KR20210005107A - 에어-코어 스테이터 코일을 갖는 회전 밸런싱된 전기 모터 - Google Patents

에어-코어 스테이터 코일을 갖는 회전 밸런싱된 전기 모터 Download PDF

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KR20210005107A
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빅터 슬라케스키
알렉산더 모스토보이
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인텔리테크 피티와이 리미티드
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Abstract

케이싱; 자석-장착형 외부 기어식 환형 로터; 상기 로터의 중심에 배치된 종축을 갖는 출력 샤프트; 상기 케이싱에 연결되며 상기 로터를 둘러싸는 복수의 원주방향으로 이격된 에어-코어 스테이터 코일; 상기 로터에 평행하게 배치되고, 상기 출력 샤프트에 결합되며 상기 출력 샤프트와 동심인 외부 기어식 디스크; 및 상기 로터로부터 상기 디스크로의 운동을 전달하여 상기 복수의 에어-코어 스테이터 코일 중 어느 것과 간섭하지 않고 상기 출력 샤프트에 동력을 전달하도록 구성된 복수의 대칭적으로 위치된 공통-샤프트 기어 쌍을 구비하는, 에어-코어 스테이터 코일을 갖는 회전 밸런싱된 전기 모터.

Description

에어-코어 스테이터 코일을 갖는 회전 밸런싱된 전기 모터
본 출원은 2018년 4월 27일자로 출원된 GB 1806899.9호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함된다.
본 발명은 전기 모터 분야에 관한 것이다.
전기 모터는 전형적으로 스테이터 및 로터를 포함하며, 콤팩트한 설계를 유지하면서 비교적 높은 동력 밀도로 동력을 전달하기 위해 에어-코어 스테이터 코일로 구성될 수 있다.
특정 이점에도 불구하고, 에어-코어 스테이터 코일을 구비하는 전기 모터는 각종 결점 및 단점을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 모터는 종종 로터로부터 출력 샤프트에 의해 부하로 동력을 전달한다. 종래기술의 모터는 출력 샤프트에 동력을 전달하기 위해 기어 요소를 사용하여 에어-코어 스테이터 코일과의 간섭을 방지하여 왔다. 그러나, 이러한 모터는 단일 기어식 요소가 출력 샤프트에 기계적으로 연결되는 회전 불균형을 겪을 수 있고, 이에 의해 부하가 로터의 회전 외측에 반경방향으로 있을 것을 요구한다. 바람직하지 않은 진동을 초래할 수 있는 로터의 회전축에 수직인 주기적인 선형 및 비틀림 힘을 발생시키는 것을 피하기 위해, 전기 모터는 회전 밸런싱되어야 한다. 모터 고장은 이러한 진동의 진폭이 과도하게 되는 경우에 발생할 수 있다.
본 발명은 스테이터 코일과의 간섭 없이 출력 샤프트 및 부하에 효율적으로 동력을 전달할 수 있는 에어-코어 스테이터 코일로 구성된 회전 밸런싱된 전기 모터를 제공하고자 한다. 본 발명의 다른 관점 및 이점은 상세한 설명이 진행됨에 따라 명백해질 것이다.
배경기술에 대한 전술한 논의는 단지 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이다. 본 논의는 본 명세서에서 언급된 임의의 재료가 본 출원의 우선일에서와 같이 통상적인 일반 지식의 일부임을 확인 또는 승인하는 것은 아니다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 적어도 하나의 단점을 개선, 완화 또는 극복하거나, 또는 적어도 대중에게 실용적인 선택을 제공하는 회전 밸런싱된 전기 모터를 제공하는 것이다.
로터를 각각 둘러싸는 복수의 원주방향으로 이격된 에어-코어 스테이터 코일과 상호작용하여 회전하는 자석-장착형 환형 로터를 구비할 수 있는 회전 밸런싱된 전기 모터가 제공된다. 전자기장은 스테이터 코일이 전류로 통전될 때 유도되고, 유도된 전자기장은 로터의 각각의 영구 자석의 자기장과 상호작용하여 회전을 개시할 수 있다. 영구 자석이 각각의 스테이터 코일의 내부에 도입되는 동안 로터는 계속 회전할 수 있다.
에어-코어 스테이터 코일로 구성된 종래 기술의 전기 모터에 의해 동력을 전달하는 단점 중 일부는, 예를 들어 환형 및 외부 기어식 로터에 평행할 수 있는 출력 샤프트에 연결된 외부 기어식 디스크를 제공함으로써 본 개시내용에 의해 제거되었다. 복수의 대칭적으로 위치된 공통-샤프트 기어 쌍 각각은 로터로부터 디스크로의 운동을 전달하여, 로터의 회전 밸런스를 유지하면서 에어-코어 스테이터 코일에 간섭하지 않고 출력 샤프트에 동력을 전달하도록 작용할 수 있다.
본 발명은, 자석-장착형 외부 기어식 환형 로터; 상기 로터의 중심에 배치된 종축을 갖는 출력 샤프트; 상기 로터를 둘러싸는 복수의 원주방향으로 이격된 에어-코어 스테이터 코일(air-core stator coils); 상기 로터에 평행하게 배치되고, 상기 출력 샤프트에 결합되며 상기 출력 샤프트와 동심인 외부 기어식 디스크; 및 상기 로터로부터 상기 디스크로의 운동을 전달하여 상기 복수의 에어-코어 스테이터 코일 중 어느 것과 간섭하지 않고 상기 출력 샤프트에 동력을 전달하도록 구성된 복수의 대칭적으로 위치된 공통-샤프트 기어 쌍(common-shaft gear pairs)을 구비하는, 에어-코어 스테이터 코일을 갖는 회전 밸런싱된 전기 모터를 제공한다.
일 관점에서, 상기 복수의 기어 쌍 각각의 공통 샤프트는 상기 케이싱의 2개의 평행한 표면 내에 회전가능하게 장착될 수 있다. 상기 케이싱은 중공형일 수 있고, 상기 로터, 상기 디스크, 상기 복수의 에어-코어 스테이터 코일 및 상기 복수의 기어 쌍 모두는 상기 케이싱의 내부에 수용될 수 있다.
일 관점에서, 상기 모터는 상기 로터를 반경방향으로 지지하기 위한 환형 베어링 부재, 및 상기 출력 샤프트의 종축에 평행한 방향으로 연장되고 상기 베어링 부재에 결합되는 복수의 원주방향으로 이격된 지지 포스트를 더 구비할 수 있다. 상기 베어링 부재는 로터-일체형 베어링 부재일 수 있으며, 상기 로터-일체형 베어링 부재는, 상기 로터-일체형 베어링 부재의 외부 레이스를 구성하는 로터 부분과 내부 스테이터 레이스 부분 사이에 복수의 롤링 요소가 유지되도록 구성될 수 있고, 상기 로터 부분은 상기 복수의 공통-샤프트 기어 쌍의 제1 기어와 상호 맞물리는 외부 기어장치를 구비할 수 있다.
본 발명은, a) 케이싱; b) 자석-장착형 외부 기어식 환형 로터; c) 상기 로터의 중심에 위치된 종축을 갖는 출력 샤프트; d) 상기 케이싱에 연결되고 상기 로터를 둘러싸는 복수의 원주방향으로 이격된 에어-코어 스테이터 코일; e) 상기 로터에 평행하고 상기 출력 샤프트에 연결되며 상기 출력 샤프트와 동심인 외부 기어식 디스크; 및 f) 상기 로터로부터 상기 디스크로의 운동을 전달하여 상기 복수의 에어-코어 스테이터 코일 중 어느 것과 간섭하지 않고 상기 출력 샤프트에 동력을 전달하도록 구성된 복수의 대칭적으로 위치된 공통-샤프트 기어 쌍을 포함하는, 에어-코어 스테이터 코일을 갖는 회전 밸런싱된 전기 모터를 더 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 예로서만 기술한다.
도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 모터의 사시도로서, 명확성을 위해 특정 특징들 없이 도시된다.
도 2는 소정의 부가적인 장착 특징부를 도시하는, 도 1의 모터의 사시도이다.
도 3은 스테이터 코일 및 영구 자석과 함께 도시된, 도 1의 모터의 사시도이다.
도 4는 스테이터 코일의 에어-코어 내에 도입될 때 로터-일체형 베어링 부재 및 영구 자석을 도시하는, 도 3의 A-A 평면을 따라 절단된 단면도이다.
도 5는 예를 들어 도 1-4의 모터를 둘러싸는 하우징 및 케이싱의 사시도이다.
도 6은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 모터의 종단면도이다.
본 요지의 특정 예시적인 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기술되지만, 본 요지는 상이한 형태로 실시될 수 있고, 본원에 개시된 실시예에 제한되는 것으로 고려되지 않아야 하고; 오히려 이들 실시예는 본 개시내용이 철저하고 완전하도록 제공되고, 당업자에게 본 요지의 범위를 충분히 전달할 것이다. 도면에서, 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 요소가 다른 요소에 "연결된" 또는 "결합된" 것으로 지칭될 때, 요소는 다른 요소에 직접 연결되거나 결합될 수도 있거나 다른 요소 또는 개재 요소가 존재할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은 하나 이상의 연관된 열거된 항목들의 임의의 및 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에 개시된 모든 특징은, 그러한 특징 및/또는 단계 중 적어도 일부가 상호 배타적인 조합을 제외하고, 임의의 조합으로 조합될 수 있다는 것이 먼저에 이해되어야 한다.
이제 도 1을 참조하면, 본 개시내용의 다양한 관점에 따른 모터(100)의 예시적인 실시예가 명료함을 위해 제거된 특정 관점으로 제공된다. 일부 실시예에 따르면, 모터(100)는 출력 샤프트(115)를 중심으로 회전하도록 구성된 환형 로터(110)를 구비할 수 있고, 출력 샤프트(115)와 동심일 수 있다. 환형 로터(110)의 외측 주변부는 외부 기어장치(112)를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 환형 로터(110)는 또한 로터(110)의 저마찰 회전을 용이하게 하기 위해 롤링 요소(119)의 내부 레이스를 갖는 환형 베어링 부재(118)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 윤활된 저마찰 표면, 자기 공중부양 등을 포함하는 임의의 다른 적절한 저마찰 구성이 채용될 수도 있다.
모터(100)는, 일부 실시예에서, 환형 로터(110)에 실질적으로 종방향으로 평행하게 배치된 동력 전달 디스크(120)를 구비할 수 있다. 동력 전달 디스크(120)는 로터(110) 상의 외부 기어장치(112)와 유사한 방식으로 그 외측 주변부 둘레에 외부 기어장치를 구비할 수 있다. 동력 전달 디스크(120)는 또한 출력 샤프트(115)에 결합되어 동력 전달 디스크(120)의 회전이 출력 샤프트(115)의 회전을 야기할 수 있다.
일부 실시예에서, 로터(110)로부터 동력 전달 디스크(120)로의 동력 전달을 용이하게 하기 위해, 2개 이상의 기어 쌍(130), 예를 들어 도 1에 도시된 기어 쌍(l30a, l30b)이 이용될 수 있다. 기어 쌍(l30)은 로터(110)의 외부 기어장치(112)와 인터페이스하도록 구성된 제1 기어(132)(예를 들어, l32a & l32b), 및 동력 전달 디스크(120)의 외부 기어장치(122)와 인터페이스하도록 구성된 제2 기어(134)(예를 들어, l34a & 134b)를 구비할 수 있다. 제1 기어(132) 및 제2 기어(134)는 제1 기어(132)의 회전이 제2 기어(134)의 유사한 회전을 야기하도록 샤프트(135)(예를 들어, l35a & l35b)에 고정적으로 장착될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 기어(132, 134)는, 예를 들어 출력 샤프트(115) 및 로터(110)의 회전축에 실질적으로 평행하게 배치된 반경방향 치형부의 형태로 외부 기어장치(138)를 갖는 스퍼 피니언(spur pinions)일 수 있다. 외부 기어장치(112, 122)는 기어 쌍(130) 상의 기어장치(138)와 효율적으로 상호 맞물리도록 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 로터(110)로부터의 회전 에너지는 제1 기어(132)에 전달될 수 있고, 이에 의해 제2 기어(134)를 회전시키는 회전 샤프트(135)로 전달되어, 동력 전달 디스크(120)의 회전을 야기하고 궁극적으로는 출력 샤프트(115)의 회전을 야기한다.
기어 쌍(130)은 모터(100)가 진동 발생을 최소화하도록 회전식으로 밸런싱할 수 있도록 서로 직경방향으로 대향할 수 있다. 2개의 이러한 기어 쌍(130)이 도시되어 있지만, 모터(100)가 실질적으로 회전적으로 균형을 유지하도록 보장하기 위해 모두 대칭적으로 위치되는 한, 다른 개수의 기어 쌍이 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 일부 실시예에서, 로터(110) 및 동력 전달 디스크(120)는 실질적으로 동일한 직경일 수 있고, 제1 기어(132) 및 제2 기어(134)는 실질적으로 동일한 직경일 수 있다. 그러나, 로터(110) 및 동력 전달 디스크(120)는 상이한 직경일 수 있으며, 이에 의해 제2 기어(134)에 대해 제1 기어(132)의 상이한 직경을 필요로 한다. 이러한 실시예에서, 로터(110)와 제1 기어(132) 사이의 기어비가 제2 기어(134)와 동력 전달 디스크(120) 사이의 기어비와 동일하여, 출력 샤프트(115)가 로터(110)와 동일한 주파수에서 회전하도록 하는 것이 유리할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 출력 샤프트(115)가 로터(110)보다 더 크거나 작은 주파수에서 회전하도록 기어비를 조정하는 것이 유리할 수 있다.
도 2를 참조하면, 모터(100)는 또한 중앙 플레이트(140) 및 엔드 플레이트(145)를 구비할 수 있다. 중앙 플레이트(140)는, 일부 실시예에서, 환형 로터(110)와 동력 전달 디스크(120)에 평행하게 그리고 그들 사이에 배치될 수 있지만, 중앙 플레이트(140)에 대한 다른 위치들이 가능하다. 일부 실시예에서, 환형 로터(110)는 일부 실시예에서 하나 이상의 지지 포스트(146)를 통해 중앙 플레이트(140)에 장착될 수 있다. 예를 들어, 지지 포스트(146)는 중앙 플레이트(140) 및 환형 베어링 부재(1181)에 결합될 수 있다. 따라서, 로터(110)는 고정된 중앙 플레이트(140)에 대해 예를 들어 내부 베어링 레이스(119)에 의해 회전할 수 있다. 중앙 플레이트(140)는 또한 기어 샤프트(135)가 그 내부에서 자유롭게 회전할 수 있는 2개 이상의 개구(147)를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 중앙 플레이트(140)는 모터(100) 내의 기어 쌍(130)의 개수에 대응하는 복수의 개구(147)를 구비하지만, 다른 실시예에서, 중앙 플레이트(140)는 예를 들어 중량을 절약하고, 추가적인 기어 쌍(130)을 수용하며, 다른 이점을 가지도록 기어 쌍(130)보다 더 많은 개구(147)를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 엔드 플레이트(145)는 개구(147)에 대응할 수 있는 개구(149)를 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 모터(100)는 일부 실시예에 따라 제공된 모터의 추가적인 요소를 구비한다. 일부 실시예에서, 모터(100)는 일부 실시예에서 중앙 플레이트(140)에 결합될 수 있는 하나 이상의 원주방향으로 이격된 에어-코어 스테이터 코일(150)을 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 스테이터 코일(150)은 물체들이 통과할 수 있는 코어(152)를 구비할 수 있다. 모터(100)는 또한 로터(110)에 결합될 수 있는 하나 이상의 이격된 영구 자석(160)을 구비할 수 있다. 에어-코어 스테이터 코일(150)은 그 위에 장착된 자석(160)을 갖는 로터(110)가 예를 들어 코어(152)를 통해 스테이터(150) 각각을 통해 자유롭게 회전할 수 있도록 장착될 수 있다. 일부 실시예에서, 지지 포스트(146)(도 2)는, 예를 들어 인접한 에어-코어 스테이터 코일(150)들 사이에 피팅되도록 크기설정 및 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 지지 포스트(146)는, 예를 들어 인접한 반경방향으로 장착된 스테이터(150)들 사이에 효율적으로 피팅되도록 실질적으로 삼각형일 수 있다.
도 3에서, 6개의 에어-코어 스테이터 코일(150)이 도시되어 있지만, 임의의 다른 적절한 개수의 스테이터 코일이 사용될 수도 있다. 일부 실시예에서, 대응하는 스테이터 코일(150)의 코어(152) 내로의 모든 자석(160)의 동시 도입을 용이하게 하기 위해 에어-코어 스테이터 코일(150)과 동일한 개수의 영구 자석(160)이 존재할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 영구 자석(160)의 개수는 에어-코어 스테이터 코일(150)의 개수보다 많거나 적을 수 있다.
모터(100)의 에어-코어 스테이터 코일(150)은 다양한 배열로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이, 스테이터 코일(150)은 직사각형 에어-코어(152)를 갖는 직사각형 구성을 가질 수 있다. 스테이터 코일(150)은 전형적으로 와이어의 적어도 하나 이상의 턴이 코어(152) 둘레에 감길 수 있도록 구성된다. 바람직한 실시예에서, 에어-코어 스테이터 코일(150)은 코어(152)의 단면적이 최소화되도록 크기가 정해질 수 있는 한편, (환형 베어링 부재(118)를 구비하는) 로터(110) 및 자석(160)이 통과할 수 있을 정도로 충분히 커지지만, 에너지 전달을 최적화하기 위해 최소의 간극을 갖는다. 또한, 스테이터 코일(150)은 그 내에 와이어의 하나 이상의 턴을 수용하기 위해 코어(152) 둘레에 홈 또는 중공 내부를 구비할 수 있다.
스테이터 코일(150)의 직선 구성을 갖는 도 3에 도시된 예시적인 실시예는 로터(110)의 외부 기어장치(112)와 상호 맞물리도록 2개의 인접한 에어-코어 스테이터 코일(150)들 사이에 공통-샤프트 기어 쌍(130)의 배치를 유리하게 용이하게 할 수 있다. 추가적으로, (도 2에 도시된) 지지 포스트(146)의 선택된 삼각형 구성은, 2개의 인접한 에어-코어 스테이터 코일(150)의 반경방향 최내측 부분들 사이에서 발생할 수 있는 비교적 작은 간극을 수용하도록 구현될 수 있다.
특정 실시예에서, 모터(100)는 또한 스위치(미도시)의 시스템을 구비할 수 있다. 일 실시예에서, 스위치는 DC 전원에 전기적으로 연결될 수 있고, 각각의 순간에, 대응하는 권선 전도성 와이어를 통해 각각의 스테이터 코일(150)에 인가되는 전압의 극성 및 레벨을 결정할 수 있다. 스위치는 각각의 스테이터 코일(150)에 인가된 DC 극성(예를 들어, DC 접속을 인버팅함으로써)뿐만 아니라, 평균 DC 레벨(예를 들어, 펄스 폭 변조(PWM)을 사용하여 DC 공급 전압을 인가함으로써)을 각각 결정할 수 있는 연관된 소프트웨어를 갖는 구성요소, 바람직하게 마이크로컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 각각의 순간에 로터(110)의 각도 위치는 센서 시스템(예를 들어, 광학 센서 또는 홀-효과 센서)에 의해 검출될 수 있다. 센서 출력은 제어기에 공급될 수 있으며, 제어기는 로터의 상태(즉, 각도 위치, 속도 및 가속도)에 따라 스위치를 작동시킬 수 있다.
스테이터 코일(150)에 통전될 때, 일부 실시예에서, 로터(110)에 결합된 근처의 영구 자석(160)은 주어진 영구 자석(160)과 연관된 자기장과 그를 통해 흐르는 전류를 갖는 스테이터 코일(150)과 연관된 유도된 전자기장의 상호작용에 후속하여, 실질적으로 원형 경로를 따르게 될 수 있다. 자석(160)은 주어진 코일(150)과 연관된 스위치의 전류방향 및 극성에 따라, 통전되는 스테이터 코일(150)의 에어-코어(152)를 향해 당겨질 수 있거나, 또는 동일한 것으로부터 푸시될 수 있으며, 이는 와이어 권선에서의 전류의 흐름방향 및 자석(160)(N-S 또는 S-N)의 배향을 결정한다. 다음에는, 스위치의 상태는, 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서(미도시)에 의해 검출된 로터(110)의 각도 위치에 기초하여, 제어기에 의해 각각의 시간에 결정될 수 있다. 어느 한 회전방향으로의 로터(110)의 연속적인 매끄러운 회전은 스위치의 전체 시스템의 적절한 동시 동작 시퀀스로 얻어질 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 스테이터 코일(150)의 도 3의 A-A로서 식별된 예시적인 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 스테이터(150)의 코어(152)는 (내부 레이스(119)를 갖는) 환형 베어링 부재(118), 로터(110), 및 영구 자석(160)이 모든 측면에서 최소화된 간극으로 통과할 수 있도록 크기가 정해질 수 있다. 예를 들어, 스테이터 코일(150)은 환형 베어링 부재(118)와 코어(152)의 내벽(154) 사이의 간극(R)이 최소화되도록 크기가 정해질 수 있다. 일부 실시예에서, 반경방향 간극(R)은 바람직하게 0.5 mm 이하이지만, 더 큰 간극이 가능하다. 일부 실시예에서, 반경방향 간극(R)은 약 0.35-0.48 mm의 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 환형 베어링 부재(118)의 반경방향 폭(치수(J)로서 도 4에 나타냄)은, 바람직하게 조합된 환형 베어링 부재(118)와 로터(110)의 약 25% 내지 약 35% 이하의 범위를 구성하고, 일 실시예에서, 약 30%이다. 일부 실시예에서, 코어(152)의 내벽(154)과 영구 자석(160)의 반경방향 내부면(162) 사이의 반경방향 간극(M)은 영구 자석(160)과 연관된 자기장과 스테이터 코일(150)과 연관된 유도된 전자기장의 상호작용을 증가시킴으로써 생성된 토크를 최대화하기 위해 바람직하게 2 mm 이하이지만, (더 큰 간극이 가능하다).
유사한 방식으로, 환형 베어링 부재(118)를 지지하는 지지 포스트(146)(도 2)는 환형 베어링 부재(118)와 로터(110)가 가능한 한 코어(152)의 최하측 표면(156)에 가깝게 설정되도록 구성될 수 있지만, (의도된 동작에 따라, 충분한 간극을 허용함으로써), 도 4의 치수(N)를 최소화한다. 일부 실시예에서, 종방향 치수(N)는 0.5 mm 이하이다. 예를 들어, 종방향 치수(N)는 약 0.35 mm 내지 약 0.48 mm의 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 종방향 간극(P)은 예를 들어 0.5 mm 이하일 수 있다. 예를 들어, 종방향 간극(P)은 약 0.35 mm 내지 약 0.48 mm의 범위일 수 있다. 그러나, N 및 P에 대한 더 큰(그리고 더 작은) 간극이 가능하다.
또한, 다른 구성이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 자석(160)은 간극(M)이 도 4에 도시된 것 이상으로 최소화되도록 베어링 부재(118) 위로 연장하지만, 이에 부착되지 않는 형상을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 로터(110) 및 환형 베어링 부재(118)는 로터(110)의 회전 및 로터(110)로부터 기어 쌍(130)으로의 회전 에너지의 전달을 여전히 적절하게 지지하면서 종방향 치수(L)가 최소화되도록 크기가 정해질 수 있다. 일부 실시예에서, 자석(160)은 로터(110) 내로 통합될 수 있어서, 자석(160)은 로터(110)의 최하부(111)로 연장될 수 있다.
도 5를 참조하면, 모터(100)가 수용될 수 있는 예시적인 하우징(500)이 제공된다. 하우징(500)은, 일부 실시예에서, 베이스 플레이트(510) 및 장착 플레이트(512, 514)를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 출력 샤프트(115)는 하우징(500)의 일단부 또는 양단부에서 하우징(500)으로부터 실질적으로 종방향으로 돌출할 수 있다. 일부 실시예에서, 하우징(500)은 출력 샤프트(115)의 회전을 용이하게 하기 위해 하우징(500)의 일단부 또는 양단부 상에 하나 이상의 베어링(520)을 구비할 수 있다.
하우징(500)은 또한 모터(100)를 둘러싸는 외부 케이싱(550)을 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 케이싱(550)은 모터(100)를 중심으로 원주방향으로 연장되고, 모터(100)의 어느 단부 상의 엔드 플레이트(예를 들어, 엔드 플레이트(145)) 에 결합될 수 있다. 중앙 플레이트(140)(도 2)는 또한 케이싱(550)에 적절한 방식으로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 모터(100)를 갖는 케이싱(500)은 케이싱(500)이 출력 샤프트(115)의 축을 중심으로 회전할 수 있도록 장착 플레이트(512, 514)들 사이에 장착되도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 하나 이상의 베어링(520) 및/또는 액슬(560)이 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 회전하는 케이싱(550)이 출력 샤프트(115)를 중심으로 회전가능한 경우, 모터로부터 전달되는 동력의 크기가 증가할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 출력 샤프트는 고정될 수 있고, 케이싱(550)은 모터(100)의 회전에 응답하여 자유롭게 회전할 수 있다. 다른 예에서, 로터(110)에 결합된 출력 샤프트(115)는 스테이터 코일들(150) 및 케이싱(550)과 함께 자유롭게 회전할 수 있어서, 자석(160)과 스테이터 코일(150) 사이의 상대적인 회전 속도를 감소시키면서 토크를 발생시킬 수 있다. 이러한 감소된 상대 속도는 유효 토크를 감소시킬 수 있는 모터(100)에서 유도된 역-기전력(back-EMF)을 유리하게 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 다수의 모터(100)는, 예를 들어 차량 내에 사용되어, 자석(160)과 코일(150) 사이의 감소된 상대 회전 속도에서 고속 토크를 생성할 수 있고, 이에 의해 다른 모터들에 비해 고속으로 토크를 증가시킬 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 하우징(500) 내부에 장착된 모터(100)의 예시적인 실시예의 단면도가 제공된다. 일부 실시예에서, 코일(150)은 중앙 플레이트(140) 및 엔드 플레이트(146)에 대향하는 상단 플레이트(146)에 장착될 수 있다. 일부 실시예에서, 출력 샤프트(115)에 대한 하우징(500)의 회전(예를 들어, 액슬(560) 및/또는 베어링(520))이 또한 도시된다.
본 발명의 일부 실시예가 예시로서 설명되었지만, 본 발명은 많은 수정, 변형 및 개조로, 그리고 청구범위를 벗어나지 않고서 당업자의 범위 내에 있는 다수의 등가물 또는 대안적인 해결책을 사용하여 수행될 수 있다는 것이 명백할 것이다.
당업자에게 명백한 바와 같은 수정 및 변형은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다. 본 발명은 본 명세서에 기술된 특정 실시예 중 임의의 실시예에 의해 범위가 제한되지 않는다. 이들 실시예는 단지 예시적인 목적을 위한 것이다. 기능적으로 동등한 제품, 제형 및 방법은 본 명세서에 기술된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 예시적인 실시예를 설명하기 위한 것이며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태는, 문맥상 명백히 달리 지시하지 않는 한, 복수의 형태를 또한 포함하는 것으로 의도될 수 있다. "포함한다", "포함하는", "구비하는" 및 "갖는"이라는 용어는 포괄적이며, 따라서 언급된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
하기의 문구는 본 발명의 또 다른 바람직한 관점을 기술한다.
i) 회전 밸런싱된 전기 모터(rotationally balanced electric motor)에 있어서,
a) 자석-장착형 외부 기어식 환형 로터;
b) 상기 로터의 중심에 배치된 종축을 갖는 출력 샤프트;
c) 상기 로터를 둘러싸는 복수의 원주방향으로 이격된 에어-코어 스테이터 코일(air-core stator coils);
d) 상기 로터에 평행하게 배치되고, 상기 출력 샤프트에 결합되며 상기 출력 샤프트와 동심인 외부 기어식 디스크; 및
e) 상기 로터로부터 상기 디스크로의 운동을 전달하여 상기 복수의 에어-코어 스테이터 코일 중 어느 것과 간섭하지 않고 상기 출력 샤프트에 동력을 전달하도록 구성된 복수의 대칭적으로 위치된 공통-샤프트 기어 쌍(common-shaft gear pairs)을 포함하는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
ii) 문구 i)에 있어서, 케이싱을 더 포함하는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
iii) 문구 ii)에 있어서, 상기 복수의 기어 쌍 각각의 공통 샤프트는 상기 케이싱의 2개의 평행한 표면 내에 회전가능하게 장착되는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
iv) 문구 ii)에 있어서, 상기 케이싱은 중공형이고, 상기 로터, 상기 디스크, 상기 복수의 에어-코어 스테이터 코일 및 상기 복수의 기어 쌍은 상기 케이싱의 내부에 수용되는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
v) 전술한 문구 중 어느 하나에 있어서, 상기 로터를 반경방향으로 지지하기 위한 환형 베어링 부재, 및 상기 출력 샤프트의 종축에 평행한 방향으로 연장되고 상기 베어링 부재에 결합되는 복수의 원주방향으로 이격된 지지 포스트를 더 포함하는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
vi) 문구 v)에 있어서, 상기 베어링 부재는 로터-일체형 베어링 부재이며, 상기 로터-일체형 베어링 부재는, 상기 로터-일체형 베어링 부재의 외부 레이스를 구성하는 로터 부분과 내부 스테이터 레이스 부분 사이에 유지되는 복수의 롤링 요소를 포함하고, 상기 로터 부분은 상기 복수의 공통-샤프트 기어 쌍의 제1 기어와 상호 맞물리는 외부 기어장치를 구비하는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
vii) 문구 vi)에 있어서, 상기 복수의 공통-샤프트 기어 쌍의 제2 기어는 상기 출력 샤프트에 동력을 전달하기 위해 상기 디스크의 외부 기어장치와 상호 맞물리는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
viii) 문구 vii)에 있어서, 상기 로터의 기어장치와 상기 제1 기어의 기어장치 사이의 기어비는 상기 출력 샤프트가 상기 로터 부분과 실질적으로 동일한 속도로 회전할 수 있도록 상기 디스크의 기어장치와 상기 제2 기어의 기어장치 사이의 기어비와 동일한, 회전 밸런싱된 전기 모터.
ix) 문구 vi 내지 viii 중 어느 하나에 있어서, 상기 로터-일체형 베어링 부재의 전체 반경방향 길이는, 그 주어진 섹터(given sector)에 대해, 정해진 스테이터 코일(given stator coil)의 에어 코어 내에 수용되는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
x) 문구 vi 내지 ix 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 에어-코어 스테이터 코일 각각은 직사각형 에어-코어를 둘러싸고 상기 로터 부분에 대해 반경방향으로 배향되는 직사각형 코일 바디를 갖는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
xi) 전술한 문구 중 어느 하나에 있어서, 상기 공통-샤프트 기어 쌍 각각은 2개의 인접한 에어-코어 스테이터 코일의 반경방향 최외측 부분 사이의 간극 내에 위치되고, 상기 스테이터 코일과 간섭하지 않고 위치되는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
xii) 문구 v 내지 xi 중 어느 하나에 있어서,상기 지지 포스트 각각은 삼각형 구성을 가지며, 2개의 인접한 에어-코어 스테이터 코일의 반경방향 최내측 부분 사이의 간극 내에 위치되고, 상기 스테이터 코일과 간섭하지 않고 위치되는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
xiii) 문구 v 내지 xii 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 지지 포스트는 상기 케이싱의 2개의 평행한 표면 중 하나에 연결되는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
xiv) 문구 ii 내지 xiii 중 어느 하나에 있어서, 상기 케이싱은 고정식인, 회전 밸런싱된 전기 모터.
xv) 에어-코어 스테이터 코일을 갖는 회전 밸런싱된 전기 모터에 있어서,
a) 케이싱;
b) 자석-장착형 외부 기어식 환형 로터;
c) 상기 로터의 중심에 위치된 종축을 갖는 출력 샤프트;
d) 상기 케이싱에 연결되고 상기 로터를 둘러싸는 복수의 원주방향으로 이격된 에어-코어 스테이터 코일;
e) 상기 로터에 평행하고 상기 출력 샤프트에 연결되며 상기 출력 샤프트와 동심인 외부 기어식 디스크; 및
f) 상기 로터로부터 상기 디스크로의 운동을 전달하여 상기 복수의 에어-코어 스테이터 코일 중 어느 것과 간섭하지 않고 상기 출력 샤프트에 동력을 전달하도록 구성된 복수의 대칭적으로 위치된 공통-샤프트 기어 쌍을 포함하는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
xvi) 전술한 문구 중 어느 하나에 있어서, 상기 에어-코어 스테이터 코일에서 전류 및 전류 극성을 제어하는 복수의 스위치, 및 상기 스위치를 제어하는 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 스위치를 선택적으로 작동시켜 상기 로터의 원활한 회전을 발생시키는, 회전 밸런싱된 전기 모터.
xvii) 문구 xv)에 있어서, 상기 에어-코어 스테이터 코일에 대한 상기 자석의 위치를 결정하기 위한 하나 이상의 센서를 더 포함하며, 상기 센서의 데이터는 상기 제어기에 입력되는, 회전 밸런싱된 전기 모터.

Claims (17)

  1. 회전 밸런싱된 전기 모터(rotationally balanced electric motor)에 있어서,
    a) 자석-장착형 외부 기어식 환형 로터;
    b) 상기 로터의 중심에 배치된 종축을 갖는 출력 샤프트;
    c) 상기 로터를 둘러싸는 복수의 원주방향으로 이격된 에어-코어 스테이터 코일(air-core stator coils);
    d) 상기 로터에 평행하게 배치되고, 상기 출력 샤프트에 결합되며 상기 출력 샤프트와 동심인 외부 기어식 디스크; 및
    e) 상기 로터로부터 상기 디스크로의 운동을 전달하여 상기 복수의 에어-코어 스테이터 코일 중 어느 것과 간섭하지 않고 상기 출력 샤프트에 동력을 전달하도록 구성된 복수의 대칭적으로 위치된 공통-샤프트 기어 쌍(common-shaft gear pairs)
    을 포함하는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    케이싱을 더 포함하는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 기어 쌍 각각의 공통 샤프트는 상기 케이싱의 2개의 평행한 표면 내에 회전가능하게 장착되는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 케이싱은 중공형이고, 상기 로터, 상기 디스크, 상기 복수의 에어-코어 스테이터 코일 및 상기 복수의 기어 쌍은 상기 케이싱의 내부에 수용되는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터를 반경방향으로 지지하기 위한 환형 베어링 부재, 및 상기 출력 샤프트의 종축에 평행한 방향으로 연장되고 상기 베어링 부재에 결합되는 복수의 원주방향으로 이격된 지지 포스트를 더 포함하는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 베어링 부재는 로터-일체형 베어링 부재이며, 상기 로터-일체형 베어링 부재는, 상기 로터-일체형 베어링 부재의 외부 레이스를 구성하는 로터 부분과 내부 스테이터 레이스 부분 사이에 유지되는 복수의 롤링 요소를 포함하고,
    상기 로터 부분은 상기 복수의 공통-샤프트 기어 쌍의 제1 기어와 상호 맞물리는 외부 기어장치를 구비하는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 공통-샤프트 기어 쌍의 제2 기어는 상기 출력 샤프트에 동력을 전달하기 위해 상기 디스크의 외부 기어장치와 상호 맞물리는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 로터의 기어장치와 상기 제1 기어의 기어장치 사이의 기어비는 상기 출력 샤프트가 상기 로터 부분과 실질적으로 동일한 속도로 회전할 수 있도록 상기 디스크의 기어장치와 상기 제2 기어의 기어장치 사이의 기어비와 동일한,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터-일체형 베어링 부재의 전체 반경방향 길이는, 그 주어진 섹터에 대해, 정해진 스테이터 코일의 에어 코어 내에 수용되는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 에어-코어 스테이터 코일 각각은 직사각형 에어-코어를 둘러싸고 상기 로터 부분에 대해 반경방향으로 배향되는 직사각형 코일 바디를 갖는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공통-샤프트 기어 쌍 각각은 2개의 인접한 에어-코어 스테이터 코일의 반경방향 최외측 부분 사이의 간극 내에 위치되고, 상기 스테이터 코일과 간섭하지 않고 위치되는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  12. 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 포스트 각각은 삼각형 구성을 가지며, 2개의 인접한 에어-코어 스테이터 코일의 반경방향 최내측 부분 사이의 간극 내에 위치되고, 상기 스테이터 코일과 간섭하지 않고 위치되는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  13. 제5항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 지지 포스트는 상기 케이싱의 2개의 평행한 표면 중 하나에 연결되는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  14. 제2항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이싱은 고정식인,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  15. 에어-코어 스테이터 코일을 갖는 회전 밸런싱된 전기 모터에 있어서,
    a) 케이싱;
    b) 자석-장착형 외부 기어식 환형 로터;
    c) 상기 로터의 중심에 위치된 종축을 갖는 출력 샤프트;
    d) 상기 케이싱에 연결되고 상기 로터를 둘러싸는 복수의 원주방향으로 이격된 에어-코어 스테이터 코일;
    e) 상기 로터에 평행하고 상기 출력 샤프트에 연결되며 상기 출력 샤프트와 동심인 외부 기어식 디스크; 및
    f) 상기 로터로부터 상기 디스크로의 운동을 전달하여 상기 복수의 에어-코어 스테이터 코일 중 어느 것과 간섭하지 않고 상기 출력 샤프트에 동력을 전달하도록 구성된 복수의 대칭적으로 위치된 공통-샤프트 기어 쌍
    을 포함하는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에어-코어 스테이터 코일에서 전류 및 전류 극성을 제어하는 복수의 스위치, 및 상기 스위치를 제어하는 제어기를 더 포함하며,
    상기 제어기는 상기 스위치를 선택적으로 작동시켜 상기 로터의 원활한 회전을 발생시키는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 에어-코어 스테이터 코일에 대한 상기 자석의 위치를 결정하기 위한 하나 이상의 센서를 더 포함하며,
    상기 센서의 데이터는 상기 제어기에 입력되는,
    회전 밸런싱된 전기 모터.
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