KR20230118189A - 자기 안내 선형 유도 모터 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20230118189A
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induction motor
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하이메 레네도 앙글라다
다리오 부에노-바케스
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스위스포드 테크놀로지스 에스에이
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Abstract

다상 선형 유도 모터가 가동 일차측 부재(100)를 포함하며, 일차측 부재(100)는 자성 재료(110), 자성 재료 주위에 배열되는 다상 권선(120), 및 일차측 부재(100)로부터 갭만큼 분리되는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150)를 포함하며, 이차측 부재(150)는 도전성 반응 플레이트(200)와 백킹 자성 재료(300)를 포함하며, 이차측 부재는 중간 섹션(205)과 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)을 포함하며, 중간 섹션(205)과 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)은 반응 플레이트(200)의 길이방향 연장 축에 평행하게 서로 나란히 배열된다.

Description

자기 안내 선형 유도 모터 시스템 및 방법
우선권 주장
본 특허 출원은 발명의 명칭이 "LINEAR INDUCTION MOTORS AND SYSTEMS"로 2020년 12월 17일자로 출원되고 스위스팟 테크놀로지스(Swisspod Technologies, SA)에 양도된 스위스 특허 출원 CH01613/20호를 우선권 주장하고 이로써 본 출원에서 참조로 그 전부가 포함된다.
본 발명은 대체로 차량들, 물체들, 또는 디바이스들을 선형 방향으로 추진 및 부상시키는데 사용되는 선형 유도 기계들에 관한 것이다. 특히, 제한 없이, 본 발명은 예를 들어 운송에서 사용되는 비접촉 결합 추진 및 부상 시스템들을 위한 다상 선형 유도 모터(polyphase linear induction motor)들의 사용과 이를 제어하는 시스템들, 디바이스들, 장치들 및 방법들에 관한 것이다.
선형 유도 모터(LIM)가 힘을 발생하기 위해 교류 전류 공급부를 사용하는 전기 기계이다. LIM의 작동 원리는 회전 유도 모터의 작동 원리와 동일하지만 선형 방향으로 힘과 모션을 생성한다.
선형 유도 모터들은 고정자 권선들 또는 전기자(armature)를 지칭하는 코어 또는 일차측(primary)과 자기 계철(magnetic yoke) 및 전류들이 유도되고 일차측으로부터 갭이라고 하는 정의된 거리만큼 분리되는 도전성 플레이트라 지칭되는 이차측(secondary) 또는 반응 플레이트(reaction plate)에 의해 구성된다.
하나의 고정자 코어만이 있는 선형 유도 모터 구성들 또는 토폴로지들에서, 고투자율 재료의 추가적인 플레이트가 갭에서 자속을 강화시키기 위해 통상적으로 도전성 플레이트 뒤에 추가된다. 이는 통상적으로 백 아이언(back iron) 또는 거울 플레이트라고 한다.
운송 시스템들에서 사용되는 기존의 모터들은 다상 일차측들을 사용하며, 지금까지 일차 권선들은 다상 전류로 에너지를 공급받는다. 다시 말하면 일차측의 슬롯들에 배치된 권선들에 인가되는 교류 전류의 위상은 이러한 권선들의 세트에 대해 상이하고 일반적으로 위상 간격은 복수의 위상들 간에 동일하다.
모터의 일차측 및 이차측은 일차측과 이차측을 링크하는 자속이 도전성 플레이트를 통과하는 낮은 자기저항 경로들을 제공하기 위해 배열되고 상대적으로 위치된다. 이 자속은 작동 자속으로서 표시된다. 동작 중 통전 권선들에 의해 구동되는 자속은 이차측의 도전성 플레이트에서 전류들을 유도하는, 이 전류들은 자속과 반응하여 기계의 일차측과 이차측 사이에 추진력과 반발력을 생성한다. 추진력과 반발력 사이의 비율은 기계의 구성과 권선들에 에너지를 공급하는데 사용되는 다상 전류의 주파수에 따라 달라진다.
모터들의 일차측과 이차측 사이의 가능한 상이한 배열들을 포함하는 것과 같은 선형 모터는, 예를 들어 미국 특허 제4,727,387호, 제3,585,423호, 제3,958,138호, 제5,105,110호, 제7,271,509호, 및 제10,044,251호와 같은 이전의 공보들과 본 출원에 그 전부가 참조로 포함되는 많은 인용문헌들에서 광범위하게 사용되었다.
선형 유도 모터들에서, 일차측의 바로 아래에 있는 이차측의 이러한 섹션들만이 일차측에 의해 생성된 자속에 영향을 받는다. 여기서, 연속적인 유도 기자력이 이차측의 비여기 영역들에서 생성되어, 일차측의 프런트 엔드에서 작동 자속의 확립에 반대한다. 이는 선형 유도 모터들에서 알려진 문제이고 종단 효과(end-effect)라고 한다. 도전성 플레이트의 종단 효과 유도 전류는 모터 일차측의 다가오는 단부를 자성제거(demagnetize)하여, 이차측에 대한 일차측의 상대 속력에 따라 증가하는 대향 힘들 및 추가적인 손실들을 생성한다. 마찬가지로, 동등한 효과가 일차측의 떠나가는 섹션에서 존재한다.
더구나, 선형 유도 모터들은 주어진 위상에 대한 권선들의 명백한 유한 길이로부터 발생하는 위상 불균형을 경험한다. 이는 이전에 설명된 종단 효과에 의해 추가로 증폭되며, 이는 위상 권선들에 링크된 자속들에 대해 직접적인 영향을 미치는 에어-갭 자속 밀도를 왜곡시킨다.
더욱이, 선형 유도 기계들의 추력, 출력률(power factor) 및 효율은 고속으로 작동할 때 현저하게 감소한다.
그 출원의 내용이 본 출원에 참조로 그 전부가 포함되는, 스위스팟 테크놀로지스(SA)의 이름으로 2021년 12월 16일자로 출원된 동시계류중인/동시에 출원된 국제 특허 출원 N PCT/CH2021/050026호에서, 고속으로 추력을 증가시키는 수단을 제공하기 위해, 길이방향 연장 축을 따르는 저항률/전도율의 측면에서 반응 플레이트의 조성을 변경시키는 선형 유도 모터(M), 시스템 및 방법이 제안되었다. 이 동시 출원된 출원 PCT/CH2021/050026호의 발명의 설명 및 도면들은 완전성을 위해 본 명세서에서 전체적으로 추가된다. 본 발명의 실시예들은 이 동시 계류중인 출원의 실시예들과 결합될 수도 있고 보호는 이러한 주제, 실시예들, 특징들 및 조합들을 커버하는 청구항들에 의해 모든 실시예들 및/또는 조합들에 대해 모색될 수도 있다.
더구나, 선형 유도 모터에서의 부상력들은 권선들에서의 기존 전류의 주파수의 증가에 따라 증가할 것이다. 이 효과는 예를 들어 본 출원에 그 전부가 참조로 포함된 미국 특허 제3,858,521호에 기재된 바와 같이 추력과 조합하여 자기 부상을 성취하는 수단으로서 채용되기 전에 제안되었다.
그러나, 선형 유도 모터들을 위한 안내 방법들, 디바이스들, 및 시스템들의 분야에서, 안내 시스템의 비용을 줄이고 동작을 단순화하기 위해, 추가적이고 단순화된 해법들에 대한 강한 요구가 여전히 존재한다.
따라서, 본 발명의 목적은 그러므로 알려진 해법들, 제품들 및 방법들을 개선하고 위에서 언급된 목적들을 성취하는 것이다.
다음에서는 본 개시에서 개시되는 실시예들 또는 양태들에 관련한 단순화된 개요를 제시한다. 이와 같이, 이 개요는 본 개시에 예상된 모든 것들에 관련한 광범위한 개관으로 고려되지 않아야 하고, 예상된 모든 양태들 및/또는 실시예들에 관련한 핵심 또는 중요 엘리먼트들을 식별하기 위한 것으로 또는 임의의 특정 양태 및/또는 실시예에 연관된 범위를 묘사하기 위한 것으로 간주되지 않아야 한다.
더구나, 다음의 개요는 본 명세서에서 개시되는 메커니즘들에 관련한 하나 이상의 양태들 및/또는 실시예들에 관련한 개념들을 아래에서 제시되는 상세한 설명에 선행하는 단순화된 형태로 제시하기 위한 유일한 목적을 갖는다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 다상 선형 유도 모터가 제공된다. 바람직하게는, 선형 유도 모터는 가동 일차측 부재를 포함하며, 일차측 부재는 자성 재료, 자성 재료 주위에 배열된 다상 권선 및 일차측 부재로부터 갭만큼 분리되는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재를 포함하며, 이차측 부재는 도전성 반응 플레이트와 백킹 자성 재료(backing magnetic material)를 포함한다. 추가적으로, 바람직하게는, 도전성 반응 플레이트는 중간 섹션과 두 개의 외부 섹션들을 포함하며, 중간 섹션과 두 개의 외부 섹션들은 반응 플레이트의 길이방향 연장 축에 평행하게 서로 나란히 배열된다. 본 발명의 다른 양태에 따르면, 다상 선형 유도 모터의 고정식 길이방향 연장 이차측 부재가 제공된다.
바람직하게는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재는 도전성 반응 플레이트와, 백킹 자성 재료를 포함하며, 도전성 반응 플레이트는 중간 섹션과 두 개의 외부 섹션들을 포함하며, 중간 섹션과 두 개의 외부 섹션들은 반응 플레이트의 길이방향 연장 축에 평행하게 서로 나란히 배열된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 특정 구성을 갖는 선형 유도 모터에 의해 전력이 공급되는 차량에 안내 및 부상을 제공하는 방법이 제안되며, 안내는 활성 안내 시스템에 의해 제공되지 않고, 추진을 위해 사용되고 측방향 또는 측면 반응 플레이트 엘리먼트들의 특정 배열을 가지는 선형 유도 모터의 사용에 의해 제공된다.
본 개시의 일부 실시예들은 추력을 제공하는 것과 조합하여 이러한 기계를 가이드웨이(guideway)에 정렬된 것으로 유지하기 위해 부상 및 자기 안내 메커니즘을 제공할 수 있는 선형 유도 기계 및 배열에 대한 설명으로서 특징지어질 수도 있다. 기계의 일차측과 이차측 사이의 갭을 가로지르는 작동 자속을 생성하며 상기 자속의 시간 변화로 인해 기계의 이차측의 반응 플레이트 조립체에서 유도된 전류들과 협력하여 추진력 또는 추력, 부상력 및 안내력들을 생성하는 다각형 일차측에 의해 구성된다.
실시예들에서 본 발명은 다상 선형 유도 모터에 관한 것인데, 다상 선형 유도 모터는, 가동 일차측 부재를 포함하며, 일차측 부재는 자성 재료, 자성 재료 주위에 배열되는 다상 권선, 및 일차측 부재로부터 갭만큼 분리되는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재를 포함하며, 이차측 부재는 도전성 반응 플레이트와 백킹 자성 재료를 포함하며,
도전성 반응 플레이트는 중간 섹션과 두 개의 외부 섹션들을 포함하며, 중간 섹션과 두 개의 외부 섹션들은 반응 플레이트의 길이방향 연장 축에 평행하게 서로 나란히 배열된다.
본 발명의 실시예들에서 두 개의 외부 섹션들은 중간 섹션의 전기 전도율에 비해 더 높은 전기 전도율을 가진다.
본 발명의 실시예들에서 두 개의 외부 섹션들은 두 개의 외부 섹션들에 인접하게 배열된 백킹 자성 재료를 갖지 않는다.
본 발명의 실시예들에서 가동 일차측 부재의 다상 권선의 적어도 하나의 권선은 사다리꼴 형상을 갖도록 배열된 그램형(Gramme-type) 권선을 포함한다.
본 발명의 실시예들에서 외부 섹션들과 중간 섹션 사이의 경사각이 길이방향 연장 축의 방향에서 보았을 때 비스듬하다.
본 발명의 실시예들에서 반응 플레이트는 추가적인 외부 섹션들을 포함하며, 추가적인 외부 섹션들의 경사각은 외부 섹션들의 경사각과 상이하다.
본 발명의 실시예들에서 외부 섹션들과 중간 섹션 사이의 경사각이 반응 플레이트의 길이방향 연장 축을 따라 제1 섹션 및 제2 섹션에서 상이하며, 제1 섹션은 제2 섹션과 상이한 로케이션에 위치된다.
본 발명의 실시예들에서 반응 플레이트의 중간 섹션의 전기 전도율이 이차측 부재의 길이방향 연장 축을 따라 가변적이다.
본 발명의 실시예들에서 반응 플레이트의 중간 섹션은 층 스택을 포함하며, 층 스택의 각각의 층은 상이한 전기 전도율을 제공하는 상이한 재료 조성으로 이루어진다.
본 발명의 실시예들에서 가동 일차측 부재의 자성 재료는 중간 섹션과 두 개의 외부 섹션들을 포함하며, 중간 섹션과 두 개의 외부 섹션들은, 갭을 통해, 각각 반응 플레이트의 중간 섹션 및 두 개의 외부 섹션들과 마주한다.
본 발명의 실시예들에서 가동 일차측 부재의 자성 재료의 단면 모양이, 길이방향 연장 축의 방향에서 보았을 때 사다리꼴 형상을 가지며, 두 개의 외부 섹션들의 표면들은 사다리꼴 형상의 측면 다리들을 형성한다.
본 발명의 실시예들에서 가동 일차측 부재의 두 개의 외부 섹션들과 중간 섹션 사이의 경사각은 길이방향 연장 축의 방향에서 보았을 때 비스듬하다.
본 발명의 실시예들에서 가동 일차측 부재의 두 개의 외부 섹션들과 반응 플레이트의 두 개의 외부 섹션들은 각각 서로 평행하도록 배열된다.
실시예들에서 본 발명은 다상 선형 유도 모터의 고정식 길이방향 연장 이차측 부재에 관한 것이며, 이는
도전성 반응 플레이트; 및
백킹 자성 재료를 포함하며,
도전성 반응 플레이트는 중간 섹션과 두 개의 외부 섹션들을 포함하며, 중간 섹션과 두 개의 외부 섹션들은 반응 플레이트의 길이방향 연장 축에 평행하게 서로 나란히 배열된다.
본 개시에 통합되고 본 출원서의 부분을 구성하는 첨부 도면들은, 본 발명의 제시된 바람직한 실시예들을 예시하고, 위에서 주어진 전반적인 설명 및 아래에 주어진 상세한 설명과 함께 본 발명의 특징들을 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 중앙에 배치된 중간 섹션(205) 외에도, 좌측 및 우측에 외부 섹션들(210.1 및 210.2)을 포함하는 도전성 반응 플레이트(200)을 갖는 이차측 부재 또는 어셈블리(150)를 가지는, 예시적으로 단일 측면 선형 유도 모터로서 도시되는 단면도적인 예시적인 표현 선형 유도 모터(M)이며;
도 1b는 도 1a의 단면도에 기초하여 일차측 부재(100)에 작용하는 힘들(F1, F2)의 표현을 도시하며;
도 2는 모터(M)의 일차측 부재 또는 엘리먼트(100)에서 다상 권선(120)의 특정 배열을 갖는 단면도적인 예시적인 표현 모터(M)를 도시하며;
도 3은 복합 반응 플레이트가 둘 이상의 층들(212, 214)로 이루어진 중간 섹션(205)을 갖는, 도전성 반응 플레이트(200)의 양태들을 갖는 단면도적인 예시적인 표현 모터(M)를 도시하며;
도 4는 차량(800)용 모터(M)에 대한 가능한 애플리케이션의 단면도적인 예시적인 표현을 도시하며;
도 5는 일차측 부재(100)에 작용하고 외부 섹션들(210.1 및 210.2)의 경사각(α)을 나타내는 힘들(F1, F2)의 다른 표현을 도시하며;
도 6은 일차측 및 이차측 부재들(100, 150) 사이의 에어 갭들(510, 520)을 예시하는, 본 발명의 도 3의 실시예에 따른 배열의 일 실시예를 도시하며;
도 7은 반응 플레이트(200)가 외부 섹션들(210., 210.2) 중 각각의 외부 섹션에 인접하게 배열되는 추가적인 외부 섹션들(210.3, 210.4)을 포함하며, 추가적인 외부 섹션들(210.3, 210.4)의 경사각은 상이하고 외부 섹션들(210.1, 210.2)의 경사각보다 더 가파른 단면도가 있는 다른 실시예를 도시하며; 및
도 8은 외부 섹션들(210.1, 210.2)과 중간 섹션(205) 사이의 경사각이 반응 플레이트(200)의 길이방향 연장 축을 따르는 섹션 A 및 세컨드 B에서 상이하며, 섹션 A는 섹션 B와는 상이한 로케이션에 위치되는, 이차측 부재(150)의 길이방향 연장 축을 따르는 상이한 로케이션들에서 두 개의 섹션들(A 및 B)의 단면도를 갖는 다른 실시예를 도시한다.
본 개시에서, 동일한 참조 번호들이, 가능한 경우, 도면들에 공통인 동일한 엘리먼트들을 지정하기 위해 사용된다. 또한, 상이한 도면들에서의 표현들은 에시 목적으로 단순화되고 축척대로 묘사되지 않을 수도 있다.
"예시적인"이란 단어는 본 명세서에서는 "일 예, 사례, 또는 예시로서 역할을 한다"는 의미로 사용된다. "예시적"인 것으로서 본 명세서에서 설명되는 어떤 실시예라도 다른 실시예들보다 바람직하거나 유익하다고 해석할 필요는 없다.
본 발명의 다양한 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명된다. 본 발명은 많은 형식들로 실시될 수도 있고 본 개시에서 언급되는 실시예들로서 제한되는 것으로서 생각되지 않아야 하며; 그보다, 이들 실시예들이 제공되어 본 개시는 적용 가능한 요건들을 충족시킨다.
본 개시에서 사용되는 용어들은 특정 실시예들만을 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정할 의도는 아니다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, "및/또는"이란 용어는 연관된 나열 항목들 중 하나 이상 중 임의의 조합들 및 모두를 포함한다.
달리 정의되지 않으면, 본 개시에서 사용된 모든 용어들(기술적 및 과학적 용어들을 포함)은 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 기술자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 통상 사용되는 사전들에서 정의된 것들과 같은 용어들은 관련 분야 및 본 개시의 관점에서 그것들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로서 해석되어야 하고 본원에서 명확히 정의되지 않는 한 이상화되거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 것이라는 것 또한 이해될 것이다.
본 발명을 설명함에 있어서, 여러 기법들 및 단계들이 개시된다는 것이 이해될 것이다. 이것들의 각각은 개별적인 이점을 가지고 각각은 다른 개시된 기법들 중 하나 이상, 또는 일부 경우들에서는 모두와 연계하여 또한 사용될 수 있다. 따라서, 명료함을 위해, 이 설명은 개별 단계들의 모든 가능한 조합을 불필요한 방식으로 반복되지 않을 것이다. 그럼에도 불구하고, 상세한 설명 및 청구범위는 이러한 조합들이 전적으로 발명 및 청구범위의 범위 내에 있다는 이해와 함께 읽혀야 한다.
도 1a는 본 발명의 하나의 양태에 따른 다상 선형 유도 모터(M)의 단면도를 도시하며, 단면도는 길이방향 연장 축의 방향 또는 선형 유도 모터(M)의 구동 방향에 있다. 선형 유도 모터(M)는 가동 일차측 부재(100)를 포함하며, 가동 일차측 부재(100)는 복수의 슬롯들을 갖는 자성 재료(110), 자성 재료(110) 주위에 배열되는 다상 권선(120), 및 일차측 부재(100)로부터 갭만큼 분리되는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150)를 포함하며, 이차측 부재(150)는 도전성 반응 플레이트(200)와 백킹 자성 재료(300)를 포함한다. 선형 유도 모터(M)의 이 배열은 예시적이고, 동시 출원된 국제 특허 출원 PCT/CH2021/050026호에 도시된 것과 유사하고, 이 참고문헌은 그 전부가 참조에 의해 본 개시에 포함되고, 아래에서 상세히 설명된다.
더구나, 도전성 반응 플레이트(200)는 중간 섹션(205)과 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)을 포함하며, 중간 섹션(205)과 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)은 도전성 반응 플레이트(200)의 길이방향 연장 축 또는 일차측 부재(100)의 구동 방향에 평행하게 서로 나란히 배열되거나, 또는 다르게 말하면, 외부 섹션들(210.1 및 210.2)은 중간 섹션(205)에 대해 측방향으로 배열되도록 배치된다. 도 1a에서 알 수 있는 바와 같이, 두 개의 외부 섹션들(210.1 및 210.2)은, 예를 들어 별도의 플레이트들 또는 층으로서 길이방향 연장 축을 따라 중간 섹션(205)의 해당 측벽들과 접촉하도록, 또는 연속적인 플레이트 또는 층을 형성하도록 배열되지만, 외부 섹션들(210.1 및 210.2)의 측벽들은 중간 섹션(205)의 측벽들과 접촉하지 않고, 일정 거리만큼 서로 분리되는 것이 또한 가능하다.
바람직하게는, 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)은 도전성 중간 섹션(205)의 재료 또는 조성물에 비해 높은 전기 전도율을 갖는 재료 또는 조성물로 이루어진다. 예를 들어, 두 개의 외부 섹션들(210.1 및 210.2)은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 다른 고도전성 재료로 이루어질 수 있다. 더구나, 바람직하게는, 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)은, 백킹 자성 재료(300)가 도전성 반응 플레이트의 중간 섹션(205)과 접촉하도록, 예를 들어 중간 섹션(205) 아래에, 배열되는 중간 섹션(205)에 비해, 예를 들어 각각의 외부 섹션(210.1, 210.2)에 의해 형성된 평면에 실질적으로 평행한 외부 섹션들(210.1, 210.2) 아래의 제2 층으로서, 자신 옆에 배열되는 백킹 자성 재료(300)를 갖지 않는다. 또한, 도 1a에 도시된 바와 같이 예시적인 실시예로서, 외부 섹션들(210.1, 210.2)과 중간 섹션(205) 사이의 경사각이 길이방향 연장 축의 방향에서 보았을 때 비스듬하며, 예를 들어 양 측들에 대해 동일한 각도이다. 그러나, 변형예에서, 두 개의 외부 섹션들(210.1 및 210.2)은 중간 섹션에 의해 정의되는 평면에 평행하도록 배열되고, 실질적으로 축에 배열되는 것이 또한 가능하다.
도 1b는, 예를 들어 다상 권선(120)에 공급되는 다상 전류 또는 전압으로 가동 일차측 부재(100)의 추진 동안 가동 일차측 부재(100)에 작용할 수 있는 상이한 힘들(F1, F2)을 도시한다. 바람직하게는, 가동 일차측 부재(100)의 자성 재료(110)의 단면 모양은 사다리꼴이며, 두 개의 각각의 외부 섹션들(210.1 및 210.2)과 실질적으로 평행하도록 배열되는 두 개의 측면 다리들을 갖는다. 가동 일차측 부재(100)의 움직임 또는 이동 방향에서, 이차측 부재(150)의 길이방향 연장 축의 방향에 대해, 추진력이 이차측 부재(150)의 중간 섹션(205) 및 외부 섹션들(210.1 및 210.2) 양쪽 모두로부터 생성될 수 있다. 추가적으로, 힘들(F1, F2)은 작동 방향에 수직인 평면에 있도록 생성되며, 여기서 생성되는 힘(F1)은 본 개시에서 Y축이라고 하는 이차측 부재(150)에 의해 형성된 평면에 의해 정의된 방향에 수직인 방향인, 이차측 부재(150)로부터 멀어지는 방향으로 일차측 부재(100)를 강제한다. 이차측 부재(150)에 의해 형성된 평면의 측면 방향이 본 개시에서 X축으로서 정의된다. 힘(F1)은 다상 권선(120)에 대한 공급 전압 또는 전류의 주파수에 따라 진폭이 가변할 것이고, 특정한 주파수에서, 이는 또한 일차측 부재(100) 대 이차측 부재(150)의 특정한 상대 속력으로 변환되며, 힘(F1)은 일차측 부재(100)의 부상 또는 양력을 제공하는데 충분하다.
추가적으로, 두 힘들(F2)이 생성되고 각각의 외부 섹션들(210.1 및 210.2)의 연장 평면에 수직이도록 배열된다. 외부 섹션들(210.1 및 210.2)이 중간 섹션(205)에 대해 비스듬히 배열되는 경우, 각각의 힘(F2)은 본 개시에서 F2V라고 하는 Y축에 있는 성분, 예를 들어 수직인 힘 성분을 가지고, 각각의 힘(F2)은 X축에 다른 성분, 예를 들어 본 개시에서 F2H라고 하는 수평인 힘을 가지며, 이러한 두 개의 힘 성분들은 외부 섹션들(210.1 및 210.2)의 각각의 측면에서 서로에 대해 작용한다. 두 개의 외부 섹션들(210.1 및 210.2)이 실질적으로 유사하거나 동일한 치수들을 가지고 서로를 향해 축대칭으로 배열되며, 대칭 축 또는 면이 중간 섹션(205)의 중간 또는 중앙에서 교차하도록 배열된 Y축에 평행한 평면으로서 정의된다고 가정하면, 힘(F2)의 이들 수평 배열된 힘 성분들(F2H)은 기본적으로 일차측 부재(100)에 대한 안내력으로서 작용하여, 일차측 부재(100)를 중간 섹션(205)의 중앙으로 안정화시킨다. 더구나, 힘(F2)의 두 개의 수직 방향 성분들(F2V)은 추가적인 상승(lifting) 또는 부상력들을 일차측 부재(100)에 제공한다.
도 2는 다상 권선(120)이 그램형 구성으로 배열되는 개별 위상 권선들(121, 122, 123)을 갖는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 선형 유도 모터들을 위한 그램 스타일 코일들 또는 그램형 권선들은 예를 들어 특허 공보들인 DE2265049A1 및 GB1288985에 설명되어 있다. 예를 들어, 다상 권선(120)의 개별 권선들(121, 122, 123)은 다상 전류 또는 전압을 공급받을 수 있으며, 예를 들어 3상 전력 변환기로부터의 3상 전압 시스템으로 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 개시에서 설명된 바와 같은 선형 유도 모터(M)의 양태들로, 더 높은 속력들을 위해 의도되거나 설계된 이차측 부재(200)의 섹션들에서 더 높은 저항률을 제공하기 위해, 길이방향 연장 축을 따라 가변 저항률을 가지는 반응 플레이트(200)의 구조 및 구성에 더하여, 고속으로 가동 일차측 부재(100)의 추진 추력 또는 힘 및 상승 또는 부상 력을 증가 또는 향상시키는 것이 가능하고, 예를 들어 미국 특허들인 제3,585,423호 및 제3,958,138호 및 본 개시의 참고문헌들에서 개시된 종래 기술에서 설명된 바와 같이, 제한 없이, 자기 계철(110) 및 다상 권선들(120)의 비유사 배열들을 사용하여 또한 성취될 수 있다. 따라서, 명료함을 위해, 본 개시의 도 1 및 도 2의 실시예는 일반적으로 자기 계철 및 고정자 권선들의 협력의 표현이고 단일 측면 선형 유도 모터의 일차측에 대한 일반적인 참조로서 이해되어야 하지만, 선형 유도 모터들의 다른 유형들 및 구성들에 적용될 수 있다.
도 1 및 도 2에 의해 표현된 예시적인 실시예들에서, 모터(M)의 일차측 및 이차측 부재들(100, 150) 사이의 갭을 가로지르는 자속으로서 간주되는 작동 자속은 추진력 또는 추력 및 또한 부상을 생성하는 자속의 시간 변화로 인해 모터(M)의 이차측 부재(150)의 도전성 반응 플레이트(200)에서 유도된 전류들과 협력한다.
본 개시에서 설명되는 모든 실시예들에서, 일차측 부재(100) 및 이차측 부재(150) 둘 다의 자성 재료는 이들 수단들(100, 150)에 의해 정의된 횡단방향 평면들에 놓여서 모터(M)에 횡단방향으로 자신을 배향시키는 작동 자속에 대해 낮은 자기저항 경로를 협력하여 제공한다는 것이 이해되어야 한다. 본 개시에서 설명된 모터(M)로, 일차측 부재(100)에 대해 수평 배열된 대향 힘들(F2)을 이용하여 고추력 및 고속들에서 측방향 자체 안내를 제공하는 모터(M)를 갖는 방법 및 시스템을 제공하는 것이 또한 가능하다.
도 3은 연장 외부 섹션들(210.1 및 210.2)을 정의하는 평면이 중간 섹션(205)의 연장부에 의해 정의된 평면에 각도(α)만큼 비스듬하게 배열되는 일 실시예를 도시한다. 바람직하게는, 양 외부 섹션들(210.1 및 210.2)은 축 대칭을 위해 동일한 각도(α)로 배열된다. 바람직하게는, 각도(α)의 범위는 0° 내지 90° 사이의 임의의 것일 수 있으며, 여기서 0°는 힘들(F2H)에 의한 측방향 안내가 제공되지 않는 설정이고, 90°는 최대 측방향 안내력들(F2H)에 대한 일 예이다.
더 가파른 각도, 예를 들어 60°의 각도로, 힘들(F2)의 수평 성분(F2H)은 수직 성분(F2V)보다 클 수 있는 한편, 더 평평한 각도(α), 예를 들어 30°의 각도에서, 힘(F2)의 수평 성분(F2H)은 수직 성분(F2V)보다 작을 수 있다. 그러므로, 일차측 부재(100)에 부착되는 차량을 안내하기 위한 요건들에 의존하여, 각도(α)는 F2V에 의해 그리고 F1에 의해 제공된 부상력에 더하여 안내력으로서 특정 힘(F2H)을 제공하도록 선택적으로 선택될 수 있다. 45°와 동일한 각도(α)에서, F2V 및 F2H는 실질적으로 동일할 것이다.
도 4는 두 개의 일차측 부재들(100)이 서로 옆이 되도록 배열되는 일 실시예를 도시하며, 일차측 부재들(100)의 자기 코어들(110) 둘 다는, 예를 들어 운송 시스템을 위한 모터(M)로서 사다리꼴 단면 형상을 가지며, 일차측 부재들(100) 둘 다는 차량(800)에 동작적으로 부착되는 한편, 이차측 부재들(150) 둘 다는 외부 섹션들(210.1 및 210.2)과 중간 섹션(205)이 트랙웨이(300)에 통합, 부착, 또는 아니면 배열된 반응 플레이트(200)를 가진다. 더구나, 반응 플레이트 또는 층(200)은 층 스택, 예를 들어 두 개의 층들(212, 214)로 이루어진 것으로 도시되며, 예를 들어 층들(212, 214)은 상이한 재료 조성, 예를 들어, 동시 출원되고 통합된 국제 특허 출원 PCT/CH2021/050026호에서 도시된 바와 같이, 비제한적으로 비유사 자성 및 전기 성질들을 갖는 층들을 가진다.
도 1b를 참조하여 설명되고 도 5에 추가로 예시된 바와 같이, 각도(α)만큼 기울어진 외부 섹션들(210.1 및 210.2)에서의 부상력은 힘 성분들(F2H 및 F2V)을 갖는 힘(F2)을 초래할 것이다. F2V 힘 성분은 모터(M)의 일차측 부재(100)에 대한 부상에 기여할 것인 반면, F2H 힘 성분들은 서로에 대해 작용하고 이차측 부재(200) 및 가이드웨이(300)를 따라 자체 정렬 및 안내를 제공할 것이다.
도 6은 좌측 외부 섹션(210.1)과 일차측 부재(100)의 자성 재료(110)의 좌측 외부 섹션(140.1)의 외부 표면 사이의 에어 갭(510)과 우측 외부 섹션(210.2)과 일차측 부재(100)의 자성 재료(110)의 우측 외부 섹션(140.2)의 외부 표면 사이의 에어 갭(520)을 도시한다. 두 개의 기울어진 외부 섹션들(210.1, 140.1 및 210.2, 140.2)의 축대칭 배열로, 에어 갭들(510 및 520)에 의해 형성된 거리들이 일정하도록 자체 조정될 것이 가능하다. 예를 들어, 에어 갭(520)이 에어 갭(510)에 비해 작아지면, 우측의 힘(F2H)은 일차측 부재(100)와 대응하는 외부 섹션(210.2) 사이의 협력에 의한 해당 외부 섹션(210.2)에서 유도 전류들의 증가의 결과로서 더 작은 에어 갭으로 인해 따라서 증가할 것이다. 이는 외부 섹션들(210.1 및 210.2)과 중간 섹션(205)을 포함하는 이차측 어셈블리 또는 엘리먼트(150)에 대해 일차측 엘리먼트(100)의 평형 정렬을 복원할 힘 성분들(F2H 및 F2V)의 증가를 초래할 것이다. 일차측 및 이차측 부재(100, 150) 어셈블리 사이의 협력으로부터 초래되는 전술한 작동은 이차측 어셈블리 또는 엘리먼트(150)가 있는 가이드웨이(300)를 따라 일차측 부재(100)의 자체 안내된 변위를 초래할 것이다.
이로써, 본 개시에서 제시된 선형 유도 모터(M), 이차측 부재(150) 및 외부 섹션들(210.1, 210.2)을 갖는 반응 플레이트들의 특정 배열로, 다상 전력이 공급되고 있는 일차측 부재(100)의 메인 다상 권선(120)만 필요하지만 예를 들어 추가적인 보조 권선들 또는 코일들로 거리 측정 및 유효 전력 제어를 요구하는 능동 안내 시스템의 전자석의 추가적인 권선들 또는 코일들과 같은 추가적인 요건들 없이, 자체 평형화되고 수동적으로 정정되는 측방향 안내력들을 제공하는 것이 가능하다.
도 7은 반응 플레이트(200)가 외부 섹션들(210., 210.2) 중 각각의 외부 섹션에 인접하게 배열되는 추가적인 외부 섹션들(210.3, 210.4)을 포함하며, 추가적인 외부 섹션들(210.3, 210.4)의 경사각은 상이하고 외부 섹션들(210.1, 210.2)의 경사각보다 더 가파른 단면도가 있는 다른 실시예를 도시한다.
더구나, 반응 플레이트(200)의 길이방향 연장 축을 따라, 도 8에 도시된 두 개의 섹션들(A, B)로 예시된 바와 같이, 외부 섹션들(210.1, 210.2)과 중간 섹션(205) 사이의 경사각이 다른 제2 섹션 B에 비해 반응 플레이트(200) 및 모터(M)의 길이방향 연장 축을 따르는 제1 섹션 A에서 상이하다는 것이 가능하다. 이는 수평 배열된 안내력들(F2H)을 기계적 설계에 의해 변화시키는 것을 허용하여서, 측방향 안내력들(F2H)이 더 가파른 각도를 갖는 외부 섹션들(210.1, 210.2)(섹션 B)에 비해 더 평평한 각도를 갖는 외부 섹션들(210.1, 210.2)(섹션 A)에서 더 작다. 레일 또는 트랙 시스템의 섹션들에 의존하여, 예를 들어 곡선이 있는 섹션들에서, 더 강한 안내력들(F2H)이 필요할 수도 있고, 이들 인내력들은 외부 섹션들(210.1, 210.2)의 더 가파른 각도에 의해 제공될 수 있다.
다음 설명은 스위스팟 테크놀로지스(SA)의 이름으로 2021년 12월 16일자로 출원되고 그 전부가 본 출원에 통합되는 위에서 언급된 동시 계류중인 출원인 PCT/CH2021/050026호의 설명에 해당한다. 상기 동시 계류중인 출원의 설명에 더하여, 본 출원은 또한 이하에서 상세히 설명되는 동시 계류중인 출원의 도면들을 포함한다.
발명의 내용
다음에서는 본원에서 개시된 양태들 및/또는 실시예들에 관련한 단순화된 개요를 제시한다. 이와 같이, 이 개요는 예상된 모든 양태들 및/또는 실시예들에 관련한 광범위한 개관으로 고려되지 않아야 하고, 다음의 개요는 예상된 모든 양태들 및/또는 실시예들에 관련한 핵심 또는 중요 엘리먼트들을 식별하기 위한 것으로 또는 임의의 특정 양태 및/또는 실시예에 연관된 범위를 묘사하기 위한 것으로 간주되지 않아야 한다. 따라서, 다음의 개요는 본 명세서에서 개시되는 메커니즘들에 관련한 하나 이상의 양태들 및/또는 실시예들에 관련한 특정한 개념들을 아래에서 제시되는 상세한 설명에 선행하는 단순화된 형태로 제시하기 위한 유일한 목적을 갖는다.
본 개시의 일부 실시예들 기존의 선형 유도 모터들에 비해 고속으로 향상된 추력을 갖는 선형 유도 모터(M)에 관한 것이다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 다상 선형 유도 모터가 제공된다. 바람직하게는, 선형 유도 모터는 가동 일차측 부재를 포함하며, 일차측 부재는 자성 재료와, 자성 재료 주위에 배열된 다상 권선, 및 일차측 부재로부터 갭만큼 분리되는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재를 포함하며, 이차측 부재는 도전성 반응 플레이트와 백킹 자성 재료를 포함한다.
더구나, 바람직하게는, 도전성 반응 플레이트의 전기 전도율은 이차측 부재의 길이방향 연장 축을 따라 가변적이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 바람직하게는, 가동 일차측 부재와 길이방향 연장 이차측 부재 사이의 더 높은 상대 속력 또는 속도를 위해 설계 또는 의도된 길이방향 연장 이차측 부재를 따르는 제1 로케이션에서의 제1 섹션은 가동 일차측 부재와 길이방향 연장 이차측 부재 사이의 더 낮은 상대 속력 또는 속도를 위해 설계 또는 의도된 길이방향 연장 이차측 부재를 따르는 제2 로케이션에서의 제2 섹션에 비해 더 높은 저항률을 가져, 그 목적은 제1 섹션에서 작동할 때 일차측 부재에 더 높은 추력을 제공하는 것이다. 다르게 말하면, 높은 의도된 속력을 위해 높은 유효 저항률이 요망되고, 의도된 낮은 속력들에 대해 낮은 유효 저항률이 요망되거나, 또는 달리 말하면, 의도된 높은 속력들이 낮은 전도율을 의미하고 낮은 속력들이 높은 전도율을 의미한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 일차측 부재와 이차측 부재 사이의 갭을 횡단하는 작동 자속을 생성할 수 있는 일차측 부재에 의해, 추진력 또는 추력을 생성하기 위해 자속의 시간 변화로 인해 모터의 이차측 부재의 반응 플레이트에서 유도된 전류들과 협력하는 작동 자속을 포함하는 선형 유도 모터(M)가 제공된다.
더구나, 이차측에 대한 이 제안된 구조에 따르면, 복합 도전성 반응 플레이트에서의 유효 전도율을 낮추는 한 세트의 도전 층들은 백 계철(back yoke)에서 흐를 수 있는 더 많은 자속을 초래할 것이다. 이는 결국 일차측과 이차측 사이의 갭에서 그리고 하부 단부에서 작동 자속의 증가와 본 개시에서 제시되고 설명되는 것과 같은 차폐 효과들을 초래할 것이다.
더구나, 이는 고속으로 이동할 때 더 높은 유효 추력을 초래한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 다상 선형 유도 모터의 고정식 길이방향 연장 이차측 부재가 제공된다.
바람직하게는, 고정식 길이방향 연장 이차측 부재는 도전성 반응 플레이트와, 백킹 자성 재료를 포함하며, 도전성 반응 플레이트의 전기 전도율은 이차측 부재의 길이방향 연장 축을 따라 가변적이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 다상 선형 유도 모터 시스템이 제공된다. 바람직하게는, 다상 선형 유도 모터 시스템은 가동 일차측 부재, 자성 재료를 포함하는 일차측 부재, 자성 재료 주위에 배열되는 다상 권선, 일차측 부재로부터 갭만큼 분리되는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재 ― 이차측 부재는 도전성 반응 플레이트와 백킹 자성 재료를 포함함 ―, 각각의 전력 변환기가 다상 권선의 적어도 하나의 권선에 전력을 공급하도록 구성되는 복수의 전력 변환기들을 포함하는 전력 공급부, 및 전력 공급부를 제어하기 위한 제어 디바이스 ― 제어 디바이스는 바람직하게는 전력 공급부의 복수의 전력 변환기들을 제어하여 다상 권선에 의해 야기된 하나 이상의 극들을 갖는 이동 자기장을 생성하도록 구성됨 ― 를 포함한다.
추가적으로, 바람직하게는, 제어 디바이스는 전력 공급부에 의해 야기된 이동 자기장의 극들 사이의 거리를 증가 또는 감소시킴으로써 다상 권선의 이동 자기장의 극 피치를 가변시키도록 추가로 구성된다. 바람직하게는, 극 피치는 일차측 부재의 증가된 속력에 따라 증가된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 각각의 전력 변환기가 선형 유도 모터의 일차측 부재의 다상 권선의 권선에 연결되는 복수의 전력 변환기들을 조절하는 방법이 제공된다. 바람직하게는, 그 방법은 하나 이상의 극들을 갖는 복수의 전력 변환기들로 이동 자기장을 생성하는 단계와, 선형 유도 모터의 일차측 부재의 속력의 함수로서 극들 사이의 극 피치 ― 극 피치는 일차측 부재의 증가된 속력으로 증가됨 ― 를 변경하는 단계를 포함한다.
본 개시의 다른 실시예들은 이전에 언급된 복합 도전성 반응 플레이트와 관련하여 가변 극 피치 스킴에서 선형 유도 기계의 구동의 구현, 제어 및 최적화에 대한 설명으로서 특징지어질 수도 있다. 구동 및 제어는 기계의 일차측으로 한 세트의 주어진 권선들에 다상 기계의 적절한 위상을 피드하도록 구성되는 전력 전자 회로부를 포함할 수 있다. 기계의 유효 극 피치는 이차측 반응 플레이트의 유효 전도율 및 다상 유도 모터의 공칭 동작 주파수를 고려하여 최적화된 속력을 성취하도록 조정될 수 있다.
실시예들에서, 본 발명은 다상 선형 유도 모터에 관한 것인데, 다상 선형 유도 모터는, 가동 일차측 부재를 포함하며, 일차측 부재는 자성 재료, 자성 재료 주위에 배열되는 다상 권선, 및 일차측 부재로부터 갭만큼 분리되는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재를 포함하며, 이차측 부재는 도전성 반응 플레이트와 백킹 자성 재료를 포함하며,
도전성 반응 플레이트의 전기 전도율은 이차측 부재의 길이방향 연장 축을 따라 가변적이다.
본 발명의 실시예들에서 도전성 반응 플레이트는 반응 플레이트의 전기 전도율의 가변성을 제공하기 위해 길이방향 연장 축을 따라 사용되는 다양한 재료들을 포함한다.
본 발명의 실시예들에서 도전성 반응 플레이트는 길이방향 연장 축을 따라 서로 나란히 배열된 복수의 서브플레이트들을 포함하며, 복수의 서브플레이트들 중 적어도 일부는 반응 플레이트의 전기 전도율의 가변성을 제공하기 위해, 상이한 전기 전도율을 가진다.
본 발명의 실시예들에서 도전성 반응 플레이트는 층 스택을 포함하며, 층 스택의 제1 층 및 제2 층은 상이한 전기 전도율을 제공하는 상이한 재료 조성으로 이루어진다.
본 발명의 실시예들에서 층 스택의 제1 층의 두께가 층 스택의 제2 층의 두께와 상이하다.
본 발명의 실시예들에서 층 스택의 층들 중 적어도 하나의 층의 두께는, 층 스택의 층들 중 적어도 하나의 층의 증가된 단면에 의해 반응 플레이트의 전기 전도율의 가변성을 제공하기 위해, 길이방향 연장 축을 따르는 상이한 위치들에서 측정될 때 가변적이다.
본 발명의 실시예들에서 제1 층은 제1 서브층 스택을 포함하고 제2 층은 제2 서브층 스택을 포함하며, 제1 및 제2 서브층 스택의 각각의 층은 상이한 두께를 가진다.
본 발명의 실시예들에서 길이방향 확장부를 따르는 반응 플레이트의 전기 전도율의 가변성은 일차측 부재에 증가된 추력을 초래하는 일차측 부재의 다상 권선으로부터의 다상 전류로 에너지를 공급받을 때 작동 자속을 증가시키도록 구성된다.
본 발명의 실시예들에서 백킹 자성 재료는 작동 자속을 유지하기 위한 복합 자성 재료를 포함한다.
본 발명의 실시예들에서 복합 자성 재료는 저전도율 캐리어 재료에 내장되는 높은 투자율을 갖는 엘리먼트들의 층을 포함한다.
본 발명의 실시예들에서 도전성 반응 플레이트의 전기 전도율은 이차측 부재의 길이방향 연장 축을 따르는 제2 로케이션에서의 제2 섹션에 비해 이차측 부재의 길이방향 연장 축을 따르는 제1 로케이션에서의 제1 섹션에서 더 낮으며, 제1 및 제2 로케이션들은 상이하다.
본 발명의 실시예들에서 반응 플레이트의 제1 섹션은 제2 섹션에 비해 이차측 부재에 비하여 가동 일차측 부재의 더 높은 상대 속력을 위해 지정된 영역에 위치된다.
실시예들에서 본 발명은 다상 선형 유도 모터의 고정식 길이방향 연장 이차측 부재에 관한 것이며, 그 고정식 길이방향 연장 이차측 부재는, 도전성 반응 플레이트; 및 백킹 자성 재료를 포함하며,
도전성 반응 플레이트의 전기 전도율은 이차측 부재의 길이방향 연장 축을 따라 가변적이다.
본 발명의 실시예들에서 도전성 반응 플레이트의 전기 전도율은 이차측 부재의 길이방향 연장 축을 따르는 제2 로케이션에서의 제2 섹션에 비해 이차측 부재의 길이방향 연장 축을 따르는 제1 로케이션에서의 제1 섹션에서 더 낮으며, 제1 및 제2 로케이션들은 상이하다.
실시예들에서 본 발명은 다상 선형 유도 모터 시스템에 관한 것이며, 다상 선형 유도 모터 시스템은,
가동 일차측 부재, 자성 재료를 포함하는 일차측 부재, 자성 재료 주위에 배열되는 다상 권선;
일차측 부재로부터 갭만큼 분리되는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재 ― 이차측 부재는 도전성 반응 플레이트와 백킹 자성 재료를 포함함;
복수의 전력 변환기들 ― 각각의 전력 변환기가 다상 권선의 적어도 하나의 권선에 전력을 공급하도록 구성됨 ― 을 포함하는 전력 공급부;
전력 공급부를 제어하기 위한 제어 디바이스 ― 제어 디바이스는 전력 공급부의 복수의 전력 변환기들을 제어하여 다상 권선에 의해 야기된 하나 이상의 극들을 갖는 이동 자기장을 생성하도록 구성됨 ― 를 포함한다.
바람직하게는, 제어 디바이스는 전력 공급부에 의해 야기된 이동 자기장의 극들 사이의 거리를 증가 또는 감소시킴으로써 다상 권선의 이동 자기장의 극 피치를 가변시키도록 추가로 구성된다.
본 발명의 실시예들에서 제어 디바이스는 이차측 부재에 비하여 일차측 부재의 증가된 상대 속력으로 극 피치를 증가시키도록 구성된다.
본 발명의 실시예들에서 제어 디바이스는 극 피치를 변경하여 가동 일차측 부재와 이차측 부재 사이의 상대 속력의 함수로서 비유사 동기 속력을 실현하도록 구성된다.
본 발명의 실시예들에서 제어 디바이스는 동일한 위상 전압 또는 전류를 갖는 다상 권선의 인접 배열된 권선들의 수를 증가시킴으로써 극 피치를 증가시키도록 구성된다.
본 발명의 실시예들에서 극 피치는 전력 공급부의 복수의 전력 변환기들에 의해 제공된 다상 전류 또는 전압의 주파수가 특정한 주파수 임계값 미만으로 남아있도록 가변된다.
실시예들에서 본 발명은 각각의 전력 변환기가 선형 유도 모터(M)의 가동 일차측 부재의 다상 권선의 권선에 연결되는 복수의 전력 변환기들을 조절하는 방법에 관한 것이며, 그 방법은,
하나 이상의 극들을 갖는 복수의 전력 변환기들로 이동 자기장을 생성하는 단계, 및
선형 유도 모터의 일차측 부재의 속력의 함수(M)로서 이동 자기장의 극들 사이의 극 피치 ― 극 피치는 가동 일차측 부재의 증가된 속력으로 증가됨 ― 를 변경하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에서 극 피치를 변경하는 단계는 복수의 전력 변환기들에 의해 제공된 다상 전류 또는 전압의 주파수가 특정한 주파수 임계값 미만으로 남아있도록 행해진다.
본 발명의 상기 및 다른 목적들, 특징들 및 장점들과 그것들을 실현하는 방식은 더 명백하게 될 것이고, 본 발명 자체는 본 발명의 바람직한 일부 실시예들을 도시하는 첨부 도면들을 참조하여 다음의 설명의 연구로부터 최상으로 이해될 것이다.
도면의 간단한 설명
본 개시에 통합되고 본 출원서의 부분을 구성하는 첨부 도면들은, 본 발명의 제시된 바람직한 실시예들을 예시하고, 위에서 주어진 전반적인 설명 및 아래에 주어진 상세한 설명과 함께 본 발명의 특징들을 설명하는 역할을 한다.
도 9는 가동 일차측 부재(100)와 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150)를 갖는 단일 측면 선형 유도 모터(single-sided linear induction motor, SLIM)로서 작동하는 선형 유도 모터(M)의 측면도의 예시적인 표현이며, 이차측 부재(150)는 도전성 반응 플레이트(200)와 백킹 자성 재료(300)를 가지며, 도전성 반응 플레이트(200)는 상이한 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150)의 길이방향 연장 축을 따르는 상이한 섹션들에서 상이한 전기 전도율들을 가지며;
도 10은 자기 계철(110) 및 권선들(120)을 포함하는 모터(M)의 일차측 부재(100)의 측면도의 예시적인 표현을 도시하며;
도 11은 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150)의 길이방향 확장부의 방향에서 보여진 차량(400)에 적용된 바와 같은 선형 유도 모터(M)의 예시적인 단면도를 예시하며;
도 12는 층 스택(210, 220)의 각각의 층이 상이한 전기 전도율을 가지는 층 스택(210, 220)을 도전성 반응 플레이트(200)가 포함하는 선형 유도 모터(M)의 이차측의 일 실시예에 따른 개략도를 도시하며;
도 13은 길이방향 연장 이차측 부재(150)를 따르는 상이한 섹션들이 이차측 부재(150)의 길이방향 확장부를 따르는 섹션의 로케이션의 함수로서 도전성 반응 플레이트(200)의 전기 전도율을 조정하기 위한 상이한 두께들의 플레이트들을 가지는, 층들(210, 220)의 스택을 포함하는 도전성 반응 플레이트(200)를 갖는 길이방향 연장 이차측 부재(150)의 상이한 두 개의 섹션들의 두 개의 측면도들을 예시하며;
도 14는 반응 플레이트(200)의 층 스택(210, 220)의 각각의 층(210, 220)이 복수의 라미네이션들 또는 층들(210, 212, 214 및 220, 222, 224)을 포함하며, 라미네이션들 또는 층들(210, 212, 214 및 220, 222, 224)의 각각의 라미네이션 또는 층이 바람직하게는 상이한 두께를 가지는, 본 발명의 일 실시예의 예시적인 측면도를 도시하며;
도 15는 추력(T)을 가로축에 그리고 슬립(g)을 세로축에 도시하며, SLIM의 추력(T)이 최대 슬립 값(gmax)을 넘어 현저히 감소할 수 있음을 묘사하고, 일차측 부재(100)의 기계적 속력은 슬립(g)에 동기 속력이 곱해진 것인, 전통적인 SLIM에 대해 예상되는 바와 같은 추력-슬립 프로파일의 그래픽 표현을 예시하며;
도 16은 전력 공급부의 주파수의 함수로서 최신 기술에 따른 SLIM에 대해 예상되는 추력 프로파일(T)과 본 발명의 양태에 따른 모터(M)의 추력 프로파일 사이의 비교를 제공하는 두 개의 그래프들(T1, T2)을 도시하며;
도 17은 도전성 반응 플레이트(200)가 서로 나란히 배열된 상이한 측면 플레이트들을 포함하며, 측면 플레이트들은, 예를 들어 상이한 두께들을 가짐으로써, 상이한 전기 전도율들을 갖는 재료를 사용하여, 또는 둘 다로 상이한 섹션들에서 상이한 전기 전도율을 제공하는 일 실시예의 예시적인 측면도를 도시하며;
도 18a 및 도 18b는 본 개시에서 설명되는 선형 유도 모터(M) 및 도전성 반응 플레이트(200)의 적용의 일 예의 양태들을 도시하는데, 도 18a는 예시적인 시스템을 도시하고 도 18b는 기존의 선형 모터를 사용하여 기계 A에 그리고 본 개시에서 설명된 원리들 및 실시예들을 사용하여 기계 B에 대해 성취될 수 있는 예시적인 추력 값들의 그래프들을 도시하며;
도 19a 내지 도 19c는 본 개시에서 설명되는 선형 유도 모터(M) 및 도전성 반응 플레이트(200)의 애플리케이션의 일 예의 양태들을 도시하는데, 도 19a는 차량 또는 디바이스를 높은 속도, 예를 들어 지구로부터의 우주 탈출 속도로 가속하도록 구성되는 선형 유도 모터(M) 기반 우주선(SC) 발사 시스템, 또는 다른 유형의 선형 가속기 시스템을 도시하고, 증가된 속력에 따라 증가된 저항률을 갖는 도전성 반응 플레이트(200)의 개략도를 도시하며, 도 19b 및 도 19c는 도전성 반응 플레이트(200)의 상이한 재료 구성들에 대한 속력의 함수로서 최대 추력(T)을 예시하는 두 개의 그래프들을 도시하며;
도 20은 상이한 두 개의 기계들(A, B)을 갖는 예시적인 고속 열차 애플리케이션에 대해, 기존의 선형 유도 모터 및 본 개시에서 설명된 바와 같은 선형 유도 모터(M)에 대한 속력의 함수로서 상이한 두 개의 추력들을 도시하는 그래프를 도시하며;
도 21은 일차측 부재(100)가 제어기 또는 제어 디바이스(700)를 가지며, 전력 공급부(600)는 두(2) 개의 예시적인 일련의 전력 전자 변환기들(610, 620, 630)을 가지며, 각각의 전력 전자 변환기(610, 620, 630)는 각각 권선(121, 122, 123)에 연결되며, 시스템(S)은 이동하는 전자기장의 극들 사이의 가변 극 피치의 적용을 허용하는 전력 변환기 시스템(S) 및 선형 유도 모터(M)의 단순화된 개략도를 도시하며;
도 22a 및 도 22b는 선형 유도 모터(M)에 적용된 가변 극 피치의 양태들을 나타내는 상이한 그래프들을 도시하는데, 도 22a는 증가된 속력에 따라 증가된 극 피치의 적용으로 동기 속력(Vs)의 함수로서 이동가능 자기장의 주파수를 갖는 그래프를 도시하고, 도 22b는 가동 일차측 부재(100)의 예가 48 개 슬롯들을 가지는 상이한 두 개의 극 피치들에 기초하여 상이한 두 개의 전자기장들을 시각화하는 그래프들을 도시하며;
도 23은 모터(M)의 가변 극 피치를 생성하는 것을 허용하는 전력을 모터(M)에 제공하기 위한 예시적인 시스템(S)의 다른 실시예의 단순화된 개략도의 측면도를 도시하며; 및
도 24는 모터(M)의 가변 극 피치를 생성하는 것을 허용하는 전력을 모터(M)에 제공하기 위한 다른 예시적인 시스템(S)의 단순화된 개략도의 측면도를 도시한다.
본 개시에서, 동일한 참조 번호들이, 가능한 경우, 도면들에 공통인 동일한 엘리먼트들을 지정하기 위해 사용된다. 또한, 상이한 도면들에서의 표현들은 에시 목적으로 단순화되고 축척대로 묘사되지 않을 수도 있다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
"예시적인"이란 단어는 본 명세서에서는 "일 예, 사례, 또는 예시로서 역할을 한다"는 의미로 사용된다. "예시적"인 것으로서 본 명세서에서 설명되는 어떤 실시예라도 다른 실시예들보다 바람직하거나 유익하다고 해석할 필요는 없다.
본 발명의 다양한 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명된다. 본 발명은 많은 형식들로 실시될 수도 있고 본 개시에서 언급되는 실시예들로서 제한되는 것으로서 생각되지 않아야 하며; 그보다, 이들 실시예들이 제공되어 본 개시는 적용 가능한 요건들을 충족시킨다.
본 개시에서 사용되는 용어들은 특정 실시예들만을 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정할 의도는 아니다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, "및/또는"이란 용어는 연관된 나열 항목들 중 하나 이상 중 임의의 조합들 및 모두를 포함한다.
달리 정의되지 않으면, 본 개시에서 사용된 모든 용어들(기술적 및 과학적 용어들을 포함)은 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 기술자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 통상 사용되는 사전들에서 정의된 것들과 같은 용어들은 관련 분야 및 본 개시의 관점에서 그것들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로서 해석되어야 하고 본원에서 명확히 정의되지 않는 한 이상화되거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 것이라는 것 또한 이해될 것이다.
본 발명의 상이한 실시예들 및 양태들을 설명함에 있어서, 여러 기법들 및 단계들이 개시된다는 것이 이해될 것이다. 이것들의 각각은 개별적인 이점을 가지고 각각은 다른 개시된 기법들 중 하나 이상, 또는 일부 경우들에서는 모두와 연계하여 또한 사용될 수 있다. 따라서, 명료함을 위해, 이 설명은 개별 단계들의 모든 가능한 조합을 불필요한 방식으로 반복되지 않을 것이다. 그럼에도 불구하고, 상세한 설명 및 청구범위는 이러한 조합들이 전적으로 발명 및 청구범위의 범위 내에 있다는 이해와 함께 읽혀야 한다.
다음 도면들에서의 일부 블록도들은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 시스템들, 방법들 및 제어 알고리즘들의 가능한 구현예들의 아키텍처, 기능, 및 동작을 예시한다. 이와 관련하여, 이들 흐름도들 또는 블록도들에서의 일부 블록들은 특정된 논리적 기능(들)을 구현하기 위한 하나 이상의 블록들을 포함하는 제어 모듈, 세그먼트, 또는 부분을 나타낼 수도 있다. 일부 대안적 구현예들에서, 블록들에서 언급되는 기능들은 그 도면에서 언급된 순서에서 벗어나게 발생할 수도 있다는 것에 또한 주의해야 한다. 블록도들 및 흐름 예시도들의 각각의 블록과, 블록도들 및 흐름 예시도들에서의 블록들의 조합들은 특정된 기능들 또는 액트들을 수행하는 특수 목적 하드웨어 기반 시스템들 또는 특수 목적 하드웨어의 조합들에 의해 구현될 수 있다는 것이 또한 주목될 것이다.
도 9에 예시된 바와 같이, 예시적인 단일 측면 선형 유도 모터(M)이 단순화된 측면도로 도시된다. 이 예시적인 실시예에서, 유도 모터(M)는 일차측 부재(100) ― 일차측 부재(100)는 이동 가능하고, 권선들(120)과 자기 코어(110)를 포함함 ―, 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150) ― 이차측 부재는 도전성 반응 플레이트(200)와 백 계철 또는 미러 아이언(mirror iron)이라고도 하는 백킹 자성 재료 또는 층(300)을 포함함 ― 를 포함한다.
알 양태에 따르면, 도전성 반응 플레이트(200)의 구조 및 구성이 고속으로 일차측 부재(100)에 의해 추진되는 차량 또는 다른 디바이스에 증가된 추력을 제공할 수 있도록 된다. 도전성 반응 플레이트(200)의 전기 전도율이 정적 이차측 부재(150)의 확장부의 길이방향 축을 따르는 상이한 로케이션들에서 일정한 최신 기술 해법들에 비하여, 대조적으로 본 발명의 양태에 따르면, 이차측 부재(150)의 특정 로케이션에서 일차측 부재(100)와 이차측 부재(150) 사이의 의도된 상대 속력 또는 속도에 기초하여, 도전성 반응 플레이트(200)의 전기 전도율은 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150)를 따르는 상이한 로케이션들에서 상이하다. 예를 들어, 일차측 부재(100)가 이차측 부재(150)에 비하여 고속으로 통과하도록 구성 또는 의도되는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150)를 따르는 로케이션들에서, 전기 전도율은 전기 전도율이 더 높은 곳에서 일차측 부재의 속력이 더 낮도록 의도되는 이차측 부재(150)의 로케이션들에 비하여 더 낮다.
이 원리를 일차측 부재(100)에 의해 전력을 공급받는 열차와 같은 선형 유도 모터(M) 구동 차량의 예시적인 상황에 적용하면 그리고 레일이 이차측 부재(150)를 포함하는 경우, 이차측 부재(150)에 비하여 일차측 부재(100)와 차량이 400 km/h와 600 km/h 사이에 도달하도록 의도되는 레일의 고속 섹션들에서, 도전성 반응 플레이트(200)는 더 낮은 속력에 대해 차량이 의도되는, 예를 들어 의도된 속력들이 0 km/h와 100 km/h 사이인 기차역 또는 정차장의 로케이션들에 비해 더 낮은 전기 전도율을 가진다. 이러한 의미에서, 일 양태에 따르면, 도전성 반응 플레이트(200)의 전기 전도율과 그러므로 또한 전기 저항률은 이차측 부재(150)의 길이방향 연장 축을 따라 가변적이다.
예를 들어, 변형예에서, 도전성 반응 플레이트(200)의 전기 전도율은 이차측 부재(150)의 길이방향 연장 축을 따르는 제2 로케이션에서의 제2 섹션에 비해 이차측 부재(150)의 길이방향 연장 축을 따르는 제1 로케이션에서의 제1 섹션에서 더 낮으며, 제1 및 제2 로케이션들은 상이하다.
하나의 실시예에서, 도전성 반응 플레이트(200)는, 예를 들어 상이한 전도율들을 갖는 상이한 도전성 재료들, 예를 들어 비제한적으로 구리, 알루미늄, 철, 또는 스테인레스강과 같은 철 기반 재료들의 사용에 의해, 또는 전도율을 조정하기 위해 도전성 반응 플레이트(200)를 형성하는 재료에 분산될 수 있는 도전성 또는 비도전성 첨가물 충전제들의 사용에 의해, 반응 플레이트(200)의 전기 전도율의 가변성을 제공하기 위해 길이방향 연장 축을 따라 사용되는 재료들의 변화를 포함한다. 본 문서의 맥락에서, 선형 유도 모터(M)는 예를 들어 도 9에 도시된 바와 같은 단일 측면 유도 모터(SLIM) 설정을 참조하여 설명되지만, 반응 플레이트(200)에 관한 동일한 원리들, 구성들 및 설계들이 다른 선형 모터 구성들, 예를 들어 양면 선형 유도 모터(DLIM), 및 다른 유형들에 또한 적용된다.
도 10의 예시적인 표현에서 도시된 바와 같이, 가동 일차측 부재(100)가 단순화된 측단면도로서 도시되며, 일차측 부재(100)는 복수의 슬롯들을 갖는 자기 계철(110)과, 복수의 고정자 권선들을 갖는 다상 권선(120)을 포함한다. 제한 없이, 고정자의 다상 권선(120)은 예를 들어 하나 이상의 전력 변환기들로부터의 다상 교류(alternating current, AC)를 공급받을 수 있다. 예를 들어, it is possible that 변환된 3상 전압 전력이 하나의 위상을 다상 권선(120)의 각각의 권선에 공급하는데 사용되지만, 많은 다른 구성들이 또한 가능하다. 예시 목적으로, 자기 계철(110)과 협력하는 고정자 권선들(120)은, 일차측 부재(110)을 따라 길이방향으로 이격된 그램 스타일 코일들 또는 전면 권취(face-wound) 및 다층 권선을 나타낼 수 있다. 선형 유도 모터들을 위한 그램 스타일 코일들 또는 그램형 권선들은 예를 들어 특허 공보들인 DE2265049A1 및 GB1288985에 설명되어 있다.
선형 유도 모터(M)의 추력(T)의 향상 또는 증가가 도전성 반응 플레이트(200)의 구조 및 구성에 기초하여 고속으로 성취될 수 있고, 제한 없이, 예를 들어 미국 특허 제3,585,423호 및 제3,958,138호에 개시된 배경 기술에서 설명된 바와 같은 비유사 배열들 자기 계철(110) 및 다상 권선들(120)을 사용하여 성취될 수 있다. 그러나, 이들 배경 기술 해법들은, 이들 특허들의 출원 당시 가변 주파수 공급을 갖는 전자 전력 변환기들이 없는 것을 고려하여, 속력을 제어하기 위한 추력-슬립 특성들의 변화를 강조한다.
도 9 및 도 10에 예시적으로 도시된 다상 선형 유도 모터(M)로, 모터(M)의 일차측 부재(100)와 이차측 부재(150) 사이의 갭을 횡단하는 자속인 작동 자속이 일차측 부재(100)에 추진력 또는 추력(T)을 생성하기 위해 자속의 시간 변화로 인해 모터(M)의 이차측 부재(160)의 도전성 반응 플레이트(200)에서 유도된 전류들과 협력한다. 일차측 부재(100) 및 이차측 부재(150) 둘 다의 자성 재료가 모터(M)에 횡단방향으로 자신이 배향되는 작동 자속을 위한 낮은 자기저항 경로를 협력하여 제공하기 위해 모터(M)의 길이방향 연장 축에 대한 횡단방향 평면들에 놓인다.
도 15의 그래프로 예시된 바와 같이, 선형 유도 모터(M)의 추력(T)은 슬립(g)의 함수로서의 일차측 부재(100)와 이차측 부재(150) 사이의 상대 속력의 증가에 따라 현저히 감소한다. 기존의 선형 유도 모터로, 일차측 부재(100)의 고속들로 변환되는 높은 주파수들에서, 최대 추력(T_max)은 극적으로 감소한다. 본 발명의 양태들로, 선형 모터(M)을 이용하여, T_max는 주파수와 그러므로 속력이 증가함에 따라 훨씬 적게 감소한다.
일차측 부재 생성 작동 자속이 연속적이고 자신의 둘레 주위에 시작 또는 끝이 없고, 따라서 무한한 것으로서 간주될 수 있는 고전적인 회전식 유도 모터와 달리, 선형 유도 모터들에서는 일차측 부재(100) 바로 아래의 이차측 부재(150)의 부분만이 일차측 생성 작동 자속을 겪는다. 본 개시에서, 길이방향 연장 이차측 부재(150)에 대한 유한 길이 가동 일차측 부재(100) 사이의 상대 운동은 모터(M)의 일차측 부재(100)의 다가오는 단부를 자성제거할 수 있는 일차측 부재(100)에 더 가까운 반응 플레이트(200)의 영역에서 종단 효과 전류들을 생성함으로써 동적 종단 효과를 유도한다. 이들 종단 효과 전류들은 추력(T)에 반대하는 추가적인 힘들을 생성하고 동기 속력에서도 또한 존재할 수 있는 추가적인 손실들을 야기하는데, 동기 속력은 작동 자속에 의해 유도된 진행하는 자기파의 속력이 일차측 및 이차측 부재들(100, 150) 사이의 상대 속력과 매칭되거나 또는 동일한 속력이다. Selcuk et al., "Investigation of End Effects in Linear Induction Motors by Using the Finite-Element Method," in IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 44, No. 7, pp. 1791-1795, July 2008, doi: 10.1109/TMAG.2008.918277 참조. 더구나, 그 효과는 일차측 및 이차측 부재들(100, 150) 사이의 상대 속력의 증가에 따라 현저하게 증가한다.
더욱이, 높은 상대 속력들에서 그리고 전술한 종단 효과에 관련하여, 모터(M)의 이차측 부재(150)의 반응 플레이트(200)에서의 유효 유도 전류들의 증가는 일차측 및 이차측 부재들(100, 150) 사이의 갭에서의 작동 자속의 감소를 초래하며, 백킹 자성 재료(300), 예를 들어 백 계철 또는 미러 아이언(300)을 통해 흐를 수 있는 자속의 감소로 인해 이용 가능한 추력(T)의 증가를 초래한다. 이는 차폐 효과라고 할 수 있다.
본 개시에서 설명되는 다양한 전기 전도율과 그러므로 또한 도전성 반응 플레이트(200)의 가변 전기 저항률이, 일차측 및 이차측 부재들(100, 150) 사이의 의도된 상대 속력 또는 속도의 함수로서 이차측 부재(150)의 섹션들에 선택적으로 인가되어, 기존의 설계들에 비해 고속으로 증가된 추력을 제공하는 것을 목표로 하는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150)를 설계하고 제조하는 방법과, 그것의 해당 시스템을 제공하기 위해, 다상 선형 유도 모터(M)의 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150)를 제공하는 다상 선형 유도 모터(M)를 제공하는 것이 가능하다. 이차측 부재(150)의 본 개시에서 제안된 구성으로, 전기 역학으로 인해, 이 차폐 효과는 장의 차폐가 크게 감소됨에 따라 크게 감소되며, 따라서 더 많은 추력을 생성한다.
제한 없이, 도 11은 트랙웨이 또는 레일(500)의 길이방향 연장 축의 방향에서 보았을 때 운송 시스템에서의 유도 모터(M)의 일반적인 적용의 단순화된 단면도를 도시한다. 도시된 변형예에서, 모터(M)의 일차측 부재(100)는 차량(400)에 동작적으로 부착되는 한편 이차측 부재(150)는 도전성 반응 플레이트(200)와 트랙웨이 또는 레일(500)에 부착된 백킹 자성 재료를 포함한다. 모터(M)의 이차측 부재(150)가 트랙웨이의 길이를 연장한다는 것을 고려할 때, 이는 시스템의 비용의 상당한 부분을 전체로 구성하고, 이차측 부재(150)의 구조가 가능한 한 간단하면서도 차량이 에너지 효율적인 솔루션에서 높은 속력들을 획득하는 능력을 여전히 제공하는 것이 바람직하다. 이는 예를 들어 배터리 시스템들과 같은 온보드 유한 에너지 저장소들을 사용하여 장 거리들에 대해 고속으로 작동하도록 의도되는 그들 차량들에 대해, 제한 없이, 특히 중요하다.
본 발명의 양태에 따르면, 본 개시에서 제시된 모터(M), 이차측 부재(150), 및 이차측 부재(150)를 포함하는 시스템으로, 일차측 부재(100)의 특별한 또는 특정 구성과는 독립적으로 증가된 추력을 제공하는 것이 가능하다. 그럼에도 불구하고, 그리고 도 17 및 도 18에 관련하여, 더욱 증가된 성능이 나중에 설명될 협력 구성을 선택함으로써 획득될 수 있다.
도 12는 이차측 부재(150)의 도전성 플레이트(200)가 다층 구조 또는 층 스택, 예를 들어 두 개의 층들(210 및 220)을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 로케이션에서의 모터(M)의 예시적인 단순화된 측면도를 도시한다. 일 예로서, 층(210)의 두께는 층(220)의 두께와 상이할 수 있는 한편, 층(210 및 220)은, 예를 들어 비유사 자기 및 전기 성질들을 제공하는 상이한 재료 조성물들로 이루어질 수 있다. 변형예에서, 제1 층(210)이 제1 전기 전도율을 가지며, 제2 층(220)이 제2 전기 전도율을 가지고, 제1 및 제2 전기 전도율들은 상이한 것이 가능하다. 따라서, 이차측 부재(150)의 길이방향 축을 따르는 상이한 로케이션들에서, 전기 전도율은 제1 및 제2 층(210, 220)의 상이한 두께들을 가짐으로써 변경될 수 있다.
도 13은 제1 및 제2 층들(210, 220)로 이루어진 도전성 반응 플레이트(200)를 갖는 길이방향 연장 이차측 부재(150)의 상이한 두 개의 섹션들(A 및 B)의 예시적인 단순화된 측면도를 도시한다. 각각의 섹션 A 및 B는 이차측 부재(150)를 기준으로 한 일차측 부재(100)의 상이한 상대 속력들을 위해 의도될 수 있으며, 여기서 섹션 A는 섹션 B에 비해 상이한 전기 전도율을 갖는 도전성 반응 플레이트(200)를 가진다. 도전성 플레이트(200)는 양 섹션들(A, B)에 대해 동일한 두께를 가지지만, 섹션 A의 경우, 제2 층(220)의 두께는 섹션 B에서의 제2 층(220)의 두께보다 크고, 반대로 그 두께는 제1 층(210)에 대해 상이하며, 이로써 섹션들(A 및 B)에서 상이한 전기 전도율을 제공하는 것이 가능하다. 일 예로서, 층(210)의 두께가 상이한 섹션들(A, B)에서 층(220)의 두께와 역(inverse)일 수 있다. 이는 이차측 부재(150)의 도전성 부분을 효율적이고 단순한 설계로 변경함으로써, 유효 자속을 변경하는 것을 허용한다. 그러나, 도전성 반응 플레이트(200)의 전체 두께는 길이방향 연장 축을 따라 가변적이라는 것이 또한 가능하다. 플레이트들 또는 층들(210, 220)의 두께의 변화는, 복합 도전성 반응 플레이트를 만들기 위한 구성으로서, 제한 없이, 해석되어야 한다. 예시로서, 두 개의 층들(210, 220)만이 도시되지만, 예를 들어 상이한 재료 조성들을 사용함으로써, 상이한 전기 전도율들로 도전성 반응 플레이트(200)를 형성하는 두 개를 초과하는 층들이 또한 있을 수 있다.
그러므로 층들 또는 플레이트들(210, 220)의 두께, 순서 및 성질들을 변경함으로써, 백킹 자성 재료(300)에서의 자속은 결국 변경될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 더구나, 도전성 반응 플레이트(200), 예를 들어 복합 도전성 반응 플레이트의 이러한 구성에 대해, 더 많은 자속이 백킹 자성 재료(300)에서 흐를 수 있을 것이라는 사실에서 더 낮은 유효 전도율이 초래될 것이다. 이는 결국 일차측 및 이차측 부재들(100, 150) 사이의 갭에서의 작동 자속의 증가와 하부 단부 및 차폐 효과들을 초래할 것이다.
도 14는 제1 층(210)이 제1 서브층 스택(212, 214, 216)을 포함하고 제2 층(220)이 제2 서브층 스택(222, 224, 226)을 포함하며, 제1 및 제2 서브층 스택의 각각의 층이 상이한 두께들을 가지도록, 각각의 층(210, 220)이 복수의 층들을 포함하는 두 개의 층들(210, 220)로 이루어진 예시적인 길이방향 연장 이차측 부재(150)의 예시적이고 단순화된 측면도를 도시한다. 이 실시예로, 도전성 반응 플레이트(200)의 유효 전도율, 예를 들어 복합 도전성 반응 플레이트는, 예를 들어 비제한적으로 비자성 스테인레스강, 폴리머 계 복합 재료들, 탄소-알루미늄 합금들, 주석, 청동, 알루미늄, 흑연과 같은 상이한 전기 성질들을 갖는 재료들의 얇은 층들을 결합함으로써 추가로 맞춤될 수 있다. 결과적인 도전성 반응 플레이트(200)의 유효 전도율은 그러면, 도전성 플레이트(200)의 이 섹션에 포함되는 세 개의 층들(212, 214, 216 및 222, 224, 226)의 두 개의 스택들이 도시된 변형예에서, 층들의 전기 전도율의 가중된 평균일 것이다. 그러므로 선형 유도 모터(M)의 설계에서 추력은 이 특징에 기초하여 상이한 의도된 속력들이 요구되는 상이한 로케이션들에서, 이차측 부재(150)의 각각의 주어진 섹션 또는 부분에 최적화될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
비제한적인 예로서, 200 km/h 내지 1300 km/h의 속력들로 이동하는 일차측 부재(100)가 장비된 차량에 대한 도전성 반응 플레이트(200)의 유효 전도율에 대해, 본 개시에서 고속 섹션들을 위한 반응 플레이트(200)로서 간주되는 반응 플레이트(200)는 2.7*10^-7 내지 7*10^-6 Ohm*m 범위의 동등한 저항률을 나타낼 수 있다. 마찬가지로, 50 km/h 내지 200 km/h의 속력들에 대해 동등한 저항률이 2.65*10^-8 내지 2.7*10^-7 Ohm*m 범위에 있을 수 있고, 이는 중간 속력을 갖는 섹션들을 위한 반응 플레이트(200)에 대응하고, 50 km/h보다 낮은 속력들에 대해, 반응 플레이트(200)의 동등한 저항률에 대한 예시적인 값들은, 낮은 속력 섹션들에 대해, 1.68*10^-8 내지 2.65*10^-8 Ohm*m의 범위에 있을 수 있다.
제한 없이, 반응 플레이트(200)의 각각의 섹션에 대한 전도율의 값들은 분석 계산들의 결과들을 입력 값들로서 취하는 유한 엘리먼트들 모델링 시뮬레이션들을 사용하여 최적화될 수 있다. 모터(M1)의 일차측 부재(100)의 주어진 구성을 위한 반응 플레이트(200)에 대한 유효 전도율은, 예를 들어 속력(v1)이 50 km/h인 저속 작동을 위해 의도된 반응 플레이트(200)에서, 구리 또는 알루미늄, 또는 다른 고도전성 재료 중 하나가 높은 것으로 가정될 수 있다. 그 후, 도전성 반응 플레이트(200)의 고속 섹션에 대해, 예를 들어 속력(v2)에서, 타깃 유효 전도율(sigma2)은, 대략적인 근사값으로서, 속력들(v1 및 v2)의 비율에 비례하여 감소할 것으로 예상될 수 있다.
더욱이, 도 14의 실시예에서 층들(212, 214, 216 및 222, 224, 226)에 의해 표현되는 바와 같은 복합 반응 플레이트의 유효 전기 전도율은 제한 없이 도전성 복합 플레이트들(200)의 평균 전기 전도율로서 이해될 수 있고, 다음과 같이 계산될 수 있다:
여기서 N은 도전 층들의 총 수이며, σi는 복합 플레이트 내의 임의의 i-esimal 층의 전기 저항률이며, d i 는 층의 두께이고, d tot 는 복합 플레이트(200)의 총 두께이다.
도 16은 최신 기술에 따른 단일 도전성 플레이트를 갖는 선형 유도 모터에 의해 생성된 예시적인 추력(T1)과 본 개시에서 설명되는 실시예들에 따른 선형 유도 모터(M)로부터 예상되는 예시적인 추력(T2)을 도시하는 상이한 두 개의 그래프들을 도시한다. 일차측 부재(100)와 함께 이동하는 전자기장을 생성할 전력 공급부의 저주파에 의해 예시되는 낮은 속력인, 일차측 부재(100)의 의도된 낮은 속력들을 위해 또는 0 내지 저속의 첫 번째 가속을 위해 설계된 섹션들의 경우, 모터(M)에 의해 야기되는 저크 효과(jerk effects)를 피하기 위해, 의도된 또는 요구된 속력이 실질적으로 더 높은 섹션들에 비해, 반응 플레이트(200)를 위한 고도전성 재료가 요망된다. 이와 관련하여, 더 낮은 속력들 및 멈춤(standstill)을 위해 설계된 섹션들에서, 기존의 알루미늄 기반 반응 플레이트(200)가 사용될 수 있고, 더 높은 속력들을 위해 의도된 섹션들에서, 더 높은 저항률 반응 플레이트들(200)이 의도된 속력에 기초하여 선택적으로 사용될 수 있다. 기존의 모터의 추력을 나타내는 T1과 선형 유도 모터(M)의 본 개시에서 설명되는 실시예들의 추력을 나타내는 T2의 두 개의 그래프들로 도시된 바와 같이, 일차측 부재(100)에 의해 추진되는 차량의 트랙웨이를 따르는 도전성 반응 플레이트(200)의 사용은, 트랙웨이의 주어진 섹션에서 의도될 것인 속력에서 추력을 최대화하기 위해 트랙웨이를 따르는 전기 전도율의 조정으로, 가장 효과적인 추력-속력 특성을 초래할 것이다. 추력(T2)은 기존의 모터에 의해 생성된 추력의 2배를 초과할 수 있다는 것을 알 수 있다.
최신 기술과는 대조적으로, 본 개시에서 설명되는 본 발명의 실시예들에서는, 도전성 반응 플레이트(200)의 가변 전기 전도율은, 예를 들어 복합 반응 플레이트를 채용함으로써, 이차측 부재(150)의 주어진 섹터에서의 주어진 속력에서, 특히 고속에서, 전력 공급부(600)에 대해 임의의 특정 제어들을 할 필요 없이, 추력 성능이 크게 개선될 수 있거나 또는 심지어 모터(M)에 대해 최대화될 수 있게 한다. 상이한 재료 조성들, 층들의 수, 층들의 두께들, 및 다른 설계 양태들은 도전성 반응 플레이트(200)를 제공하여, 최대 추력-속력 비율을 획득하기 위해 주어진 섹션에서 도전성 반응 플레이트(200)의 요구된 유효 전도율을 확립하는데 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 예를 들어 도 14에 도시된 바와 같은 백킹 자성 재료(300)는, 작동 자속을 위한 낮은 자기저항 경로를 협력하여 제공하도록 의도되며, 여기서 자속의 레벨은 도전성 반응 플레이트(200)의 특성들로부터 초래되는 종단 차폐 효과들에 따라 달라질 것이다. 백킹 자성 재료(300)는 바람직하게는, 유도된 맴돌이 전류들에 의한 손실들을 피하기 위해, 높은 투자율과 낮은 벌크 유효 전기 전도율을 가진다. 일 예로서, 이는 모터(M)의 일차측 부재(100)에 대해 위에서 설명된 바와 같이, 또는 예를 들어 낮은 전도율 복합 자성 재료를 사용함으로써, 전기 강철 라미네이션들을 사용하여 성취될 수 있다. 예를 들어, 복합 자성 재료는 본 개시에서 높은 투자율을 갖는 엘리먼트들이 내장된 저전도율 캐리어 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 이들 엘리먼트들은 캐리어 재료에 내장되는 철 펠릿들, 철 섬유들, 철 입자들, 철 비드들, 또는 그것들의 조합일 수 있다. 캐리어 재료는 콘크리트, 예를 들어 콘크리트 슬래브(concrete slab)일 수 있다. 바람직하게는, 복합 자성 재료는 고투자율, 예를 들어 상대 투자율 μr => 50을 가진다. 백킹 자성 재료(300)의 예상되는 자속과 관련하여, 백킹 자성 재료(300)의 조성, 폭 및 구조는 작동 자속의 크기와 따라서 모터(M)의 이차측 부재(150)에 대한 일차측 부재(100)의 상대 속력에 띠라 최적화될 수 있다. 백킹 자성 재료(300)가 모터(M)의 이차측 부재(150)의 부분이고 트랙웨이의 길이를 연장한다는 것을 감안하면, 이는 시스템의 비용의 상당한 부분을 전체로 구성하고, 에너지 효율적인 솔루션에서 높은 속력들을 획득하기 위해 일차측 부재(100)에 의해 전력을 공급받는 차량에 능력을 여전히 제공하면서도 사용되는 엘리먼트들의 비용을 줄이는 것을 가능한 한 많이 최적화되는 것이 바람직하다.
도 17은 도전성 반응 플레이트(200)가 서로 나란히 배열된 상이한 측면 플레이트들을 포함하며, 측면 플레이트들은 상이한 섹션들에서 상이한 전기 전도율을 제공하는 일 실시예의 예시적인 측면도를 도시한다. 예를 들어, 도전성 반응 플레이트(200)는 길이방향 연장 축을 따라 서로 나란히 배열된 복수의 서브플레이트들을 포함할 수 있으며, 복수의 서브플레이트들 중 적어도 일부는 반응 플레이트(200)의 전기 전도율의 가변성을 제공하기 위해, 상이한 전기 전도율을 가진다. 변형예에서, 서로 나란히 배열된 상이한 서브플레이트들은, 예를 들어 상이한 두께들을 갖는 인접하게 배열된 플레이트들의 사용에 의해 길이방향 연장 축을 따라 상이한 섹션들을 볼 때 가변 두께를 가질 수 있다. 변형예에서, 나란히 배열된 서브플레이트들의 양태들은 상이한 두께들과 또한 상이한 전기 전도율을 가진다.
다음으로, 가변 전기 전도율을 갖는 도전성 반응 플레이트(200)의 적용을 위한 상이한 비제한적 예들이 개선된 또는 심지어 최대화된 추력-속력 프로파일을 제공할 목적으로 제공된다.
비제한적 예를 들어, 단순화된 비제한적 예와 함께 도 18a로 예시된 바와 같이, 1200 km/h를 넘는 속력들로 이동하도록 의도되는, 선형 유도 모터를 추진체로서 사용하는 차량(500)으로서 수송 캡슐이 고려될 수 있다.
수송 캡슐은 상대적으로 가벼우며(100 톤 미만임), 자기 부상을 사용하는 것에 더하여, 선형 유도 모터의 이차측 부재가 장비되는 레일 위로 승객들을 수송하도록 구성된다. 수송은 지점 A에서 B로 이동하도록 구성되고, 지점 A의 정차로 시작한 다음, 최대 1000 km/h 이상으로 가속하여 순항 속력에 도달한 다음 지점 B에서 목적지에 도달하도록 감속되어 정차한다. 지점 A에서 지점 B로의 이러한 이동에 대한 예시적인 파라미터들로서, 요구된 가속 추력은 30 kN 내지 41 kN 정도의 크기일 수 있고 순항 속력은 1000 km/h에서 약 10 kN일 수 있다.
도 18b는 속력의 함수로서 이용 가능한 추력을, 예를 들어 고체 알루미늄을 도전성 반응 플레이트로서 사용하여 기존의 선형 유도 모터로 이론적으로 이용 가능한 추력을 도시하는 어두운 그래프("기계 A")와, 수송 캡슐의 의도된 속력의 함수로서 저항률에 적용되는 도전성 반응 플레이트(200)를 사용하는 본 개시에서 제시된 선형 유도 모터(M)로 이용 가능한 추력을 도시하는 상단의 더 밝은 그래프("기계 B")와 비교하는 예시적인 두 개의 그래프들을 도시한다. 기존에 설계된 선형 유도 모터(M)에 의해 생성된 추력(T1)은 위에서 주어진 이동 사양에 대한 최소로 요구된 추력 값들을 제공할 수 없다는 것을 알 수 있다.
다른 비제한적 예로서, 그리고 선형 가속기 디바이스, 예를 들어 연료 기반 로켓 추진을 대체하기 위해 물체를 추진하는 선형 가속기 디바이스의 적용을 예시하기 위한 목적으로, 선형 유도 모터(M)는, 도 19a로 개략적으로 예시되는 바와 같이, 40,000 km/h 주위에 위치된 지구로부터의 탈출 속도로 우주선(SC)을 추진하기 위한 발사 시스템으로서 이론적으로 사용될 수 있다. 구체적으로는, 특정한 길이를 갖는 이차측 부재(150)가 장비된 발사 타워로서 가파른 각도를 갖는 수직 배열된 트랙 또는 비스듬히 배열된 트랙이 사용될 수 있으며, 일차측 부재(100)가 장비된 우주선(SC)을 위한 선형 유도 모터 기반 시스템은 이차측 부재(150)와 맞물리도록 구성될 수 있다. 다른 유형들의 선형 발사 시스템들이 개발될 수 있다. 이들 매우 높은 속력들을 성취하기 위해, 발사 타워의 트랙에 배열된 모터(M)의 이차측 부재(150)의 도전성 반응 플레이트(200)는, 본 발명의 실시예들의 양태들 및 원리들에 따라 만들어질 수 있다. 예를 들어, 발사 타워의 궤적을 따르는 모터(M)의 이차측 부재(150)의 성질들에서의 변화들이 합리적인 자기 레이놀즈 수(magnetic Reynolds number)에서 작동을 허용하도록 해야 한다.
자기 레이놀즈 수가 증가함에 따라 선형 유도 모터(M)의 성능이 감소하는 것으로 나타났다. 이 문제를 해결하는 방법은 본 개시에서 제시된 본 발명의 원리들 및 실시예들을 사용하는 것이다. 위에서 논의된 바와 같이, 기본 아이디어는 매우 높은 속력 또는 속도에 도달할 수 있는 더 높은 속력들로 설계된 섹션들에서 이차측 부재(150)의 점점 더 저항성인 반응 플레이트(200)를 갖는 것이며, 이는 원하는 동등한 저항률에 도달하기 위해 주어진 재료의 고체 층들 또는 상이한 재료들의 여러 복합 층들을 도전성 반응 플레이트에 제공함으로써 행해질 수 있다. 예시적인 40,000 km/h를 성취하기 위해, 궤적을 따르는 저항률을 변경하는 이차측 부재(150)를 가지는 수직 또는 비스듬히 기울어진 발사 타워에 트랙을 갖는 것이 가능할 것이며, 이는 19a에서 개략적으로 도시된다. 핵심은 도전성 반응 플레이트(200)가 속력이 증가함에 따라 더 저항성이 된다는 것이다.
하나의 옵션은 이차측 부재(150)가 길이방향 확장부를 따라 서로 나란히 배열된 상이한 네 개의 섹션들을 가지며, 더 낮은 속력들을 위한 제1 섹션이 알루미늄으로 만들어지며, 제1 하위 중간 속력을 위한 제2 섹션이 스테인레스강, 또는 높은 비율의 스테인레스강을 갖는 복합체로 만들어지며, 기저 평면에 평행하도록 배열되는 제2 상부 중간 속력을 위한 제3 섹션이 흑연으로 만들어지고, 마지막으로 기저 평면에 수직인 발사 타워의 단부의 제4 섹션이 흑연으로 만들어진다는 것이다. 이 점에 있어서, 상이한 네 개의 섹션들의 유효 저항률은 다음 수학식을 따른다:
도전성 반응 플레이트(200)의 최종의 제4 섹션의 유효 저항률은 대략적으로 ρ = 3·10-5 Ω·m 정도일 것이다.
도 19b 및 도 19c는 도 19b에 도시된 기저 평면(ρ= 5·10-6 Ω·m)에 평행한 흑연과 도 19c에 도시된 복합 흑연(ρ = 3·10-5 Ω·m)에 대한 속력의 함수로서 최대 추력(T)을 예시하는 두 개의 그래프들을 도시한다. 도 19b로부터 알수 있는 바와 같이, 추력은 증가된 속력들의 증가와 함께 크게 감소하여, 44 kN에서 시작하여 14kN 미만으로 떨어지는 한편, 도 19c의 그래프에서 44 kN부터 약 33kN으로 추력이 감소된다. 이들 시뮬레이션 결과들을 위해 사용된 예시적인 모터(M)는 365 mm의 극 피치를 가지고, 이 값은 개선된 성능을 위해 추가로 최적화될 수 있다.
본 개시에서 제시된 본 발명의 실시예들의 사용을 위한 다른 비제한적인 예로서 고속 열차에 대한 적용이 있을 수 있다. 예를 들어, 고속 열차는 지점 A에서 B로 이동하는 기존의 바퀴들을 사용하여, 레일 위로 여행하는 승객들을 수송하는데 사용될 수 있다. 차량은 지점 A에 정차하는 것으로 시작한 다음, 순항 속력의 최대 500 km/h로 가속하고, 그 다음에 지점 B에서 목적지에 도달하도록 감소된다. 요구된 가속 추력은 190 kN 내지 220 kN 정도일 수 있고 500 km/hr에서 약 75 kN로 순항할 수 있다. 도 20은 기존의 선형 유도 모터(기계 A), 예를 들어 알루미늄 반응 플레이트를 사용하는 것이 특정 속도에 대해 조정된 전기 전도율을 갖는 반응 플레이트(200)를 가지는 본 발명의 실시예들의 원리들에 따른 것(기계 B)에 비교되는 속력의 함수로서 상이한 두 개의 추력들(T1, T2)을 도시하는 그래프를 도시한다. 고속 열차의 하나의 일차측 부재(100) 또는 기차의 상이한 캐리지들 또는 섹션들에 분산되는 여러 더 작은 일차측 부재들(100)에서 가 있을 수 있다는 것에 주의한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 도 21의 제1 실시예로 예시적으로 예시된 바와 같이, 가동 일차측 부재(100)와 정적 이차측 부재(150) 사이의 상대 속력 또는 속도의 함수로서 극 피치를 가변시키도록 제어될 수 있는 다상 선형 유도 모터(M)가 제공된다.
바람직하게는, 고정된 수의 물리적 자극들을 갖는 주어진 선형 유도 모터의 경우, 가동 자기장의 극 피치는 전력 공급부, 예를 들어 다상 권선의 권선에 각각 연결되는 복수의 단상(monophase) 전력 변환기들을 포함하는 전력 공급부의 사용에 의해 전자적으로 가변될 수 있다.
예를 들어, 도 21에 예시된 바와 같이, 가동 일차측 부재(100) ― 가동 일차측 부재(100)는 자성 재료(110), 자성 재료(110) 주위에 배열되는 다상 권선(120)을 포함하며, 다상 권선(120)은 복수의 권선들(121, 122, 123)을 포함함 ―, 예를 들어 그램 구성에서, 일차측 부재(100)로부터 갭만큼 분리되는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150) ― 정적 이차측 부재(150)는 도전성 반응 플레이트(200)와 백킹 자성 재료(300)를 포함함 ―, 복수의 전력 변환기들(610, 620, 630)을 포함하는 전력 공급부(600) ― 각각의 전력 변환기(610, 620, 630)는 다상 권선(120)의 적어도 하나의 권선(121, 122, 123)에 전력을 공급하도록 구성됨 ― 을 포함하는 다상 선형 유도 모터 시스템(S)이 제공될 수 있다.
더구나, 제어 디바이스(700)가 전력 공급부(600)를 제어하기 위해 제공되며, 제어 디바이스(700)는 다상 권선(120)에 의해 야기된 하나 이상의 극들을 갖는 이동 자기장을 생성하기 위해 전력 공급부(600)의 복수의 전력 변환기들(610, 620, 630)을 제어하도록 구성되고, 제어 디바이스(700)는 추가로 다상 권선(120)의 이동 자기장의 극 피치를 가변하도록 구성된다.
일반적으로, 균형 잡힌 다상 소스, 예를 들어 전력 공급부(600)로부터 에너지를 공급받는 선형 유도 모터에서, 이차측 부재(150)에 대하여 일차측 부재(100)가 이동할 수 있는 최대 이론적 속력은 다음과 같이 주어진 동기 속력에 해당한다:
여기서 v s는 선형 모터의 동기 속력이며, τp는 극 피치이고 fs는 전력 공급부(600)의, 예를 들어 다상 권선들(120)에 공급되는 다상 전압의 주파수이다. 본 개시에서, 모터(M)의 동기 속력은 다상 전류, 다상 전압, 및/또는 고정자인 모터의 가동 일차측 부재(100)의 극 피치의 주파수 중 어느 하나를 증가시킴으로써 증가될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.
도 21의 예시적이고 단순화된 실시예로, 하나의 단상 전력 변환기(610, 620, 630)가 각각 그룹으로서 도시되는 하나의 코일 또는 권선(121, 122, 123)에 동작적으로 연결되는 전력 공급부(600)가 예시된다. 도시된 비제한적 예에서, 예시적인 3상 전압 또는 전류, 예를 들어 전압들(V1, V2, V3)을 갖는 3상 준정현파(quasi-sinusoidal) 전압에 의해 전력을 공급받을 수 있는 단일 코일 또는 권선(121.1, 122.1, 123.1, 121.2, 122.2, 및 123.2)에 각각이 연결되는 여섯 개의 단상 전력 변환기들인 변환기(610.1, 620.1, 630.1, 610.2, 620.2, 및 630.2)가 있다. 다상 고정자에서, 본 개시의 설명의 맥락에서 가동 일차측 부재(100)에는, 순시 전류 또는 전압 방향과 동일한 방향에서 동일한 위상에서 작동하는 다상 권선(120)의 복수의 연속 코일들 또는 권선(121, 122, 123)에 의해 극이 주어진다. 본 개시에서, 극들 사이의 거리는 극 피치(τ)로 간주된다.
먼저, 세 개의 인접 배열된 전력 변환기들(610.1, 620.1, 630.1)과 다음 세 개의 인접 배열된 전력 변환기들(610.2, 620.2, 630.2)을, 제어기(700)에 의해 생성된 3상 변조를 선택하는 주어진 주파수를 갖는 3상 시스템으로서 작동시킴으로써, q = 1의 위상당 극당 더 작은 값의 슬롯들로 생성될 수 있는 더 작은 극 피치가 전력 공급부(600)에 의한 다상 전자기장으로 생성될 수 있다. 극 피치를 q = 2인 계수 2만큼 증가시키기 위해, 다음으로, 두(2) 개의 인접 배열된 전력 변환기들의 그룹들은 각각의 그룹이 동위상에 있도록, 예를 들어 전력 변환기들(610.1 및 620.1)의 제1 그룹이 제1 신호에 의해 조절되며, 전력 변환기들(630.1 및 610.2)의 제2 그룹이 제1 신호에 의해 조절되고, 전력 변환기들(620.2 및 620.3의 제3 그룹이 제3 신호에 의해 조절되도록 합쳐지고 동일한 신호로 조정되고, 제1, 제2 및 제3 신호는 3상 조절 신호이다. 이에 의해, 동일한 전압(V1)이 인접한 두 개의 권선들(121.1, 122.1)에 인가되며, 동일한 전압(V2)이 인접한 두 개의 권선들(123.1 및 121.2)에 인가되고, 동일한 전압(V3)이 인접한 두 개의 권선들(123.2)에 인가된다. 다상 전자기 파는 따라서 동일한 주어진 주파수를 가질 수 있지만, 극 피치는 두 배가 된다. 위의 수학식이 주어지면, 이는 동기 속력 v s의 두 배가 된다. 다르게 말하면, 전력 공급부(600)에 의해 생성된 다상 자기 파의 주파수는, 극 피치가 두 배가 되면, 동일한 속력 vs를 유지하도록 절반이 될 수 있다.
위에서 나타낸 바와 같이, 전력 공급부(600)에 의해 생성된 다상 자기 파의 주파수, 예를 들어 동기 속력의 함수로서인 전압 또는 전류는 예시적인 상이한 세(3) 개의 극 피치 구성들에 대한 도 22a의 그래프들에서 도시된다. 파선은 이 기계가 동작 중에 추종할 수 있는 가능한 궤적을 예시하며, 그 목표는 100 Hz와 200 Hz 사이의 주파수로 작동하는 시간을 최대화하여, 전력 공급부(600)의 상이한 전력 변환기들(610, 620, 630)로부터의 높은 스위칭 손실들을 피하는 것이다. 예를 들어, 단상 전력 변환기들(610, 620, 630) 등은, 다상 권선(120)의 상이한 권선들이 피드할 다상 전압 또는 전류를 생성할 때, 전력 공급부(600)가 생성하는 주파수들을 스위칭하기 위한 최저 스위칭 손실을 갖도록 최적화될 수 있다. 그러므로, 일반적으로 말해서, 시스템(S)의 극 피치는 전력 공급부(600)의 복수의 전력 변환기들(610, 620, 630)에 의해 제공되는 다상 전류 또는 전압의 주파수가 특정한 주파수 임계값, 예를 들어 200 Hz 아래에 남아 있도록 가변될 수 있다. 작동 철학은 다음과 같이 더 요약될 수 있다: 작동은 가능한 최대 수의 극들(q=1, 좌측에서 첫 번째 라인)로 시작하고, 속력이 주파수가 200 Hz인 지점에 도달할 때, 전력 공급부(600)의 전력 변환기들(612, 614, 616)은 기계를 q=2(좌측에서 두 번째 라인)로 변환하는 주파수를 갖는 다상 전압 또는 전류를 제공한다. 동일한 것이 q=2에서부터 q=4(좌측에서 세 번째 라인)까지 행해진다. 이 예는 3상 시스템의 다상 전압 또는 전류에 관한 것이며, 심지어 더 유연한 작동 모드를 갖도록 위상들의 수를 수정하는 것이 또한 가능하다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 선형 유도 모터 시스템(S), 선형 유도 모터(M)를 제어하기 위한 제어 디바이스(700), 또는 선형 유도 모터(M)를 위한 전력 변환기들을 조절하는 방법이 제공되며, 이동 자기장의 극 피치는 이차측 부재(150)에 관해 가동 일차측 부재(100)의 상대 속력의 함수로서 가변적이다. 예를 들어, 본 개시에서 제시된 의도된 고속 선형 유도 모터, 예를 들어 모터(M), 및 다른 유형들의 선형 유도 모터들에 관련하여, 가변 극 피치 스킴에서의 선형 유도 모터(M)의 구동은 가변저항이 제공되는 도전성 반응 플레이트(200)와 관련하에 제공될 수 있다.
도 22b는 예시적인 48 개 슬롯들을 갖는 일차측 부재(100)가 위상들(A, B, 및 C)을 갖는 3상 전압 또는 전류 시스템에 의해 전력을 공급받으며, 가변 극 피치 전략의 동작의 원리를 설명하기 위한 예시적인 선형 유도 모터(M) 및 전력 공급부(600)에 의해 생성될 수 있는 상이한 두 개의 극 피치들의 예시를 도시한다. 상부 도면은 각각의 인접한 권선 또는 코일이 원래의 극 피치를 갖는 상이한 위상(A, B, 또는 C)에 의해 전력을 공급받는 제1 상황을 도시한다. 하부 도면은 두 개의 인접 배열된 코일들 또는 권선들이 동일한 위상(A, B 또는 C)에 의해 전력을 공급받아, 극 피치의 두 배로 이어지고, 극들의 수를 2배만큼 줄이는 제2 상황을 도시한다. 제3 상황은 세 개의 인접 배열된 코일들 또는 권선들이 동일한 위상(A, B 또는 C)에 의해 전력을 공급받아, 원래의 극 피치의 4배로 이어지고, 극들의 수를 4배만큼 줄이는 경우일 수 있다(예시되지 않을 수 있다).
스위치 박스(800), 또는 예시적인 상이한 세(3) 개의 전력 전자 변환기들(610)을 하나 이상의 권선들 또는 다상 권선(120)의 코일들(121, 122, 123)에 선택적으로 인터커넥트하도록 허용하는 다른 유형의 스위칭 디바이스의 사용에 의해 이동하는 다상 자기장의 극 피치를 가변하도록 구성되는 선형 모터(M) 또는 선형 모터 시스템(S)의 제2 실시예가 도 23에서 예시적으로 도시된다. 도 15의 측면도에서, 권선들(120)을 갖는 다상 가동 일차측 부재(100)의 섹션이 나타내어진다. 이 섹션은, 제한 없이, 복수의 극들이 있는 모터(M)에서 일차측 부재(100)의 임의의 주어진 섹션으로서 이해될 수 있다. 다상 전류 또는 전압의 공급과, 모터(M)의 구동은 제어기 디바이스(700)에 의해 제어되는 복수의 전력 변환기들(610, 620, 630)을 사용함으로써 제공될 수 있으며, 전력 변환기들은 전력 제어 및 스위칭 박스(800)를 통해 일차측 부재(100)의 권선들에 작동적인 상호연결된다. 전력 제어 및 스위칭 박스는 비출력 변환기(610, 620, 630)를 다상 권선들(120)의 하나 이상의 권선들에 선택적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 그리고 비제한적인 예시 목적으로, 전력 변환기들(610, 620, 630)은 전압들(V1, V2, V3) ― 변환기(610, 620, 630) 당 하나의 전압 위상이며, 준정현파 전압들(V1, V2, V3)이 주어진 주파수를 가짐 ― 을 갖는 3상 준정현파 전압을 제공하도록 구성될 수 있다. 다음으로, 예시적인 목적으로 다상 권선들(120)을 형성하기 위해 서로 연속하여 배열되거나 또는 서로 인접하게 배열되는 여섯 개의 권선들(121, 122, 123, 124, 125, 126)이 있는 경우를 고려할 수 있다.
스위치 박스(800)의 제1 구성에서, 스위치 박스(800)는 제1 전압(V1)을 다상 권선(120)의 제1 권선(121) 및 제4 권선(124)에 제공하고, 제2 전압(V2)은 제2 권선(122) 및 제5 권선(125)에 인가되고, 제3 전압(V3)은 제3 권선(123) 및 제6 권선(126)에 인가되도록 제어 디바이스(700)에 의해 지시받을 수 있다. 이 구성은 모터(M)의 세 개의 권선들을 덮는 극 피치를 생성한다. 다음으로, 극 피치는, 예를 들어 두 배가 될 수 있는데, 왜냐하면 일차측 부재(100)의 속력 또는 속도가 특정한 임계값 위로 증가하였기 때문이거나, 또는 왜냐하면 3상 준정현파 전압들(V1, V2, V3)의 주파수가 특정한 정의된 임계값, 예를 들어 비제한적으로 200 Hz 위로 증가하였기 때문이다. 이 스테이지에서, 스위치 박스(800)는 제2 구성으로 스위칭할 것을 제어 디바이스(700)에 의해 지시받을 수 있으며, 여기서 제1 전압(V1)은 제1 및 제2 권선들(121, 122) 둘 다에 인가되며, 제2 전압(V2)은 제3 및 제4 권선들(123, 124) 둘 다에 인가되고, 제3 전압(V3)은 제5 및 제6 권선들(125, 126) 둘 다에 인가된다. 이는 두 개의 인접한 권선 쌍들(121 더하기 122, 123 더하기 124, 및 125 더하기 126)이 병렬로 배열되고, 이들 쌍들이 이제 코어의 자화를 공유한다는 것을 의미한다. 그 결과, 이는 극 피치의 길이를 두 배로 늘린다. 추가적인 권선들 및 구성들은, 권선들(121/122/123)의 병렬 스위칭되는 트리플릿들의 사용으로 극 피치를 다시 변경하는 것, 예를 들어, 제1 구성으로부터의 피치를 3배로 하는 것이 가능할 것이다. 이 실시예에서의 복수의 전력 변환기들의 사용은 단일 제어기가 사용되고 전력 제어 및 스위치 박스(600)를 통해 일차측 부재(100)에 인터페이싱되는 경우에 대한 제한을 구성하지 않는다. 실시예는 제어 및 구동 시스템과 같은 가능한 구현예들의 아키텍처, 기능, 동작을 예시한다는 것이 이해되어야 한다.
도 24는 전력 제어 및 스위치 박스(600)가 제어기에 의해 공급되는 바와 동일한 전류 위상을 갖는 극 권선 내에 주어진 수의 코일들을 제공하는 복수의 모듈들(610)과, 주어진 극에 대해 코일들의 분리 또는 인접 협력(adjoint cooperation)을 생성하는 연속 코일들에 비유사 위상을 제공할 수 있는 복수의 모듈들(620)을 포함할 수 있는 다른 변형예를 도시한다. 이는 일차측 부재(100)의 물리적 구성 또는 권선들에 대한 임의의 물리적 변경 없이 가변 극 피치 구성으로 모터(M)를 작동시키는 것을 허용한다. 주어진 모터(M)의 일차측 부재(100)에서의 코일들 및 슬롯들의 총량은 본 개시에서 설명되는 작동에 요구되는 다중성(multiplicity)에 일치한다고 이해된다.
기계의 예시적인 작동에서, 추력 대 속력 관계는 앞에서 언급된 바와 같은 모터(M)의 일차측 부재(100)에 의해 인가된 극 피치를 변경함으로써 앞서 설명된 바와 같이, 가변저항을 갖는 도전성 반응 플레이트(200)와 관련하여 추가로 조정될 수 있다. 이는, 특히 고속으로, 추력 프로파일의 최적의 확립을 허용한다. 기존의 선형 유도 모터들에서, 극 피치는 고정되며, 그래서 전기 주파수를 변경하여 속력을 변경하는 것이 필요하다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 본 개시에서 설명되는 시스템(S), 선형 모터(M)의 전력 공급과 조절 방법으로, 오퍼레이터가 더 나은 성능을 성취하기 위해 극 피치뿐만 아니라 주파수를 변경할 수 있는 극 피치를 가변함으로써 최적 방식으로 모터(M)를 작동시키는 추가적인 자유도를 추가하는 것이 가능하다.
본 발명이 특정한 바람직한 실시예들을 참조하여 개시되었지만, 설명된 실시예들에 대한 수많은 수정들, 개조들, 및 변경들과, 그 동등물들은, 발명의 영역 및 범위로부터 벗어남 없이 가능하다. 따라서, 본 발명은 설명된 실시예들로 제한되지 않고, 첨부의 청구항들의 언어표현에 따라 가장 넓은 합리적인 해석이 주어지는 것으로 이해된다.

Claims (14)

  1. 다상 선형 유도 모터에 있어서,
    가동 일차측 부재(100)로서, 자성 재료(110), 상기 자성 재료 주위에 배열되는 다상 권선(120)을 포함하는 상기 가동 일차측 부재(100); 및
    상기 일차측 부재(100)로부터 갭만큼 분리되는 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150)로서, 도전성 반응 플레이트(200)와 백킹 자성 재료(300)를 포함하는 상기 이차측 부재(150)를 포함하며,
    상기 도전성 반응 플레이트(200)는 중간 섹션(205)과 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)을 포함하며, 상기 중간 섹션(205) 및 상기 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)은 상기 반응 플레이트(200)의 길이방향 연장 축에 평행하게 서로 나란히 배열되는, 다상 선형 유도 모터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)은 상기 중간 섹션(205)의 전기 전도율에 비해 높은 전기 전도율을 가지는, 다상 선형 유도 모터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)은 상기 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)에 인접하게 배열된 백킹 자성 재료(300)를 갖지 않는, 다상 선형 유도 모터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가동 일차측 부재(100)의 상기 다상 권선(120)의 적어도 하나의 권선은 사다리꼴 형상을 가지도록 배열되는 그램형 권선을 포함하는, 다상 선형 유도 모터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 외부 섹션들(210.1, 210.2)과 상기 중간 섹션(205) 사이의 경사각이 상기 길이방향 연장 축의 방향에서 보았을 때 비스듬한, 다상 선형 유도 모터.
  6. 제2항에 있어서, 상기 반응 플레이트(200)는 추가적인 외부 섹션들(210.3, 210.4)을 포함하며, 상기 추가적인 외부 섹션들(210.3, 210.4)의 경사각이 상기 외부 섹션들(210.1, 210.2)의 경사각과 상이한, 다상 선형 유도 모터.
  7. 제2항에 있어서, 상기 외부 섹션들(210.1, 210.2)과 상기 중간 섹션(205) 사이의 경사각이 상기 반응 플레이트(200)의 상기 길이방향 연장 축을 따라 제1 섹션 및 제2 섹션에서 상이하며, 상기 제1 섹션은 상기 제2 섹션과 상이한 로케이션에 위치되는, 다상 선형 유도 모터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반응 플레이트(200)의 상기 중간 섹션(205)의 전기 전도율이 상기 이차측 부재(150)의 길이방향 연장 축을 따라 가변적인, 다상 선형 유도 모터.
  9. 제5항에 있어서, 상기 반응 플레이트(200)의 상기 중간 섹션(205)은 층 스택(210, 220)을 포함하며, 상기 층 스택(210, 220)의 각각의 층은 상이한 전기 전도율을 제공하는 상이한 재료 조성으로 이루어지는, 다상 선형 유도 모터.
  10. 제2항에 있어서, 상기 가동 일차측 부재(100)의 상기 자성 재료(110)는 중간 섹션(130)과 두 개의 외부 섹션들(140.1, 140.2)을 포함하며, 상기 중간 섹션(130) 및 상기 두 개의 외부 섹션들(140.1, 140.2)은, 갭을 통해, 각각 상기 반응 플레이트(200)의 상기 중간 섹션(205) 및 상기 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)과 마주하는, 다상 선형 유도 모터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 가동 일차측 부재(100)의 상기 자성 재료(110)의 단면 모양이, 상기 길이방향 연장 축의 방향에서 보았을 때, 사다리꼴 형상을 가지며, 상기 두 개의 외부 섹션들(140.1, 140.2)의 표면들이 상기 사다리꼴 형상의 측면 다리들을 형성하는, 다상 선형 유도 모터.
  12. 제10항에 있어서, 상기 가동 일차측 부재(100)의 상기 두 개의 외부 섹션들(140.1, 140.2)과 상기 중간 섹션(130) 사이의 상기 경사각은 상기 길이방향 연장 축의 방향에서 보았을 때 비스듬한, 다상 선형 유도 모터.
  13. 제10항에 있어서, 상기 가동 일차측 부재(100)의 상기 두 개의 외부 섹션들(140.1, 140.2)과 상기 반응 플레이트(200)의 상기 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)은 각각 서로 평행하게 배열되는, 다상 선형 유도 모터.
  14. 다상 선형 유도 모터의 고정식 길이방향 연장 이차측 부재(150)에 있어서,
    도전성 반응 플레이트(200); 및
    백킹 자성 재료(300)를 포함하며,
    상기 도전성 반응 플레이트(200)는 중간 섹션(205)과 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)을 포함하며, 상기 중간 섹션(205) 및 상기 두 개의 외부 섹션들(210.1, 210.2)은 상기 반응 플레이트(200)의 길이방향 연장 축에 평행하게 서로 나란히 배열되는, 고정식 길이방향 연장 이차측 부재.
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