KR20220016121A - 모터 효율 향상을 위한 코일 권선 패턴 - Google Patents

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Abstract

본원은 환자의 신체 내에 삽입하기 위한 혈관내 혈액 펌프(intravascular blood pump)를 제공하는 것이다. 시스템은 p개의 자극 쌍과 n개의 위상을 가진 무슬롯(slotless) 모터로 구성되며, 여기서 p는 0보다 큰 정수이고, n은 > 3 인 정수이다. 모터는 각각의 위상의 코일이 서로 다른 위상의 코일 옆에 원주방향으로 순차적인 위상 순서로 배열되도록, 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하게 감겨진 2np 코일을 가진 고정자 권선을 포함하며, 이 배열은 각각의 코일이 고정자 권선의 단면에 대해 360°(2np)에 걸쳐 있도록, 고정자 권선을 따라 반복되어 있다. 모터는 또한 회전을 하게 지지되고, 고정자 권선과 상호작용 하기 위한 자속을 생성하도록 구성된 영구자석 회전자를 포함한다. 자극 쌍 당 위상 당(per phase per magnet pole pair) 2개의 코일이 직렬로 연결된다.

Description

모터 효율 향상을 위한 코일 권선 패턴
본 출원은 2019년 5월 29일 출원된 미국 가출원 번호 62/853,999호를 우선권으로 주장하며, 그 기술내용은 본원에 참조로서 포함되었다.
미국 매사추세츠 댄버스에 소재한 Abiomed, Inc.의 등록상표 Impella® 의 펌프와 같은 혈관내 혈액 펌프(intravascular blood pumps)는 빠르게 심실 보조 장치에 대한 현재의 표준이 되고 있다. Impella® 펌프 제품군은 현재 Impella 2.5® 펌프, Impella 5.0® 펌프, Impella CP® 펌프 및 Impella LD® 펌프로 구성된다. 이러한 펌프는 1개 접근 지점(예: 요골 접근, 대퇴 접근, 겨드랑이 접근)을 통해 경피적으로 환자에게 삽입되어, 작은 직경(6-7Fr)의 카테터를 통해 환자의 신체 내의 원하는 위치에 펌프 헤드가 배치될 수 있다. 이러한 원하는 위치에는 환자 심장의 좌심실 또는 우심실이 포함되지만, 이에 국한되지는 않는다. 펌프 헤드는 회전자를 통해서 그리고 그에 따른 환자의 심장을 통해서 혈액의 체적 흐름을 초래하는 회전을 하기 위한 회전자와 자기적으로 상호작용하도록 구성된 고정자 권선을 구비하는 전기 모터를 포함한다. 양호한 유속을 생성하는 효율적인 모터가 추구된다.
현재 Impella® 펌프는 약 2.5 내지 약 5.0 lpm(liters per minute)의 유속으로 혈액을 전달할 수 있다. 그러나 점점 더 많은 수술 과정에서 Impella®를 사용함에 따라, 이러한 레벨 이상으로 생성되는 혈류량을 증가시킬 필요성에 대한 요구가 높아지고 있다. 이것은 전기 모터에서 더 높은 회전자 속도가 필요함을 의미한다. 그러나 갖고 있는 작은 기하학적 구조로 인해서, 회전자 속도를 높이는 것에는 이러한 소형 펌프의 동작에 영향을 미칠 수 있는 몇 개의 의미있는 것이 있다. 예를 들어, 회전자 속도를 높이면 전기 모터 내에서 열 발생(줄(joule) 가열)의 증가를 이룰 수 있다. 장치가 환자의 신체에 경피적으로 삽입되기 때문에, 이러한 열 발생 증가는 주변 조직에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 다른 고려 사항에는, 더 높은 유속을 달성하기 위해 전기 모터를 개조하여 저항 손실로 인한 모터 효율이 감소할 수 있는 장치에 가해지는 저항 부하(resistive load)가 있다.
전술한 바와 같은 최신 기술의 단점을 감안할 때, 모터의 효율을 유지하거나 증가시키면서 전기 모터에 의해 생성된 유량을 증가시키는 것이 매우 필요하다.
본 명세서에는 위에서 확인된 바와 같은 최신 기술의 다양한 문제 및 결점을 해결하기 위한 장치가 개시되어 있다. 구체적으로 말하면, 본원에는 환자의 신체에 삽입하기 위한 혈관내 혈액 펌프(intravascular blood pumps)가 개시되어 있다. 일반적으로 장치는 환자의 심장 또는 대동맥과 같은(이에 국한되지 않음) 환자의 혈관계에 배치될 것이다. 일부 양태에서는 장치의 일부(예: 장치의 펌프 부분의 모터 및 회전자)가 환자의 심장 외부(즉, 대동맥)에 위치하고, 장치의 다른 부분(예: 캐뉼러)은 환자의 심장(예: 좌심실)으로 연장된다. 본 발명의 특정 양태가 심장에 위치된 펌프로 설명되지만, 관련 기술분야의 기술자는 펌프가 환자의 혈관계의 다른 위치에 위치될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 환자의 심장에 위치하는 펌프에 대한 모든 설명은 이에 제한하는 것이 아니며, 환자의 혈관계에 장치를 한 가지 가능한 배치하는 방법으로 제공된 것이다. 혈액 펌프는 카테터에 연결된 근위 단부 및 펌프에 연결된 원위 단부를 갖는 기다란 하우징을 포함하고, 하우징은 종축을 갖는다. 혈액 펌프는 또한 하우징 내에 구비된 무슬롯(slotless) 영구자석 모터를 포함하며, 모터는 p개의 자극 쌍(magnet pole pairs)과 n개의 위상(phases)을 가지며, 여기서 p는 0 보다 큰 정수이고, n은 ≥ 3 의 정수이다. 모터는 2np 코일을 가진 고정자 권선을 포함하며, 상기 2np 코일은 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일(two coils per phase per magnet pole pair)을 형성하도록 감겨져서 각 위상의 코일이 다른 위상의 코일 옆에 원주 방향으로 순차적인 위상 순서로 배열되고, 배열은 고정자 권선을 따라 반복되어 각 코일의 2np 코일이 고정자 권선의 단면에 대해 360/(2np) 기계적 각도에 걸쳐서 있다. 모터는 또한, 회전을 위해 지지되고 고정자 권선과의 상호작용을 위한 자속을 생성하도록 구성된 영구자석 회전자를 포함한다. 혈액 펌프는 고정자 권선의 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일이 직렬로 연결되어, 2개의 코일 중 제1 코일을 통한 전류 흐름의 방향이, 2개의 코일 중 제2 코일의 전류 흐름 방향과 반대가 되도록 구성되며, 제1 코일의 전류 흐름과 제2 코일의 전류 흐름이 동일한 방향으로 토크를 생성하기 위해 회전자의 자속의 반대 극성과 상호 작용하여, 펌프를 통한 혈액 흐름에 대한 회전자의 회전을 용이하게 한다.
다른 실시예에서는, p개의 자극 쌍 및 n개의 위상을 갖는 무슬롯 영구 자석 전기 모터가 제공되며, 여기서 p는 0 보다 큰 정수이고, n은 ≥ 3 의 정수이며, 모터는 종축을 갖는다. 모터는 각각의 위상의 코일이 서로 다른 위상의 코일 옆에 원주방향으로 순차적인 위상 순서로 배열되도록 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하도록 감긴 2np 코일을 갖는 고정자 권선을 포함하며, 배열은 2np 코일의 각각의 코일이 고정자 권선의 단면에 대해 360/(2np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록 고정자 권선을 따라 반복된다. 모터는 또한, 회전을 위해 지지되고 고정자 권선과의 상호작용을 위한 자속을 생성하도록 구성된 영구 자석 회전자를 포함한다. 모터는 고정자 권선의 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일이 직렬로 연결되어, 2개의 코일 중 제1 코일을 통해 흐르는 전류 방향이, 2개의 코일 중 제2 코일에서 흐르는 전류 방향과 반대가 되도록 구성되며, 제1 코일의 전류 흐름과 제2 코일의 전류 흐름이 회전자 자속의 반대 극성과 상호 작용하여 동일한 방향으로의 토크를 생성하여서, 회전자의 회전을 용이하게 한다.
일부 구현예에서, 각각의 코일은 N의 짝수 값에 대해 N/2 방향전환 권수(turn) 또는 N의 홀수 값에 대해 (N±1)/2 방향전환 권수를 포함하며, 여기서 N은 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 형성하도록 np개의 코일이 감긴 기존의 고정자 권선(여기서 N은 정수 ≥ 1 임)의 코일의 권선 권수(winding turns)이다. 특정 구현예에서, 위상 당 직렬로 연결된 2개의 코일의 저항은 기존 고정자 권선의 단일 코일의 저항과 동일하다. 다른 구현예에서, 위상 당 2개의 코일은 스타트 단자 또는 엔드 단자가 함께 연결되도록 직렬로 연결된다.
특정 구현예에서, 위상 당 2개의 코일은 스타 또는 델타 구성으로 다른 위상의 코일에 연결된다. 일부 구현예에서, 2np 코일은 나선형 권선, 마름모형 권선, 기존 권선 및 하이브리드 권선 중 임의의 하나를 포함한다. 다른 구현예에서, 고정자 권선은 모터에서 생성된 토크에 영향을 미치도록 회전자의 자기장과 상호작용하는 고정자 권선의 길이방향 길이에 대해 코일의 수직 성분을 정의하는 코일 사용 함수를 갖는다. 특정 구현예에서, 나선형 코일 권선의 경우, 수직 성분이 고정자 권선의 세로 길이의 2/3 일 때, 코일 사용 함수는 최대가 된다. 일부 구현예에서, 코일 사용 함수는 모든 위상에 대해 동일한 형태를 갖지만, 각 위상에 대해 360/n 전기적 각도만큼 이동 한다.
추가 구현예에서, 코일 사용 함수는 모터에서 생성된 토크에 기여하는 고정자 권선의 길이방향 길이에 대한 코일의 수직 성분을 정의한다. 일부 구현예에서, 모터는 3상 2극 머신을 포함한다. 다른 구현예에서, 모터는 6-코일 2극 머신을 포함하고, 각각의 코일은 고정자 권선의 단면에 대해 60 기계적 각도에 걸쳐 있다. 특정 구현예에서, 모터는 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 형성하도록 감겨진 np 코일을 갖는 종래의 고정자 권선을 구비하는 모터의 토크 상수보다 약 15.5% 더 큰 토크 상수를 생성한다.
다른 구현예에서, 회전자는 약 1.0 lpm 내지 약 6.0 lpm의 속도로 혈액을 펌핑한다. 일부 구현예에서 펌프는 환자 심장의 우심실에 삽입될 수 있다. 추가 구현예에서 펌프는 환자 심장의 좌심실에 삽입될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고정자 권선은 상술한 바와 같이 연결된 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 이용한다. 이것은 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 갖는 고정자 권선을 갖는 기존의 전기 모터와 비교할 때, 이러한 고정자 권선을 사용하는 전기 모터에서 토크 상수의 15.5% 증가를 제공한다. 이러한 고정자 구성은 고정자의 저항 부하를 증가시키지 않으므로, 전기 모터 내의 줄 가열을 감소시킨다. 사실상, 본 발명의 전기 모터는 모터 효율이 향상된 고정자 코일 권선 패턴을 제공한다.
전술한 목적 및 다른 목적 및 이점이 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명을 통해서 명백하게 이해될 수 있을 것이며, 여기서 유사한 참조 부호는 전체에 걸쳐 유사한 부분을 지칭한다.
도 1은 본원 개시내용의 실시예에 따른, 혈관내 혈액 펌프의 예시적인 종단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 혈액 펌프에 사용될 수 있는 관련 기술분야에서 공지된 예시적인 코일 권선 패턴을 도시한다.
도 3a는 도 1의 혈액 펌프에 이용될 수 있는 관련 기술분야에서 공지된 바와 같은 종래의 고정자 권선의 상단부의 예시적인 단면도이다.
도 3b는 도 1의 혈액 펌프에 이용될 수 있는 본원 개시내용의 실시예에 따른 고정자 권선의 상단부의 예시적인 단면도이다.
도 4a는 스타 구성으로 배열된 경우 도 3a의 고정자 권선을 포함하는 코일의 전기적 연결을 도시한 예시적인 회로 개략도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스타 구성으로 배열된 경우, 도 3b의 고정자 권선을 포함하는 코일의 전기적 연결을 도시하는 예시적인 회로 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 혈액 펌프 작동 중에 도 3b의 고정자 권선의 예시적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 혈액 펌프에 사용하기 위한 3상 및 2극 쌍을 갖는 전기 모터용 고정자 권선의 예시적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 혈액 펌프에 사용하기 위한 5상 및 1극 쌍을 갖는 전기 모터용 고정자 권선의 예시적인 단면도이다.
도 8a 내지 도 8d는 도 3a의 종래 나선형 권선에 대한 코일 권선 패턴을 도시한다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3b의 나선형 권선의 코일에 대한 코일 권선 패턴을 도시한다.
도 10a는 작동 중 일 순간에서 도 3a의 종래 고정자 권선의 1상의 코일 내 전류 흐름 방향을 도시한다.
도 10b는 도 1의 혈액 펌프에 사용 시, 도 3a의 종래 고정자 권선의 1상에 코일 사용의 백분율을 도시한다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 중 일 순간에서 도 3b의 고정자 권선의 1상의 코일 내 전류 흐름 방향을 도시한다.
도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 혈액 펌프에 사용될 때, 도 3b의 고정자 권선의 1상에서 코일 사용의 백분율을 도시한다.
도 12a 내지 도 12d는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3b의 고정자 권선을 이용하는 혈액 펌프의 모터의 토크 상수의 증가를 예시한 도면이다.
본 명세서에 설명된 장치의 전반적인 이해를 제공하기 위해 특정한 예시적인 실시예를 설명한다. 본 명세서에 설명된 실시예 및 특징은 혈관내 혈액 펌프와 관련하여 사용하기 위해 구체적으로 설명되지만, 아래에 요약된 모든 구성요소 및 기타 특징들이 임의의 적절한 방식으로 서로 조합될 수 있고, 회전자 속도가 높은 효율적인 전기 모터가 필요한 다른 유형의 장치에 채택 및 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에 기재된 장치 및 방법은 환자의 신체(즉, 심장, 대동맥 등과 같은 환자의 혈관계)에 삽입하기 위한 혈관내 혈액 펌프에 관한 것이다. 혈액 펌프는 카테터에 연결된 근위 단부 및 펌프에 연결된 원위 단부를 갖는 기다란 하우징을 포함하고, 하우징은 종축을 갖는다. 혈액 펌프는 또한 하우징 내에 포함된 무슬롯 영구 자석 모터를 포함하며, 모터는 p개의 자극 쌍과 n개의 위상을 가지며, 여기서 p는 0 보다 큰 정수이고, n은 ≥ 3 의 정수이다. 모터는 2np 코일을 갖는 고정자 권선을 포함한다. 2np 코일은 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하도록 감겨져서 각각의 위상의 코일이 다른 위상의 코일 옆에 원주 방향으로 순차적인 위상 순서로 배열되고, 배열은 고정자 권선을 따라 반복되어 2np 코일의 각각의 코일이 고정자 권선의 단면에 대해 360/(2np) 기계적 각도에 걸쳐 있다. 모터는 또한, 회전을 위해 지지되고 고정자 권선과의 상호작용을 위한 자속을 생성하도록 구성된 영구자석 회전자를 포함한다. 혈액 펌프는 고정자 권선의 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일이 직렬로 연결되어, 2개의 코일 중 제1 코일을 통한 전류 흐름 방향이 2개의 코일 중 제2 코일의 전류 흐름방향과 반대가 되도록 구성되고, 제1 코일의 전류 흐름과 제2 코일의 전류 흐름은 동일한 방향의 토크를 생성하기 위해 회전자의 자속의 반대 극성과 상호 작용하여, 펌프를 통한 혈액 흐름에 대한 회전자의 회전을 용이하게 한다.
본원 개시내용의 혈관내 혈액 펌프는 이중 나선형 고정자 권선을 통합함으로써 증가된 모터 효율이 이루어지게 한 것이다. 이러한 고정자 권선은 위에서 언급한 구성으로 연결된 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 포함한다. 이것은 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 사용하는 기존 혈액 펌프에 비해 토크 상수가 15.5% 증가 한다. 이러한 고정자 구성은 고정자의 저항 부하를 증가시키지 않으므로, 전기 모터 내의 줄(joule) 가열을 감소시킨다. 사실상, 본 발명의 전기 모터는 모터 효율이 향상된 고정자 코일 권선 패턴을 제공한다.
도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 환자의 신체에 삽입하기 위한 예시적인 혈관내 혈액 펌프(100)를 도시한다. 혈액 펌프(100)는 모터 유닛(110) 및 종축(105)을 따라 배열된 펌프 유닛(120)을 포함한다. 모터 유닛(110)은 하우징(112) 내에 포함된 고정자 권선(140) 및 회전자(150)를 구비하는 전기 모터를 포함한다. 고정자 권선(140)은 근위 단부(142)에서 원위 단부(143)까지의 모터 유닛(110)의 길이를 따라 연장되며, 특정 패턴으로 감긴 와이어(144)를 포함하며, 이에 대한 세부 사항은 아래에서 제공될 것이다. 고정자 권선(140)은 회전자(150)가 위치하는 중심 루멘(145)을 형성한다. 고정자 권선(140)은, 와이어(144)가 종래의 적층된 고정자 코어가 아니라 자체적으로 권선되도록, 슬롯이 없다. 공급 라인(146, 147)은 모터 유닛(110)의 작동을 위해 펌프(100) 외부에서 고정자 권선(140)으로 필요한 전기 연결을 제공한다. 각각의 와이어(144)는 절연 코팅부(도시 되지 않음)를 가질 수 있으며, 선택적으로 감겨진 고정자 와이어(144)는 합성 에폭사이드 수지(또한 도시되지 않음)에 의해 캡슐화 되거나 오버몰딩 될 수 있다.
도 1에서, 고정자 권선(140) 및 하우징(112)은 별개의 구성요소로 도시되어 있지만, 고정자 권선(140)은 단일 구성요소를 형성하기 위해 하우징(112) 내에 캡슐화 될 수 있는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 하우징(112)은 근위 단부(114) 및 원위 단부(116)를 포함한다. 하우징(112)의 근위 단부(114)는 가요성 튜브를 포함할 수 있는 카테터(130)의 원위 단부(134)에 결합된다. 카테터(130)는 혈액 펌프(100)의 제어 및 작동을 위해 의사를 향해 연장되는 루멘(132)을 포함한다.
회전자(150)는 고정자(140)의 루멘(145) 내에서 샤프트(153)를 중심으로 회전 가능하게 지지되는 영구 자석(152)을 포함한다. 자석(152)은 모터 유닛(110) 내에서 샤프트(153)를 둘러싸는 원통형 영구 자석을 포함할 수 있다. 샤프트(153)는 모터 유닛(110)에서 펌프 유닛(120)으로 연장되며, 혈액을 펌핑하기 위한 임펠러(160)의 회전을 용이하게 한다. 특정 구현예에서, 회전자(150)는 샤프트(153) 주위에 방사상으로 배열된 여러 영구 자석, 또는 자체 회전자 권선을 갖는 전자기 자석을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 극 쌍(pole pair)을 갖는 모터의 경우, 자석(152)은 하나의 북극(N) 및 하나의 남극(S)을 포함할 수 있다. 추가 예로서, 2개의 극 쌍을 갖는 모터의 경우, 자석(152)은 샤프트(153) 주위에 교대로 배열된 2개의 북극(N1 및 N2) 및 2개의 남극(S1 및 S2)을 포함할 수 있다.
또한, 도 1이 고정자(140) 내에서 회전 가능한 것으로서 회전자(150)를 도시하지만, 전기 모터(110)는 고정자(140)가 샤프트(153)에 대해 고정되어 유지되고, 회전자(150)가 고정자(140) 주위를 회전하는 실린더로서 구성되도록 이루어질 수 있다. 샤프트(153)는 모터 유닛(110)의 길이를 따라 연장되어, 펌프 유닛(120)의 원통형 하우징(122) 내로 연장된다. 일부 구현예에서는 샤프트(153)가 중공일 수 있고, 예를 들어 가이드 와이어가 통과하기 위한 루멘(154)을 포함할 수 있다.
샤프트(153)의 원위 단부는 펌프 하우징(112) 내부에 위치하는 임펠러(160)에 결합된다. 모터 유닛(110)의 고정자(140)와 회전자(150) 사이의 상호작용은 회전자(150)에 토크를 발생시켜 샤프트(153)를 회전시켜서, 차례로, 임펠러(160)가 원통형 펌프 하우징(122)에서 회전하도록 한다. 이런 동작이 일어나면, 혈액은 축 방향으로의 이송을 위해 축방향 흡입 개구(124)를 통해 펌프로 흡입되고, 혈액은 개구(126)에서 측방향으로 배출되어 하우징(112)을 따라 축방향으로 흐른다. 이러한 방식으로 펌프(100)는 환자의 심장 내에서 혈액의 흐름을 생성한다.
도 2a 내지 도 2d는 본원의 개시내용의 실시예에 따른 예시적인 고정자 권선 패턴(210-213)을 도시한다. 도 2a 내지 도 2d에는 도 1의 와이어(142)와 같은 고정자의 단일 와이어에 대한 코일 권선 패턴이 도시되어 있으나, 도 1의 고정자 권선(140)과 같은 완전한 고정자 권선은, 도 1의 종축(105)과 같은 모터 유닛(110)의 종축을 중심으로 유사하게 감겨진 복수의 와이어의 축방향 배열에 의해 얻어질 수 있을 것임을 이해할 수 있을 것이다.
도 2a 내지 도 2d는 하나의 기계적 각도가 하나의 전기적 각도와 동일한 2극 전기 기계에 사용되는 예시적인 코일 권선 패턴을 도시한다. 도 2a 내지 도 2d의 코일 권선 패턴은 도 1의 모터 유닛(110)의 고정자 권선(140)을 형성하는데 사용될 수 있다. 도 2a는 고정자의 각각의 와이어(214)가 고정자(220)의 길이를 따라 근위 단부(221)로부터 원위 단부(225)까지 연장되는 종래의 고정자 권선 패턴(210)을 도시한다. 원위 단부(225)에서, 와이어(214)는 180 기계적 각도에서 고정자의 외부 둘레를 따르고, 근위 단부(221)로 복귀한다. 와이어(214)의 종점(end point)이 모두 근위 단부(221)에서 끝나기 때문에, 종래의 코일 권선 패턴(210)은 고정자 권선(210)의 근위 단부(221)에서 복수의 와이어 단부 각각이 고정자 공급라인에 전기적으로 연결되어야 하는 엔드 턴 스택업(end turn stack up) 문제에 직면할 수 있었으며, 이는 차례로, 혼잡 및 연결 문제를 발생할 수 있었다. 도 2b는 각 와이어(215)가 구부러진 구성으로 배열된 마름모형 고정자 권선 패턴(211)을 도시한다. 도 2a의 기존 권선(210)과 달리 마름모형 권선은 고정자 코일을 형성하기 위해 축방향으로 완전한 회전을 할 때마다 여러 번 감긴 하나의 연속한 와이어를 포함한다. 마름모형 권선의 구부러진 구성은 후 조립(post-assembly)이 필요할 수 있다.
도 2c는 각각의 와이어(216)가 고정자 주위에 타원형 구성으로 배열된 나선형 고정자 권선 패턴(212)을 도시한다. 나선형 고정자 권선 패턴(212)은 도 2b의 마름모형 권선 패턴(211)과 유사하지만, 코일 권선 과정을 단순화 하는 굽힘이 없는 것이다. 나선형 권선(212)은 후 조립 단계가 필요 없이 쉽게 형성될 수 있는 1단계 권선이다. 도 2d는 도 2a에 도시된 바와 같은 통상적인 권선 및 도 2b에 도시된 마름모형 권선들의 혼합으로 이루어진 권선을 포함하는 하이브리드 고정자 권선 패턴(213)을 도시한다. 이러한 하이브리드 고정자 권선은 코일의 수직 길이(x) 및/또는 수평 각도 스팬(y)을 조정하여 저항에 대한 토크의 최적 비율을 사용할 수 있게 한다.
다음 개시내용은 각각의 고정자 권선에서 도 2b의 나선형 권선 패턴(212)을 사용하는 것이다. 그러나, 본 개시내용의 고정자 권선은 도 2a 내지 도 2d 와 관련하여 설명된 바와 같은 임의의 권선 패턴을 이용할 수 있는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 개시내용의 일부 구현에서는 임의의 다른 고정자 권선 패턴이 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 영구자석 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 갖는 종래의 고정자 권선을 참조하여 설명될 것이다. 도 3a 및 도 3b는 도 1의 모터 유닛(110)의 고정자 권선(140)과 같은 전기 모터에 사용하기 위한 예시적인 고정자 권선의 단면을 도시한다. 도 3a는 하나의 극 쌍(즉, 하나의 북극(N) 및 하나의 남극(S))을 갖는 3상 전기 모터에 사용하기 위한 영구자석 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 포함하는 종래의 고정자 권선(300)을 도시한다. 본원의 개시내용에서, 전기 모터의 3개의 위상은 위상(A, B, C)으로 지칭된다. 종래의 고정자 권선(300)에서, 각 위상은 하나의 코일을 - 위상(A)에 대해 코일(310)('A'로 표기됨), 위상(B)에 대해 코일(311)('B'로 표시됨), 위상(C)에 대해 코일(312)('C'로 표시됨) - 포함한다. 코일(310-312) 각각은 복수의 N 권수를 갖는 권선을 포함하며, 여기서 N은 정수이고, N > 1 이며, 여기서 각 코일은 동일한 권수(turn)를 갖는다. 권선은 도 2a 내지 도 2d에 관련하여 설명된 것과 같은 특정 방식으로 전환된 와이어로 형성되어서, 도 3a의 와이어 단부(320 내지 325)로 지시된 바와 같이, 각각의 코일은 시작점 및 종료점을 갖는다. 본 개시내용의 실시예는 나선형 코일을 갖는 고정자 권선과 관련하여 설명되지만, 임의의 권선 유형이 사용될 수 있는 것으로 이해 한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 코일(310-312)의 측방향으로의 분포는 고정자 권선(300)에 대해 균등하게 분포되도록 이루어져 있으며, 여기서 각 코일은 120 전기적 각도(2극 전기 머신에서 120 기계적 각도와 동일함)로 고정자 권선(300)의 단면 원주둘레에 대해 걸쳐 있다. 고정자 권선(300)이 자극 쌍 당 하나의 코일을 갖는 3상 전기 모터에 사용되는 반면, n개 위상 및 p개의 자극 쌍을 갖는 일반 전기 모터의 경우에는 기존의 고정자 권선(300)의 각 코일이 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 갖고, 고정자 권선의 단면의 원주둘레에 대해 360/(np) 기계적 각도에 걸쳐 있다. 종래의 고정자 권선(300)의 종축에 대한 코일의 축방향으로의 분포와 관련하여, 코일(310-312)의 권선은 이들 각각이 고정자 권선(300)의 근위 단부(도 1에서의 고정자 권선(140)의 근위 단부(142)와 같은)로부터, 원위 단부(도 1의 고정자 권선(140)의 원위 단부(143)와 같은)쪽으로 길이방향으로 연장하여, 근위 단부로 다시 귀환하여 감기도록 구성된다. 이러한 방식으로, 고정자 권선(300)의 각각의 코일(310-312)은 도 3a의 단면으로 도시된 바와 같이, 내부 층 및 외부 층을 효과적으로 포함하며, 외부 층은 내부 층 상에 중첩된다. 이러한 구성에서, 코일(310-312) 각각에 대한 리드 와이어는 도 1에 도시된 바와 같은 리드 라인(146, 147)과 같이 전기 모터에 대한 공급 라인과의 연결을 위해 고정자 권선(300)의 근위 단부에 위치하게 된다.
도 3b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 하나의 극 쌍을 갖는 3상 전기 모터에 사용하기 위한 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 포함하는 고정자 권선(350)을 도시한다. 이러한 배열에서는, 고정자 권선(350)이 이중 코일 권선이고, 그리고 도 2c에 도시된 바와 같은 나선형 코일로 구현될 때, 고정자 권선(350)은 이중 나선형 코일 권선이다. 고정자 권선(350)에서, 3상 전기 모터의 각각의 위상(A, B, C)은 2개의 코일을 포함한다. 따라서, 위상(A)은 코일(360)('A1'로 표시됨)과 코일(361)('A2'로 표시됨)을 포함하고, 위상(B)은 코일(362)('B1'로 표시됨)과 코일(363)('B2'로 표시됨)을 포함하고, 위상(C)은 코일(364)('C1'로 표시됨) 및 코일(365)('C2'로 표시됨)을 포함한다. 도 3a에서 종래의 고정자 권선(300)을 참조하면, 각 코일(310-312)이 N 권수의 권선을 포함하는 경우, 여기서 N은 정수이고 그리고 N ≥ 1, 고정자 권선(350)의 코일(360-365) 각각은 N의 짝수 값에 대해 N/2 권수 또는 N의 홀수 값에 대해 (N±1)/2 권수를 갖는 권선을 포함하며, 각각의 코일은 동일한 권수를 갖는다. 따라서, 고정자 권선(350)의 각 코일은 도 3a의 종래 고정자 권선(300)의 코일의 약 절반의 권수를 포함한다. 예를 들어, 종래의 고정자 권선(300)의 코일(310-312)이 각각 100개의 권수를 포함한다면, 고정자 권선(350)의 코일(360-365)은 각각 약 50개의 권수를 포함할 것이다. 각 코일(360-365)의 권선 권수는 예를 들어 나선형 권선과 같은 전술한 권선 유형 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
코일(360-365)의 측방향 분포는 이들이 고정자 권선(350)에 대해 균등하게 분포되도록 있으며, 여기서 각각의 코일은 고정자 권선(350)의 단면의 원주둘레에 대해 60 기계적 각도에 걸쳐 있다. 고정자 권선(350)이 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 갖는 3상 전기 모터에 이용되는 반면, n개 위상 및 p개의 자극 쌍을 갖는 일반 전기 모터에 대해, 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 갖는 본 발명의 고정자 권선(350)의 각 코일이 고정자 권선의 단면 원주둘레에 대해 360/(2np) 기계적 각도에 걸쳐 있다. 고정자 코일(350)에서 코일의 축방향 분포는 종래의 고정자 코일(300)의 것과 유사하다. 고정자 권선(350)의 종축에 대한 코일의 축방향 분포는 코일(360-365)의 권선이 각각, 고정자 권선(350)의 근위 단부(도 1의 고정자 권선(140)의 근위 단부(142)와 같은)로부터 원위 단부(도 1의 고정자 권선(140)의 원위 단부(143)와 같은)쪽으로 길이방향으로 연장하고, 근위 단부로 다시 복귀하여 감겨지도록 있다. 이러한 방식으로, 고정자 권선(350)의 각각의 코일(360-365)은 도 3b의 단면에 도시된 바와 같이 내부 층 및 외부 층을 효과적으로 포함하고, 외부 층은 내부 층 상에 중첩된다. 이런 구성에서, 코일(360-365) 각각에 대한 리드 와이어는 도 1에 도시된 리드 라인(146, 147)과 같은 전기 모터에 대한 공급 라인과의 연결을 위해 고정자 권선(300)의 근위 단부에 위치된다.
종래의 고정자 권선(300)의 코일(310-312) 및 본원 개시의 고정자 권선(350)의 코일(360-365)은, 예를 들어 스타 연결 또는 델타 연결과 같은 전기 모터에 대한 임의의 구성으로 전기적으로 연결될 수 있다. 도 4a는 예시된 스타 구성부(400)에 연결된 도 3a의 고정자 권선(300)의 코일(310-312)을 도시한다. 코일(310-312)은 각각 저항 부하(RA, RB, RC)로 표시된다. 스타 구성(400)에서 코일(310)의 종료점 'Ae', 코일(311)의 종료점 'Be' 및 코일(330)의 종료점 'Ce'이 함께 연결된다. 코일(310)의 시작점 'As', 코일(311)의 시작점 'Bs' 및 코일(312)의 시작점 'Cs' 는 도 1의 혈액 펌프(100)의 공급 라인(143, 144)과 같은 공급 라인에 연결된다. 이러한 방식으로, 스타 구성(400)의 각 브랜치는 고정자 권선(300)의 각 위상에 대한 코일에 대응하는 단일 부하를 포함한다.
도 4b는 본원 개시내용의 실시예에 따른, 고정자 권선(350)에서 코일의 예시적인 전기적 연결을 도시한다. 여기에서 코일(360-361)은 각각 위상(A)에 대한 저항 부하(RA1 및 RA2)로 표시되고, 코일(362-363)은 각각 위상(B)에 대해 저항 부하(RB1 및 RB2)로 표시되며, 코일(364-365)은 각각 위상(C)에 대해 저항 부하(RC1 및 RC2)로 표시된다. 전술한 바와 같이, 고정자 권선(350)의 코일(360-365)은 각각 고정자 권선(300)의 코일(310-312)의 권수의 절반을 포함한다. 따라서, 이중 고정자 권선(350)의 위상 당 저항 부하는 종래의 고정자 권선(300)의 위상 당 저항 부하와 동일하다. 즉, RA = RA1 + RA2, RB = RB1 + RB2, 및 RC = RC1 + RC2 이다. 이와 같이, 고정자 권선(350)의 이중 코일 구성은 기존의 고정자 권선(300)에 의해 제공되는 부하와 비교할 때, 전기 모터에 추가 저항 부하를 가하지 않는다.
도 4b의 연결 다이어그램으로 도시된 바와 같이, 스타 구성(450)의 각 브랜치는 연결된 유사한 단자를 갖는 2개의 코일을 포함한다. 즉, 2개의 코일이 연이어(back to back) 연결되어 있다. 예를 들어, 위상(A)의 경우 각각 저항 부하(RA1 및 RA2)로 표시되는 코일(360-361)은 종료점 'A1e' 및 'A2e'가 함께 연결되도록 연결된다. 유사하게, 각각 저항 부하(RB1 및 RB2)로 표시되는 위상(B)의 코일(362-363)의 종료점 'B1e' 및 'B2e'가 함께 연결되고, 저항 부하(RC1 및 RC2)로 각각 표시되는 위상(C)의 코일(364-365)의 종료점 'C1e' 및 'C2e'가 함께 연결된다. 위상(A)에 대한 코일(360)의 저항 부하(RA1)의 시작점 'A1s', 위상(B)에 대한 코일(362)의 저항 부하(RB1)의 시작점 'B1s', 위상(C)에 대한 코일(364)의 저항 부하(RC1)의 시작점 'C1s'은, 도 1의 혈액 펌프(100)의 공급 라인(143, 144)과 같은 공급 라인에 연결된다. 또한, 위상(A)에 대한 코일(361)의 저항 부하(RA2)의 시작점 'A2s', 위상(B)에 대한 코일(363)의 저항 부하(RB2)의 시작점 'B2s', 위상(C)에 대한 코일(365)의 저항 부하(RC2)의 시작점 'C2s' 도 함께 연결된다.
본원 개시의 이중 고정자 권선(350)의 코일(360-365)이 연결되는 방식은, 코일(360-365)이 전기 모터가 작동하는 중에 회전자에 의해 생성된 자속과 상호 작용하는 방식을 결정하기 때문에 중요하다. 도 4b에 도시된 바와 같은 스타 구성(450)으로, 고정자 권선(350)의 코일(A1)을 통해 흐르는 전류의 방향은 코일(A2)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대이다. 유사하게, 고정자 권선(350)의 코일(B1)을 통해 흐르는 전류의 방향은 코일(B2)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대이고, 고정자 권선(350)의 코일(C1)을 통해 흐르는 전류의 방향은 코일(C2)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대이다. 이것은 그를 통한 제1 방향으로의 전류 흐름을 갖는 코일(A1)이 회전자의 제1 극과 상호작용하는 반면, 코일(A1)의 제1 방향과 반대인 전류 흐름으로, 그를 통한 제2 방향으로의 전류 흐름을 갖는 코일(A2)이 제1 극과 반대편에 있는 회전자의 제2 극과 상호작용한다는 것을 의미한다. 또한, 그를 통한 제1 방향으로의 전류 흐름을 갖는 코일(B1)이 회전자의 제1 극과 상호작용하는 반면, 코일(B1)의 제1 방향과 반대인 전류 흐름으로, 그를 통한 제2 방향으로의 전류 흐름을 갖는 코일(B2)이 제1 극과 반대편에 있는 회전자의 제2 극과 상호작용한다. 또한, 그를 통한 제1 방향으로의 전류 흐름을 갖는 코일(C1)이 회전자의 제1 극과 상호작용하는 반면, 코일(C1)의 제1 방향과 반대인 전류 흐름으로, 그를 통한 제2 방향으로의 전류 흐름을 갖는 코일(C2)이 제1 극과 반대편에 있는 회전자의 제2 극과 상호작용한다. 작동 중에 고정자 권선(350)의 코일과 회전자의 자속과의 상호작용은 도 5와 관련하여 설명될 것이다.
도 5는 작동 중에 X-X'선을 따라 취한 3상 2극 전기 모터의 고정자 권선(350)을 사용하는 도 1의 혈액 펌프(100)의 예시적인 단면(500)을 도시한다. 상술한 바와 같이, 고정자 권선(350)은 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 갖는 3상 전기 모터의 작동에 적합한 것이지만, 임의의 수의 위상(n) 및 자극 쌍(p)을 갖는 전기 모터에 대한 고정자 권선은 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있으며, 사용된코일의 총 수는 2np가 된다. 도 5에서 'x'로 표시된 코일은 페이지 면에 직교하여 페이지로 흐르는 전류를 나타내고, '
Figure pct00001
'로 표시된 코일은 페이지 면에 수직으로 페이지 밖으로 흐르는 전류를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 위상(A)에 대한 코일(360-361)은 도 4b와 관련하여 설명된 바와 같이 연결되어, 코일(360)에 흐르는 전류의 방향이 코일(361)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대가 된다. 전술한 바와 같이 코일(360-361)의 물리적 배열 및 전기적 연결에 의해, 코일(360)이 상호작용하는 영구 자석 고정자(150)로부터 생성된 자기장의 극성은 코일(361)과 상호작용하는 극성과 반대이다.
유사하게, 전기 모터의 위상(B)에 대한 코일(362-363)은 코일(362)을 통해 흐르는 전류의 방향이 코일(363)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대가 되도록 연결된다. 상술한 바와 같은 코일(362)의 물리적 배치 및 전기적 연결에 의해, 코일(362)이 상호작용하는 영구자석 고정자(150)로부터 생성된 자기장의 극성은 코일(363)과 상호작용하는 극성과 반대이다. 또한, 전기 모터의 위상(C)에 대한 코일(364-365)은 코일(362)을 통해 흐르는 전류의 방향이 코일(363)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대가 되도록 연결된다. 이러한 배열로, 코일(364-365)은 각각 고정자의 자극 쌍과 다른 극성을 보인다. 전술한 바와 같이 코일(364-365)의 물리적 배열 및 전기적 연결에 의해, 코일(364)이 상호작용하는 영구 자석 고정자(150)로부터 생성된 자기장의 극성은 코일(365)과 상호작용하는 극성과 반대이다. 작동 중에 회전자의 자속과 고정자 권선(350)의 코일의 상호작용은 회전자를 회전시키는 회전자에 작용하는 토크를 생성한다.
도 6은 본원 개시의 실시예에 따른 3개의 위상(A, B, C) 및 2개의 영구자석 자극 쌍(N1-S1 및 N2-S2)을 갖는 전기 모터에 사용하기 위한 이중 코일 고정자 권선(600)의 단면의 다른 예를 도시한다. 전술한 일반적인 정의에 따르면, 고정자 권선(600)을 사용하는 전기 모터는 n=3 및 p=2 를 갖는다. 도 4a의 고정자 권선(350)과 관련하여 논의된 바와 같이, 고정자 권선(600)은 또한 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 포함하여 총 12개의 코일(610-621)을 생성한다. 고정자 권선(600)에서, 전기 모터에 2개의 자극 쌍이 존재하기 때문에, 3상 전기 모터의 각 위상(A, B, C)은 2개의 코일을 포함한다. 따라서 위상(A)은 코일(610-613)(각각 'A1', 'A2', 'A3', 'A4'로 표시됨)을 포함하고, 위상(B)은 코일(614-617)(각각 'B1', 'B2', 'B3', 'B4'로 표시됨)을 포함하고, 위상(C)은 코일(618-621)(각각 'C1', 'C2', 'C3', 'C4'로 표시됨)을 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 각 위상의 코일은 다른 위상의 코일 옆에 원주방향으로 순차적인 위상 순서로 배열되고, 그리고 각 코일이 고정자 권선(600)의 단면에 대해 360°/(2np) = 360°/(2x3x2) = 30°에 걸쳐 있도록 그 배열이 고정자 권선을 따라 반복되어 있다.
고정자 권선(350)의 코일과 마찬가지로, 코일(610-621)은 스타 또는 델타 구성으로 전기적으로 연결될 수 있다. (i) 위상(A)에 대한 코일(610-613)은 스타 또는 델타 연결의 위상(A)에 대한 브랜치를 따라 유사한 단자와 함께 연속적으로 연결되고, (ⅱ) 위상(B)에 대한 코일(614-617)은 스타 또는 델타 연결의 위상(B)에 대한 브랜치를 따라 유사한 단자와 함께 연속적으로 연결되고, (ⅲ) 위상(C)에 대한 코일(618-621)은 스타 또는 델타 연결의 위상(C)에 대한 브랜치를 따라 유사한 단자와 함께 연속적으로 연결된다. 이러한 전기적 연결에 의해, (i) 코일(A1 및 A3)을 통해 흐르는 전류의 방향은 코일(A2 및 A4)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대이고, (ⅱ) 코일(B1 및 B3)을 통해 흐르는 전류의 방향은 코일(B2 및 B4)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대이고, (ⅲ) 코일(C1 및 C3)에 흐르는 전류의 방향은 코일(C2 및 C4)에 흐르는 전류의 방향과 반대이다.
이와 같은 방식으로, 그를 통해 흐르는 제1 전류 방향을 가진 코일(A1)은 회전자의 제1 극(N1)과 상호작용하고, 코일(A1)의 제1 전류 방향과 반대인 제2 전류 방향을 갖는 코일(A2)은 제1 극(N1)에 반대되는 회전자의 제2 극(S1)과 상호작용하고, 그를 통해 흐르는 제1 전류 방향을 갖는 코일(A3)은 회전자의 제3 극(N2)과 상호작용하고, 코일(A3)의 제1 전류 방향과 반대인 제2 전류 방향을 갖는 코일(A4)은 제3 극(N2)에 반대되는 회전자의 제4 극(S2)과 상호작용한다. 유사하게, 그를 통해 흐르는 제1 전류 방향을 갖는 코일(B1)은 회전자의 제1 극(N1)과 상호작용하고, 코일(B1)의 제1 전류 방향과 반대인 제2 전류 방향을 갖는 코일(B2)은 제1 극(N1)에 반대되는 회전자의 제2 극(S1)과 상호작용하고, 그를 통해 흐르는 제1 전류 방향의 전류를 갖는 코일(B3)은 회전자의 제3 극(N2)과 상호작용하고, 코일(B3)의 제1 전류 방향과 반대인 제2 전류 방향을 갖는 코일(B4)은 제3 극(N2)에 반대되는 회전자의 제4 극(S2)과 상호작용한다. 마지막으로, 그를 통해 흐르는 제1 전류 방향의 전류를 가진 코일(C1)은 회전자의 제1 극(N1)과 상호작용하고, 코일(C1)의 제1 전류 방향과 반대인 제2 전류 방향을 갖는 코일(C2)은 제1 극(N1)에 반대되는 회전자의 제2 극(S1)과 상호작용하고, 그를 통해 흐르는 제1 전류 방향의 전류를 갖는 코일(C3)은 회전자의 제3 극(N2)과 상호작용하고, 코일(C3)의 제1 전류 방향과 반대인 제2 전류 방향을 갖는 코일(C4)은 제3 극(N2)에 반대되는 회전자의 제4 극(S2)과 상호작용한다. 작동하는 동안 고정자 권선(600)의 코일과 회전자의 자속과의 상호작용은 회전자를 회전하게 하는 회전자에 작용하는 토크를 생성한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 5개의 위상(A, B, C, D, E) 및 하나의 영구자석 자극 쌍(NS)을 갖는 전기 모터에 사용하기 위한 이중 코일 고정자 권선(700)의 단면의 추가 예를 도시한다. 상술한 일반 정의에 따르면, 고정자 권선(700)을 사용하는 전기 모터는 n = 5 및 p = 1 이다. 고정자 권선(350, 600)과 관련하여 논의된 바와 같이, 고정자 권선(700)은 또한 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 포함하여, 총 10개의 코일(710-719)을 생성한다. 위상(A)은 코일(710-711)(각각 'A1' 및 'A2'로 표시됨)을 포함하며, 위상(B)은 코일(712-713)(각각 'B1' 및 'B2'로 표시됨)을 포함하며, 위상(C)은 코일(714-715)(각각 'C1' 및 'C2'로 표시됨)을 포함하고, 위상(D)은 코일(716-717)(각각 'D1' 및 'D2'로 표시됨)을 포함하고, 위상(E)은 코일(718-719)(각각 'E1' 및 'E2'로 표시됨)을 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 각 위상의 코일은 다른 위상의 코일 옆에 원주방향으로 순차적인 위상 순서로 배열되고, 그 배열은 고정자 권선(700)의 단면에 대해 각각의 코일이 360°/(2np) = 360°/(2x5x1) = 36°에 걸쳐 있도록 고정자 권선(700)을 따라 반복되어 있다.
고정자 권선(350, 600)의 코일과 마찬가지로, 코일(710-719)은 스타 또는 델타형 구성으로 전기적으로 연결될 수 있다. (i) 위상(A)에 대한 코일(710-711)은 스타 또는 델타형 연결의 위상(A)에 대한 브랜치를 따라 유사한 단자와 함께 연속적으로 연결되고, (ⅱ) 위상(B)에 대한 코일(712-713)은 스타 또는 델타형 연결의 위상(B)에 대한 브랜치를 따라 유사한 단자와 함께 연속적으로 연결되고, (ⅲ) 위상(C)에 대한 코일(714-715)은 스타 또는 델타형 연결의 위상(C)에 대한 브랜치를 따라 유사한 단자와 함께 연속적으로 연결되고, (ⅳ) 위상(D)에 대한 코일(716-717)은 스타 또는 델타형 연결의 위상(D)에 대한 브랜치를 따라 유사한 단자와 함께 연속적으로 연결되고, (v) 위상(E)에 대한 코일(718-719)은 스타 또는 델타형 연결의 위상(E)에 대한 브랜치를 따라 유사한 단자와 함께 연속적으로 연결된다. 이러한 전기적 연결에 의해서, (i) 코일(A1)을 통해 흐르는 전류의 방향은 코일(A2)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대이고, (ⅱ) 코일(B1)을 통해 흐르는 전류의 방향은 코일(B2)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대이고, (ⅲ) 코일(C1)을 통해 흐르는 전류의 방향은 코일(C2)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대이고, (ⅳ) 코일(D1)을 통해 흐르는 전류의 방향은 코일(D2)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대이고, (v) 코일(E1)을 통해 흐르는 전류의 방향은 코일(E2)을 통해 흐르는 전류의 방향과 반대이다.
이와 같은 방식으로, 그를 통해 흐르는 제1 전류 방향의 전류를 갖는 코일(A1)은 회전자의 제1 극(N)과 상호작용하고, 코일(A1)의 제1 전류 방향과 반대인 제2 전류 방향을 갖는 코일(A2)은 제1 극(N) 반대편에 있는 회전자의 제2 극(S)과 상호작용 한다. 유사하게, 그를 통해 흐르는 제1 전류 방향을 갖는 코일(B1)은 회전자의 제1 극(N)과 상호작용하고, 코일(B1)의 제1 전류 방향과 반대인 제2 전류 방향을 갖는 코일(B2)은 제1 극(N) 반대편에 있는 회전자의 제2 극(S)과 상호작용한다. 또한, 그를 통해 흐르는 제1 전류 방향을 가진 코일(C1)은 회전자의 제1 극(N)과 상호작용하고, 코일(C1)의 제1 전류 방향과 반대인 제2 전류 방향을 갖는 코일(C2)은 제1 극(N) 반대편에 있는 회전자의 제2 극(S)과 상호작용한다. 제1 방향의 전류가 흐르는 코일(D1)은 회전자의 제1 극(N)과 상호작용하고, 코일(D1)의 제1 전류 방향과 반대인 제2 전류 방향을 갖는 코일(D2)은 제1 극(N) 반대편에 있는 회전자의 제2 극(S)과 상호작용한다. 마지막으로, 제1 방향의 전류가 흐르는 코일(E1)은 회전자의 제1 극(N)과 상호작용하고, 코일(E1)의 제1 전류 방향과 반대인 제2 전류 방향을 갖는 코일(E2)은 제1 극(N) 반대편에 있는 회전자의 제2 극(S)과 상호작용한다. 작동 중에 회전자의 자속과 고정자 권선(700)의 코일과의 상호작용은 회전자를 회전하게 하는 회전자에 작용하는 토크를 생성한다.
고정자 권선(350)의 코일에 흐르는 전류와 동작 중에 2극 회전자의 자속 밀도와의 상호 작용에 대해서는 도 5를 다시 참조하여 설명한다. 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이, 회전자(150)는 사용시 일정하게 회전한다. 도 5는 회전자가 도시된 바와 같이 방사상으로 위치할 때, 그리고 나타낸 바와 같이 고정자 권선(350)의 코일을 통해 흐르는 전류 방향으로 있는 회전자(150)의 위치를 도시한다. 예시된 위치에서, 영구 자석 회전자(150)는 자기장 라인(510)을 포함하는 자기장 패턴으로 나타나는 자속 밀도(B)를 생성한다. 자기장 라인(510)은 북극(N)에서 시작하여 남극(S)에서 끝난다. 렌츠(Lenz)의 법칙에 따르면, 자속 밀도(B)와 자속 밀도(B)에 수직인 방향으로의 고정자 권선의 길이(L)와의 사이의 상호 작용은, 다음의 방정식에 따르는 회전자(150)의 회전을 위한 회전자(150) 내에서의 토크(T)를 생성한다.
Figure pct00002
(1)
여기서
Figure pct00003
는 회전자(150)의 종축(105)에 평행한 방향이고,
Figure pct00004
은 자속 밀도의 반경방향 성분, 즉 회전자(150)의 종축(105)에 대해 수직이며,
Figure pct00005
는 모터 회전자의 길이방향 억세스에 평행한 코일 권선의 수직 성분이며, x 는 벡터 외적을 나타낸다. 따라서, 고정자 권선(350)에서의 전류의 흐름은 종축(105)을 중심으로 회전자(150)의 회전을 야기하고, 이는 차례로 회전자 샤프트(153)의 원위 단부에 결합된 임펠러(160)의 대응하는 회전을 야기한다.
도 8a는 1(one) 전기적 각도가 1(one) 기계적 각도와 동일한 3상 2극 전기 모터에서 사용되는 동안의 종래의 고정자 권선(300)을 도시한다. 플롯(plot)의 수평축은 고정자 권선(300)의 원주를 따른 각도 위치를 나타내고, 수직축은 고정자 권선(300)의 원위 단부에서 근위 단부로 이동하는 고정자 권선(300)의 길이방향 길이를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 코일(310-312) 각각은 도 2c의 나선형 권선과 같은 특정 방식으로 감겨진 복수의 와이어를 포함한다. 도 8a에서, 와이어는 나선형으로 감겨 있고, 코일(310-312) 각각은 고정자 권선(300)의 근위 단부(플롯의 상단부)와 원위 단부(플롯의 하단부) 사이에 배열된 밴드로서 도시되어 있다. 나선형 코일(310-312)이 감겨진 방식으로, 도 8a의 각각의 밴드는 중첩되어 고정자 권선(300)을 형성한다. 보다 바람직하게 나타내기 위해서, 도 8b 내지 도 8d는 개별적으로 볼 때, 고정자 권선(300)의 위상(A, B, C)에 대한 코일(310-312)의 각각의 권선 패턴을 예시한다. 즉, 도 8b 내지 도 8d에 도시된 바와 같은 코일이 중첩되었을 때, 도 8a에 도시된 바와 같은 고정자 권선(300)을 생성한다. 또한, 코일(310-312)을 나타내는 각각의 밴드가 복수의 와이어를 포함하지만, 도 8a 내지 도 8d에는 코일 당 9개의 대표적인 와이어만이 도시되어 있음에 유의 한다. 코일(310-312) 각각에 대한 와이어 단부 또는 리드 라인(320-325)은 또한 고정자 권선(300)의 근위 단부에도 도시되어 있다. 각각의 리드 라인(320-325)에 도시된 방향은 각각의 코일(310-312)을 형성하는 와이어를 감는 방향을 나타낸다. 예를 들어, 리드 라인(320)에 표시된 방향은 권선(310)을 형성하는 와이어의 시작점을 나타내고, 리드 라인(321)은 권선(310)을 형성하는 와이어의 종료점을 나타낸다. 각 위상의 코일이 서로 다른 위상의 코일 옆에 원주방향으로 순차적으로 위상 순서로 배열되도록, 코일(310-312)이 각도 대칭 방식으로 고정자 권선(300)에 배열되어서, 도 8a에 도시된 바와 같은 고정자 권선 패턴이 생성된다. 고정자 권선(300)의 코일(310-312) 각각에 대한 코일 스팬(span)은 360°/(np) = 360°/(3x1) = 120°이다.
전기 모터가 작동하는 동안, 모터 컨트롤러로부터의 전류는, 코일(310-312) 각각을 통해 흐르는 전류의 크기가 동일하도록 와이어 단부(320-325)에 연결된 도 1의 공급 라인(146-147)과 같은 공급 라인을 통해 고정자 권선(300)을 통과한다. 코일(310-312)이 고정자 권선(300) 내에서 그들의 배열이 중첩됨에 따라, 각각의 코일에서의 전류 흐름의 효과는 인접하거나 중첩되는 코일에서의 전류 흐름에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 고정자 권선의 코일(310-312)의 물리적 배열로 인해, 고정자 권선(300)의 모든 코일(310-312)을 통한 전류 흐름의 순(net) 효과는 상쇄된다. 이 효과는 도 10a와 관련하여 더 논의될 것이다.
도 10a는 사용 중 고정자 권선(300)의 코일(310)(코일 A)만을 도시한다. 코일(A)은 위상(A)에 대응한다. 코일(310)은 5개의 대표적인 권선 와이어(910-914)만을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 코일(310)은 (도 8a에 도시된 바와 같이) 밴드를 형성하는 복수의 와이어를 포함하는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 권선 와이어(910-914) 각각의 전류에 의해 취해진 경로는, 와이어가 고정자 권선(300)의 근위 단부와 원위 단부(예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은 근위 단부(142) 및 원위 단부(143)) 사이에 감겨져서 중첩 영역을 갖는다. 예를 들어, 코일(310)에 와이어(910-914)의 권선 방향으로 인해, 와이어(910-914)의 전류는 삼각형 영역(920)으로 흐른 다음, 방향을 전환(turn)하여 삼각형 영역(920)을 이탈한다. 와이어(910-914)가 방향을 전환하여 삼각형 영역(920)을 이탈하여 나가면, 와이어에서 전류의 길이방향 성분이 변경된다. 이것은 도 10a에 도시되어 있으며, 여기서 삼각형 영역(920)으로 들어가는 와이어(914)에 흐르는 전류(I)는 방향 성분(Iz 및 Iθ)(각각 세로 및 각도 성분)을 갖는다. 삼각형 영역(920)을 나가는 경우, 전류(I)는 방향을 변경하고, 방향 성분(-Iz 및 Iθ)을 갖는다. 따라서 삼각형 영역(920)을 나가는 전류(-Iz)의 길이방향 성분은 삼각형 영역(920)에 들어가는 전류 (Iz)의 길이방향 성분과 반대이다. 유사하게, 와이어(910-914)의 전류는 삼각형 영역(930)으로 흐른 다음, 방향을 전환하여 영역(930)을 나간다. 와이어(910-914)가 방향을 전환하여 삼각형 영역(930)을 나가는 경우, 와이어에 있는 전류의 길이방향 성분은 변화하여, 삼각형 영역(930)에 들어가는 와이어에 있는 전류의 길이방향 성분과 완전히 반대가 된다. 와이어(910-914)의 전류 크기가 동일하고 그리고 전류의 길이방향 성분이 삼각형 영역(920 및 930)에 출입 시에 서로 완전히 반대이기 때문에, 와이어(910-914)(도 10a의 화살표(940-942)로 나타냄) 내의 전류의 길이방향 성분이 회전자에 미치는 영향은 삼각형 영역(920, 930)에서 상쇄 된다. 즉, 도 10a에 나타낸 바와 같이 Iz - Iz = 0 이다. 따라서, 삼각형 영역(920 및 930)에서의 와이어(910-914) 내의 전류의 길이방향 성분은 식(1)에 따라 회전자에서 발생하는 토크에 영향을 주지 않는다.
식(1)에 기술된 바와 같이, 회전자(150) 내부에서 발생하는 토크(T)는 회전자(150)의 종축(105)에 평행한 방향으로 코일의 전류가 흐르는 와이어의 길이방향 길이(L)에 따라 달라진다. 따라서, 도 10a의 와이어(910-914)의 수직방향 성분만이 회전자 내에서 발생된 토크(T)에 기여한다. 와이어(910-914)의 수직 성분은 도 10a에서 수직선을 도시하여서 쉽게 시각화 하여, 와이어(910-914)와 수직선의 교차점에서 와이어(910-914)에 흐르는 길이방향 성분의 전류 방향을 결정할 수 있다.
코일 내의 와이어의 기계적 배열이 생성된 토크(T)에 미치는 영향은 도 10b에 도시된 바와 같이 코일 사용 함수(950)로 설명된다. 회전자의 토크(T)에 기여하는 와이어(910-914)의 수직 성분은 도 10a에서 볼 수 있으며, 여기서 반대 방향으로의 길이방향 성분으로 전류를 흘러보내는 와이어(910-914)는 중첩되지 않는다. 예를 들어, 고정자 권선(300)에 대해 120°내지 180°의 코일 각도 위치(θ)의 경우, 와이어의 중첩이 없고, 와이어(910-914)에 흐르는 전류는 동일한 방향으로 있는 길이방향 성분을 갖지만, 고정자 권선(300)에 대해 각각 60°및 240°의 코일 각도 위치(θ)에서, 와이어는 중첩되고 그리고 중첩된 와이어(910-914)에서 흐르는 전류의 길이방향 성분은 완전히 반대방향이다.
따라서 코일 사용량 함수는 와이어(910-914)에서 흐르는 전류의 길이방향 성분이 동일한 방향으로 있을 때 최대가 되며, 도 10b에서 볼 수 있는 바와 같이 고정자 권선(300)에 대해 120°≤ θ ≤ 180° 및 300°≤ θ ≤ 360°에 있으며, 여기에서는 반대 방향으로 길이방향 성분을 가진 전류를 전달하는 중첩 와이어는 없다. 이 최대값은 도 10b에 도시된 바와 같이 코일 사용량이 약 66.7% 에서 최대인, 3상 2극 전기 모터에 대한 고정자 권선(300)의 전체 길이의 약 ⅔ 이다. 코일 사용량 함수는 고정자 권선(300)에 대해 θ = 60°및 θ = 240°에서 0이고, 여기서 와이어는 중첩하고, 중첩된 와이어 내의 전류의 길이방향 성분은 동일하지만 방향은 반대이다. 완전함을 기하기 위해서, 0°< θ < 60°, 60°< θ < 120°, 180°< θ < 240°, 240°< θ < 300°의 경우, 와이어(910-915)는 반대 방향으로 길이방향 성분을 갖는 전류와 부분적으로 중첩되어, 회전자에서 생성된 토크(T)에 어느 정도 영향을 미친다. 이러한 사실은 도 9b에서 확인할 수 있으며, 여기서 코일 사용량은 0°< θ < 60°, 60°< θ < 120°, 180°< θ < 240°, 240°< θ < 300°에 대해 θ로 선형적으로 변한다.
도 9a는 동작 중 한 순간에 3상 2극 전기 모터에서 사용하는 동안 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자 권선(350)을 도시한다. 전술한 바와 같이, 코일(360-365)은 도 2c의 나선형 권선(212)과 같은 나선형 권선을 사용하여 감겨지지만, 임의의 다른 권선 유형을 사용할 수도 있다. 도 9a에서, 코일(360-365)은 고정자 권선(350)의 근위 단부(플롯의 상단부)와 원위 단부(플롯의 하단부) 사이에 배열된 밴드로서 도시되어 있다. 나선형 코일(360-365)이 감기는 방식으로 인해, 도 9a의 밴드 각각이 중첩되어 고정자 권선(350)을 형성한다. 향상된 도시를 위해 도 8b 내지 도 8d와 같이, 도 9b 내지 도 9d는 개별적으로 보았을 때 고정자 권선(350)의 위상(A, B, C)에 대한 코일(360-365)의 각각의 권선 패턴을 예시한다. 즉, 도 9b 내지 도 9d에 도시된 바와 같은 코일은 중첩되었을 때, 도 9a에 도시된 바와 같은 고정자 권선(350)을 생성한다. 또한, 코일(360-365)을 나타내는 각각의 밴드가 복수의 와이어를 포함하지만, 도 9a 내지 도 9d 에는 코일 당 5개의 대표적인 와이어만이 도시되어 있음에 유의 한다. 각각의 코일(360-365)에 대한 와이어 단부 또는 리드 라인은 또한 각각의 코일(360-365)을 형성하는 와이어의 권선 방향을 나타내는 화살표와 함께 고정자 권선(350)의 근위 단부에 도시되어 있다.
코일(360-365)은 각 위상(A, B, C)의 코일이 서로 다른 위상의 코일 옆에 원주 방향으로 위상 순서대로 배열되도록 각도 대칭 방식으로 고정자 권선(350)에 배열되어, 결과적으로 도 9a에 도시된 바와 같은 고정자 권선 패턴이 생성된다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 갖는 고정자 권선에 관한 것이다. 따라서 도 9a 내지 도 9d 에서, 위상(A)은 도 9b의 코일(360-361)을 포함하고, 위상(B)은 도 9c의 코일(362-363)을 포함하고, 위상(C)은 코일(364-365)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 고정자 권선(350)의 코일(360-365) 각각에 대한 코일 스팬은 360°/(2np) = 360°/(2x3x1) = 60°이다.
전기 모터가 작동하는 동안, 6단계 직류 컨트롤러(미도시)로부터의 직류 전류는, 코일(360-365) 각각을 통해 흐르는 전류의 크기가 동일하도록 고정자 권선(350)의 근위 단부에서 리드 라인에 연결된, 도 1의 공급 라인(146-147)과 같은 공급 라인을 통해 고정자 권선(350)을 통과한다. 코일(360-365)이 고정자 권선(350) 내에서 그 배열이 중첩됨에 따라, 각각의 코일에 흐르는 전류 효과가 인접하거나 중첩되는 코일의 전류 흐름으로 영향을 받을 수 있다. 도 8a에 도시된 종래의 고정자 권선(300)과 달리, 고정자 권선(350)의 코일의 물리적 배열로 인해, 코일(360-365)을 통한 전류 흐름의 효과는 상쇄되지 않는다.
도 11a는 사용 중에, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자 권선(350)의 코일(360-361)(코일 A1, A2)만을 도시한 것이다. 코일(A1 및 A2)은 위상(A)에 대응한다. 코일(360)은 5개의 대표적인 권선 와이어(1010-1014)를 포함하는 것으로 도시되고, 코일(361)은 5개의 대표적인 권선 와이어(1015-1019)를 포함하는 것으로 도시되었지만, 코일(360-361) 각각은 밴드를 형성하는(도 9a에 도시된 바와 같이)복수의 권선을 포함하는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 도시된 바와 같이, 권선 와이어(1010-1019) 각각의 전류에 의해 취해진 경로는, 와이어가 고정자 권선(350)의 근위 단부와 원위 단부(예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은 근위 단부(142) 및 원위 단부(143)) 사이에 감길 때, 중첩 영역을 갖는다. 예를 들어, 와이어(1010-1014)의 전류는 삼각형 영역(1020 및 1021)으로 흐른 다음, 방향을 전환하여 삼각형 영역(1020-1021)을 빠져나간다. 유사하게, 와이어(1015-1019)의 전류는 삼각형 영역(1022-1023)으로 흐른 다음, 방향을 전환하여 삼각형 영역(1022-1023)을 빠져나간다.
도 10a와 관련하여 설명된 바와 같이, 와이어(1010-1014)가 방향을 전환하여 삼각형 영역(1020-1021)을 빠져 나가고 그리고 와이어(1015-1019)가 방향을 전환하여 삼각형 영역(1022-1023)을 빠져 나가는 경우, 각 와이어에서의 전류의 길이방향 성분은 변한다. 와이어(1010-1014)에서, (i) 삼각형 영역(1020) 밖으로 흐르는 전류의 길이방향 성분은 삼각형 영역(1020)으로 흐르는 전류의 길이방향 성분과 반대이고, (ⅱ) 삼각형 영역(1021) 밖으로 흐르는 전류의 길이방향 성분은 삼각형 영역(1021)으로 흐르는 전류의 길이방향 성분과 반대이다. 와이어(1010-1014)가 방향을 전환하여 삼각형 영역(1020-1021)을 나가는 경우, 와이어에 있는 전류의 길이방향 성분은 변하고 그리고 삼각형 영역(1020-1021)으로 들어가는 와이어의 전류 흐름의 길이방향 성분과 완전히 반대이다.
유사하게, 와이어(1015-1019)에서, (ⅲ) 삼각형 영역(1022) 밖으로 흐르는 전류의 길이방향 성분은 삼각형 영역(1022)으로 흐르는 전류의 길이방향 성분과 반대이고, (ⅳ) 삼각형 영역(1023) 밖으로 흐르는 전류의 길이방향 성분은 삼각형 영역(1023)으로 흐르는 전류의 길이방향 성분과 반대이다. 와이어(1015-1019)가 방향을 전환하여 삼각형 영역(1022-1023)을 떠날 때, 와이어의 전류의 길이방향 성분은 변하여 삼각형 영역(1022-1023)으로 들어가는 전선의 전류의 길이방향 성분에 대해 정반대가 된다. 와이어(1010-1019)의 전류 크기는 동일하고 그리고 전류의 길이방향 성분은 삼각형 영역(1020-1023)에 출입하는 성분이 서로 정반대이기 때문에, 와이어(1010-1019)의 전류 효과(도 11a의 화살표(1040-1043)로 나타냄)가 도 11a에 나타낸 바와 같이 영역(1020-1023)에서 상쇄, 즉 Iz - Iz = 0 이다.
그러나, 고정자 권선(350)이 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일, 즉 이중 권선을 갖기 때문에, 코일(360-361)은 또한 중첩부의 추가적인 다이아몬드 형상의 영역(1030-1031)을 포함한다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 이러한 다이아몬드 형상의 중첩 영역은 코일(360-361)의 근위 단부 또는 원위 단부로부터 떨어져서 발생한다. 실제로, 이러한 다이아몬드 형상의 영역은 실제로 코일(A1 및 A2)의 밴드가 서로 겹칠 때 발생하는 연속한 삼각형 영역이다. 이러한 다이아몬드 형상의 영역에서 와이어(1010-1019) 전류의 길이방향 성분은 한 방향으로 영역(1030-1031) 내로 흘러서, 동일한 방향으로 영역(1030-1031)을 떠난다. 와이어(1010-1019)의 전류 크기가 동일하고 그리고 전류 흐름의 길이방향 성분이 영역(1030-1031)에서 서로 동일하기 때문에, 도 11a에서 화살표(1040-1043)로 나타낸 와이어(1010-1019)의 전류 효과는 영역(1030-1031)에서 상쇄되지 않고 영역(1030-1031)에 함께 더해진다. 즉, 도 11a에 도시된 바와 같이, Iz + Iz = 2Iz 가 된다. 와이어(1010-1019)를 통해 흐르는 전류의 길이방향 성분의 효과가 상쇄되지 않는 다이아몬드 형상의 중첩 영역(1030-1031)은 위상(A)에 대한 코일 사용량을 증가시킨다. 이러한 영역(1030-1031)은 고정자 코일(350)의 성능을 향상시키는 효과적인 포지티브 지대(positive zones)이다. 반면에 도 11a는 고정자 권선(350)의 위상(A)에 대한 코일(360-361)의 전류 흐름의 영향을 설명하며, 유사한 효과를 고정자 권선(350)의 위상(B 및 C)에 대한 코일(362-365)의 전류 흐름에서 볼 수 있을 것이다.
본 개시의 실시예에 따른 고정자 권선(350)에서, 영역(1020-1023)은 권선을 통해 흐르는 전류의 효과가 상쇄되는 사실 상 사각 지대(dead zone)임에 유의 한다. 이러한 사각 지대는 기존의 고정자 권선(300)의 영역(920 및 930)에 비해 상당히 작다. 동시에, 고정자 권선(350)이 형성되는 방식으로 인해, 고정자 권선(350)의 성능을 향상시키는 추가의 포지티브 지대가 형성된다.
식(1)과 관련하여 설명된 바와 같이, 회전자(150) 내에서 발생된 토크(T)는 회전자(150)의 종축(105)에 평행한 방향으로 코일의 전류 운반 와이어의 길이방향 길이(L)에 따라 다르다. 사실상, 도 11a의 와이어(1010-1019)의 수직방향 성분만이 회전자 내에서 생성된 토크(T)에 영향을 미친다. 와이어(1010-1019)의 수직 성분은 도 11a 에서 수직선을 도시하여 쉽게 나타낼 수 있으며, 수직선과 교차하는 와이어(1010-1019)에 흐르는 전류의 방향을 결정할 수 있다.
생성된 토크(T)에 대한 코일(350)의 와이어의 기계적 배열의 영향은 도 11b에 도시된 바와 같이 코일 사용량 함수(1050)에 의해 설명된다. 회전자(150)의 토크(T)에 대해 영향을 미치는 와이어(1010-1019)의 수직 성분은 도 11a에서 볼 수 있으며, 반대 방향으로의 길이방향 성분으로 전류를 운반하는 와이어(1010-1019)는 중첩되지 않는다. 예를 들어, 고정자 권선(350)에 대한 60°≤ θ ≤ 180°의 경우, 와이어(1010-1019)에 흐르는 전류는 동일한 방향(영역(1030 및 1031)에서 와이어가 중첩하더라도)으로 있는 길이방향 성분을 갖지만, 고정자 권선(350)에 대해 각각 30°및 210°의 코일 각도 위치에서, 와이어는 중첩되고, 중첩된 와이어(1010-1019)에 흐르는 전류의 길이방향 성분은 정반대 방향으로 있다.
따라서, 코일 사용량 함수는 와이어(1010-1019)에 흐르는 전류의 길이방향 성분이 동일한 방향으로 있을 때 최대가 되며, 도 11b에 도시된 바와 같이 고정자 권선(350)에 대해 60°≤ θ ≤ 180°및 240°≤ θ ≤ 360°의 경우이며, 여기서는 반대 방향으로의 길이방향 성분과 전류 전달 와이어의 중첩은 없다. 고정자 권선(300)과 마찬가지로, 이 최대값은 3상 2극 전기 모터의 고정자 권선(350)의 전체 길이의 약 2/3이고, 도 11b에 도시된 바와 같이, 코일 사용량이 약 66.7% 로 최대이다. 고정자 권선(350)의 최대 코일 사용량(코일 각도 범위(120°)의 경우)은 고정자 권선(300)의 최대 코일 사용량(코일 각도 범위(60°)의 경우)의 2배인 점에 유의 한다. 코일 사용 함수는 와이어가 중첩되고 그리고 중첩된 와이어에 흐르는 전류의 길이방향 성분이 동일하지만 방향이 정반대인 고정자 권선(350)에 대해 θ = 30°및 θ = 210°인 곳에서 0 이다. 완전함을 기하기 위해서, 0°< θ < 30°, 30°< θ < 60°, 180°< θ < 210°, 210°< θ < 240°의 경우, 와이어(1010-1019)는 부분적으로 중첩되어, 회전자에서 생성된 토크(T)에 어느 정도 영향을 미친다. 이러한 사실은 도 11b에서 확인할 수 있으며, 여기서 코일 사용량은 0°< θ < 30°, 30°< θ < 60°, 180°< θ < 210°, 210°< θ < 240°에 대해 θ로 선형적으로 변한다.
도 12a는 종래의 고정자 권선(300)에 대한 모두 3개의 위상(A, B, C) 각각에 대한 코일 사용 함수(1100-1102)를 예시한다. 도 12a에 도시된 각각의 위상에 대한 사용 함수는 도 10b에 도시된 것과 동일하다. 도 12b는 본 개시내용의 실시예에 따른 고정자 권선(350)에 대한 모두 3개의 위상(A, B, C) 각각에 대한 코일 사용 함수(1110-1112)를 예시한다. 도 12b의 각 위상에 대한 사용 함수는 도 11b에 도시된 것과 동일하다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 사용 함수는 모두 3개의 위상에 대한 형태와 유사하고, 각 위상에 대한 곡선은 이전 위상에서 120°만큼 이동한 것이다. 도 12c는 한 순간에서 하나의 자극 쌍을 갖는 전기 모터의 고정자 권선의 각도 위치에 대한 자속 밀도(B)의 변화를 예시한 도면이다. 전기 모터의 자기 회전자가 시간에 따라 회전함에 따라, 도 12c의 자속 밀도 곡선은 동일한 형상이지만, 북극 및 남극이 회전자(150)의 종축(105)을 중심으로 회전함에 따라 수평 축을 따라 이동할 것이다.
도 12a 및 도 12c를 참조하고, 렌츠의 법칙(식(1))을 사용하여 종래의 고정자 권선(300)과 본 발명의 고정자 권선(350)에서 발생하는 토크(T)를 다음의 관계식을 사용하여 결정할 수 있다.
Figure pct00006
(2)
상기 식은 기본적으로 도 12a 및 도 12b 의 각각의 코일 사용 함수가 곱해진 도 12c 의 자속 밀도 곡선의 면적이다. 정의에 따르면, 토크 상수(kT)는 단위 전류(I) 당 토크(T) 이므로, 다음 관계식을 사용하여 토크 상수를 구할 수 있다.
Figure pct00007
(3)
도 12d는 하나의 완전한 토크 사이클 동안 종래의 고정자 권선(300)('1X 나선형'으로 나타냄) 및 본 개시내용의 실시예에 따른 고정자 권선(350)('2X 나선형'로 나타냄)에서 생성된 결과적인 토크 상수(KT)를 도시한다. 6단계 직류 모터 컨트롤러를 사용하여, 하나의 완전한 토크 사이클이 60°에 걸쳐 있다. 도 12d에서 볼 수 있는 바와 같이, 이중 코일 고정자 권선(350)에 대한 토크 상수는 전기 모터의 1 토크 사이클 동안 종래의 고정자 권선(300)의 것에 비해 약 15.5% 증가되었다. '약' 이 의미하는 바는, 이 값이 약 20% 만큼 변동될 수 있다는 것, 즉 본 발명의 이중 나선형 고정자 권선(350)에 의해 야기되는 토크의 증가가 12.4% 내지 18.6%의 범위에 있을 수 있다는 것이다. '약' 의 이러한 정의는 본 개시내용의 다른 인용에 적용된다. 본 개시의 일부 구현예들에서, 토크의 증가는 적어도 약 15.5% 일 수 있다.
표 1은 단일 나선형 및 이중 나선형 고정자 권선이 있는 3상 2극 전기 모터를 가진 2개의 혈액 펌프에 대한 대표적인 데이터를 나타낸 것이다. 구체적으로, 단일 나선형 고정자 권선은 전술한 바와 같은 종래의 고정자 권선(300)과 유사하며, 도 2c에 도시된 바와 같이 나선형 권선 유형(212)으로 구현된다. 이중 나선형 고정자 권선은 전술한 고정자 권선(350)과 유사하며, 나선형 권선 유형으로도 구현된다. 나타낸 바와 같이, 이중 나선형 고정자 권선은 종래의 단일 나선형 권선의 코일 저항과 동일한 5.25 Ω/위상 및 1.182 x 10-3 N
Figure pct00008
m/A , 즉 종래의 단일 나선형 권선의 것에 비해 15.5% 증가된 토크 상수를 갖는 전기 모터를 생성한다. 이중 나선형 고정자 권선의 코일의 평균 전류가 약 13.3% 감소하여, 이중 나선형 고정자 권선의 코일 내부 가열도 감소했음을(코일 저항이 변경되지 않았기 때문에) 나타내는 것도 알 수 있다. 표 1의 결과는 본 발명의 실시예에 따른 이중 나선형 고정자 권선이 전기 모터 및 그에 따른 이러한 고정자 권선을 사용하는 혈액 펌프의 효율을 개선했음을 확인시켜 준다. 영구자석 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 포함하는 전술한 고정자 권선을 사용하는 혈액 펌프는, 약 1.0 lpm 및 약 6.0 lpm 의 유속에서 작동하도록 구성되며, 여기서 'lpm'은 분 당 리터(liters per minute)를 나타낸다.
고정자 코일 유형 단일 나선형 이중 나선형
토크 상수( N
Figure pct00009
m/A)x10-3 		1.023 1.182
위상 당 코일 저항(Ω) 5.25 5.25
평균 전류()x10-3 919 796
표 1: 다양한 고정자 코일 구성을 가진 혈액 펌프의 성능.
전술한 기술내용은 단지 본 개시의 원리를 예시한 것이며, 장치 및 방법은 제한이 아닌 예시의 목적으로 제공된 것이며, 설명된 구현예 이외의 것에 의해 실시될 수 있는 것이다. 여기에 설명된 장치는 혈액 펌프용 전기 모터의 이중 나선형 고정자 권선과 관련하여 도시되어 있지만, 증가된 토크 및 높은 모터 효율을 갖는 전기 모터를 필요로 하는 다른 시스템에도 적용될 수 있는 것임을 이해할 수 있을 것이다.
상기 개시내용에서, 용어 '약'은 명시된 값의 ± 20% 를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, '전기 모터' 용어는 관련 기술분야에서 널리 알려진 바와 같이 '전기 기계' 용어와 동의어로 간주되어야 한다. 달리 명시되지 않는 한 모든 각도 측정(단위 °포함)은 기계적 각도로 취해져야 한다.
본 개시내용을 검토한 후 관련 기술분야의 기술자에 의해 변형 및 수정이 일어날 수 있을 것이다. 개시된 특징들은 본 명세서에 설명된 하나 이상의 다른 특징과 함께 임의의 조합 및 하위 조합(복수의 종속 조합 및 하위 조합 포함)으로 구현될 수 있는 것이다. 임의의 구성요소를 포함하여 위에서 설명되거나 예시된 다양한 특징은 다른 시스템에 결합되거나 통합될 수 있다. 또한 일부 특징부는 생략되거나 구현되지 않을 수 있다.
변경, 대체 및 대안의 예는 관련 기술분야의 기술자에 의해 확인 가능하며, 여기에 개시된 정보의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있을 것이다. 여기에 인용된 모든 참고 문헌은 그 전체가 참고로 포함된 것이며, 본 출원의 일부가 된다.

Claims (24)

  1. 환자의 신체 내에 삽입하기 위한 혈관내 혈액 펌프로서, 상기 펌프는:
    카테터에 연결된 근위 단부 및 펌프에 연결된 원위 단부를 구비하며, 종축을 갖는 기다란 세장형 하우징; 및
    하우징 내에 배치된, p개의 자극 쌍 및 n개의 위상을 가진 무슬롯 영구 자석 모터 - 여기서 p는 0보다 큰 정수이고, n은 ≥ 3 의 정수임 -; 를 포함하며, 상기 펌프는:
    각각의 위상의 코일이 서로 다른 위상의 코일 옆에 원주방향으로 순차적인 위상 순서로 배열되도록, 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하게 감겨진 2np 코일을 가진 고정자 권선 - 이러한 배열은 고정자 2np 코일의 각각의 코일이 고정자 권선의 단면에 대해 360/(2np) 기계적 각도에 걸쳐 있도록, 고정자 권선을 따라 반복됨 -; 및
    회전하게 지지되고, 고정자 권선과 상호작용 하기 위한 자속을 생성하도록 구성된 영구자석 회전자; 를 포함하며,
    고정자 권선의 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일은, 2개의 코일 중 제1 코일을 통한 전류 흐름 방향이 2개의 코일 중 제2 코일의 전류 흐름 방향과 반대되도록 직렬로 연결되고; 제1 코일의 전류 흐름과 제2 코일의 전류 흐름은 동일한 방향의 토크를 생성하기 위해 회전자의 자속의 반대 극성과 상호 작용하여, 펌프를 통한 혈액 흐름을 하기위한 회전자의 회전을 용이하게 한 것을 특징으로 하는 혈관내 혈액 펌프.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 코일은 N/2 권선 권수 또는 (N±1)/2 권선 권수를 포함하고, 여기서 N은 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 형성하도록 감겨진 np 코일을 가진 종래 고정자 권선의 코일의 권선 권수 이며, N은 ≥ 1 의 정수인 것을 특징으로 하는 혈관내 혈액 펌프.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 위상 당 2개의 코일은 스타트 단자 또는 엔드 단자가 서로 연결되도록 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 혈관내 혈액 펌프.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 위상 당 2개의 코일은 스타 또는 델타 구성으로 다른 위상의 코일에 연결되는 것을 특징으로 하는 혈관내 혈액 펌프.
  5. 제1항에 있어서, 상기 2np 코일은 나선형 권선, 마름모형 권선, 종래 권선 및 하이브리드 권선 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관내 혈액 펌프.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 고정자 권선은, 회전자의 자기장과 상호작용하여 모터에서 생성된 토크에 영향을 미치는 고정자 권선의 길이방향 길이에 대한 코일의 수직 성분을 정의하는 코일 사용 함수를 갖고, 상기 코일 사용 함수는 수직 성분이 고정자 권선의 길이방향 길이의 2/3 일 때 최대 인 것을 특징으로 하는 혈관내 혈액 펌프.
  7. 제6항에 있어서, 상기 코일 사용 함수는 모든 위상에 대해 동일한 형태를 가지며, 각 위상에 대해 360/n 전기적 각도로 이동되는 것을 특징으로 하는 혈관내 혈액 펌프.
  8. 제7항에 있어서, 코일 사용 함수는 모터에서 생성된 토크에 영향을 미치는 고정자 권선의 길이방향 길이에 대한 코일의 수직 성분을 정의하는 것을 특징으로 하는 혈관내 혈액 펌프.
  9. 제1항 또는 제5항에 있어서, 모터는 3상 2극 머신을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관내 혈액 펌프.
  10. 제1항 또는 제5항에 있어서, 모터는 6-코일 2극 머신을 포함하고, 각각의 코일은 고정자 권선의 단면에 대해 60 기계적 각도에 걸쳐 있는 것을 특징으로 하는 혈관내 혈액 펌프.
  11. 제9항에 있어서, 모터는, 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 형성하도록 감겨진 np 코일의 고정자 권선을 갖는 모터에 의해 생성된 토크보다 약 15.5% 더 큰 토크 상수를 생성하는 것을 특징으로 하는 혈관내 혈액 펌프.
  12. 제1항 또는 제5항에 있어서, 회전자는 약 1.0 lpm 내지 약 6.0 lpm 의 속도로 혈액을 펌핑하는 것을 특징으로 하는 혈관내 혈액 펌프.
  13. p는 0보다 큰 정수이고 그리고 n은 ≥ 3 인 정수인, p 자극 쌍 및 n 위상을 갖는 무슬롯 영구 자석 전기 모터로서, 종축을 가진 모터는:
    각각의 위상의 코일이 서로 다른 위상의 코일 옆에 원주방향으로 순차적인 위상 순서로 배열되도록 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일을 형성하게 감겨진 2np 코일을 가진 고정자 권선 - 이 배열은 2np 코일의 각각의 코일이 고정자 권선의 단면에 대해 360/(2np) 기계적 각도에 걸쳐 있게 고정자 권선을 따라 반복됨 -;
    회전하게 지지되고 그리고 고정자 권선과 상호작용하기 위한 자속을 생성하도록 구성된, 영구 자석 회전자; 를 포함하며;
    고정자 권선의 자극 쌍 당 위상 당 2개의 코일은, 2개의 코일 중 제1 코일을 통한 전류 흐름 방향이 2개의 코일 중 제2 코일의 전류 흐름 방향과 반대되도록 직렬로 연결되고; 제1 코일의 전류 흐름과 제2 코일의 전류 흐름은 동일한 방향의 토크를 생성하기 위해 회전자의 자속의 반대 극성과 상호 작용하여, 회전자의 회전을 용이하게 한 것을 특징으로 하는 무슬롯 영구자석 전기모터.
  14. 제13항에 있어서, 각각의 코일은 N의 짝수 값에 대해 N/2 권수 또는 N의 홀수 값에 대해 (N±1)/2 권수를 포함하며, 여기서 N은 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 형성하도록 감겨진 np 코일을 가진 종래의 고정자 권선의 코일의 권선 수 이며, 여기서 N은 ≥ 1 정수 인 것을 특징으로 하는 무슬롯 영구자석 전기모터.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 위상 당 직렬로 연결된 2개의 코일의 저항은 고정자 권선의 단일 코일의 저항과 동일한 것을 특징으로 하는 무슬롯 영구자석 전기모터.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 위상 당 2개의 코일은 스타트 단자 또는 엔드 단자가 서로 연결되도록 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 무슬롯 영구자석 전기모터.
  17. 제13항 또는 제14항에 있어서, 위상 당 2개의 코일은 스타 또는 델타 구성으로 다른 위상의 코일에 연결되는 것을 특징으로 하는 무슬롯 영구자석 전기모터.
  18. 제13항 또는 제14항에 있어서, 2np 코일은 나선형 권선, 마름모형 권선, 종래 권선 및 하이브리드 권선 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무슬롯 영구자석 전기모터.
  19. 제13항 또는 제14항에 있어서, 고정자 권선은, 모터에서 생성된 토크에 영향을 미치도록 회전자의 자기장과 상호작용하는 고정자 권선의 길이방향 길이에 대한 코일의 수직 성분을 정의하는 코일 사용 함수를 갖고, 상기 코일 사용 함수는 수직 성분이 고정자 권선의 길이방향 길이의 2/3일 때 최대가 되는 것을 특징으로 하는 무슬롯 영구자석 전기모터.
  20. 제19항에 있어서, 코일 사용 함수는 모든 위상에 대해 동일한 형태를 갖지만, 각 위상에 대해 360/n 전기적 각도만큼 이동되는 것을 특징으로 하는 무슬롯 영구자석 전기모터.
  21. 제13항 또는 제14항에 있어서, 코일 사용 함수는 모터에서 생성된 토크에 영향을 미치는 고정자 권선의 길이방향 길이에 대한 코일의 수직 성분을 정의하는 것을 특징으로 하는 무슬롯 영구자석 전기모터.
  22. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 모터는 3상 2극 머신을 포함하는 것을 특징으로 하는 무슬롯 영구자석 전기모터.
  23. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 모터는 6-코일 2극 머신을 포함하고, 각각의 코일은 상기 고정자 권선의 단면에 대해 60 기계적 각도에 걸쳐 있는 것을 특징으로 하는 무슬롯 영구자석 전기모터.
  24. 제22항에 있어서, 상기 모터는 자극 쌍 당 위상 당 하나의 코일을 형성하도록 감겨진 np 코일의 종래의 고정자 권선을 가진 모터에 의해 생성된 토크보다 약 15.5% 더 큰 토크 상수를 생성하는 것을 특징으로 하는 무슬롯 영구자석 전기모터.
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