KR20230004755A - 공통 샤프트를 구동하기 위한 자기적으로 디커플링되고, 별도로 제어되는 다중 전기 기계 조립체 - Google Patents

공통 샤프트를 구동하기 위한 자기적으로 디커플링되고, 별도로 제어되는 다중 전기 기계 조립체 Download PDF

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Abstract

자기적으로 디커플링되고, 별도로 제어되는 전기 기계 조립체가, 단일 샤프트에 기계적으로 커플링되고 단일 샤프트를 직접적으로 구동하도록 배치된 회전자를 각각 가지는, 반경방향 전기 기계 및 하나 이상의 축방향 전기 기계를 포함한다. 전기 기계의 각각은 2개(또는 그 초과)의 인버터에 의해서 각각 독립적으로 그러나 협력적으로 제어된다. 축방향 전기 기계 및 반경방향 전기 기계는 하나의 하우징 내에 수용된다.

Description

공통 샤프트를 구동하기 위한 자기적으로 디커플링되고, 별도로 제어되는 다중 전기 기계 조립체
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은, 2020년 4월 30일자로 출원된 미국 가출원 제63/018,139호에 대한 우선권을 주장하며, 모든 목적을 위해서 본원에 참조로 포함된다.
본원은 전기 기계에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 단일 샤프트를 직접적으로 구동하도록 기계적으로 커플링되고 배치되는 회전자를 각각 가지는 둘 이상의 전기 기계를 구비한, 자기적으로 디커플링되고, 별도로 제어되며, 공통으로 수용되는 조립체에 관한 것이다.
전기 모터는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 발전기는 기계적으로 전기 모터와 동일하지만, 반전된 전력의 흐름으로 작동하여, 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "전기 기계"는, 모터 및 발전기 모두로 작동될 수 있는 장치를 지칭한다.
일반적으로, 모터로서 작동할 수 있는 전기 기계는 2개의 넓은 카테고리, 즉 직류(DC) 또는 교류(AC)로 특징지어질 수 있다. 배터리 또는 정류기와 같은 DC 전원에 의해서 전력이 공급되는 DC 기계는, 예를 들어 영구 자석 DC 기계, 직렬 DC 기계, 션트(shunt) DC 기계, 및 복합 DC 기계를 포함한다. 전력망 또는 인버터와 같은 교류(AC) 전원에 의해서 전력이 공급되는 AC 기계는, 유도 기계, 동기 기계(예를 들어, 릴럭턴스 또는 영구자석 동기 기계)를 포함한다. AC 전기 기계는 단상 또는 다상일 수 있다. 3상 AC 기계는 단상 또는 다른 다상 기계에 비해서 보다 대중적이다.
대부분의 전기 모터는 회전자의 자기장과 회전자의 영구 자석 또는 권선을 통한 전류 사이의 상호 작용을 통해서 작동된다. 이러한 상호 작용은, 토크의 형태로 샤프트를 효과적으로 회전시키는 힘을 생성한다. 자기장은 모터를 통해서 자기 플럭스를 생성한다. 구성에 따라, 주어진 모터의 회전자와 고정자 사이에 생성된 플럭스는 일반적으로 반경방향 또는 축방향이다. 반경방향 플럭스 모터에서, 플럭스는 반경방향으로 회전자의 내외로 연장된다. 따라서, "반경방향"이라는 용어가 된다. 이에 반해, 축방향 플럭스 모터는, 샤프트의 축을 따라서 샤프트에 평행하게 연장되는 플럭스를 갖는다. 따라서, "축방향"이라는 용어가 된다.
축방향 및 반경방향 플럭스 모두를 생성하는 권선을 이용하는 모터 설계가 알려져 있다.
예를 들어, 축방향 및 반경방향 모두에 따른 모터 권선의 배치를 설명하는 미국 특허 제10,256,680호를 참조 바란다.
이러한 배치에서, 권선들이 함께 작동하여 운동 방향으로 최대의 힘을 생성한다. 다시 말해서, 축방향 및 반경방향 플럭스가 함께 작동하여 조합된 힘을 생성한다.
또한, 2개의 별도의 모터들을 함께 협력적으로 이용하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 2개의 별도의 그리고 구분된 전기 모터들을 이용하여 변속기/차동기 조립체를 통해서 전기 차량의 차축을 구동하는 것을 설명하는 미국 특허 공개 제2013/0241445호를 참조 바란다. 그러나, 각각의 모터는 별도로 수용되고, 별도의 기어들에 의해서 각각 변속기/차동기에 별도로 커플링되는 자체의 샤프트를 포함한다.
따라서, 공통으로 수용되고, 효율이 높고, 콤팩트하고, 비교적 저렴하며, 자기적으로 디커플링되고, 단일 샤프트를 직접 구동하기 위해서 독립적으로 제어되는 2개(또는 초과)의 전기 기계를 포함하는 전기 기계 조립체가 필요하다.
본원은, 단일 샤프트를 직접적으로 구동하도록 자기적으로 디커플링되고 독립적으로 제어되는 2개(또는 초과)의 전기 기계를 포함하는 전기 기계 조립체에 관한 것이다.
하나의 비-배타적인 실시형태에서, 전기 기계 조립체는, 단일 샤프트, 샤프트를 직접적으로 구동하도록 배치된 회전자를 가지는 하나의 또는 복수의 축방향 플럭스 전기 기계(들), 샤프트를 직접적으로 구동하도록 배치된 회전자를 가지는 하나의 또는 복수의 반경방향 플럭스 전기 기계(들)를 포함한다. 복수의 인버터가, 개별적으로 그러나 협력적으로, 축방향 플럭스 전기 기계(들) 및 반경방향 플럭스 전기 기계(들)을 각각 제어한다. 하나 이상의 갭(gap)이 하나 이상의 반경방향 및 축방향 플럭스 기계들의 각각의 사이에 제공된다. 각각의 경우에, 갭(들)은 임의의 2개의 인접한 전기 기계들을 효과적으로 자기적으로 디커플링시킬 수 있을 정도로 충분히 크다.
비-배타적인 실시형태에서, 2개 이상의 전기 기계는, 유형 및/또는 구성과 관계없이, 하나의 하우징 내에 수용된다.
본 발명 및 그 장점은, 첨부 도면과 함께 고려되는 이하의 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1a, 도 1b, 및 도 1c는 대표적인 반경방향 플럭스 전기 기계, 반경방향 플럭스, 및 효율 맵을 각각 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 대표적인 축방향 플럭스 전기 기계 및 효율 맵을 각각 도시한다.
도 3a는 본 발명의 비-배타적인 실시형태에 따른, 단일 샤프트를 구동하는 대표적인 다중 전기 기계 조립체를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시형태에 따른, 단일 샤프트를 구동하는 대표적인 다중 전기 기계 조립체를 도시한다.
도 3c는 본 발명의 비-배타적인 실시형태에 따른, 다중 전기 기계 조립체에 대한 대표적인 효율 맵을 도시한다.
도 3d는 비-배타적인 실시형태에 따른, 다중 전기 기계 조립체와 함께 사용될 수 있는 선택적 자기 차폐부를 도시한다.
도 3e 및 도 3f의 각각은 본 발명의 비-배타적인 실시형태에 따른, 단일 샤프트를 직접 구동하는 반경방향 플럭스 및 축방향 플럭스 전기 기계 모두를 포함하는 부가 구성을 도시한다.
도 4는 본 발명의 다중 전기 기계 조립체를 제어하기 위한 전기 기계 제어기를 도시한다.
도 5는 본 발명의 비-배타적인 실시형태에 따른, 다중 전기 기계 조립체의 2개의 전기 기계를 개별적으로 그러나 협력적으로 제어하기 위한 인버터의 쌍을 도시한다.
도 6은 본 발명의 비-배타적인 실시형태에 따른, 다중 전기 기계 조립체의 냉각을 제어하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 비-배타적인 실시형태에 따른, 공통 하우징, 및 축방향 및 반경방향 플럭스 기계를 위한 다중 분무 노즐을 갖춘 단일 냉각제 유입구를 가지는 예시적인 다중 전기 기계 조립체를 도시하는 도면이다.
도면에서, 유사한 구조적 요소를 나타내기 위해 때로는 유사한 참조 번호가 사용된다. 또한, 도면의 도시는 개략적이며, 실제 축척으로 작성된 것이 아님을 이해해야 한다.
전기 기계의 구성요소는 일반적으로 고정자, 회전자, 샤프트, 베어링, 공기 갭, 권선 및 하우징을 포함한다. 고정자는 고정되어 있고 일반적으로 권선으로 구성된다. 회전자는 일반적으로, 고정자에 의해서 생성된 자기장과 상호 작용하여 회전자를 회전시키는, 전류를 전달하는 전도체 또는 영구 자석을 포함한다. 회전자가 회전됨에 따라, 이는 샤프트를 직접적으로 구동하여 기계적 파워 또는 토크를 전달한다. 일반적으로 하우징에 의해서 지지되는 베어링은 회전자가 축을 중심으로 회전되게 할 수 있다. 샤프트는 베어링을 통해 하우징 너머, 부하가 인가되는 곳으로 연장된다. 공기 갭은 회전자와 고정자 사이의 공간 또는 거리이다. 공기 갭이 커짐에 따라 요구되는 자화 전류가 증가되기 때문에, 공기 갭은 바람직하게는 가능한 한 작다. 권선은, 일반적으로 고정자 상의 자기 코어 주위에 감기는 와이어로 만들어진 코일의 세트이다. 각각의 권선은, AC 전류를 기계에 공급하는 단부 단자에 연결된다. AC 전기 기계는 일반적으로 위상 단자들로 알려진 다수의 단부 단자들에 연결된 다수의 권선을 갖는다. 위상만큼 이동된(shifted) AC 전류가 모터 권선에 공급될 때, 이들은 자극을 형성하고, 회전자와 고정자를 연결하는 자기 플럭스를 생성한다.
단순함을 위해서, 이하의 설명은 모터로서 작동하는 전기 기계 조립체의 맥락 내에서 주로 설명된다. 본원에서 설명된 바와 같은 조립체는 모터 작동에만 제한되어서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다. 이에 반해, 본원에서 설명된 바와 같은 전기 기계 조립체는 발전기로도 작동할 수 있다.
반경방향 전기 기계
도 1a를 참조하면, 대표적인 반경방향 플럭스 전기 기계(10)가 종단면도로 도시되어 있다. 반경방향 플럭스 전기 기계(10)는 샤프트(14)를 직접적으로 구동하도록 배치된 회전자(12) 및 회전자(12)를 둘러싸는 고정자(16)를 포함한다. 공기 갭(18)이 회전자(12)와 고정자(16) 사이에 제공된다. 명료함을 위해서, 고정자(16)의 횡단면만을 도시하였다. 실제 실시형태에서, 고정자(16)는, 공기 갭(18)에 의해서 분리되어, 회전자(12)의 전체 원주 주위에 배치된다.
특정 실시형태에서, 권선(20)의 하나 이상의 쌍이 고정자(16) 주위에 배치되고 이로부터 외측으로 연장된다. 권선(20)은 자극의 수를 기초로 특정 패턴으로 배치된다. 주어진 전기 기계 설계가 넓은 범위의 자극을 포함할 수 있다는 것을 잘 이해할 수 있을 것이다. 1, 2, 3, 4, 6개 및 그 초과의 자극을 갖는 전기 기계들 모두가 일반적이다. 따라서, 주어진 전기 기계(10)의 고정자(16)에 제공된 권선(20) 수가 광범위하게 변경될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 반경방향 플럭스 전기 기계(10)의 횡단면 단부도를 도시하는 도면이 도시되어 있다. 도면(22)에서 명확한 바와 같이, 샤프트(14)는 조립체의 중심에 제공되고 지면의 내외로 연장되며, 회전자(12)에 기계적으로 커플링되고, 회전자(12)에 의해서 직접 회전된다. 고정자(16)는 공기 갭(18)에 의해서 분리되어 회전자(12)의 원주를 완전히 둘러싼다. 도면에서 화살표로 표시된 플럭스는 샤프트(14)에 대해서 반경방향 내부 및 외부로 연장된다. 따라서, 전기 기계(10)는 "반경방향 플럭스" 전기 기계이다.
도 1c를 참조하면, 반경방향 플럭스 모터(10)에 대한 대표적인 효율 맵(24)이 도시되어 있다. 맵(24)에서, 속도가 수평 축을 따라서 제공되어 있는 한편, 토크가 수직 축을 따라서 제공되어 있다. 맵(24)에 도시된 바와 같이, 반경방향 플럭스 전기 기계(10)는, 속도가 비교적 빠르고 토크 요구가 비교적 작을 때, 그 가장 효율적인 영역(26)에서 작동한다.
축방향 전기 기계
도 2a를 참조하면, 대표적인 축방향 플럭스 전기 기계(30)의 횡단면이 도시되어 있다. 축방향 플럭스 전기 기계(30)는 샤프트(14)를 직접적으로 구동하도록 배치된 회전자(32) 및 고정자(34)를 포함한다. 회전자(32) 및 고정자(34)는 서로 대향되나, 공기 갭(36)에 의해서 분리된다. 도면에서 화살표로 표시된 플럭스는 회전자(32)와 고정자(34) 사이에서 반대 방향으로 그리고 샤프트(14)에 평행하게 축방향으로 연장된다. 따라서, 전기 기계(30)는 "축방향 플럭스" 전기 기계이다.
도시되지는 않았지만, 축방향 플럭스 전기 기계(30)는 임의의 수의 자극을 또한 포함할 수 있다. 고정자(34) 상에서 권선의 쌍을 분배함으로써, 축방향 플럭스 전기 기계(30)를 위한 임의의 자극의 수가 규정될 수 있다. 그러나, 본원에서 고려되는 바와 같은 축방향 플럭스 전기 기계(30)가 임의의 수의 자극을 가질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 2b를 참조하면, 축방향 플럭스 모터(30)에 대한 대표적인 효율 맵(38)이 도시되어 있다. 맵(38)에서, 속도가 수평 축을 따라서 제공되어 있는 한편, 토크가 수직 축을 따라서 제공되어 있다. 맵(38)에 도시된 바와 같이, 축방향 플럭스 전기 기계(30)는, 속도가 비교적 느릴 때, 그 가장 효율적인 영역(40)에서 작동한다.
다중 전기 기계 실시형태
도 3a를 참조하면, 단일 샤프트(14)를 구동하는 대표적인 다중 전기 기계 조립체(50)가 도시되어 있다.
다중 전기 기계 조립체(50)는 반경방향 전기 기계(10) 및 적어도 하나의 축방향 전기 기계(30)를 포함한다.
반경방향 전기 기계(10)는 회전자(12), 고정자(16), 및 권선(20)을 포함한다. 갭(18)은 회전자(12)와 고정자(16)를 분리한다.
적어도 하나의 축방향 전기 기계(30)는 회전자(32), 고정자(34), 및 이 둘을 분리하는 공기 갭(36)을 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이, 회전자(32)는, 반경방향 전기 기계(10)의 고정자(16) 주위에서 원주방향으로 배치되고 그로부터 외측으로 연장되는 단부 권선(20) 내에 포개지도록 배치된다. 고정자(34)는 회전자(32)에 인접하게, 그러나 공기 갭(36)에 의해서 회전자(32)로부터 분리되어 배치된다.
반경방향 플럭스 전기 기계(10) 및 축방향 플럭스 전기 기계(들)(30)의 전술한 구성요소를 포함하여, 다중 전기 기계 조립체(50) 모두가 하나의 하우징(52) 내에 포함된다. 이러한 배치에서, 2개의 전기 기계(10, 30)의 회전자(12, 32)가 단일 샤프트(14)를 직접 구동한다. (간결함을 위해서 도시하지 않은) 베어링이 샤프트(14)를 하우징 내에서 지지하고 샤프트가 회전될 수 있게 한다. 대안적인 실시형태에서, 베어링은 또한 하우징(52) 내에서 자기적으로 지지될 수 있다. 따라서, 하우징(52)은 2개의 전기 기계(10, 30)를 포함하고, 각각의 전기 기계는, 부하(미도시)가 일반적으로 연결되는 곳인, 하우징(52)의 외부로 적어도 부분적으로 연장되는 공통 샤프트(14)를 직접 구동하거나 회전시킨다.
도 3b를 참조하면, 선택적인 실시형태가 도시되어 있다. 이러한 실시형태에서, 공기 갭(36A)에 의해서 분리된 제2 회전자(32A) 및 고정자(34A)가 반경방향 플럭스 전기 기계(10)의 대향 측면 상에 배치된다. 유사 배치에서, 회전자(32)는, 반경방향 전기 기계(10)의 고정자(16) 주위에서 원주방향으로 배치되고 그로부터 외측으로 연장되는 권선(20)의 하나 이상의 쌍 내에 포개진다. 제2 고정자(34A)는 제2 회전자(32A)에 인접하게, 그러나 공기 갭(36A)에 의해서 그로부터 분리되어 배치된다. 베어링(미도시)에 의해서 지지되는 회전자(32A)는 공통 샤프트(14)를 직접 구동 또는 회전시키도록 배치된다. 제2 회전자(32A) 및 고정자(34A) 모두는 하우징(52) 내에서 둘러싸인다.
이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 제2 회전자(32A) 및 고정자(34A)는 하나의 인버터에 의해서 회전자(32) 및 고정자(34)와 협력적으로 작동될 수 있다. 그러한 경우에, 회전자-고정자 쌍(32/34) 및 제2 회전자-고정자 쌍(32A/34A)이 하나의 축방향 전기 기계(30)로서 함께 작동한다. 대안적으로, 회전자-고정자 쌍(32/34 및 32A/34A)의 각각이 2개의 인버터에 의해서 각각 별도로 작동된다. 이러한 경우에, 2개의 인버터 쌍(32/34 및 32A/34A)은 구분된 축방향 플럭스 전기 기계(30)를 각각 형성한다.
다중 전기 기계 조립체(50)의 전술한 배치는 이하를 포함하는 다수의 주목할 만한 공기 갭을 형성한다:
회전자(12)와 고정자(16) 사이에 제공된 제1 공기 갭(18)은, 반경방향 플럭스 전기 기계(10)에서 반경방향 플럭스가 샤프트(14)에 대해서 내/외로 연장되는 공간을 형성한다.
제2 공기 갭(들)(36 및 가능하게는 36A)이 축방향 전기 기계 회전자-고정자 쌍(32/34) 및 선택적인 회전자-고정자 쌍(32A/34A) 사이에 제공된다. 각각의 경우에, 공기 갭(들)(36)은, 축방향 플럭스가 샤프트(14)에 평행하게 연장되는 공간을 형성한다.
제3 갭(들)(54 및 가능하게는 54A)이 반경방향 플럭스 전기 기계(10)의 회전자(12)와 축방향 전기 기계(들)(10)의 회전자(들)(32 그리고 가능하게는 32A)의 대향 표면 사이에 제공된다. 반경방향 전기 기계(10) 및 축방향 전기 기계(들)에서, 그 각각의 플럭스는 일반적으로 서로 수직으로 연장되고, 그 각각의 공기 갭 내에서 유지된다. 그러나, 비록 작기는 하지만, 어느 정도의 플럭스 누출이 여전히 발생될 수 있다. 그에 따라, 여러 전기 기계들을 실질적으로 자기적으로 디커플링시키기 위해서, 제3 공기 갭(들)(54/54A)이 충분히 큰 것이 유리하다. 하나의 특정 실시형태에서, 출원인은, 약 2 또는 3 밀리미터의 공기 갭(들)(54/54A)이 반경방향 플럭스 전기 기계(10) 및 축방향 플럭스 전기 기계(들)(30)를 자기적으로 디커플링시키는 데 있어서 충분하다는 것을 발견하였다. 이러한 치수가 단지 예시적이라는 것을 이해하여야 한다. 실제 실시형태에서, 조립체(50)의 주어진 구현예에 대한 희망하는 자기적 디커플링을 위해서, 더 작거나 더 큰 공기 갭(들)(54/54A)이 필요할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 다중 전기 기계 조립체(50)에 대한 대표적인 효율 맵(60)이 도시되어 있다. 맵(60)에서, 속도가 수평 축을 따라서 제공되어 있는 한편, 토크가 수직 축을 따라서 제공되어 있다. 맵(60)에 표시되어 있는 바와 같이, 가장 효율적인 영역(62)은, 반경방향 플럭스 전기 기계(10) 및 축방향 플럭스 전기 기계(30) 각각에 대한 맵(24 및 38)의 해당 영역과 비교할 때, 상당히 더 광범위하다. 다중 전기 기계 조립체(50) 내의 반경방향 플럭스 전기 기계(10) 및 축방향 플럭스 전기 기계(들)(30)를 독립적으로 그러나 협력적으로 제어할 수 있는 능력은 다양한 작동 방식을 가능하게 하고, 이는, 특히 각각을 단독형 전기 기계로서 작동시키는 것에 비해서, 효율을 상당히 개선할 수 있다. 예를 들어, 다양한 방식이 이용될 수 있고, 여기에서:
(a) 토크 요구가 비교적 작고 속도가 비교적 느릴 때, 축방향 플럭스 전기 기계(들)(30)가 단독으로 작동되고;
(b) 토크 요구와 관계없이 그리고 속도가 비교적 빠를 때, 반경방향 플럭스 전기 기계(10)가 단독으로 작동되고;
(c) 토크 요구가 크지만 속도는 비교적 느릴 때, 반경방향 플럭스 전기 기계(10) 및 축방향 플럭스 전기 기계(들)(30) 모두가 작동된다.
따라서, 전술한 다양한 방식으로, 전기 기계 중 임의의 하나 또는 모두가 임의의 시점에 작동되어 작동 조건을 효율적으로 만족시킬 수 있다. 그에 따라, 전체적인 효율은 개별적으로 전기 기계(10 또는 30)의 작동에 걸쳐 개선된다. 또한, 2개의 기계는, 조합될 때, 2개의 기계가 독립적으로 작동되는 것에 비해서, 더 큰 총 출력(즉, 모터 작용을 할 때의 토크, 발전기로서 작동될 때의 전기 에너지)을 생성할 수 있다.
도시된 바와 같은 가장 효율적인 영역(62)의 위치는 단지 예시적인 것이고 모터 구동부의 설계 및 제어에 따라 달라진다는 것을 이해하여야 한다. 실제 적용예에서, 반경방향 플럭스 및 축방향 플럭스 기계(10, 30)는 일반적으로 특정 적용예를 위해서 설계될 것이다. 따라서, 2개의 전기 기계는, 이들이 주어진 적용예에서 필요로 하는 상이한 속도 및 토크 영역들에서 더 효율적이 되도록, 설계 및 선택될 것이다. 또한, 협력적으로 작동될 때, 전기 기계들이, 개별적으로 작동되는 것에 비해서, 더 넓은 작동 속도 범위 및 토크 요청 범위에 걸쳐 보다 양호한 효율을 제공하도록, 전기 기계(10, 30)의 특성이 일반적으로 선택된다. 회전자(12, 32) 그리고 가능한 것의 자기적 디커플링은 이들의 각각이, 다른 기계가 비활성적인 동안, 그 피크 효율 영역에서 개별적으로 작동될 수 있게 한다. 공통 샤프트(14)를 각각 직접 구동 또는 회전시키도록 배치되고 하나의 하우징(52) 내에서 유지되는 2개의 전기 기계(10, 30)에서, 조립체(50)는 콤팩트하고 효율적인 전기 기계 시스템을 제공한다.
도 3d를 참조하면, 다중 전기 기계 조립체(50)와 함께 사용될 수 있는 선택적인 자기 차폐부(56)가 도시되어 있다. 이러한 실시형태에서, 자기 차폐부(56)는 반경방향 전기 기계(30)의 회전자(12)와 축방향 전기 기계(30)의 회전자(32) 사이의 공기 갭(54) 내에 배치된다. 명료함을 위해서, 전술한 바와 같은 전기 기계(10 및 30)의 다른 구성요소는 도시하지 않았다.
차폐부(56)를 알루미늄과 같은 비-자기 재료로 제조함으로써, 2개의 전기 기계들(10, 30) 사이의 추가적인 자기적 격리가 달성될 수 있다. 제2 축방향 회전자-고정자 쌍(32/34)이 사용되는 실시형태에서, 제2 자기 차폐부(56)(미도시)가 유사한 방식으로 사용될 수 있다. 차폐부(56)의 이용은 많은 실시형태에서 필수적인 것이 아니고 알루미늄 이외의 비-자기 재료가 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 3e를 참조하면, 공통 샤프트를 직접 구동하기 위해서 사용되는 3개의 모터(M1, M2 및 M3)를 포함하는 다른 기계 조립체(65)가 도시되어 있다. 이러한 특정 실시형태에서, 모터(M1)는 반경방향 플럭스 모터이고, 회전자(12), 고정자(16), 및 이들 둘 사이의 공기 갭(18)을 포함한다. 제2 모터(M2)는, 회전자(32A) 및 고정자(34A)를 포함하는 축방향 플럭스 모터이다. 제3 모터(M3)는, 고정자(34A) 및 다른 회전자(32B)를 포함하는 축방향 플럭스 모터이다. 이러한 특정 배치에서, 고정자(34A)는 2개의 모터(M2 및 M3)와 공통되고, 각각 M2의 회전자(32A)는 좌측에 그리고 회전자(32B)는 우측에 있다. (i) 반경방향 플럭스 모터(M1)의 회전자(12)와 M2의 회전자(32A) 사이에, 그리고 (ii) 각각, 고정자(34A)와 모터(M2 및 M3)의 회전자(32A 및 32B)의 각각의 사이에 갭들이 제공된다. 다시, 이러한 갭의 각각은 전기 기계들(M1, M2 및 M3)을 서로 효과적으로 자기적으로 디커플링시킬 수 있을 정도로 충분히 크다.
도 3f를 참조하면, 6개의 모터(M1 내지 M6)를 포함하는 다른 기계 조립체(66)가 도시되어 있다. 이러한 실시형태에서, 3개의 모터(M1, M2 및 M3)는 도 3e 실시형태의 공통적으로 표시된 모터와 본질적으로 동일하다. 구체적으로, M1은 회전자(12A), 고정자(16A), 및 이들 둘 사이의 공기 갭(18A)을 포함한다. M2는 회전자(32A) 및 고정자(34A)를 포함하고, M3은 회전자(32B) 및 고정자(34A)를 포함한다. 나머지 모터(M4, M5 및 M6)는 각각 모터(M1, M2 및 M3)와 본질적으로 거울 상 배치로 구성된다. 구체적으로, 축방향 모터(M4)는 회전자(32B) 및 고정자(34B)를 포함하고, 축방향 모터(M5)는 회전자(32C) 및 고정자(34B)를 포함하고, 반경방향 모터(M6)는 회전자(12B), 고정자(16B) 및 이들 둘 사이의 공기 갭(18B)을 포함한다. 이러한 배치에서, 모두 6개의 모터(M1 내지 M6)는 공통 샤프트(14)를 직접적으로 구동하도록 배치된다. 또한 각각의 모터들(M1 내지 M6) 사이의 갭들은, 각각의 모터를 인접 모터 또는 모터들로부터 효과적으로 자기적으로 디커플링시킬 수 있을 정도로 충분히 크다.
전술한 배치에서, 고정자(34A)는 M2 및 M3와 공통되고, 고정자(34B)는 M4 및 M5와 공통된다. 인접 모터들을 효과적으로 자기적으로 디커플링시킬 수 있을 정도로 큰 갭에서, 하나의 모터의 토크는 갭(들)을 통한 누출에 의해서 감소되지 않는다. 따라서, 각각의 모터(M1 내지 M6)는, 공통 샤프트(14)를 구동할 때, 모터들 사이의 자기 누출의 유해한 영향이 인가되는 토크의 양을 우발적으로 감소시키지 않으면서, 토크를 조합하여 최대화하는 방식으로 개별적으로 제어될 수 있다.
도 3e 및 도 3f의 실시형태에서, 유사한 다양한 제어 방식이 이용될 수 있다. 즉:
(a) 토크 요구가 비교적 작고 속도가 비교적 느릴 때, 축방향 플럭스 전기 기계(M2, M3 및/또는 M2 내지 M5)가 단독으로 작동되고;
(b) 토크 요구와 관계없이 그리고 속도가 비교적 빠를 때, 반경방향 플럭스 전기 기계(들)(M1 또는 M1 및 M6)가 단독으로 작동되고;
(c) 토크 요구가 크지만 속도는 비교적 느릴 때, 반경방향 플럭스 전기 기계(M1 및/또는 M6) 및 축방향 플럭스 전기 기계(들)(M2, M3 및/또는 M2 내지 M5) 모두가 작동된다.
전술한 다양한 방식은 단지 예시일 뿐이며, 어떠한 것과 관련하여서도 제한적인 것으로 해석되어서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다. 실제 세계의 실시형태에서, 도 3e의 실시형태에 대한 전기 기계(M1 내지 M3) 또는 도 3f의 실시형태에 대한 전기 기계(M1 내지 M6)의 임의의 하나, 둘 이상, 또는 모두가 임의의 시점에 작동되어 작동 조건을 효율적으로 만족시킬 수 있다. 일반적으로, 작동을 위해서 임의의 하나의 전기 기계 또는 다중 전기 기계를 선택하는 것은 일반적으로 토크 요구 및/또는 작동 속도에 따라 달라진다. 개별적인 모터를 개별적으로 그러나 집합적으로 제어함으로써, 다중 기계 구동의 전체적인 효율이 최대화되도록, 임의의 시점에서, 임의의 개별적인 모터로부터의 토크 기여의 양이 결정된다. 본원에서 설명된 바와 같은 본 발명의 여러 실시형태의 작동 효율의 개선은, (1) 단순한 유형의(예를 들어, 단지 반경방향의 또는 단지 축방향의) 전기 기계 중 하나 이상 또는 (2) 별도로 수용되고/되거나 링키지, 기어 또는 기타에 의해서 공통 부하에 연결된 개별적인 샤프트를 구동하는 상이한 유형의(예를 들어, 하나 이상의 반경방향 또는 하나 이상의 축방향) 여러 독립적인 전기 기계를 포함하는, 종래 기술의 구성보다 우수하게 실현된다. 결과적으로, 더 높은 전체적인 효율로 작동하면서, 더 큰 토크 밀도가 일반적으로 달성될 수 있다. 대안적으로, 기계가 발전기로서 작동될 때, 파워 에너지가, 전술한 발전기로서 작동하는 종래 기술의 기계의 배치 중 임의의 배치에 비해서, 더 효율적으로 생성될 수 있다.
다중 전기 기계 제어
도 4를 참조하면, 다중 전기 기계 조립체(예를 들어, 본원에서 설명된 임의의 조립체)를 모니터링하면서 제어하기 위한 제어기(70)가 도시되어 있다. 제어기(70)는 요청된 요구, 및 전기 기계 조립체의 주어진 속도를 나타내는 입력을 수신하도록 배치된다. 이에 응답하여, 제어기(70)는 하나 이상의 표(72)에 접근하고, 개별적인 인버터를 각각 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다. 도시된 특정 실시형태에서, (n)개의 모터를 각각 개별적으로 제어하기 위한 (n)개의 인버터가 있다. 개수(n)가 최소 두 개(2)로부터 임의의 개수(n)까지 광범위하게 변경될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 개별적인 모터가 단지 반경방향, 단지 축방향, 또는 하나 이상의 반경방향 모터와 협력적으로 작동하는 하나 이상의 축방향 모터의 임의의 조합일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
비-배타적인 실시형태에서, 표(72)는, 주어진 다중 전기 기계 조립체의 전기 계의 테스트에 의해서 수집된 실험적 데이터로부터 생성된다. 그러한 테스트 중에, 각각의 전기 기계는 넓은 범위의 속도 및 토크 요구에 걸쳐 실행된다. 전기 기계가 넓은 범위의 작동 조건에 걸쳐 테스트됨에 따라, 이상적인 또는 바람직한 인버터 제어 값이 넓은 범위의 토크 요구 및 속도 값 조합에 대해서 규정된다. 이어서, 광범위한 범위의 토크 요구 및 속도에 걸쳐 (n)개의 개별 전기 기계를 개별적으로 제어하기 위한 이상적인 또는 바람직한 인버터 제어 값을 표로 작성함으로써, 표(72)가 구성된다.
모니터링 작동 중에, 제어기(70)는 표(72)에 접근하여, 주어진 토크 요구 및 속도 조합에 대한 n개의 전기 기계의 각각의 이상적인 또는 바람직한 인버터 제어 값을 획득한다. 이에 응답하여, 제어기(70)는 이어서 1개 내지 (n)개의 인버터의 각각에 대한 상응 제어 신호를 생성한다. 이에 응답하여, (n)개의 전기 기계(들)의 각각은 개별적으로 그러나 협력적으로 제어되고, 그에 따라, 요구되는 출력 요구를 만족시키면서 그리고 과도한 노이즈, 진동 및 불쾌감(NVH)을 생성하지 않으면서, 효율을 이상적으로 개선하는 전술한 다양한 방식 또는 일부 다른 방식을 구현한다. (n)개의 전기 모터(들)를 함께 협력적으로 작동시킴으로써, 조립체는 종종, 임의의 하나의 전기 기계 단독으로 동일 출력을 생성하는 것보다, 요청된 출력을 더 효율적으로 그리고 적은 NVH로 생성할 수 있다. 또한, 공통으로 수용되고 공통 샤프트를 직접 구동하는 둘 이상의 전기 기계를 가짐으로써, NVH는 일반적으로, 별도의 샤프트를 각각 구동하고 이어서 기어 및/또는 다른 링키지를 이용하여 공통 부하를 구동하는 다수의 별도 수용 기계에 비해서, 더 감소된다.
전술한 설명은 임의의 다중 전기 기계 조립체의 맥락으로 제공된 것이고, 본원에서 명시적으로 설명된 것으로 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 반경방향, 축방향, 또는 그 임의의 수 또는 조합의, 임의의 개수(n)의 개별적인 전기 기계를 포함하는 다중 기계 조립체가 본원에서 설명된 것과 유사한 방식으로 협력적으로 제어될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
파워 인버터 회로
3상 AC 유형 전기 기계를 위한 대표적인 파워 인버터가 스위칭 네트워크를 포함한다. 스위칭 네트워크는 일반적으로, 2개의 전압 버스((+VBUS) 및 (-VBUS)) 사이에서 직렬로 커플링된, 위상(A)을 위한 스위치(S1 및 S2)의 제1 쌍, 위상(B)을 위한 스위치(S3 및 S4)의 제2 쌍, 및 위상(C)을 위한 스위치(S5 및 S6)의 제3 쌍을 포함한다. 모터로서 작동될 때, DC 공급부로부터의 파워는 스위치(S1 내지 S6)의 스위칭 네트워크를 통해서 제공된다. 이어서, 스위칭 네트워크는 위상화된 에너지를 전술한 바와 같은 전기 기계의 고정자 권선의 3개의 위상에 제공한다. 대안적으로, 발전기로서 작동할 때, 에너지는 전기 기계로부터 배터리와 같은 저장 장치로 흐른다.
영구 자석 BEMF 및 필드 약화
하이브리드를 포함하는 배터리 파워 공급형 차량 특정 적용예에서, 영구 자석을 이용하는 회전자 설계를 갖는 전기 기계가 일반적이다. 그러한 전기 기계는, 비제한적으로, 영구 자석 보조 동기 릴럭턴스 모터 및 내부 영구 자석(IPM) 모터가 포함한다. 이러한 전기 기계가 일반적으로 효율적이고 비교적 저렴하고, 그에 따라 전기 차량 적용예에서 유리하게 이용되지만, 이들은 이상적이지 못한 일부 문제를 갖는다.
영구 자석을 이용하는 회전자 설계를 갖는 전기 기계가 에너지를 공급받을 때, 그 회전자는 고정자 자기장과 동기화되어 회전되기 시작한다. 회전자의 회전하는 영구 자석은, 이어서, 역 EMF 또는 "BEMF"로 일반적으로 지칭되는, 전자기력 또는 "EMF"를 고정자 권선 내에서 유도한다. BEMF는, 고정자 전류가 흐르게 하고 그에 따라 회전자가 제1 장소에서 회전되게 하는, 인가 전압에 반대로 작용한다. 결과적으로, BEMF가 인가 전압에 접근할 때, 고정자 내에서 흐르는 전류는 0으로 떨어지고, 그에 따라 전기 기계는 자연스럽게 샤프트 속도를 제한한다.
인버터 구동 전기 기계의 최대 BEMF는, 모터로서 작동될 때, 인버터 DC 전력 공급부에 의해서 제한된다. 발전기로서 작동할 때, 그러한 제한은 없으며, 제어되지 않는 회생 고정자 전류가 유동할 수 있다. 이러한 전류는 제어되지 않는 그리고 원치 않는 음의 토크를 샤프트 상에서 유도할 것이다.
필드 약화는 BEMF의 부정적인 영향을 감소시키기 위해서 사용되는 알려진 기술이다. 자기장을 감소 또는 약화함으로써, BEMF가 감소된다. BEMF를 인버터 공급 전압 미만으로 감소시킴으로써, 필드 약화가 없는 경우에 BEMF가 배터리 전압보다 커지게 되는 속도에서, 제어된 전류가 모터로 흐를 수 있다.
인버터가 비활성화될 때 주어진 전기 기계의 BEMF가 인버터 공급 전압을 초과하는 경우에, 제어되지 않은 정류 전류가 DC 공급부로 되돌아 간다. 결과적으로, 전기 기계는 제동 토크(retarding torque)를 생성할 것이다. 전기 기계가 비활성화될 때, 잠재적으로 3개의 옵션이 사용될 수 있다. 이러한 옵션은 이하를 포함한다:
(1) 제어되지 않은 정류된 전류가 DC 공급부로 되돌아 가게 하여, 토크를 희생하면서 부가적인 저장 에너지를 생성한다;
(2) 앞서 주목한 바와 같이, 필드 약화를 위해서 입력 전류를 희생시키면서 필드를 약화시키는 것에 의해서, BEMF의 이러한 부정적인 영향을 완화할 수 있다. 따라서, 활성화된 인버터를 유지하고, 0의 토크를 요구하는 한편, 필드 약화를 적용하는 것에 의해서, 전기 기계의 제동 토크 출력이 제거되거나 감소된다;
(3) 다중 전기 기계 조립체의 전체 작동 속도에서 예상 BEMF가 DC 공급 전압보다 결코 크지 않도록, 전기 기계를 설계한다.
증강된 인버터 회로
도 5를 참조하면, 인버터(74 내지 74n)는 개별적으로 그러나 협력적으로 기계(M1 내지 Mn)를 각각 제어한다. 인버터(74 내지 74n)의 각각은 DC 파워 공급부(예를 들어, DC 배터리, 커패시터 또는 다른 DC 파워 공급부)에 의해서 파워를 공급 받고, 당업계에서 잘 알려진 바와 같이 위상화된 에너지를 전기 기계(M1 내지 Mn)의 고정자 권선에 제공하기 위한 스위칭 네트워크(미도시)를 포함한다. 여러 실시형태에서, 기계(M1 내지 Mn)의 각각은, 회전자를 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 반경방향, 축방향, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 임의의 유형의 기계, 영구 자석에 의존하는 기계, 등일 수 있다. 영구 자석에 의존하지 않는 구현예에서, 역 자기력("BEMF")은 일반적으로 문제가 되지 않는다.
영구 자석 회전자 설계를 이용하는 특정 구현예에서, 반경방향 전기 기계(예를 들어, M1)가 활성화되나 축방향 전기 기계(예를 들어, Mn)는 비활성적일 때, BEMF가 문제가 될 수 있다. 이러한 상황이 발생될 때, 공통 샤프트(14)는 반경방향 전기 기계(M1)에 의해서 직접 구동 또는 회전되고, 이는 이어서 축방향 전기 기계(Mn)의 회전자를 회전시킨다. 축방향 전기 기계의 회전자가 회전함에 따라, BEMF가 생성될 수 있다. BEMF의 양이 DC 배터리에 의해서 제공되는 공급 전압을 초과하는 경우에, 축방향 전기 기계(Mn)는 발전기로서 작동되기 시작하여, 샤프트에 인가되는 제어되지 않는 및/또는 원치 않는 음의 토크를 생성할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, DC 링크 커패시터를 포함하는, 이러한 예에서 축방향 전기 기계(MN)를 위한 증강된 인버터 회로(74n)가 제공된다. 반경방향 전기 기계(M1)가 활성화된 그러나 축방향 전기 기계(Mn)는 활성화되지 않은 상황 중에, DC 링크 커패시터를 이용하여 과다 BEMF로 인해서 축방향 전기 기계(Mn)에 의해서 생성된 과다 에너지를 저장한다. 결과적으로, DC 배터리 공급부는 전체적으로 초과되지 않거나 감소되는 정도로 초과된다. 또한, 인버터(74n)가 필드 약화를 또한 적용할 수 있다. 결과적으로, 축방향 전기 기계(Mn)는 전체적으로 발전기로서 작동하는 것이 방지되거나, 축방향 전기 기계(Mn)가 발전기로서 작용하는 범위가 감소된다. 그에 따라, 임의의 음의 토크가 공통 샤프트(14)에 인가되는 것이 방지되거나 완화된다. 대안적인 실시형태에서, DC 링크 커패시터는 별도의 커패시터일 수 있거나, DC 파워 공급부 또는 배터리에 포함될 수 있다.
다른 한편으로, 반경방향 전기 기계(M1) 및 축방향 전기 기계(Mn) 모두가 능동적으로 작동될 때, BEMF는 일반적으로 문제가 되지 않는다. 그러한 경우에, DC 링크 커패시터는 과다 에너지를 저장하기 위해서 사용되지 않고, 2개의 인버터(74, 74n)는 일반적으로 독립적으로 그러나 협력적으로 2개의 전기 기계를 제어하도록 작동한다.
코어 손실은 자석 기반의 설계를 갖는 전기 기계 설계의 다른 관심 사항이다. 비록 전기 기계가 비활성화되고 전류가 없지만, 회전자 설계의 영구 자석이 고정자 코어 내에서 변화되는 자기 플럭스를 초래할 수 있기 때문에, 코어 손실이 여전히 존재할 수 있다. 결과적으로, 철 손실이 발생될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 전기 기계는 코어 손실을 최소화하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 영구 자석 기반의 모터가 무-슬롯 구성(slot-less configuration)을 가지는 경우에, 이는, 슬롯을 갖는 일반적인 구성에 비해서, 훨씬 더 작은 BEMF 및 코어-손실을 생성할 것이다. 다른 예는, 모든 작동 지점에서(또는 적어도 작동 지점의 대부분에서) 활성화될 하나의 모터에서만 자석을 이용하고, 다수의 모터 내의 모든 다른 모터가 무-자석인 것일 수 있고, 그에 따라 활성적이 아닌 모터 내에서 코어 손실이 없을 것이다.
기계 조립체 냉각
도 6을 참조하면, 다중 전기 기계 조립체의 냉각을 제어하기 위한 시스템(100)의 블록도가 도시되어 있다. 시스템(100)은 제어기(102), 공통 샤프트(미도시)를 직접 구동하기 위한 기계 조립체(예를 들어, 본원에서 설명된 바와 같은 임의의 실시형태(3a 내지 3h)를 수용하기 위한 공통 하우징(104), 열 교환기(106), 펌프(108), 및 하우징(104) 내에서 또는 그에 인접하여 유지되는 온도 센서(110)를 포함한다.
작동 중에, 온도 센서(110)는 하우징(104) 내의 온도를 측정하고, 온도 샘플 판독값을 제어기(102)에 제공한다. 하우징(104) 내의 온도가 증가됨에 따라, 제어기는 펌프(108)를 활성화시키고 제어하며, 이러한 펌프는 냉각 유체를 하우징 내로 펌핑한다. 이어서, 냉각 유체가 하우징(104)을 통해서 유동하여, 다중 전기 기계 조립체에 의해서 생성된 열을 제거한다. 이어서, 가열된 유체가 하우징(104)을 빠져 나가고, 이어서 열 교환기(106)를 통과하며, 열 교환기는 냉각 유체로부터 열을 제거한다. 그에 따라, 냉각된 유체는 펌프(108)에 의해서 하우징(104) 내로 다시 재순환될 준비가 된다.
센서(110)에 의한 온도 판독값에 따라, 제어기(102)는, 냉각 유체가 하우징(104)을 통해서 펌핑되는 속도를 제어 또는 조절할 수 있다. 다중 전기 기계 조립체가 과다한 열을 생성할 때, 냉각 유체가 펌프(108)에 의해서 펌핑되는 속도가 증가된다. 온도 판독값이 수용 가능 온도 까지 떨어지면, 펌핑 속도를 감소시킬 수 있다. 따라서, 펌프(108)의 펌핑 속도를 제어 또는 조절하는 것에 의해서, 제어기(102)는 하우징(104) 내의 기계 조립체의 개별적인 기계의 온도를 희망 온도 또는 온도 범위에서 유지할 수 있다.
전기 차량(EV)과 같은 적용예에서, 높은 파워 밀도가 매우 중요하고, 냉각 시스템의 냉각제가 종종 고정자 권선 또는 단부 권선 상의 샤워(shower) 주위에서 순환된다. 이러한 다중-모터 배치에서, 하나의 모터의 단부 권선은 다른 모터의 단부 권선에 밀접할 것이다. 따라서, 동일 냉각제 유입구 파이프를 다수의 노즐과 함께 사용하여, 냉각제의 분무를 축방향 플럭스 모터 및 반경방향 플럭스 모터의 단부 권선으로 지향시킬 수 있고 이를 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 냉각제 경로를 더 작게 만들 수 있고, 이는 시스템 비용을 낮출 것이다.
도 7을 참조하면, 예시적인 다중 전기 기계 조립체(120)가 도시되어 있다. 이러한 특정의 비-배타적인 실시형태에서, 전기 기계 조립체(120)는, 공통 샤프트(14)를 직접적으로 구동하도록 각각 구성되는, 반경방향 플럭스 모터(M1) 및 2개의 축방향 플럭스 모터(M2 및 M3)를 포함한다. 기계 조립체는 하우징(122) 내에 수용된다. 여러 실시형태에서, 하우징(122)은 임의의 형상(예를 들어, 상자, 원통형, 둥근형 등)일 수 있고, 하나의 일체형 구조물일 수 있고, 또는 서로 부착되는 다수의 외부 세그먼트를 포함할 수 있고/있거나, 모든 전기 기계(M1 내지 M3)를 수용하기 위한 하나의 내부 챔버 또는 전기 기계(M1 내지 M3) 중 하나 이상을 수용하기 위한 다수의 내부 챔버를 포함할 수 있다. 기계 조립체는 또한 하나의 냉각제 유입구(124) 및 다수의 분무 노즐(126A 및 126B)을 포함한다. 도시된 특정 실시형태에서, 노즐(126A)은 축방향 플럭스 모터(M3) 상으로 냉각제를 분무하도록 배치되고, 노즐(126B)은 축방향 플럭스 모터(M2 및 M3) 상으로 냉각제를 분무하도록 배치된다.
도 7에 도시된 실시형태가 단지 예시적인 것임을 이해하여야 하고, 어떠한 것과 관련하여서도 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 특히, 하우징을 이용하여, 예를 들어 본원에서 설명된 바와 같은 그러나 비제한적인, 임의의 수, 유형 또는 조합의 다수의 축방향 및/또는 반경방향 모터를 수용할 수 있다. 또한, 냉각제 유입구의 수가 반드시 단지 1개로 제한되는 것은 아니다. 이에 반해, 다수의 기계를 갖는 전기 기계 조립체에서, 하나 이상의 분무 노즐에 각각 공급하는 다수의 냉각제 유입구를 또한 가지는 것이 유리할 수 있다. 이러한 방식으로, 냉각제는, 기계 조립체 내에서 필요로 하는 곳으로 용이하게 분배될 수 있다. 또한, 다수의 노즐에서, 그 각각은 개별적인 전기 기계의 용법 및 열 생성을 기초로 개별적으로 제어될 수 있다.
장점
본원에서 설명된 바와 같은 전기 기계 조립체는 여러 이점 및 장점을 제공한다. 첫 번째로, 조립체는 일반적으로, 하나의 전기 기계 또는 2개의 별도의 구분된 전기 기계를 갖는 이전의 설계보다, 더 넓은 작동 범위에 걸쳐 더 높은 효율로 작동될 수 있다. 두 번째로, 하나의 하우징에 수용된 기계 조립체는, 일반적으로 기어 및/또는 링키지를 통해서 공통 부하에 연결된 별도의 샤프트를 독립적으로 구동하는 2개의 유사한 그러나 별도로 수용된 모터에 비해서, 부하에 연결된 공통 샤프트를 구동하기 위한 증가된 출력 파워 밀도를 제공한다. 따라서, 개별적으로 제어되나 공통 하우징 내에 수용되고 공통 샤프트를 직접 구동 또는 회전시키는 2개(또는 그 초과)의 모터는 매우 콤팩트한 패키지에서 높은 레벨의 출력 파워를 제공한다. 동일 크기의 별도로 수용된 반경방향 및 플럭스 전기 기계로부터 동일 레벨의 출력 파워를 획득하기 위해서, 2개의 하우징의 "풋프린트(footprint)"는, 본원의 하나의 하우징 설계보다, 상당히 더 클 것이다. 세 번째로, 반경방향 및 축방향 전기 기계(10, 30)를 협력적으로 작동시킬 수 있는 능력은 NVH를 줄이는 데 도움을 준다. 예를 들어, 반경방향 플럭스 기계(30) 및 축방향 플럭스 기계(들)(30)의 각각은, 작동 조건이 각각의 "스윗 스폿(sweet spot)" 효율 영역에 각각 있을 때, 개별적으로 사용될 수 있다. 즉, 반경방향 플럭스 전기 기계(10)는 토크 요구와 관계없이 그리고 속도가 비교적 빠를 때 단독적으로 작동되고, 축방향 플럭스 전기 기계(들)(30)는 토크 요구가 비교적 작고 속도가 비교적 느릴 때 단독으로 작동된다. 다른 한편으로, 토크 요구가 크지만 속도는 비교적 느릴 때, 양 기계들이 작동된다. 양 전기 기계가 사용되기 때문에, 요구를 만족시키기 위해서 축방향 또는 반경방향 전기 기계를 독립적으로 작동시키는 것에 비해서, NVH가 감소될 수 있다.
대안적인 실시형태
전술한 비-배타적인 실시형태에서, 반경방향 플럭스 전기 기계는 동기 릴럭턴스 기계이고, 축방향 플럭스 전기 기계는 표면 영구 자석 전기 기계이다. 그러나, 이러한 특정 실시형태는 배타적인 것이 아니고, 많은 다른 실시형태가 이용될 수 있다.
예를 들어, 축방향 플럭스 전기 기계는, 비제한적으로 (a) 표면 장착된 영구(SMP) 자석 전기 기계, (b) 스위칭형 릴럭턴스 전기 기계, 또는 (c) 내부 영구 자석(IPM) 모터를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 마찬가지로, 반경방향 플럭스 전기 기계는, 비제한적으로, (d) IPM 모터, (e) 영구 자석 보조 동기 릴럭턴스 모터, (f) 동기 릴럭턴스 모터, (g) 영구 자석 보조 동기 릴럭턴스 기계 또는 (h) 유도 모터(IM)를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
이하의 표 I은 구현될 수 있는 여러 가능한 실시형태를 포함한다. 각각의 경우에, 주석은 각각의 조합에 대한 장점으로서 제공된다.
축방향 플럭스 모터 반경방향 플럭스 모터 주석
SPM 모터 내부 영구 자석(IPM) 모터 고-파워 밀도 및 고-효율 구동
SPM 모터 영구 자석 보조 동기 릴럭턴스 모터(PMaSynRM) 고파워, 고효율 저비용 구동
스위치형 릴럭턴스 모터 IPM 모터 축방향 플럭스 모터의 BEMF 처리 문제가 없음. SRM가 단일 위상일 수 있음에 따라, 단지 4개의 위상이 있을 수 있다
스위치형 릴럭턴스 모터 PMaSynRM 매우 저비용의 구동,
축방향 플럭스 모터의 BEMF 처리 문제가 없음. SRM가 단일 위상일 수 있음에 따라, 단지 4개의 위상이 있을 수 있다
스위치형 릴럭턴스 모터 동기 릴럭턴스 모터
 매우 저비용의 구동,
축방향 플럭스 모터의 BEMF 처리 문제가 없음. SRM가 단일 위상일 수 있음에 따라, 단지 4개의 위상이 있을 수 있다
유도 모터(IM) PMaSynRM 축방향 플럭스 모터의 BEMF 처리 문제가 없음. IM이 단일 위상일 수 있음에 따라, 단지 4개의 위상이 있을 수 있다
유도 모터(IM) IPM 모터 축방향 플럭스 모터의 BEMF 처리 문제가 없음. IM이 단일 위상일 수 있음에 따라, 단지 4개의 위상이 있을 수 있다
동기 릴럭턴스 모터 PMaSynRM 축방향 플럭스 모터의 BEMF 처리 문제가 없음.
동기 릴럭턴스 모터 IPM 모터 축방향 플럭스 모터의 BEMF 처리 문제가 없음.
스위치형 릴럭턴스 모터 스위치형 릴럭턴스 모터
PMaSynRM 스위치형 릴럭턴스 모터
SynRM 스위치형 릴럭턴스 모터
SPM 스위치형 릴럭턴스 모터
IPM 스위치형 릴럭턴스 모터
본 실시형태는 제한적이 아닌 예시적인 것으로 고려되어야 하며, 본 발명은 본원에 제공되는 상세 사항에 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범위 및 균등물 내에서 수정될 수 있다.

Claims (30)

  1. 전기 기계 조립체로서,
    샤프트;
    상기 샤프트를 직접적으로 구동하도록 구성된 제1 회전자를 갖는 축방향 플럭스 전기 기계;
    상기 샤프트를 직접적으로 구동하도록 구성된 제2 회전자를 갖는 반경방향 플럭스 전기 기계;
    상기 축방향 플럭스 전기 기계와 상기 반경방향 플럭스 전기 기계 사이에 제공되며, 상기 축방향 플럭스 전기 기계와 상기 반경방향 플럭스 전기 기계를 서로 효과적으로 자기적으로 디커플링시킬 수 있을 정도로 충분히 큰, 제1 갭;
    상기 축방향 전기 기계 및 상기 반경방향 전기 기계 모두 그리고 상기 샤프트의 적어도 일부를 수용하기 위한 하우징; 및
    상기 축방향 플럭스 전기 기계를 개별적으로 제어하도록 배치된 제1 인버터 및 상기 반경방향 플럭스 전기 기계를 개별적으로 제어하도록 배치된 제2 인버터를 포함하는, 전기 기계 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인버터 및 제2 인버터는 개별적으로 그러나 협력적으로 상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 상기 반경방향 플럭스 전기 기계를 제어하여, 주어진 속도에서 요청된 요구를 만족시키는, 전기 기계 조립체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 인버터 및 제2 인버터는, 각각, 주어진 속도에서 요청된 요구를 기초로, 독립적으로 그리고 선택적으로 상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 상기 반경방향 플럭스 전기 기계를 활성화 또는 비활성화시키는, 전기 기계 조립체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 인버터 및 제2 인버터는,
    (a) 제1 작동 조건 중에 상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 상기 반경방향 플럭스 기계 중 하나 만이 활성화되고;
    (b) 제2 작동 조건 중에 상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 상기 반경방향 플럭스 기계 중 제2 기계 만이 활성화되고;
    (c) 제3 작동 조건 중에 상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 상기 반경방향 플럭스 기계 모두가 활성화되도록;
    상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 상기 반경방향 플럭스 기계를 각각 독립적으로 그리고 선택적으로 활성화 또는 비활성화시키는, 전기 기계 조립체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 인버터 및 제2 인버터는, 이하의 방식 중 하나가 이용되도록, 개별적으로 그러나 협력적으로 상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 상기 반경방향 플럭스 전기 기계를 작동시키는:
    (a) 속도가 비교적 느리고 상기 토크 요구가 비교적 작을 때, 상기 축방향 전기 기계 만이 작동되고;
    (b) 상기 속도가 비교적 빠를 때 그리고 상기 토크 요구와 관계없이 상기 반경방향 전기 기계만이 작동되고;
    (c) 상기 토크 요구가 크고 속도는 비교적 느릴 때, 상기 축방향 전기 기계 및 반경방향 전기 기계 모두가 작동되는, 전기 기계 조립체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    느린 속도 범위에 걸쳐 상기 반경방향 플럭스 전기 기계보다 더 높은 작동 효율을 갖는 축방향 플럭스 전기 기계; 및
    빠른 속도 범위에 걸쳐 상기 축방향 플럭스 전기 기계보다 더 높은 작동 효율을 갖는 반경방향 플럭스 전기 기계를 더 특징으로 하고,
    상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 상기 반경방향 플럭스 전기 기계를 함께 협력적으로 작동시키는 것은, 개별적으로 작동되는 상기 축방향 플럭스 전기 기계 또는 상기 반경방향 플럭스 전기 기계에 비해서, 더 넓은 속도 범위에 걸쳐 더 높은 작동 효율을 초래하는, 전기 기계 조립체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반경방향 플럭스 전기 기계는,
    (a) 상기 제1 회전자를 둘러싸는 제1 고정자;
    (b) 상기 제1 회전자를 둘러싸는 상기 제1 고정자를 원주방향으로 분리하는 제2 갭으로서, 반경방향 플럭스가 상기 제2 갭 내에서 상기 샤프트에 대해서 내외로 반경방향으로 연장되는, 제2 갭을 포함하고;
    상기 축방향 플럭스 전기 기계는,
    (c) 상기 제2 회전자에 대향되는 제2 고정자; 및
    (d) 상기 제2 회전자와 상기 제2 고정자 사이에 제공되는 제3 갭으로서, 축방향 플럭스가 축방향으로 상기 샤프트와 평행하게 그리고 상기 제2 회전자와 상기 제2 고정자 사이의 상기 제3 갭 내에서 연장되는, 제3 갭을 포함하는, 전기 기계 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 고정자 주위에서 원주방향으로 배치되고 상기 제1 고정자로부터 외측으로 연장되는 다수의 권선을 추가로 포함하고;
    상기 축방향 플럭스 전기 기계의 제2 회전자는,
    (a) 상기 제1 고정자 주위에서 원주방향으로 배치되고 상기 제1 고정자로부터 외측으로 연장되는 다수의 권선 내에 포개지고;
    (b) 상기 반경방향 플럭스 전기 기계의 제1 고정자에 인접하되 그로부터 분리되도록 배치되는, 전기 기계 조립체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 갭은 상기 반경방향 플럭스 전기 기계의 제1 회전자와 상기 축방향 플럭스 전기 기계의 제2 회전자 사이에 제공되고, 상기 제1 갭은, 상기 반경방향 플럭스 전기 기계에 의해서 생성된 반경방향 플럭스 및 상기 축방향 플럭스 전기 기계에 의해서 생성된 축방향 플럭스가 서로 효과적으로 자기적으로 디커플링시킬 수 있을 정도로 충분히 큰, 전기 기계 조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 갭은,
    (a) 2 밀리미터;
    (b) 2 밀리미터 미만; 또는
    (c) 2 밀리미터 초과 중 하나인, 전기 기계 조립체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반경방향 플럭스 전기 기계는 제1 자극의 수를 가지고 상기 축방향 플럭스 전기 기계는 제2 자극의 수를 가지며, 상기 제1 자극의 수 및 제2 자극의 수가 동일하거나 상이한, 전기 기계 조립체.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트를 직접 구동시키도록 배치된 제2 축방향 플럭스 전기 기계를 추가로 포함하고, 상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 상기 제2 축방향 플럭스 전기 기계는 상기 반경방향 플럭스 전기 기계의 대향 측면들 상에 위치되는, 전기 기계 조립체.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트를 직접 구동시키도록 구성된 제2 축방향 플럭스 전기 기계를 추가로 포함하고, 상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 상기 제2 축방향 플럭스 전기 기계는 상기 반경방향 플럭스 전기 기계의 동일 측면들 상에 위치되는, 전기 기계 조립체.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트를 직접적으로 구동하도록 구성된 제2 반경방향 플럭스 기계를 추가로 포함하고, 상기 축방향 플럭스 전기 기계는 상기 반경방향 플럭스 기계와 상기 제2 반경방향 플럭스 기계 사이에 위치되는, 전기 기계 조립체.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트를 직접적으로 구동하도록 구성된 제2 반경방향 플럭스 기계; 및
    상기 샤프트를 직접적으로 구동하도록 각각 구성된, 복수의 축방향 플럭스 전기 기계를 추가로 포함하고,
    상기 복수의 축방향 플럭스 전기 기계는 상기 반경방향 플럭스 기계와 상기 제2 반경방향 플럭스 기계 사이에 위치되는, 전기 기계 조립체.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징 내에 수용된 상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 상기 반경방향 플럭스 기계에 더하여, 하나 이상의 부가적인 전기 기계를 추가로 포함하고, 상기 하나 이상의 부가적인 전기 기계, 상기 축방향 플럭스 전기 기계, 및 상기 반경방향 플럭스 기계의 각각은 서로 효과적으로 자기적으로 각각 디커플링되는, 전기 기계 조립체.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 하나 이상의 부가적인 전기 기계의 각각은 상기 하나 이상의 부가적인 인버터에 의해서 각각 독립적으로 제어되는, 전기 기계 조립체.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    M개의 축방향 플럭스 기계 및 N개의 반경방향 플럭스 기계를 추가로 포함하고, M 및 N은 각각 1 이상의 정수이고,
    상기 M개의 축방향 플럭스 기계의 각각은 상기 샤프트를 직접적으로 구동하도록 배치되고 상기 하우징 내에 수용되고;
    상기 N개의 반경방향 플럭스 기계의 각각은 상기 샤프트를 직접적으로 구동하도록 배치되고 상기 하우징 내에 수용되는, 전기 기계 조립체.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계 제어기를 추가로 포함하고, 상기 전기 기계 제어기는,
    요구를 수신하고;
    상기 반경방향 플럭스 전기 기계를 제어하도록 배치된 상기 제1 인버터를 위한 제1 제어 신호를 생성하고;
    상기 축방향 플럭스 전기 기계를 제어하도록 배치된 상기 제2 인버터를 위한 제2 제어 신호를 생성하도록 배치되고,
    상기 제1 제어 신호 및 제2 제어 신호는, 상기 토크 요구 및 속도에 응답하여, 상기 반경방향 플럭스 전기 기계 및 축방향 플럭스 전기 기계를 각각 개별적으로 그러나 협력적으로 작동시키도록 배치되는, 전기 기계 조립체.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 반경방향 플럭스 기계 또는 상기 축방향 플럭스 기계가 단독적으로 개별적으로 작동되는 경우에 비해서, 더 넓은 범위의 요구 및 속도에 걸쳐 더 효율적이 되도록, 상기 반경방향 플럭스 기계 및 축방향 플럭스 기계가 함께 협력적으로 작동되는, 전기 기계 조립체.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어기, 및 요구 및 속도의 조합에 의해서 인덱싱된 복수의 인버터 제어 값을 포함하는 하나 이상의 표를 추가로 포함하고, 상기 제어기는 수신된 요구 및 속도를 이용하여 상기 하나 이상의 표를 인덱싱하고 상기 인버터 제어 값의 하나 이상을 확인하는, 전기 기계 조립체.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 상기 반경방향 플럭스 전기 기계를 자기적으로 디커플링시키는 것을 보조하기 위해서 상기 제1 갭 내에 제공되는 자기 차폐부를 추가로 포함하는, 전기 기계 조립체.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반경방향 플럭스 전기 기계가 활성화되는 동안, 비활성화된 상기 축방향 플럭스 전기 기계에 의해서 생성되는 과다 BEMF 에너지를 저장하도록 배치된 저장 장치를 추가로 포함하는, 전기 기계 조립체.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각 유체를 상기 하우징을 통해서 순환시킴으로써 상기 축방향 플럭스 전기 기계 및 반경방향 플럭스 전기 기계를 냉각시키도록 구성된 냉각 시스템을 추가로 포함하는, 전기 기계 조립체.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은, 상기 냉각 유체를 상기 하우징을 통해서 펌핑하는 펌프를 조절하도록 구성된 제어기를 포함하는, 전기 기계 조립체.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은,
    상기 냉각 유체를 상기 하우징 내로 도입하기 위한 적어도 하나의 유입구; 및
    상기 적어도 하나의 유입구에 유체적으로 커플링되고, 상기 냉각 유체를 상기 반경방향 플럭스 기계 및 축방향 플럭스 기계로 각각 선택적으로 분배하도록 개별적으로 제어되는, 둘 이상의 노즐을 포함하는, 전기 기계 조립체.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축방향 플럭스 전기 기계는,
    (a) 표면 장착된 영구(SMP) 자석 전기 기계;
    (b) 스위칭형 릴럭턴스 전기 기계;
    (c) 내부 영구 자석(IPM) 전기 기계;
    (d) 동기 릴럭턴스 기계;
    (e) 유도 전기 기계(IM); 또는
    (f) 영구 자석 보조 동기 릴럭턴스 기계로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 전기 기계 조립체.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반경방향 플럭스 전기 기계는,
    (a) 내부 영구 자석(IPM) 기계;
    (b) 영구 자석 보조 동기 릴럭턴스 기계;
    (c) 내부 영구 자석(IPM) 전기 기계;
    (d) 동기 릴럭턴스 기계;
    (e) 스위칭형 릴럭턴스 전기 기계;
    (f) 유도 기계(IM); 또는
    (g) 표면 장착된 영구(SMP) 자석 전기 기계로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 전기 기계 조립체.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반경방향 플럭스 기계 및 축방향 플럭스 기계는 함께 작동될 때, 상기 2개의 기계 중 하나가 독립적으로 작동되는 것에 비해서, 더 큰 출력을 생성할 수 있는, 전기 기계 조립체.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은,
    (a) 상기 축방향 플럭스 기계, 상기 반경방향 플럭스 기계, 그리고 적어도 부분적으로 상기 샤프트를 적어도 부분적으로 둘러싸는 전기 기계 하우징이고;
    (b) 하나의 일체형 하우징이거나, 서로 부착된 다수의 세그먼트를 포함하는, 전기 기계 조립체.
KR1020227040847A 2020-04-30 2021-04-01 공통 샤프트를 구동하기 위한 자기적으로 디커플링되고, 별도로 제어되는 다중 전기 기계 조립체 KR20230004755A (ko)

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