 고조파 로터 철극성을 실현하는, 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 금속층(5a; 5a'; 5a")은 구리 또는 알루미늄으로 만들어지는, 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각도(α)는 약 180°인 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 금속층(5a')은 로터(5')의 자석 세그먼트(10a-10d) 사이에 배치되어 로터(5')의 제 1 중앙 평면을 형성할 수 있고, 제 2 금속층(5b')은 로터(5')의 자석 세그먼트(10a-10d) 사이에 배치되어 로터(5')의 제 1 중앙 평면에 수직인 제 2 중앙 평면을 형성할 수 있는, 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 금속층(5a; 5a'; 5a")은 로터(5a; 5a'; 5a")의 축 방향 길이의 대부분을 따라 연장되는 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터(1; 1'; 1"),
    동기식 영구 자석 모터(1, 1', 1")에 전류 또는 전압을 주입하도록 구성된 전력 변환기(14),
    전력 변환기(14)에 의해 주입된 전류 또는 전압으로 인해 생성된 동기식 영구 자석 모터(1; 1'; 1")의 전류를 측정하도록 구성된 전류 센서(16), 및
    전류 센서(16)에 의해 측정된 전류에 기초하여 로터 위치를 결정하도록 구성된 제어 시스템(18)을 포함하는, 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전력 변환기(14)는 제 1 금속 층(5a; 5a'; 5a")의 표피 깊이 δ가 제 1 금속 층(5a; 5a'; 5a")의 두께 h보다 작도록 충분히 높은, 전력 변환기(14)의 스위치의 스위칭 주파수를 사용하여 동기식 영구 자석 모터(1; 1'; 1")에 전류를 주입하도록 구성되고, 상기 표피 깊이는
    δ = √(2ρ/μπf)
    로 규정되고, ρ는 제 1 금속층(5a, 5a', 5a")의 비저항이고, μ는 제 1 금속층(5a, 5a', 5a")의 투자율, f는 스위칭 주파수인, 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터 시스템.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 제어 시스템(18)은 측정된 전류의 전류 리플에 기초하여 각 전기 위상에 대한 인덕턴스를 결정하도록 구성되고, 상기 제어 시스템(18)은 인덕턴스를 기반으로 로터 위치를 결정하도록 구성되는, 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 로터 위치는 인덕턴스를 룩업 테이블에서 특정 로터 위치와 관련된 기준 인덕턴스에 비교함으로써 결정되는, 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터 시스템.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류 센서(16)는 측정된 전류의 전류 리플을 오버 샘플링하도록 구성되는 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터 시스템.
  11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스테이터(3)는 복수의 스테이터 위상 권선을 가지며, 상기 제어 시스템(18; 18')은 스테이터 위상 권선의 기하학적 비대칭을 보상하도록 구성되는 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제어 시스템(18; 18')은 로터 기준 프레임으로부터 3상 프레임으로 전력 변환기에 대한 전압 기준의 변환을 이용하여 보상을 수행하도록 구성된 제 1 변환 블록(23)을 포함하고, 상기 변환은 기하학적 비대칭을 형성하는 스테이터의 원주 방향으로 스테이터 위상 권선의 변위를 고려하는 변환인, 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터 시스템.
  13. 제 6 항 또는 제 7 항 또는 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 제어 시스템(18')은 d- 축 전류 및 q- 축 전류를 획득하도록 전류 센서(16)에 의해 측정된 전류를 변환하도록 구성된 제 2 변환 블록(25)과, q- 축 전류를 복조하도록 구성된 복조기 블록(27)과, 로터 위치를 결정하기 위해 복조된 q-축 전류의 피드포워드를 이용하도록 구성된 PI-관찰자를 포함하는, 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터(1; 1'; 1")의 로터의 로터 위치를 결정하는 방법으로서, 상기 방법은:
    a) 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터(1, 1', 1”)에 전류 또는 전압을 주입하도록 전력 변환기(14)를 제어하는 단계,
    b) 주입된 전류 또는 전압으로 인해 생성된 슬롯리스 동기식 영구 자석 모터(1; 1'; 1”)에서 측정된 전류를 획득하는 단계, 및
    c) 전류를 기반으로 로터 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 로터 위치 결정 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 상기 제 1 금속층(5a; 5a '; 5a")의 표피 깊이 δ가 제 1 금속층(5a; 5a '; 5a”)의 두께 h보다 작도록 충분히 높은 전력 변환기(14)의 스위치의 스위칭 주파수를 사용하는 단계를 포함하고, 상기 표피 깊이는
    δ = √(2ρ/μπf)
    로 규정되고, ρ는 제 1 금속층(5a, 5a', 5a")의 비저항이고, μ는 제 1 금속층(5a, 5a', 5a")의 투자율, f는 스위칭 주파수인, 로터 위치 결정 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 스테이터(3)는 복수의 스테이터 위상 권선을 가지며, 단계 a)는 상기 스테이터 위상 권선의 기하학적 비대칭을 보상하는 단계를 포함하는 로터 위치 결정 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 보상하는 단계는, 로터 기준 프레임에서 3상 프레임으로 전력 변환기(14)에 대한 전압 기준의 변환을 이용하는 단계를 포함하고, 상기 변환은 기하학적 비대칭을 형성하는 스테이터(3)의 원주 방향으로 스테이터 위상 권선의 변위를 고려하는 변환인, 로터 위치 결정 방법.
  18. 제 14 항 또는 제 16 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정하는 단계는 d-축 전류 및 q-축 전류를 획득하도록 측정된 전류를 변환하는 단계와, q-축 전류를 복조하고, 복조된 q-축 전류의 피드 포워드를 사용하여 PI-관찰자를 포함한 추정기 블록을 이용하는 단계를 포함하는 로터 위치 결정 방법.
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