KR20220057658A - 그룹화된 톱니 전기 모터 - Google Patents

그룹화된 톱니 전기 모터 Download PDF

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KR20220057658A
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데이비드 빅토르 피에트로모나코
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에이알엠 리미티드
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Abstract

전기 모터는 각각 회전자 톱니 및 고정자 톱니를 가지는 회전자 및 고정자를 포함할 수 있다. 회전자 톱니의 비균일한 각도 간격 또는 그룹화는 회전자의 바람직한 회전 속도를 가능하게 할 수 있다.

Description

그룹화된 톱니 전기 모터{GROUPED TOOTH ELECTRIC MOTOR}
본 발명은 일반적으로 전기 모터에 관한 것이다.
다양한 전기 모터는 일부 작업에는 적합하고 다른 작업에는 적합하지 않게 만들 수 있는 다양한 특성을 가질 수 있다. 특정 유형의 상황에서, 전기 모터는 구동축에서와 같이, 토크를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 일부의 경우, 제공되는 토크는 단위 시간당 원하는 회전수(예를 들어, 분당 회전수, RPM)와 같은 원하는 회전 속도로 구동축의 회전을 유도하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 일부 전기 모터는 높은 RPM에서 구동축을 효율적으로 회전시킬 수 있지만 낮은 RPM에서 구동축을 효율적으로 회전시키지 못할 수 있다. 대조적으로, 일부 다른 전기 모터는 낮은 RPM에서는 구동축의 효율적인 회전을 제공할 수 있지만 높은 RPM에서는 그렇지 못할 수 있다.
이와 마찬가지로, 어떤 경우에는 비교적 큰 양의 토크 및/또는 비교적 편평한 토크 곡선을 갖는 전기 모터를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 비교적 상당한 양의 토크 및/또는 비교적 편평한 토크 곡선을 제공할 수 있는 전기 모터는 원하는 회전 속도(예를 들어, RPM)에서 구동축의 회전을 유도하지 못할 수도 있다. 제한하지 않는 예로서, 많은 수의 폴(예를 들어, 24개의 고정자 톱니)을 갖는 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor)는 비교적 적은 폴(예를 들어, 6개의 고정자 톱니)을 갖는 스위치드 릴럭턴스 모터보다 구동축을 더 느리게 회전시킬 수 있다.
그럼에도 불구하고, 그렇지 않으면 그러한 작동에 부적절한 모터와 같이, 예를 들어, 높은 구동축 회전 속도(예를 들어, 약 4000RPM 이상)를 달성할 수 있는 전기 모터에 대한 요구가 존재할 수 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 미국 특허 공보 제6,051,903호에 개시되어 있다.
청구된 주제는 특히 명세서의 결론 부분에서 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 조직화 및/또는 동작 방법 및 본 발명의 목적, 특징 및/또는 장점에 관해서는 첨부된 도면과 함께 아래의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1a는 전기 모터의 일 실시예의 도면이다.
도 1b는 분할 코일 권선을 갖는 고정자 톱니의 도면이다.
도 2a-2c는 코일 권선 및 지지 회로의 실시예의 도면이다.
도 2d는 변압기 실시예의 도면이다.
도 2e는 분할 코일 권선 및 지지 회로의 실시예의 도면이다.
도 3a-3c는 회전자 및 고정자의 일 실시예의 도면이다.
도 4a 및 4b는 각 지지 않은진 톱니 간격을 갖는 회전자 및 고정자의 실시예의 도면이다.
도 5는 회전자 및 고정자의 일 실시예의 도면이다.
도 6은 회전자 및 고정자의 일 실시예의 도면이다.
도 7은 일 실시예의 회전자 및 고정자의 도면이다.
다음의 상세한 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면을 참조하며, 동일한 도면 부호는 상응하는 및/또는 유사하거나 동일한 부분을 지칭할 수 있다. 도면은 설명의 단순화 및/또는 명료성을 위해 반드시 축척대로 그려진 것은 아님을 이해할 것이다. 예를 들어, 몇몇 양태의 치수는 다른 양태에 비해 과장될 수 있다. 또한, 다른 실시예들이 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 청구된 주제를 벗어나지 않고 구조적 및/또는 다른 변경이 이루어질 수 있다. 본 명세서 전반에 걸쳐 "청구된 주제"는 하나 이상의 청구항 또는 그 일부에 의해 커버되도록 의도된 대상을 지칭하며, 반드시 완전한 청구항 세트, 청구항 세트의 특정 조합(예를 들어, 예를 들어, 방법 청구항, 장치 청구항 등), 또는 특정 청구항을 지칭하도록 의도된 것은 아니다. 위, 아래, 상부, 하부 등과 같은 방향 및/또는 참조는 도면의 논의를 용이하게 하기 위해 사용될 수 있고 청구된 주제의 적용을 제한하기 위한 것이 아님을 알아야 한다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 특허 청구범위 및/또는 등가물을 제한하지 않는다.
본 명세서 전체에 걸쳐 한 구현예, 일 구현예, 한 실시예, 일 실시예 등을 언급한 것은 특정 구현예 및/또는 실시예와 관련하여 설명된 특정의 특징, 구조, 및/또는 특성 등이 청구된 주제의 적어도 하나의 구현예 및/또는 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 예를 들어, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 문구에서의 그러한 표현의 출현은 반드시 동일한 구현예 및/또는 실시예 또는 임의의 하나의 특정 구현예 및/또는 실시예를 지칭하지 않는다. 또한, 설명된 특정 특징, 구조, 특성 등은 하나 이상의 구현예 및/또는 실시예에서 다양한 방식으로 결합될 수 있고 그에 따라 의도된 청구범위 내에 있음을 이해해야 한다. 물론, 일반적으로 특허 출원의 명세서의 경우에 항상 그렇듯이, 이들 및 다른 사안들은 특정 사용 환경에서 변할 가능성이 있다. 달리 말하면, 개시 내용 전체에 걸쳐 설명 및/또는 사용의 특정 상황은 당연한 추론에 관한 유용한 지침을 제공한다. 그러나, 마찬가지로, 추가적인 단서없이 "이러한 맥락에서"는 일반적으로 본 개시물의 맥락에서를 의미한다.
일반적인 전기 모터에는 고정자와 회전자가 포함된다. 회전자는 고정자에 의해 제공된 하나 이상의 토크 펄스에 응답하여 고정자에 대해 회전하도록 배치될 수 있다. 토크 펄스는 고정자의 고정자 톱니 상에서 발생된 하나 이상의 전자기장(EMF)을 적어도 부분적으로 기초로 할 수 있다. 이 EMF는 고정자 톱니를 감싸고 있는 코일 권선을 통해 전류를 구동함으로써 생성될 수 있다. 하나 이상의 EMF는 회전자의 하나 이상의 톱니에 인력 또는 반발력을 제공할 수 있으며, 회전자의 하나 이상의 톱니에 토크를 가하여 고정자 톱니에 대해 상대적으로 움직일 수 있으며, 이와 관련하여 하나 이상의 EMF가 생성된다. 차례로, 회전하는 회전자는 전기 모터의 구동축과 같은 축에 토크를 가하여 회전시킬 수 있다. 그러나, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 회전자의 원하는 회전 속도를 달성하는 것은 복잡하거나 어렵다.
예로서, 일부 전기 모터 유형은 단위 시간당 높은 회전수(예를 들어, RPM)로 회전할 수 있다. 그러나 몇몇 그러한 모터의 경우, 높은 RPM에서, RPM이 최대 회전 속도 임계값에 도달하면 전달되는 토크가 0에 가까워 질 수 있다. 이와 대조적으로, 일부 전기 모터는 효율적으로 작동할 수 있고(예컨대, 고출력 밀도 및 고 토크 출력), RPM이 최대 회전 속도 임계치에 접근할 때 토크를 전달할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 원하는 회전 속도는 동작 특성의 외부와 같이, 전기 모터를 비효율적으로 작동시킴으로써 달성될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 효율적으로 작동하고, 원하는 회전 속도를 달성할 수 있고 그리고/또는 높은 회전 속도에서 원하는 토크 출력을 제공할 수 있는 전기 모터에 대한 요구가 있을 수 있다. 본 명세서에 언급된 바와 같이, 전기 모터의 효율은 하나 이상의 전기 펄스의 형태와 같은 전기 모터에 대한 파워 입력에 대한 회전자에 의해 축에 제공되는 토크의 형태와 같은 전기 모터로부터의 파워 출력의 비를 의미한다. 일 구현예에서, 원하는 효율을 달성하기 위해, 고정자 톱니는 원하는 자계 상호 작용을 위해 회전자 톱니에 상대적으로 배치될 수 있다.
특정 구현예에서, 효율적인 전기 모터는 비효율적인 모터보다 많은 전력을 생성할 수 있다. 전기 모터의 전력 밀도는 단위 부피당 전력 측정값을 나타내며 종종 W/㎥로 표시된다. 따라서, 예를 들어 24 개의 고정자 톱니와 16 개의 회전자 톱니를 갖는 제 1 전기 모터는 모터 사이클 당 하나의 고정자 톱니 상에 하나의 EMF를 생성함으로써 제 1 전력 밀도를 갖도록 구성될 수 있다. 이와 대조적으로, 또한 24 개의 고정자 톱니 및 16 개의 회전자 톱니를 가지는, 제 1 전기 모터와 대략 동일한 체적의 제 2 전기 모터는 거의 동시에 4개의 고정자 톱니 상에 EMF를 생성함으로써, 제 1 전력 밀도의 대략 4배의 제 2 전력 밀도를 가지도록 구성될 수 있다. 차량용 전기 모터와 같은 일부 응용에서는 높은 출력 밀도가 바람직할 수 있다.
전술한 바와 같이, 또한 높은 회전 속도를 갖는 전기 모터에 대한 요구가 있을 수 있다. 예를 들어, 드론의 전기 모터는 분당 4,000, 5,000, 10,000 회 이상 회전할 수 있다. 그러나, 예를 들어 많은 수의 폴을 가진 일부 스위치드 릴럭턴스 전기 모터와 같은 적어도 몇몇 경우에는, 전기 모터가 원하는 회전 속도로 회전할 수 없거나, 원하는 효율 레벨에서 작동하는 동안 원하는 속도로 회전할 수 없을 수도 있고, 또는 높은 RPM에서 충분한 파워 또는 토크 출력을 제공하지 못할 수도 있다. 도 3a는 24 개의 폴(예를 들어, 고정자 톱니) 및 16 개의 회전자 톱니를 갖는 예시적인 스위치드 릴럭턴스 모터에 대한 샘플 고정자/회전자 배열을 도시한다. 이 예의 모터는 효율적으로 작동하고 낮은 RPM에서 높은 전력 밀도와 토크 출력을 가질 수 있다. 예를 들어, 하나의 그러한 전기 모터는 회전자의 회전 속도를(예를 들어, 충전 및/또는 방전 시간에 의해) 제한할 수 있는 하나 이상의 전기 부품을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비교적 많은 수의 고정자 코일의 충전 및 방전, 일례의 전기 모터의 구동기 회로의 커패시터 또는 스위칭 소자의 충전 및/또는 방전 등은 전기 모터의 충전 사이클에 투입할 시간과 같은, 시간적 제약을 부과할 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 고정자 코일을 충전 및/또는 방전하고, 커패시터를 충전 및/또는 방전하는 시간 등은 전기 모터가 단위 시간 동안 수행할 수 있는 사이클의 수를 제한할 수 있다. 따라서, 시간 관련 제약을 극복하고 원하는 회전 속도를 달성하고자 하는 바람이 있을 수 있다.
전술한 바와 같이, 그리고 효율적으로 작동하는 것 이외에도, 특정 전기 모터의 회전 속도를 증가시키고자 하는 바람이 있을 수 있다. 또한, 기계식 기어링 시스템, 변속기 등에 의해 부가되는 복잡성과 같이, 전기 모터에 복잡성을 추가하지 않고 그렇게 하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 언급 한 바와 같이, 전기 모터가 소정의 단위 시간 동안 수행할 수 있는 사이클의 수를 제한하는 것과 같이, 원하는 회전 속도를 달성하기 위해 전기 모터의 능력을 방해할 수 있는 하나 이상의 요인이 있을 수 있다. 논의될 바와 같이, 원하는 회전 속도를 달성하기 위한 하나의 방법은 회전자 톱니의 비 균일한 간격 또는 그룹화의 사용을 포함할 수 있다. 회전자 톱니의 비균일 간격이 어떻게 유용할 수 있는지 이해하기 위해, 균일한 회전자 톱니 간격에 대한 간략한 설명이 먼저 제공된다. 도 3a는 'a' 내지 'p'로 라벨링된 복수의 회전자 톱니를 갖는 회전자(12)를 포함하는 회전자 및 고정자 조합을 도시한다. 명백한 바와 같이, 각각의 회전자 톱니 a-p 사이의 간격은 대략 균일하다. 고정자(14)는 설명의 용이함을 위해 도 3a에서 그룹 번호 1-4로 그룹화되고, 각 그룹마다 1-6으로 라벨링된 복수의 고정자 톱니를 가질 수 있다. 또한, 도 3a-3c는 하나 이상의 EMF에 응답하여 상이한 시간에 고정자(14)에 대한 회전자(12)의 배치를 도시한다. EMF의 형성을 나타내기 위해, 도 3a-3c는 EMF 방향을 나타내기 위해 'N' 또는 'S'의 표시와 함께 "활성" 고정자 톱니(예를 들어, 전류가 고정자 톱니를 감싸는 코일 권선을 통해 펄스화되는 고정자 톱니)를 나타내기 위해 고정자 톱니에 경사선 패턴 채우기를 사용한다. 따라서, 회전자(12)에 가장 가까운 극단에서 'N'을 갖는 고정자 톱니는 회전자(12)에 가장 가까운 극단에서 'S'를 갖는 고정자 톱니와 비교할 때 대략 반대 EMF를 가질 수 있다. 예를 들어, 하나의 경우, 그룹 1의 고정자 톱니 1은 그룹 1의 고정자 톱니 4에 비해 대략 반대 방향의 EMF를 가질 수 있다.
제 1 시간, t0에서, 전류는 선택된 고정자 톱니의 코일 권선을 통해 드라이빙(drive)되어 회전자(12)의 하나 이상의 톱니에 토크를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 3a는 EMF가 발생되고 토크가 회전자(12)에 제공되는 "활성" 상태의 그룹 1-4 각각의 톱니 1 및 4를 도시한다. 예컨대, 전원으로부터의 하나 이상의 전류 펄스는 그룹 1-4 각각의 고정자 톱니 1의 하나 이상의 코일 권선을 통해 드라이빙될 수 있으며, 그룹 1-4의 각각의 고정자 톱니 1의 가장 가까운 극단에 도시된 N 극으로 표시된 바와 같은, 필드가 형성될 수 있다. 형성된 EMF는 회전자 톱니, a, e, i, 및 m과 상호 작용할 수 있고 회전자(12) 상에 토크를 제공할 수 있다. 그룹 1 내지 그룹 4의 고정자 톱니 1 각각에 의해 제공되는 토크는 ω1의 각 회전과 같은 회전자(12)의 이동을 유발할 수 있다. 각 회전, ω1에 대한 라벨은 그룹 번호 4의 회전자 톱니 a와 고정자 톱니 1 사이에서만 도시되었지만, 이것은 단지 도 3a의 가독성을 유지하기 위한 것일 뿐이다. 회전은 일반적으로 라디안의 관점에서 생각되는 반면, 또한 도 3은 d1에 의해 도시된 바와 같이, 회전자 톱니의 극단에서의 점이 EMF에 응답하여 이동할 수 있는 아크의 길이를 도시한다. 이와 유사하게, 하나 이상의 전류 펄스는, 예컨대, 전하를 다시 캡쳐하기 위한 전하 저장 장치(이후에 더 상세히 설명 됨)로부터 그룹 1 내지 4의 각각의 고정자 톱니 4의 하나 이상의 코일 권선을 통해 드라이빙될 수 있고, 대응하는 EMF는 그룹 1 내지 그룹 4의 고정자 톱니 4 상에 도시된 S 극의 위치에 의해 표시된 바와 같이 형성될 수 있다. 그룹 번호 1-4의 고정자 톱니 4 상에 형성된 EMF는 또한 토크를 제공하고 회전자(12)의 회전에 기여할 수 있다.
도 3b 및 3c는 고정자(14) 및 회전자(12)의 후속 동작을 도시한다. 예를 들어, 전하가 그룹 번호 1-4의 고정자 톱니 1 및 4의 코일 권선을 통해 드라이빙된 후, 전하는 도 3b에 도시된 바와 같이 그룹 번호 1 내지 4의 고정자 톱니 2 및 5의 코일 권선을 통해 드라이빙될 수 있다. 그룹 번호 4의 고정자 톱니 2 상에 생성된 EMF와 회전자 톱니 b 사이와 같은, EMF와 회전자 톱니의 상호 작용은, 각 회전, ω2 및 d2로 도시된 아크를 따른 길이로 표시된 바와 같이, 회전자(12)의 추가 회전을 유발할 수 있다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 전류는 그룹 번호 1-4의 고정자 톱니 3 및 6의 코일 권선을 통해 드라이빙될 수 있으며, 차례로 대략 ω3(또한 아크 d3을 따른 길이로 도시됨)의 회전자(12)의 회전을 생성할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 모터 사이클 동안 회전자(12)가 회전하는 회전 거리는 대략 동일하다(예컨대, ω1
Figure pat00001
ω2
Figure pat00002
ω3).
따라서, 각각의 활성 고정자 톱니가 회전자(12)의 회전에 대한 파워(P)를 갖는 토크에 기여한다면, 8 개의 상이한 고정자 톱니가 8 개의 상이한 EMF를 생성하기 때문에 특정 사이클의 전력 밀도는 8P일 수 있다. 그러나, 원하는 고정자 톱니의 코일 권선을 통해 전류를 구동하기 위해 최소 시간 기간이 필요한 경우, 그 시간 기간은 단위 시간당 이동될 수 있는 회전 아크(예를 들어, 회전자 톱니의 극단에서의 아크에 의해 도시된)를 따라 가능한 길이에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 도 2a-2c의 코일 권선(18), 스위치(S) 및 전하 저장 장치(C)를 시간 관련 제약에 기여할 수 있는 전기 모터의 요소로서 취한다면, 시간, ti은 코일 권선(18)의 충전 및 방전, 스위치(S)의 스위칭 거동 및/또는 전하 저장 디바이스(C)의 충전 및 방전에 사용될 수 있다. 따라서, 단위 시간당 도 3a의 회전자 톱니 a와 같이, 주어진 회전자 톱니에 의해 이동될 수 있는 최대 각 거리(예를 들어, 라디안)는 전하 저장 장치(C)의 충전 및 방전 및/또는 스위치(S)의 스위칭 거동을 위한 시간 ti에 의해 제한될 수 있다.
예시적인 방법으로, 간략함을 위해 시간, ti이 약 2.0ms와 동일하다고 가정하면(예를 들어, 약 1.0 ms에서 EMF가 고정자 톱니에서 형성되고 추가의 대략 1.0 ms에서 EMF가 방전됨), 회전자(12)의 최대 회전 속도를 결정할 수 있다. 완전한 회전이 2π 라디안이고 도 3a-3c에 24 개의 고정자 톱니가 존재하기 때문에, 각 충전/방전 사이클 ti에서, 회전자(12)는
Figure pat00003
라디안(예를 들어,
Figure pat00004
) 만큼 회전할 것이다. 이것은
Figure pat00005
rads/sec의 초당 회전 속도를 산출하며, 이것을 RPM으로 변환하면 약 1250 RPM을 산출한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 이 예시적인 회전 속도는 드론 모터와 같은, 특정 애플리케이션을 위해 요구되는 약 4,000 내지 10,000 또는 그 이상의 RPM보다 충분히 짧다.
전술한 바와 같이, 하나의 전기 모터 실시예에서, 종래의 균일한 회전자 톱니 간격을 갖기 보다는, 회전자(12)는 원하는 회전 속도를 달성하기 위해(예를 들어 원하는 회전 속도에서 원하는 전력 밀도 및 토크 출력을 여전히 가질 수 있도록) 회전자 톱니의 비균일한 각도 간격을 가질 수 있다. 도 4a는 회전자 톱니의 비균일한 각도 간격을 갖는 회전자의 예시이다. 여기서 사용된 바와 같이, 비균일한 각도 간격은 인접한 회전자 톱니들 사이의 상이한 각도 분리를 나타낸다. 예를 들어, 도 4a는 회전자 톱니 a 및 b 사이의 각도 간격이 θ이고, 회전자 톱니 h 및 a 사이의 각도 간격이 ω이고, θ ≠ ω 인 실시예를 도시한다. 비균일한 각도 간격은 제 2 각도 간격과 비교할 때, 회전자 톱니 사이의 하나의 각도 간격 또는 분리로 인한 회전자 톱니 간의 분리 비율(예를 들어, θ:ω)로 간주될 수 있다. 한편, 도 4a는 약 3:1의 각도 간격(예를 들어, 각도 θ가 각도 ω의 약 3 배임)을 갖는 실시예를 도시하지만, 2:1, 2.5:1, 3:1, 3.5:1, 4:1, 5:1 등을 포함하는 다른 비균일한 각도 간격 비율이 사용될 수도 있고, 이에 제한되지도 않는다. 비균일한 각도 간격을 사용하면 회전자가 전기 모터의 사이클 당 더 많은 라디안을 회전할 수 있다. 실제로, 도 4a에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 전류 펄스는 고정자(14)의 그룹 번호 4에서의 고정자 톱니 번호 4 둘레에 감긴 하나 이상의 코일 권선을 통해 드라이빙될 수 있다. 하나 이상의 전류 펄스는 회전자(12)의 회전자 톱니 b 상에 인력의 형태와 같은, 토크를 제공할 수 있는 EMF를 발생시킬 수 있다. 이러한 토크에 응답하여, 회전자(12)는(예를 들어, 회전자 톱니 b의 극단에서의 점이 회전 아크, d1을 따른 길이만큼 이동하도록) 각도 거리(θ)를 회전시킬 수 있다. 도 4b는 후속 포인트를 도시하는데, 이 포인트에서 4 개의 다른 고정자 톱니, 즉 그룹 번호 1-4의 고정자 톱니 2가 특정 회전자 톱니(예를 들어, 회전자 톱니 b, d, f, 및 h)와 함께 EMF를 발생시켜 회전자(12)상의 토크를 제공한다.
비균일한 각도 간격 비율을 고려하는 것과 더불어, 고정자 톱니 대 회전자 톱니의 비의 관점에서 비균일한 각도 간격을 고려하는 것도 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 도 3a-3c의 실시예는 3:2의 고정자 톱니 대 회전자 톱니의 비를 포함한다. 이러한 배열이 적어도 부분적으로 많은 수의 폴(예를 들어, 24)에 기인하여 높은 토크 출력 및 높은 전력 밀도를 제공할 수 있으나, 전기 모터 구현은 원하는 RPM에서 회전할 수 없을 수도 있다. 이와 대조적으로, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 3:1의 고정자 톱니 대 회전자 톱니 비를 선택함으로써, 전기 모터가 도 3a-3c의 실시예보다 높은 RPM으로 동작하는 것이 가능해질 수 있다.
일 구현예에서, 회전 속도는 이후 더 상세히 논의되는 바와 같이 상이한 전하 소스로부터의 토크 펄스들을 교대함으로써 증가될 수도 있다.
주어진 시간에 8개의 고정자 톱니가 회전자(12)에 토크를 제공하는 도 3a-3c에 도시된 실시예와 달리, 도 4a 및 4b의 실시예는 4개의 고정자 톱니를 이용하여 회전자(12)에 토크를 제공한다. 따라서, 임의의 주어진 토크에 대한 전력 밀도는 도 3a-3c의 실시예의 8P의 전력 밀도와 비교하여 단지 4P이다. 따라서, 비균일한 각도 간격 구현에서의 전력 밀도는 일 구현예에서 전통적인 전기 모터의 전력 밀도의 약 절반일 수 있다. 그러나, 이와 대조적으로 회전 속도는 전통적 접근법의 회전 속도보다 약 4 ~ 5 배 높을 수 있다. 실제로, 코일 권선, 전하 저장 장치 및/또는 스위치(S)의 모든 충전/방전 사이클에 대해, 회전자 톱니는 대략 θ/2 또는
Figure pat00006
rads의 각 거리(예를 들어, 대략 d1의 아크 길이)를 이동할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 코일 권선의 충전/방전은 단위 시간에 증가된 각 회전을 유도하기 위해, 예컨대, 적어도 부분적으로 중첩되도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 4b를 참조하면, 그룹 번호 4의 고정자 톱니 2 둘레에 감긴 코일 권선의 충전이 그룹 번호 4의 고정자 톱니 4 둘레에 감긴 코일 권선의 방전 동안 발생하도록 조정된다면, 2 ms 충전/방전 사이클 동안 회전자(12)가 약 θ 또는
Figure pat00007
rads 만큼 회전하는 것이 가능할 수 있다. 따라서, 회전자(12)의 회전 속도는 균일한 간격의 회전자 톱니 실시예 보다 대략 3.5-4 배 이상 클 수 있다. 이와 같이, 회전자(12)는 약 4375 RPM 이상으로 회전할 수 있다. 회전자 톱니의 비균일한 각도 간격은 더 높은 회전 속도가 요구되는 경우와 같은, 몇몇 경우에 유리할 수 있다는 것을 알 수 있다.
비균일한 각도 간격을 갖는 회전자의 이점을 더 설명하기 위해, 일 실시예가 도 5에 제시되는데, 여기서 회전자 톱니는 임의의 주어진 2개의 회전자 톱니 사이에 일정한 각도 간격으로 이격되어 있다. 예를 들어, 도 5는 회전자 톱니 a와 b 사이의 각도 간격이 ω0이고 회전자 톱니 h와 a 사이의 각도 간격 또한 ω0임을 보여준다. 그러나, 회전자 톱니의 각도 간격이 균일하고, 또한 회전자 톱니 사이의 간격이 크기 때문에, 도시된 바와 같이, 모든 회전자 톱니가 주어진 시간에 고정자 톱니와 나란하게 되는 것이 가능할 수 있다. 이러한 맥락에서, 고정자와 회전자 톱니의 정렬은 고정자의 톱니에 생성된 EMF가 회전자 톱니의 대향하는 면에서 거의 동등하게 상호 작용하도록, 고정자의 톱니에 대한 회전자 톱니의 위치를 나타낸다. 예를 들어, 생성된 EMF의 제 1 부분은 회전자 톱니의 제 2 부분상의 생성된 EMF의 제 2 부분과 크기는 거의 동등하지만 방향은 반대로, 회전자 톱니의 제 1 부분에 힘을 가할 수 있다. 이와 같이, 생성된 EMF는 회전자 톱니에 토크를 제공하지 못할 수도 있다. 코일 권선이 고정자 톱니의 외측면에 감겨 있는 도 1a에 도시된 실시예에서, 회전자 톱니의 단부면이 고정자 톱니의 단부면과 대면하고, 회전자 코어의 중심으로부터 회전자 톱니의 중심 축선을 관통하는 축선이 또한 고정자 톱니의 중심 축을 대략 통과하는 경우에, 회전자 톱니는 고정자 톱니와 나란할 수 있다.
도 5의 균일한 각도 간격 실시예는 적어도 부분적으로 회전자 톱니의 많은 개수로 인해(그리고 결과적으로, 회전자 톱니 사이의 작은 공간으로 인해), 회전자(12)의 복수의 톱니들은 임의의 주어진 시간에 고정자 톱니와 나란하지 않을 수 있는, 도 3a-3c의 실시예와 대조될 수 있다. 모든 회전자 톱니가 대응하는 고정자 톱니와 나란한 위치에 있다면, 도 5의 경우와 같이, 생성된 EMF가 회전자(12)의 회전을 용이하게 하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 실제로, 도 5의 실시예에서, 전류가 그룹 번호 1-4의 고정자 톱니 1의 코일 권선을 통해 드라이빙되어 회전보다는 회전자(12) 상에 회전을 부여하려고 한다면, 생성된 EMF는 회전자(12)를 구속할 수 있다. 모든 회전자 톱니가 동시에 정렬되는 것이 가능할 수 있는 구현예에서, 예를 들어, 토크를 제공하고 시작 위치로부터 회전자(12)의 회전을 개시하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 명백한 바와 같이, 예컨대, 모든 회전자 톱니가 동시에 고정자 톱니들과 정렬되는 상황을 피하기 위해, 회전자 톱니의 비균일한 각도 간격이 바람직할 수 있다.
또한, 도 5의 실시예에서, 회전자 톱니의 균일한 각도 간격으로 인해, 회전자 톱니 사이의 더 작은 분리 또는 갭이 존재할 수 있음을 알 수 있다. 비교의 용이함을 위해, 각도 간격은 인접한 회전자 톱니의 축들 사이에 끼워질 수 있는 다수의 고정자 톱니로 생각할 수 있다. 예를 들어, 도 4a는 회전자 톱니 a 및 b를 가로 지르는 축을 도시하며, 또한(예를 들어, 회전자(12)가 약간 회전되는 경우) 회전자 톱니 a 및 b의 축 사이의 각도 간격으로 약 4.5 개의 고정자 톱니가 끼워질 수 있음을 보여준다. 그리고 도 4의 각도 간격과는 대조적으로, 도 5의 균일 각도 간격에서는, 회전자 톱니 a 및 b 사이의 각도 분리는 대략 3 개 이하의 고정자 톱니가 회전자 톱니 및 b의 축 사이에 배치될 수 있도록 되어 있다. 이해되어야 하는 바와 같이, 회전자 톱니의 각도 간격과 회전 속도 사이에는 관계가 존재한다. 실제로, 특히 회전자 톱니 사이의 각도 간격이 증가함에 따라, 회전 속도가 증가할 수 있다. 결과적으로, 예컨대, 더 높은 회전 속도를 달성하기 위해, 회전자 톱니 균일한 각도 간격이 또한 바람직할 수 있다.
대안으로서, 인접한 회전자 톱니들 사이의 이격은 회전자 톱니(예를 들어, 도 4a의 회전자 톱니 b)의 내측면의 극단과 인접한 회전자 톱니(예를 들면, 도 4a의 회전자 톱니 a)의 인접한 내측면 사이의 아크 길이로 고려될 수 있다. 예를 들어, 도 4a는 회전자 톱니 a 및 b 사이의 부분 아크를 도시한다. 이 아크 길이의 측정은 각도 간격을 비교하기 위한 메커니즘을 제공할 수 있으며, 도 4a에서와 같이, 비 균일 각도 간격의 환경에서, 회전자의 하나의 각도 간격을 다른 각도 간격과 비교하는 통찰력 및 능력을 제공할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 일 구현예에서, 상이한 아크 길이에 기초하여, 도 4a의 회전자 톱니 a 및 b 사이의 각도 간격은 도 4a에서의 회전자의 톱니 a 및 h 사이의 각도 간격과 상이하다는 것이 판정될 수 있다. 마찬가지로, 각도 간격을 비교하는 이러한 방법은 또한, 예를 들어, 도 5에서, 회전자 톱니 a 및 b 사이의 각도 간격 ω0이 이 회전자 톱니 a 및 h 사이의 각도 간격 ω0과 다르지 않다는 판정을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 아크 길이의 관점에서 주어진 각도 간격의 비교는 또한 비율로 표현될 수 있다. 예를 들어, 도 4a에서와 같은 비 균일 구현예에서, 하나의 각도 간격 대 다른 각도 간격의 비율은 4.5 대 1일 수 있다. 물론, 2:1, 2.5:1, 3:1, 3.5:1, 4:1, 5:1 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다른 비율이 본 발명에 의해 고려될 수 있다.
전술한 바를 고려하여, 회전자 톱니들 사이의 각도 간격이 완전히 정렬된 회전자 톱니를 산출하지 않도록 회전자(12)의 톱니를 배열하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 도 4a의 회전자의 톱니 a 및 h를 참조하면, 회전자 톱니 h가 그룹 번호 3의 고정자 톱니 6과 나란할 때, 회전자 톱니 a는 그룹 번호 4의 고정자 톱니 1 또는 2 중 어느 하나와 나란하지 않고, 그룹 번호 3의 고정자 톱니 1 또는 2 중 어느 하나와 나란하지 않다. 따라서, 제한하는 것은 아니지만, 고정자 톱니 간격, 원하는 RPM 등을 포함하는 설계 기준에 적어도 부분적으로 기초하여 회전자 톱니의 각도 간격을 선택해야 한다는 것이 명백해야 한다.
회전자 트렌치(trench) 깊이의 선택은 또한 회전 속도에 기여할 수 있다. 도 6은 회전자 톱니의 비균일한 각도 간격을 갖는 예시적인 전기 모터를 도시한다. 회전자(12)는 실선으로 도시되어 있고 대안의 회전자(12')는, 단지 설명의 편의를 위해, 파선을 사용하여 겹쳐 있다. 도시된 바와 같이, 회전자의 선택은 또한 주어진 고정자 톱니 상에서 생성된 EMF의 크기를 고려할 수 있다. 실제로, 그룹 번호 2의 고정자 톱니 4에 생성된 예시적인 EMF, EMF 50는 포스 라인(force line)을 사용하여 설명된다. 다수의 거리가 또한 도 6에 도시되어있다. 예를 들어, 그룹 번호 2의 고정자 톱니 4의 극단과 회전자(12)의 코어 사이에는 제 1 거리(d1)가 도시되어있다. 비교하면, 제 2 거리(d2)는 그룹 번호 2의 고정자 톱니 4의 극단과 회전자(12 ')의 코어 사이에 도시되어있다. 또한, 그룹 번호 2의 고정자 톱니 4와 회전자 톱니 f 사이에는 거리(d3)가 도시되어있다. 이러한 거리들은 회전자의 선택 및/또는 배열을 설명하는 역할을 할 것이다.
일 실시예에서, 하나 이상의 전류 펄스는 그룹 번호 2의 고정자 톱니 4와 같은 고정자 톱니의 하나 이상의 코일 권선을 통해 드라이빙될 수 있다. 전류 펄스는 EMF(50)와 같은 EMF를 생성할 수 있다. 몇몇 경우, EMF(50)은 가장 가까운 구조와 상호 작용하려는 경향이 있다. 이와 같이, 일 실시예에서, EMF(50)는 회전자 톱니 f 보다는 회전자(12)의 코어에 토크를 가하도록 시도할 수 있다. 회전자 코어보다는 회전자 톱니와의 EMF 상호 작용을 용이하게 하기 위해, 회전자(12 ')와 같은 회전자 프로파일을 선택하는 것이 바람직할 수 있으며, 여기서 고정자 톱니와 회전자 코어 사이의 거리(d2)는 고정자 톱니와 인접한 회전자 톱니 사이의 거리(d3)보다 크다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 트렌치 깊이는 도 6에서 거리(dt)로 근사화된 것과 같이 회전자 톱니 극단과 회전자 코어 사이의 거리를 나타낸다. 따라서, 전기 모터의 일 실시예에서, 회전자(12 ')는 회전자(12)와의 EMF 상호 작용을 위해, 회전자(12')의 코어와의 EMF 상호 작용을 감소시키기에 충분한 트렌치 깊이로 선택될 수 있다.
전술한 바와 같이, 트렌치 깊이의 선택은 적어도 부분적으로 고정자 톱니에서 발생될 EMF의 크기에 기초할 수 있다. 그러나, 일부 구현예에서, 적합한 트렌치 깊이는 도 6의 ds에 의해 도시된 바와 같이 회전자의 가장 큰 각도 간격의 인접한 회전자 톱니 사이의 아크 길이의 ½ 보다 크거나 같은 트렌치 깊이(dt)를 선택함으로써 결정될 수 있다. 이러한 관계는 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00008
부가적으로, 전술한 바와 같이, 적어도 EMF가 가장 가까운 구조와 상호 작용하는 경향이 있기 때문에, 몇몇 경우에, EMF(50)는 회전자 톱니 f와 같은 회전자 톱니가 아니라, 인접한 고정자 톱니(예를 들어, 그룹 번호 2의 고정자 톱니 3 및 5)와 상호 작용을 시도할 수 있다. 전기 모터의 하나 이상의 부품 또는 부분을, EMF(50)가 고정자 톱니가 아니라 회전자 톱니와 상호 작용하게 하도록 구성하는 것이 바람직할 수 있다. 일 실시예에서, 이것은 인접한 고정자 톱니 상에 부분적 EMF를 발생시킴으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 7은 회전자 및 고정자 톱니들의 서브셋을 도시하며, 예컨대, EMF를 발생시키기 위해, 하나 이상의 전류 펄스가 그것을 통해 드라이빙될 수 있는 고정자 톱니를 나타내기 위해 사선을 사용한다. 사선 패턴의 근접성은 상이한 EMF 크기를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 도 7은 회전자 톱니 20(2)와 같은, 회전자 톱니에 토크를 제공하기 위해 사용될 수 있는 고정자 톱니 16(2)를 도시한다. 그러나, 고정자 톱니 16(2)와 회전자 톱니 20(2) 사이의 거리가 고정자 톱니 16(2)와 16(1) 사이의 거리보다 클 수 있으므로, 예컨대, 고정자 톱니 16(2)의 코일 권선을 통해 원하는 레벨의 전류를 인가함으로써, 고정자 톱니 16(2) 상에 생성된 EMF는 회전자 톱니 20(2) 대신 고정자 톱니 16(1) 및 16(3)과 상호작용할 수 있다. 따라서, 고정자 톱니 16(2))의 EMF가 회전자 톱니 20(2)와 상호 작용하게 하는 것이 바람직할 수 있다.
일 실시예에서, 고정자 톱니 16(1) 및 16(3)과 같은 인접 고정자 톱니 상에 EMF를 발생시키는 것은 고정자 톱니 16(2)상의 EMF와 회전자 톱니 20(2)의 상호 작용을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, EMF가 고정자 톱니 16(1) 및 16(3) 상에 발생되고 고정자 톱니 16(2)의 것의 대략 절반이라면, 고정자 톱니 16(2)상의 EMF는 고정자 톱니 16(1) 또는 16(3)와 상호 작용하기보다는 회전자 톱니 20(2)에 토크를 제공할 수 있다. 예를 들어, 보다 작은 크기의 인접 EMF가 존재하여, 고정자 톱니 16(2))상의 EMF가 인접한 고정자 톱니 16(1) 및 16(3)와 상호 작용하는 경향이 없어질 수 있다.
일 실시예에서, 하나 이상의 DC 전류 펄스와 같이 유동 파면을 생성하는 것이 가능할 수 있다. 유동 파면은 다양한 크기의 EMF를 갖는 고정자 톱니들의 그룹(예를 들어, 도 7의 고정자 톱니 16(1), 16(2) 및 16(3)을 지칭하며, EMF 웨이브는 고정자 주위를 돌아 다니며 파를 시뮬레이션 한다. 아래의 표 1은 유동 파면의 그러한 고정자 및 회전자 조합 구현이 어떻게 동작할 수 있는지를 보여준다. 표 1은 서로 다른 시간 ti에서의 EMF 크기 수준을 나타내는 값을 포함한다. 고정자 톱니 상에 발생하는 EMF의 크기는 설명의 편의를 위해 임의의 단위 값으로 표시한다.
Figure pat00009
일 실시예에서, DC 펄스들과 같이, 고정자(14)의 고정자 톱니를 따른 유동 파면을 형성하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 제 1 시간, t0에서, 고정자 톱니 16(2) 둘레에 감긴 코일 권선을 통해 전류를 펄스 화시킴으로써 회전자(12)에 토크를 제공하기 위해 고정자 톱니 16(2) 상에 EMF가 형성될 수 있다. 시간 t0에서, 인접한 고정자 톱니 16(1) 상에 미리 형성된 EMF는 시간 t0을 포함하는 시간 기간에 걸쳐 감소할 수 있으며, 고정자 톱니 16(2) 상에 형성된 EMF의 크기의 대략 1/2이다. 시간 t0에서, 인접한 다른 고정자 톱니인 고정자 톱니 16(3)은, 예컨대, 후속 EMF 펄스가 회전자 톱니에 토크를 제공하게 하기 위해 준비될 수 있으며, 전류는 고정자 톱니 16(3)의 코일 권선을 통해 전달되기 시작할 수 있다. 따라서, 시간 t0에서, 고정자 톱니 16(3) 상에 형성된 EMF는 고정자 톱니 16(2) 상에 형성된 EFM의 대략 절반과 동일한 크기를 가질 수 있다. 따라서, 시간 t0에서, 고정자 톱니 16(2)에 인접한 고정자 톱니 16(1) 및 16(3) 상에 형성된 EMF는 고정자 톱니 16(2)에서 발생된 EMF의 크기의 대략 절반 일 수 있다. 고정자 톱니 16(2)를 둘러싸는 고정자 톱니 16(1) 및 16(3) 상의 대략 절반 크기의 EMF가 존재하여, 고정자 톱니 16(2) 상에 형성된 EMF가 인접한 고정자 톱니 16(1) 및/또는 16(3)가 아니라, 회전자 톱니 20(2)와 상호 작용할 수 있게 된다. 회전자 톱니 20(2)와 고정자 톱니 16(2)의 EMF 사이의 상호 작용은 토크를 제공하고 회전자(12)가 고정자(14)에 대해 회전하게 할 수 있다.
후속의 시각, t1에서, 고정자 톱니 16(1)상의 EMF는 모두 사라졌을지라도, 고정자 톱니 16(2)상의 EMF는 t1을 포함하는 기간 동안 감소될 수 있고(예를 들어, 시간 t0에서 EMF의 대략 절반과 같을 수 있음), 고정자 톱니 16(3)상의 EMF는 t0에서 그 크기의 약 2 배가 될 수 있다. 또한, 예컨대, 고정자 톱니 16(4) 둘레에 감긴 코일 권선을 통해 하나 이상의 전류 펄스를 구동시킴으로써, 고정자 톱니 16(4) 상에 EMF가 생성될 수 있고, 이 EMF는 고정자 톱니 16(3) 상에 생성되는 EMF 크기의 약 절반의 크기를 가질 수 있다. 따라서, 시간 t1에서 고정자 톱니 16(2) 및 16(4) 상의 EMF의 크기는 고정자 톱니 16(3)상의 EMF 크기의 약 절반 일 수 있다. 이와 같이, 예컨대, 고정자 톱니 16(3) 주위에 감긴 코일 권선을 통해 전류를 펄스 화시킴으로써 생성된 EMF는 회전자 톱니 20(2)와 상호 작용하여 회전자(12)에 토크를 제공할 수 있다.
그리고, 후속 시간 t2에서, 고정자 톱니 16(2)상의 EMF는 모두 사라졌을지라도, 고정자 톱니 16(3)상의 EMF는 t2를 포함하는 기간에 걸쳐 감소할 수 있고, t1에서의 그 크기의 약 절반 일 수 있으며, 고정자 톱니 16(4)상의 EMF는 시간 t1의 EMF의 대략 2 배의 크기를 가질 수 있다. 또한, EMF는 인접한 다른 고정자 톱니(예를 들어, 도 7에 도시되지 않은 고정자 톱니 16(5))상에서 그 시간 기간에 걸쳐 증가할 수 있다. 따라서, 고정자 톱니 16(4) 상의 EMF 크기의 약 절반인 EMF 크기를 가지고, 고정자 톱니 16(4)상의 EMF는, 예컨대, 회전자(12)에 토크를 제공하기 위해 회전자 톱니 20(2)와 상호 작용할 수 있다. 또한, 도 4a 및 도 4b의 것과 같은 일 실시예에서, 시간 t2에서, 고정자 톱니 16(0)는 충전을 시작할 수 있고 고정자 톱니 16(4)의 대략 절반의 EMF를 가질 수 있다.
후속 고정자 톱니에 EMF가 생성되면, 도 7 및 표 1을 참조하여 설명된 파면-형 행동이 계속될 수 있다. 일 실시예에서, 회전자(12)에 하나 이상의 토크를 제공하기 위해 양 및 음의 크기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 그룹 번호 2 및 4의 고정자 톱니 4 상에 제 1 크기 및 제 1 배향(예를 들어, 회전자(12)에 가장 가까운 S 극을 가짐)의 EMF가 형성될 수 있고, 그룹 번호 1 및 3의 고정자 톱니 4 상에 제 2 크기 및 제 2 배향(예를 들어, 회전자(12)에 가장 가까운 N 극을 가짐)의 EMF가 형성될 수 있다. 또한, 인접한 고정자 톱니(예를 들어, 고정자 톱니 4가 회전자(12)에 토크를 제공하는 데 사용될 경우 고정자 톱니 3 및 5)에 절반 크기의 EMF가 형성될 수 있다. 물론, 이것은 토크가 회전자(12)에 제공될 수 있는 가능한 방법의 한 예일 뿐이다.
일 구현예에서, 예컨대, 생성된 EMF를 통해, 토크 펄스를 조정하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 제 1 시간에 EMF는 2 개 이상의 고정자 톱니 상에 생성될 수 있고, 후속 시간에 EMF는 2 개 이상의 다른 고정자 톱니 등에 생성될 수 있다. 조정된 토크 펄스는, 예컨대, 원하는 출력 파워의 토크 펄스를 제공하기 위해 점증적으로(cumulatively) 동작할 수 있다. 또한, 예컨대, 효율적인 동작을 달성하기 위해, 고정자 톱니의 코일 권선을 통해 드라이빙되는 전하는 후속 시간에 재사용하기 위해 다시 캡쳐될 수 있다. 또한, 도 2a-2c는 전하가 캡쳐되어 후속 시간에 재사용될 수 있는 전기 모터 배열의 일 실시예를 도시한다. 캡쳐되고 재사용되는 전하에 적어도 부분적으로 기초한 토크 펄스는, 예컨대, 회전자의 회전 속도에 기여하기 위해 다른 토크 펄스와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, EMF를 생성하는데 사용된 전하가 도 2a-2c의 전하 저장 디바이스(C)와 같은 전하 저장 디바이스로 드라이빙되는 동안, 전하는 다른 고정자 톱니 16상의 전원으로부터 구동되어 추가적인 토크 펄스를 생성할 수 있다. 따라서, 충전 및/또는 방전 사이클은 회전 속도를 추가로 증가시키기 위해 어느 정도 오버랩될 수 있다. 예를 들어, 도 4a를 참조하면, 그룹 번호 1, 2, 3 및 4의 고정자 톱니 4 둘레에 감긴 코일 권선을 통해 각각의 전하 저장 장치로 전하가 드라이빙되는 토크 펄스의 단부 근처에서, 전하는 그룹 번호 1-4의 고정자 톱니 2에 대응하는 전하 저장 장치로부터 드라이빙되어 도 4b에 도시된 바와 같이 추가적인 토크 펄스를 생성할 수 있다.
도 1a는 회전자(12) 및 고정자(14)를 갖는 예시적인 전기 모터(10)의 도면이다. 회전자(12)는 복수의 회전자 톱니를 가질 수 있으며, 그 중 회전자 톱니(20a 및 20b)가 도 1a에 비 제한적인 예로서 도시되어 있다. 고정자(14)는 도시의 용이함을 위해 전기 모터(10)의 도면 아래에 도시된 고정자 톱니(16)와 같은 복수의 고정자 톱니를 가질 수 있다. 고정자 톱니(16)는 하나 이상의 코일 권선(18)을 포함할 수 있다. 단 하나의 고정자 톱니(16)만이 코일 권선(18)과 함께 도시되어 있지만, 이는 단지 도면의 가독성을 향상시키기 위해 행해진 것임을 이해해야 한다. 마찬가지로, 가독성을 위해 각 회전자 및 고정자 톱니에 부재 번호가 제공되지 않는다. 예를 들어, 고정자 톱니(16), 코일 권선(18) 및/또는 회전자 톱니(20)가 아래에서 설명될 때, 이러한 지정법은 설명의 맥락에 기초하여 적절하게 개별적으로 임의의 관련 고정자 톱니, 코일 권선 및/또는 회전자 톱니에 적용될 수 있음을 이해해야 한다.
도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 전기 모터(10)는 제어기(24), 구동장치(22) 및/또는 서플라이(26)를 포함할 수 있다. 고정자(14), 제어기(24), 구동장치(22) 및/또는 서플라이(26) 사이의 화살표들은 전기 모터(10)의 구성요소들 간의 전기 결합을 나타내며, 이를 통해 신호가 송신 및/또는 수신될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제어기(24)의 프로세싱 요소는 코일 권선(18)을 통해 하나 이상의 전류 펄스를 제공하여, 예컨대, 회전자(12) 상에 토크를 제공하기 위해, 예컨대, 구동기(22)를 통해, 고정자(14)에 하나 이상의 신호를 전송할 수 있다. 여러 가지 중에서도, 제어기(24)는 타이밍을 관리하고, 회전자 방향을 모니터하고, 회전자(12)의 회전 속도를 제어할 수 있다. 구동기(22)는 제어기(24)에 전기적으로 연결될 수 있으며 고정자(14)의 코일 권선으로 하나 이상의 전류 펄스를 전달할 수 있다. 일부 실시예에서, 구동기(22)는 이후에 간단히 논의되는 바와 같이 에너지를 회수하고 재사용할 수 있다.
전하를 다시 캡쳐하고 재사용할 수 있는 전기 모터의 일 구현예가 도 2a-2c에 도시되어 있고, 도 1a의 전기 모터(10)와 같은 전기 모터의 부분들의 단순화된 배열을 포함한다. 도 2a의 예시적인 배열은 코일 권선(18)을 통해 전원(PS)으로부터 전류(I1)를 구동할 수 있다. 전원(PS)은 도 1a에 도시된 서플라이(26)에 대응할 수 있다. 코일 권선(18)을 통한, I1과 같은 전류의 변화는 전자기력을 유도할 수 있다. 스위치(S)가 폐쇄되면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 전류(I1)는 전하를 전하 저장 디바이스(C)로 구동할 수 있다. 전하 저장 장치(C)는 전하를 유지할 수 있는 커패시터와 같은 장치를 나타낸다. 일 실시예에서, 전하 저장 장치(C)에 저장된 전하는, 예컨대, 후속 모터 사이클에서 코일 권선(18)을 통해 다시 전송될 수 있다.
구동기(22)에서 사용 가능한 스위치는 게이트 단자에 인가되는 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 소스와 드레인 단자 사이로 전류가 지나가는 것을 허용하도록, FET와 같은 컨덕팅 엘리먼트(conducting element)로서 동작할 수 있다. 그러나, 바이폴라 트랜지스터, 사이리스터(thyristor), 다이오드, 가변 저항 등과 같은 다른 유형의 장치가 컨덕팅 엘리먼트로서 사용될 수 있으며 청구된 주제가 이와 관련하여 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 이러한 맥락에서, 스위치는 특정 신호에 대해 매우 작거나 무시할 수 있는 정도의 임피던스를 갖는, 제 1 및 제 2 단자 사이의 도전 경로를 제공함으로써, 제 1 및 제 2 단자 사이의 접속을 형성할 수 있는 제 1 및 제 2 단자를 갖는 컨덕팅 엘리먼트를 포함할 수 있다. 하나의 특정 구현예에서, 컨덕팅 엘리먼트는 컨덕팅 엘리먼트의 제 3 단자에 제공된 신호에 적어도 부분적으로 기초하여(예를 들어, 제 3 단자에 인가된 전압 또는 전류를 기초로 하여) 제 1 및 제 2 단자 사이의 임피던스를 변경할 수 있다. 일 양태에서, 컨덕팅 엘리먼트는 "폐쇄"될 수 있고, 그로 인해 제 3 단자에 제공된 신호에 응답하여 제 1 단자와 제 2 단자를 접속시킬 수 있다. 마찬가지로, 컨덕팅 엘리먼트는 "개방"될 수 있고, 그로 인해 제 3 단자에 제공된 다른 신호에 응답하여 제 1 및 제 2 단자를 접속 해제할 수 있다. 일 양태에서, 개방 상태의 컨덕팅 엘리먼트는 회로의 제 1 부분과 제 2 부분 사이의 도전 경로를 제거 또는 분열시킴으로써 회로의 제 1 부분을 회로의 제 2 부분으로부터 절연시킬 수 있다. 다른 양태에서, 컨덕팅 엘리먼트는 제 3 단자에 제공되는 신호에 기초하여 개방 및 폐쇄 상태 사이에서 제 1 및 제 2 단자 사이의 임피던스를 변화시킬 수 있다.
도 2b는 전하 저장 디바이스(C)의 단자에 걸친 전압, V1을 도시한다. 전압(V1)은 전하 저장 장치(C)에 저장된 전류(I1)와 같은 전하를 반영(reflect)할 수 있다. 일부 실시예에서, 커패시터와 같은 전하 저장 장치(C)가 저장된 전하를 방전 시키거나 회로로 다시 전달하려고 시도할 수 있지만, 개방 스위치(S)는 전하 저장 장치(C)에 저장된 전하를 유지하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 스위치(S)를 개방함으로써, 전하 저장 디바이스(C)의 단자들 사이에서 V1로 나타낸 바와 같은 전하는 전하 저장 디바이스(C)에 유지될 수 있다. 이와 같이, 전기 모터의 추후 사이클에서 사용되기 위해, 예컨대, 전하 저장 장치(C)에 전하를 캡쳐함으로써, 원하는 효율을 달성하는 것이 가능할 수 있다.
또한, 명백한 바와 같이, 일 구현예에서, 스위치(S)를 폐쇄 및 개방함으로써 전하 저장 장치(C)의 충전 및 방전을 제어하는 것이 가능할 수 있다. 도 2c는 I2의 형태로 전하 저장 장치로부터 코일 권선(18)을 통해 드라이빙되는 전하를 도시한다. 일 실시예에서, 스위치(S)를 폐쇄함으로써, 전하가 코일 권선(18)을 통해 다시 드라이빙될 수 있고, 제 2 전자기력이 회전자의 회전을 생성할 수 있는 코일 권선(18) 상에 생성될 수 있다. 따라서, 전기 모터의 효율적인 작동은 비 제한적인 예로서 전하 저장 장치 및/또는 스위치를 사용하여 후속 사이클에서 사용하기 위한 전하를 캡쳐함으로써 달성될 수 있다.
일 실시예에서, 전하 구성하는 I2는 전원(PS)으로 다시 드라이빙될 수 있다. 전하는, 예컨대, 배터리 또는 다른 전하 저장 장치에 전하를 저장함으로써 캡쳐될 수 있고, 예컨대, 코일 권선(18)을 통해 드라이빙될 후속 전류 펄스에 전하를 추가함으로써, 재사용될 수 있다.
Figure pat00010
상기 표 2는 복수의 시간(ti)에서 예시적인 코일 권선(18) 및 스위치(S) 및 전하 저장 장치(C)를 포함하는 구동기(예를 들어, 구동기(22) 중 하나의 구동기)의 동작을 도시한다. PS로 표시된 열은 전원(PS)으로부터 드라이빙되는 전하를 지칭하며, 반드시 전원(PS)에 저장된 총 전하를 의미하는 것은 아니다. 따라서, 전원(PS)은 그것이 코일(18)에 저장하는 전하의 개별적인 부분을 전달할 수 있다. 제 1 시간, t0에서, 전하는 도 2a에 도시된 바와 같이 전원(PS)에서 코일 권선(18)으로 드라이빙될 수 있다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 전원(PS)의 단자와 코일 권선(18)의 단자를 가로 질러 제 1 전압(V1)이 생성될 수 있다. 제 2 시간, t1에서, 전하는 표 2에 도시된 바와 같이, 단자들에 걸친 제 1 전압(V1)에 의해 표시된 바와 같이 코일 권선(18)을 통해 드라이빙될 수 있다. 코일 권선(18)을 통한 전하의 구동은 고정자 톱니 16에 근접한 회전자 톱니(예를 들어, 도 1a의 회전자 톱니(20a 또는 20b)) 상에 토크를 제공할 수 있는 전자기장을 발생시킬 수 있다.
시간 t1에 이어서, 코일 권선(18)은 비 제한적인 예로서 커패시터와 같은 전하 저장 장치(C)로 전하를 드라이빙하려 시도할 수 있다. 코일 권선(18)으로부터 보내진 전하는 폐쇄 위치에 있을 수 있는 스위치(S)를 횡단할 수 있고, 그러므로 전하가 단자 중 제 1 단자로부터 그 단자 중 제 2 단자로 그리고 전하 저장 디바이스(C)로 이동하게 한다. 예컨대, 타이밍을 위해 전하 저장 장치(C)에 전하를 유지하는 것이 바람직할 수 있으며, 그에 따라 스위치(S)가 개방될 수 있다. 이와 같이, 일 실시예에서, 전하 저장 디바이스(C)에 저장된 전하는, 예컨대, 회전자(12)에 토크를 제공하기 위해, 원하는 때까지 유지될 수 있다. 도 2b는 스위치(S)가 개방 위치에 있고 전압(V2)이 전하 저장 장치(C)의 단자들 사이에서 측정될 수 있는 제 3 시간, t2를 도시한다(예를 들어, 여기서 전원(PS)으로부터 코일 권선(18)을 통해, 여러가지 중에서도 전하 저장 장치(C)로 전달되는 동안 전하가 손실될 수 있으므로,
Figure pat00011
이다.)
도 2c에 도시된 바와 같이, 제 4 시간, t3에서, 스위치(S)는 폐쇄 위치에 놓일 수 있고, 그러므로 전하를 전하 저장 장치(C)로부터, I2로 표시된 것과 같이, 코일 권선(18)을 통해 다시 전송할 수 있게 된다. 따라서, 전압 V2는 코일 권선(18)에 걸쳐 측정될 수 있다. 몇몇 경우에, 전하를, 예컨대, 후속 사이클 또는 단계(phase)를 위해, 전원(PS)(예를 들어, 배터리)으로 다시 전달하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같이, 후속 시간 t4에서, 예컨대, 효율적인 동작을 위해, 표 2에 V1 + V3로 표시된 바와 같이, 전하 저장 장치(C)로부터 받은 전하는 다른 전하와 결합될 수 있다.
두 개 이상의 코일 권선이 논리적으로 쌍을 이뤄 거의 동일한 시간에 전자기장 펄스를 발생시킬 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 시간 t1에서, 제 1 코일 권선(18)은 전원(PS)으로부터 전달된 전하에 응답하여 제 1 전자기력을 발생 시키고, 제 2 코일 권선(18)은 전하 저장 장치(C)로부터 전달된 전하에 응답하여 제 2 전자기력을 생성할 수 있다. 따라서, 전원(PS)으로부터의 제 1 및 제 2 전자기력에 사용되는 전원(PS)으로부터의 순전력은 적어도 부분적으로 제 1 전자기력을 위한 파워에서, 전원(PS)으로 다시 전송될 수 있는 전하 저장 장치로부터의 전하를 기초로 하는 제 2 전자기력을 위한 전력을 뺀 것이다. 이러한 동작은 종래의 접근법에 비해 상당한 효율 개선을 제공할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
다시 캡쳐된 전하의 효율에 적어도 부분적으로 기인하여, 적어도 하나의 실시예에서는 알루미늄(Al) 코일 권선이 구리(Cu) 코일 권선 대신에 사용될 수 있다. Cu 코일 권선은 Al 코일 권선보다 더 효율적으로 전하를 전도하는 경향이 있지만, Al 코일 권선은 Cu 코일 권선보다 무게가 적을 수 있다. 이와 같이, 전하를 다시 캡쳐하고 재사용할 수 있게 함으로써, Al 코일 권선의 잠재적 인 비효율성은 효율적인 작동과 더 가벼운 코일 권선에 의해 상쇄될 수 있다. 적어도 이러한 추가적인 이유로, 전하를 다시 캡쳐하고 재사용하는 것이 바람직할 수 있다.
도시된 바와 같이, 몇몇 경우에, 다시 캡쳐된 에너지가 전기 모터(10)를보다 효율적으로 만들 수 있기 때문에, 코일 권선(18)을 통해 전달된 에너지를 다시 캡쳐하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 고정자 톱니(16) 주위에 단일 코일 권선(18)을 감싸기보다는, 일 구현예에서, 도 1b의 제 1 코일 권선(18a) 및 제 2 코일 권선(18b)에 의해 도시된 바와 같이, 복수의 코일 권선이 사용될 수 있다. 예를 들어, 저전압에서 전기 모터를 비교적 저렴하게 및/또는 간단한 방식으로 작동시키는 것이 바람직할 수 있다. 하나의 접근법은 전기 모터를 구동하기 위해, 예컨대, 배터리로부터의 저전압을 더 높은 전압으로 변환하는 것을 포함할 수 있다. 도 2d는 상호 유도 코일 권선 쌍을 포함하는 간단한 변압기를 도시한다. 도시된 바와 같이, 발진기(예를 들어, AC 전원)는 제 1 코일 권선(8a)을 통해 전류 Ip를 구동할 수 있다. 물론, 변압기는 에너지 보존 법칙 및 패러데이 유도 법칙과 일관되게 작동하여, 제 1 상호 결합 코일 권선(8a)의 전력은 상호 결합 유도 쌍의 제 2 코일 권선(8b)의 전력과 같고, 이는
Figure pat00012
로 표현된다. 패러데이의 법칙에 따르면, 코일 권선의 권수와 유도 전압 사이에 관계가 존재한다. 이와 같이, 예컨대, 적절한 권수를 가지는 적절한 코일을 선택함으로써 제 2 코일 권선(8b) 상에 원하는 전압 및/또는 전류를 유도하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 패러데이의 유도 법칙에 따르면, 권선 코일에 대한 전압은
Figure pat00013
로 표현될 수 있고, 여기서 N은 코일 권선의 권수를 나타내고
Figure pat00014
는 자속의 변화를 나타낸다. 즉, 코일 권선상의 전압은 자속의 변화에 비례할 수 있다. 또한, 렌츠의 법칙은 상호 결합된 코일 권선 쌍 중 하나의 코일 권선상의 전류 변화가 상기 쌍의 다른 코일 권선에 유도된 전류에 의해 대립될 수 있다는 것을 규정하고 있다. 따라서, 제 1 코일 권선(8a)에서의 Ip의 변화는 전자기장을 유도할 수 있다. 이에 응답하여, 대향하는 전자기장이 Ip의 방향과 반대 방향 인 전류 Is를 생성할 수 있는 제 2 코일 권선(8b) 상에 유도될 수 있다. 그리고, 언급된 바와 같이, 제 2 코일 권선(8b)이 제 1 코일 권선(8a)보다 많은 코일 권선을 포함하기 때문에, 보다 낮은 전압(Vp)이 제 2 코일 권선(8b)에 더 큰 전압(Vs)을 생성할 수 있는 스텝 업 효과(step-up effect)가 만들어질 수 있다. 또한, 별도의 변압기를 사용하는 대신 전기 모터의 코일을 스텝 업 변압기로 작동시키는 것이 바람직할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 고정자 톱니 상의 코일 권선을 통한 전류의 변화는 자기력을 유도하여 모터를 구동시키는 토크를 생성할 수 있다. 특정 구현예에서, 고정자 톱니는 2 개의 코일 권선, 즉 전원으로부터 신호를 수신하기 위한 제 1 코일 권선 및 토크를 생성하는 자기력을 발생시키는 제 2 코일 권선을 포함할 수 있다. 제 2 코일 권선 상에 발생된 전류를 캡쳐하고 그리고/또는 재사용함으로써 전기 모터 동작의 추가 효율을 가능하게 하는 것이 바람직할 수 있다. 일 실시예에서, 이것은 저장된 전하가 제 2 코일 권선을 통해 발진하는 것을 허용함으로써 달성될 수 있다. 저장된 전하의 발진으로부터의 제 2 전류를 통한 전류 변화에 응답하여, 제 2 코일 권선은 토크를 생성하기 위한 자기력을 유도할 수 있다. 예를 들어, 제 2 코일 권선은 전자기장을 유도하기 위해 발진 전류를 유지할 수 있는 공진 회로를 형성하기 위해 하나 이상의 전하 저장 장치(예를 들어, 커패시터)에 대해 배열될 수 있다. 특정 구현예에서, 하나 이상의 스위치가, 다른 것들 중에서도, 제 2 코일 권선을 통한 전류의 발진 타이밍의 제어를 용이하게 하기 위해 구동기 회로에 사용될 수 있다. 특정 구현예에서, 고정자 톱니 상의 제 1 및 제 2 코일 권선은 상호 유도 쌍을 형성하여, 제 1 코일 권선은, 전력 신호에 응답하여, 제 2 코일 권선 내에 전류를 유도하는 자기장을 생성할 수 있게 된다. 구동기 회로는 제 2 코일 권선 내에 유도된 전류를 동기화시키고, 그것을 발진 전하로부터 제 2 코일 권선 내의 전류에 추가할 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 코일 권선(18a) 및 제 2 코일 권선(18b)은 도 1b에 도시된 바와 같이 고정자 톱니(16) 둘레에 감겨 질 수 있다. 도 2e는 회전자에 토크를 가하는 데 사용될 수 있는 고정자 톱니(16) 및 간단한 구동기 회로의 일 실시예에 따른 제 1 및 제 2 코일 권선(18a, 18b)의 특정 특징부의 특정 동작을 설명하기 위한 공진 회로 실시예를 도시한다. 자기력은 제 2 코일 권선(18b)을 통한 전류의 변화에 응답하여 유도될 수 있다. 유도된 자기력은 하나 이상의 회전자 톱니(예를 들어, 도 1a의 회전자 톱니(20a 또는 20b))에 토크를 인가할 수 있다. 또한, 자기장을 유도할 때 사용되지 않거나 손실되는 에너지는 커패시터와 같은 전하 저장 장치에 캡쳐될 수 있다. 전하 저장 장치(C1 및 C2)는 전하를 저장 및 방전할 수 있는 커패시터와 같은 장치를 나타낸다. 따라서, 도 2e의 상부(A)(점선으로 도시됨)는 전하가 C1 또는 C2에 저장될 수 있는 에너지 진자(energy pendulum)로서 역할할 수 있다. 전하가 제 2 코일 권선(18b)을 통해 이동하는 동안, 제 2 코일 권선(18b)을 통한 전류의 변화는 전자기력을 유도하여 하나 이상의 회전자 톱니에 토크를 인가할 수 있다.
공진 회로 내의 에너지가 C1과 C2 사이에서 전하가 진동함에 따라 일 또는 손실로 변환될 수 있으나, 도 2e는 제 2 코일 권선(18b)에 전류인 추가 에너지를 도입할 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 코일 권선(18a)의 고정자 톱니(16) 둘레의 권수 대 제 2 코일 권선(18b)의 고정자 톱니(16) 둘레의 권수에 대한 비는 스텝 - 업 변압기 효과를 달성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 수용 가능한 비율은 1:2, 1:3, 1:5, 및 1:10을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 따라서, 제 1 코일 권선(18a) 내의 전류 변화에 응답하는 전자기장(EMF)은 전하 저장 장치(C1 및 C2) 사이의 전류에 추가될 수 있는, 제 2 코일 권선(18b) 내의 원하는 전류를 생성할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제 2 코일 권선(18b)은 제 2 코일 권선(18b)상의 증가된 전압을 가능하게 하는 것과 같이, 제 1 코일 권선(18a)보다 10 배 많은 권선을 가질 수 있다. 물론, 임의의 다른 적절한 비율이 원하는 동작 및 동작 파라미터들(예를 들어, 입력 전압, 원하는 출력 전압 등)에 따라 선택될 수 있고, 청구된 주제는 이와 관련하여 제한되지 않는다.
Figure pat00015
표 3 은 복수의 시점, ti에서 도 2e의 공진 회로에서의 전하 위치를 도시한다. 간략화를 위해, 공진회로는 단순화된 이상 회로로 가정한다. 따라서, 일 실시예에서, 제 1 시간, t0에서, 제 1 전압(V1)은 전하 저장 디바이스(C1)에 저장될 수 있다. 전하 저장 장치(C1)는 그것의 전압을 전하 저장 장치(C2)의 전압과 같게 하려는 경향이 있다. 따라서, 제 2 시간 t1에, 전하는 전하 저장 장치(C1)로부터 제 2 코일 권선(18b)을 통해 드라이빙될 수 있다. 제 2 코일 권선(18b)의 전류 변화는 회전자에 토크를 가하는 자기력을 유도할 수 있다. 그러나, 일단 충전되면, 제 2 코일 권선(18b)은 방전하고, 전하 저장 장치(C1 및/또는 C2)로 전하를 다시 드라이빙하려는 경향이 있다. 이와 같이, 제 3 시간, t2에, 전하는 전하 저장 장치(C2)로 드라이빙될 수 있다. 따라서, 제 2 전압(예를 들어, V2, 여기서
Figure pat00016
)은 전하 저장 장치(C2)에 저장될 수 있다. 제 4 시간 t3에서, 제 2 코일 권선(18b) 내에 추가 전하가 생성될 수 있다. 예를 들어, 전류는 제 1 코일 권선(18a)을 통해 전원(PS)(예컨대, 배터리)으로부터 전류를 드라이빙함으로써 제 2 코일 권선(18b)에서 영향을 받을 수 있다. 제 2 코일 권선(18b)에서 생성된 전류(예를 들어, 제 2 코일 권선(18b)의 단자를 가로 지르는 전압 V3에 대응)는, 예컨대, 전하 전기 모터(10)의 작동을 용이하게 하기 위해, (예컨대, 도 2e에서 에너지 진자라고도 불리는) 전하 저장 장치(C1 및 C2) 사이에서 발진하는 전하에 추가되거나 또는 그것에 결합된다. 도 2e의 PS, 18a, S1, C2 및 D1의 배치는 스위칭된 인덕터 부스트 회로(switched inductor boost circuit)라 불리는 것을 형성할 수 있다. 이와 같이, 전류는 EMF에 응답하여 제 2 코일 권선(18b)에서 생성될 수 있지만, 제 2 코일 권선(18b)의 전류는 또한 스위치드 인덕터 부스트 회로로부터 생성된 전류에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 다이오드(D1)는 제 1 코일 권선(18a)에서 전류가 생성되는 것을 유지하는 역할을 할 수 있고, 다이오드(D1)는 스위칭된 인덕터 부스트 회로로부터 상부(A)로 전하를 전달하기 위해 스위치 인덕터 부스트 회로의 일부로서 또한 역할할 수 있다.
본 명세서의 문맥에서, "연결"이라는 용어, "구성요소" 및/또는 유사한 용어는 물리적 인 것으로 의도되었지만, 항상 실제적 일 필요는 없다. 이 용어들이 실제적 대상을 언급하든 그렇지 않든 간에, 특정 사용 환경에 따라 달라질 수 있다. 일례로서, 금속 또는 다른 전기 도체를 포함하는 전기 전도성 경로와 같은 실재적 전기적 연결과 같은 실체적인 연결 및/또는 실제적인 연결 경로가 만들어 질 수 있다. 유사하게, 실체적인 연결 경로는 전형적으로 실제적 연결 경로가, 예컨대 전기적 스위치를 위한 외부 전류 및/또는 전압과 같은 하나 이상의 외부적으로 유도된 신호의 영향으로 인해 때때로 개방 또는 폐쇄될 수 있도록 적어도 부분적으로 영향을 받거나, 그리고/또는 제어될 수 있다. 전기 스위치의 비 제한적인 예는 트랜지스터, 다이오드 등을 포함한다. 그러나 특정 사용 환경에서 "연결" 및/또는 "구성요소"는, 유사하게도 물리적일 수 있으나, 네트워크를 통한 클라이언트와 서버 간의 연결과 같이, 비 실제적일 수도 있으며, 이는 일반적으로 아래에 더 상세하게 설명된 바와 같이, 클라이언트 및 서버가 통신을 전송, 수신, 및/또는 교환하는 능력을 의미한다.
그러므로, 유형의 구성요소가 설명되는 논의되는 특정 상황과 같은, 특정 사용 환경에서 "결합된"및 "접속된"이라는 용어는 그 용어들이 동의어가 아닌 방식으로 사용된다. 또한, 유사한 용어가 유사한 의도가 나타나도록 하는 방식으로 사용될 수도 있다. 따라서, "접속된"은, 예를 들어, 2 개 이상의 실제적 구성요소 등이 실제적으로 직접 물리적으로 접촉하고 있음을 나타내기 위해 사용된다. 따라서, 이전 예를 사용하여, 전기적으로 접속된 두 개의 실제적 구성요소는 앞서 설명한 바와 같이 실제적 전기적 접속을 통해 물리적으로 접속된다. 그러나 "결합된"은 잠재적으로 둘 이상의 실제적 구성요소가 실제적으로 직접 물리적으로 접촉한다는 의미로 사용된다. 그럼에도 불구하고, 2 개 이상의 실제적 구성요소 등이 반드시 실제적으로 직접 물리적으로 접촉할 필요는 없고, 예컨대, "광학적으로 결합되는" 것과 같이, 협력, 연락하고, 그리고/또는 상호작용할 수 있다는 의미로도 사용된다. 마찬가지로, "결합된"이라는 용어는 적절한 상황에서 간접적으로 접속된다는 의미로 이해될 수 있다. 또한, 본 개시의 맥락에서, 메모리와 관련하여 사용되는 경우 물리적 용어, 예를 들어, 메모리 컴포넌트 또는 메모리 상태는 필연적으로, (상기 예에서 계속하여) 메모리, 그러한 메모리 컴포넌트 및/또는 메모리 상태가 실제적인 것임을 내포한다.
달리 명시하지 않는 한, 본 개시의 맥락에서, "또는" 이라는 용어는 A, B 또는 C와 같은 목록을 연관시키는데 사용되는 경우 포괄적인 의미로 사용되는 A, B 및 C 뿐만 아니라 배타적 의미로 사용되는 A, B, 또는 C을 의미하도록 의도된 것이다. 이러한 이해와 함께, "및"은 포괄적인 의미로 사용되며 A, B 및 C를 의미한다. 반면에 "및/또는"은 그러한 사용이 요구되지는 않지만 앞에서 언급한 모든 의미가 의도되었음을 분명히 하기 위해 주의를 기울여 사용될 수 있다. 또한, "하나 이상의" 및/또는 유사한 용어는 단수로 임의의 특징, 구조, 특성 및/또는 유사한 것을 설명하는데 사용되며, "및/또는"은 또한 복수 및/또는 특징, 구조, 특성 및/또는 이와 유사한 것의 일부 다른 조합을 설명하기 위해 사용된다. 또한, "제 1", "제 2", "제 3"등의 용어는 명시적으로 다르게 표시되지 않는 한, 수치 제한을 제공하거나 특정 순서를 제안하기보다는, 일례로서 상이한 구성요소와 같은 상이한 양태를 구별하기 위해 사용된다. 마찬가지로, "에 기초한" 및/또는 유사한 용어는 반드시 포괄적인 요소 목록을 전달하고자 하는 것이 아니라 반드시 명시적으로 설명되지 않은 추가 요소의 존재를 허용하는 것으로 이해된다.
또한, 청구된 주제의 구현과 관련이 있고 시험, 측정 및/또는 학위 관련 심사를 받는 경우에, 다음과 같은 방식으로 이해되어야 한다. 예를 들어 주어진 상황에서 물리적 특성의 값을 측정한다고 가정한다. 상기 예에서 계속하여, 적어도 그 특성에 관하여, 시험, 측정 및/또는 학위 관련 심사를 위한 대안의 합리적인 접근법이 당업자들에게 합리적으로 발생할 수 있다면, 적어도 구현 목적으로, 청구된 주제는 달리 명시되지 않는 한 그 대안의 합리적인 접근법을 커버하도록 의도된다. 일례로서, 한 지역에 대한 측정의 플롯이 생성되고 청구된 주제의 구현이 그 지역에 대한 경사 측정을 사용하는 것을 언급하지만 그 지역에 걸친 경사를 추정하기 위한 다양한 합리적이고 대안적인 기술이 존재한다면, 청구된 주제는 명시적으로 다르게 표시되지 않는 한 그러한 합리적인 대안의 기술이 동일한 값, 동일한 측정 또는 동일한 결과를 제공하지 않더라도 그러한 합리적인 대안의 기술을 포함하도록 의도된 것이다.
또한, 간단한 예로서, "광학적" 및 "전기적"을 이용하여, 예컨대, 피처, 구조, 및/또는 특징 등과 함께 사용되는 경우 된다면, "유형" 및/또는 "형"이라는 용어는 사소한 변형의 존재가, 그 피처, 구조, 및/또는 특징 등과 완전히 일치하는 것으로 여겨지지 않는 변형이라 할지라도, 그 사소한 변형이 피처, 구조, 및/또는 특징 등이 여전히 그러한 변형이 존재할 때에도 우세하게 존재하는 것으로 간주될 만큼 충분히 사소하다면, 그 피처, 구조, 및/또는 특징 등이 (예컨대, "광학-유형" 또는 "광학-형"이 되는 것과 같이) "~유형" 및/또는 "~형"이 되는 것을 막지 않도록 하는 방식으로, 그 피처, 구조 및/또는 특징 등과 적어도 부분적으로 및/또는 관련 있음을 의미한다. 따라서, 이 예에서 계속해서, 광학-유형 및/또는 광학-형 특성이라는 용어는 반드시 광학 특성을 포함하도록 의도된 것이다. 마찬가지로, 전기-유형 및/또는 전기-형 특성이라는 용어는 다른 예로서, 반드시 전기적 특성을 포함하도록 의도된 것이다. 본 개시물의 명세서는 단지 하나 이상의 예시적인 예를 제공하고 청구된 주제는 하나 이상의 예시적인 예들에 한정되는 것이 아니라는 점에 유의해야 한다. 그러나, 특허 출원의 명세서와 관련하여 항상 그러했듯이, 묘사 및/또는 사용의 특정 상황은 당연한 추론에 관한 도움이 되는 지침을 제공한다.
비트, 값, 요소, 파라미터, 기호, 문자, 용어, 숫자, 수치, 측정값, 및/또는 내용 등과 같은 물리적 신호와 같은 물리적 신호 및/또는 물리적 상태를 참조하는 것이, 주로 일반적인 용도의 이유로, 때때로 편리하다는 것이 입증되어 있다. 그러나, 이들 및/또는 유사한 용어 모두는 적절한 물리적 양과 관련되고 단지 편리한 라벨 일 뿐이라는 것을 이해해야 한다. 전술한 설명으로부터 명백한 바와 같이, 구체적으로 다르게 언급하지 않는 한, 본 명세서 전반에 걸쳐 "프로세싱", "컴퓨팅", "계산", "판정", "확정", "획득", "식별" "등"은 특수 목적 컴퓨터 및/또는 유사한 특수 목적 컴퓨팅 및/또는 네트워크 장치와 같은, 특정 장치의 동작 및/또는 프로세스를 지칭할 수 있다. 따라서, 본 명세서의 맥락에서, 특수 목적 컴퓨터 및/또는 유사한 특수 목적 컴퓨팅 및/또는 네트워크 장치는 전형적으로, 메모리, 레지스터 및/또는 다른 저장 장치, 처리 장치 및/또는 특수 목적 컴퓨터 및/또는 유사한 전용 컴퓨팅 및/또는 네트워크 장치의 디스플레이 장치내의 물리적 전자 및/또는 자기적 양의 형태인 신호 및/또는 상태를 처리, 조작 및/또는 변형할 수 있다. 언급된 바와 같이, 이 특정 개시 내용의 문맥에서, "특수 장치"라는 용어는 프로그램 소프트웨어 명령에 따라 특정 기능을 수행하도록 프로그래밍된 범용 컴퓨터와 같은 범용 컴퓨팅 및/또는 네트워크 장치를 포함한다.
전술한 동작은 몇몇 경우에, 도 1a의 제어기(24) 및/또는 구동기(22)와 같은 제어 회로를 사용하여 수행될 수 있다. 그러한 제어 회로가 별개의 장치 상에 형성될 수도 있지만, 몇몇 경우에는 단일 장치 상에 하나 이상의 제어기 및/또는 구동기(예를 들어, 제어기(24) 및/또는 구동기(22))를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 다수의 구동기(22)는 예를 들어, 몇몇 적절한 CMOS 프로세싱 기술 중 임의의 하나를 사용하여 단일 디바이스에 형성될 수 있다. 다른 구현예에서, 단일 구동기(예를 들어, 칩상의 시스템) 상에 다수의 구동기가 프로세서(예를 들어, 디지털 제어기 또는 마이크로 프로세서 코어)와 함께 형성될 수 있다. 이러한 프로세서는 모터의 다수의 고정자 톱니에 대한 코일 권선을 제어하는 다수의 구동기에 대한 스위치의 개폐를 제어하기 위한 신호를 제공할 수 있다. 특정 구현예에서, 프로세서 및 다수의 구동기를 통합하는 그러한 단일 장치는 인쇄 회로 기판에 장착 가능한 다수의 외부 단자(예를 들어, 볼 그리드 어레이 패키지)를 갖는 패키지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 패키지의 외부 단자는 전하 저장 장치(예를 들어, 커패시터), 각 고정자 톱니의 하나 이상의 권선 및 모터와 통합된 파워 서플라이(26)에 연결될 수 있다. 물론, 예를 들어, 복수의 코일 권선 세트에 결합할 수 있는 구동기와 같은 다른 실시예가 본 발명에 의해 고려될 수 있다. 코일 권선 세트는 설계 제약 사항에 따라 보다 많은 및/또는 보다 적은 구동기 등을 수용하기 위해 직렬 또는 병렬로 전기적으로 결합될 수 있다.
전술한 설명에서, 청구된 주제의 다양한 양상이 설명되었다. 설명의 목적으로, 예로서 양, 시스템 및/또는 구성과 같은 세부사항이 제시되었다. 다른 경우에, 잘 알려진 특징은 청구된 주제를 불명료하게 하지 않도록 생략 및/또는 단순화되었다. 본 명세서에서는 특정 특징들이 예시 및/또는 설명되었지만, 많은 수정, 대체, 변경 및/또는 동등물이 당업자에게 발생할 수 있다. 그러므로, 첨부된 청구범위는 청구범위 내에 속하는 모든 수정 및/또는 변경을 포함하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다.
일 실시예에서, 일 장치는 복수의 회전자 톱니를 갖는 회전자를 포함하고, 상기 복수의 회전자 톱니는 비균일한 각도 간격을 갖도록 배열된다. 이 장치는 또한 복수의 고정자 톱니를 갖는 고정자를 포함한다.
상기 장치의 일 구현예에서, 복수의 회전자 톱니의 비균일한 각도 간격은, 제 1, 제 2 및 제 3 회전자 톱니를 포함하는 복수의 회전자 톱니들의 적어도 하나의 서브 세트에 대하여, 제 1, 제 2 및 제 3 회전자 톱니가 연속적으로 배치되고, 제 1 및 제 2 회전자 톱니 사이의 각도 간격이 제 2 및 제 3 회전자 톱니 사이의 각도 간격의 적어도 2 배가 되도록 되어 있다.
상기 장치의 일 구현예에서, 복수의 회전자 톱니의 비균일한 각도 간격은, 주어진 회전자 톱니에 대해, 제 1 방향으로의 제 1 인접 회전자 톱니에 대한 각도 간격이 제 2 방향으로의 제 2 인접 회전자 톱니에 대한 각도 간격의 적어도 2배가 되도록 되어 있다.
상기 장치의 일 구현예에서, 고정자 톱니 대 회전자 톱니의 비는 2.5 내지 3.5 대 1이다.
상기 장치의 일 구현예에서, 복수의 고정자 톱니는 알루미늄 코일 권선을 포함한다.
상기 장치의 일 구현예에서, 회전자는 복수의 회전자 톱니의 인접한 회전자 톱니 사이의 아크 길이의 절반보다 크거나 같은 트렌치 깊이를 포함한다.
일 실시예에서, 일 방법은 제 1 전자기력 및 제 2 전자기력을 생성하는 단계를 포함한다. 제 1 전자기력은 전기 모터의 고정자의 제 1 고정자 톱니상에서 제 1 크기이다. 그리고, 제 2 전자기력은 제 1 고정자 톱니에 인접한 제 2 고정자 톱니 상에서 제 1 크기보다 작은 제 2 크기이다. 제 1 자기력은 전기 모터의 회전자의 하나 이상의 비 균일하한 각도 간격의 회전자 톱니에 토크를 제공한다.
상기 방법의 일 구현예에서, 상기 방법은 또한 고정자의 하나 이상의 코일 권선을 통해 드라이빙되는 하나 이상의 DC 펄스를 사용하여 유동 파면을 생성하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일 구현예에서, 제 2 크기는 제 1 크기의 대략 절반이다.
상기 방법의 일 구현예에서, 상기 방법은 또한 전기 모터의 제 3 고정자 톱니 상에 제 3 전자기력을 발생시키는 단계를 포함한다. 이 구현예에서, 제 3 고정자 톱니 또한 제 1 고정자 톱니에 인접하고, 제 3 전자기력은 제 2 크기와 대략 동일한 제 3 크기를 갖는다.
상기 방법의 일 구현예에서, 제 2 전자기력 및 제 3 전자기력 중 적어도 하나는 일정 시간 기간에 걸쳐 감소한다.
상기 방법의 일 구현예에서, 제 2 전자기력 및 제 3 전자기력 중 적어도 하나는 일정 시간 기간에 걸쳐 증가한다.
상기 방법의 일 구현예에서, 방법은 또한, 제 3 크기를 산출하기 위해 제 1 전자기력의 크기를 감소시키는 단계, 및 제 4 크기를 산출하기 위해 제 2 전자기력의 크기를 증가시키는 단계를 포함한다. 이 구현예에서, 제 3 크기는 대략 제 4 크기의 절반이다.
상기 방법의 일 구현예에서, 방법은 또한 제 2 고정자 톱니에 인접한 제 3 고정자 톱니 상에 제 3 전자기력을 발생시키는 단계를 포함한다. 이 구현예에서, 제 3 전자기력은 제 3 크기와 대략 동일한 제 5 크기를 갖는다.
전기 모터의 일 실시예는, 프로세싱 요소 및 구동기를 포함하는 제어 회로; 복수의 고정자 톱니를 포함하는 고정자; 및 복수의 회전자 톱니를 포함하는 회전자를 포함하고, 복수의 회전자 톱니는 비균일한 각도 간격을 포함한다.
전기 모터의 일 구현예에서, 전기 모터는 또한 전하를 재 획득하는 회로를 포함한다.
전기 모터의 일 구현예에서, 전하를 다시 캡쳐하는 회로는 적어도 하나의 스위치 및 적어도 하나의 전하 저장 장치를 포함한다.
전기 모터의 일 구현예에서, 제어 회로로부터의 하나 이상의 전류 펄스에 응답하여, 회전자는 적어도 약 4000 RPM으로 회전할 수 있다.
전기 모터의 일 구현예에서, 회전자는 다수의 회전자 톱니의 인접한 회전자 톱니 사이의 아크 길이의 절반보다 크거나 같은 트렌치 깊이를 갖는다.
전기 모터의 일 구현예에서, 복수의 고정자 톱니는 알루미늄 코일 권선을 포함한다.

Claims (4)

  1. 비균일한 각도 간격을 가지도록 배열되어 있는 복수의 회전자 톱니를 가진 회전자; 및
    복수의 고정자 톱니를 가지는 고정자를 포함하고,
    상기 회전자는 상기 고정자 내에 위치하고,
    상기 복수의 회전자 톱니의 비균일한 각도 간격은, 제 1 톱니 축을 갖는 제 1 회전자 톱니, 제 2 톱니 축을 갖는 제 2 회전자 톱니, 및 제 3 톱니 축을 갖는 제 3 회전자 톱니를 포함하는 상기 복수의 회전자 톱니의 적어도 하나의 서브셋에 대하여, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 회전자 톱니가 연속적으로 배열되고, 상기 제 1 톱니 축과 제 2 톱니 축 사이의 제 1 각도가 상기 제 2 톱니 축과 제 3 톱니 축 사이의 제 2 각도의 적어도 2배가 되도록 되어 있고,
    상기 회전자는 상기 복수의 회전자 톱니의 인접한 회전자 톱니 사이의 아크 길이의 ½ 보다 크거나 같은 트렌치 깊이를 포함하고, 상기 인접한 회전자 톱니 사이의 상기 아크 길이는 상기 복수의 회전자 톱니의 다른 인접한 회전자 톱니 사이의 다른 아크 길이 보다 크거나 같고, 상기 아크 길이는 상기 인접한 회전자 톱니의 내측면의 반경 방향 바깥쪽 극단 사이의 거리를 포함하고, 상기 다른 아크 길이는 상기 다른 인접한 회전자 톱니의 내측면의 반경 방향 바깥쪽 극단 사이의 또 다른 거리를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 고정자 톱니 대 회전자 톱니의 비는 2.5 내지 3.5 대 1인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 고정자 톱니는 알루미늄 코일 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자는 상기 복수의 회전자 톱니 중 인접한 회전자 톱니 사이의 아크 길이의 절반 이상인 트렌치 깊이를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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