KR20230154902A - 능동 정류 회전자 권선을 갖는 전기 기계 내의 무선 전력 전송 - Google Patents

Abstract

고정자는 연관된 고정자 권선을 갖는 다수의 고정자 극을 형성한다. 회전자는 고정자에 의해 실질적으로 여자되도록 구성된 연관 회전자 권선을 갖는 다중 회전자 극을 형성한다. 회전자는 회전자와 고정자 사이에 상대 힘을 생성하도록 고정자 권선에 의해 생성된 자기장에 의해 여자 가능한 회전자 필드를 형성한다. 능동 정류기는 하나 이상의 제1 회전자 권선에 전도성 결합된다. 능동 정류기는 하나 이상의 제2 회전자 권선에 의해 고정자로부터 무선으로 수신된 신호에 응답하여 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름의 방향을 제어하도록 구성된다.

Description

능동 정류 회전자 권선을 갖는 전기 기계 내의 무선 전력 전송

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는, 2021년 3월 5일자로 출원된 발명의 명칭이 "능동 정류된 회전자 권선을 갖는 전기 기계 내에서의 무선 전력 전송(Wirelessly Transferring Power within an Electric Machine with Actively Rectified Rotor Windings)"인 미국 가출원 제63/157,560호에 대한 우선권을 주장한다.

연방 정부 후원 연구에 관한 진술

해당 없음

기술분야

본 발명은 전기 모터 및 발전기에 관한 것이다.

전기 모터는 일반적으로 종종 고정자라고 지칭되는 고정 구성요소 및 종종 회전자라고 지칭되는 회전 구성요소를 포함한다. 전류는 작업을 수행하는 데 사용될 수도 있는 기계적 힘 또는 토크를 고정자와 회전자 사이에 인가하는 전자기장으로 변환된다. 발전기는 기계적 힘이 전류로 변환되는 유사한 원리로 작동한다. 주로 회전력 또는 토크의 견지에서 설명되지만, 본 명세서에 설명된 원리는 또한 선형 모터에도 적용 가능하다. 선형 모터의 경우, 몇몇 구현예에서, 회전자는 고정 구성요소서 작용하는 반면 고정자는 변환된 구성요소로서 작용한다.

본 개시내용의 다양한 양태는 능동 정류 회전자 권선을 갖는 모터를 특징으로 한다. 회전자 전류의 능동 정류는 개선된 토크 발생 효율, 증가된 모터 상태에 대한 제어 및 다른 이점을 제공할 수 있다.

본 개시내용에 설명된 주제의 예시적인 구현예는 이하의 특징을 갖는 전기 기계이다. 고정자는 고정자 극을 형성하기 위해 여자되도록 구성된 고정자 권선을 포함한다. 회전자는 회전자와 고정자 사이에 상대 힘을 생성하기 위해 고정자 극과 상호 작용하는 회전자 극을 형성하기 위해 여자되도록 구성된 회전자 권선을 포함한다. 회전자는 고정자로부터 무선으로 전력 전송 신호를 수신하기 위해 고정자에 자기적으로 결합되도록 구성된다. 전기 기계는 회전자에 회전식으로 고정되고 회전자 권선 중 하나 이상의 제1 회전자 권선에 전도성 결합된 능동 정류기를 더 포함한다. 능동 정류기는 전력 전송 신호로부터 전기 에너지를 포획하고, 전력 전송 신호로부터 포획된 전기 에너지를 하나 이상의 제1 회전자 권선에 유도함으로써 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름을 제어하도록 구성된다.

본 개시내용에 설명된 주제의 예시적인 구현예는 모터 제어 방법이고, 모터 제어 방법은 이하의 특징: 회전자에 의해, 고정자로부터 무선으로 유도적으로 전력 전송 신호를 수신하는 단계로서, 고정자는 고정자 극을 형성하기 위해 여자되도록 구성된 고정자 권선을 포함하고 회전자는 회전자와 고정자 사이에 상대 힘을 생성하기 위해 고정자 극과 상호 작용하는 고정된 회전자 극을 형성하기 위해 여자되도록 구성된 회전자 권선을 포함하는, 전력 전송 신호 수신 단계; 회전자에 회전식으로 고정된 능동 정류기에 의해, 전력 전송 신호로부터 전기 에너지를 포획하는 단계로서, 능동 정류기는 회전자 권선의 하나 이상의 제1 회전자 권선에 전도성 결합되는, 전기 에너지 포획 단계; 및 능동 정류기에 의해, 전력 전송 신호로부터 포획된 전기 에너지를 하나 이상의 제1 회전자 권선에 유도함으로써 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름을 제어하는 단계를 포함한다.

본 개시내용에 따른 전기 기계의 다른 예는 이하의 특징을 포함한다. 고정자는 연관된 고정자 권선을 갖는 다수의 고정자 극을 형성한다. 회전자는 고정자에 의해 실질적으로 여자되도록 구성된 연관 회전자 권선을 갖는 다중 고정된 회전자 극을 형성한다. 회전자는 회전자와 고정자 사이에 상대 힘을 생성하도록 고정자 권선에 의해 생성된 자기장에 의해 여자 가능한 회전자 필드를 형성한다. 능동 정류기는 하나 이상의 제1 회전자 권선에 전도성 결합된다. 능동 정류기는 회전자 권선 중 하나 이상의 제2 회전자 권선에 의해 고정자로부터 무선으로 또는 유도적으로 수신된 신호에 응답하여 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름의 방향을 제어하도록 구성된다.

본 개시내용에 설명된 주제의 예시적인 구현예는 이하의 특징을 갖는 모터 제어 방법이다. 고정자 전류는 모터의 고정자 내의 고정자 권선을 통해 보내지고, 고정자 전류는 모터의 회전자 내의 하나 이상의 제1 회전자 권선에 직접 결합되어 고정자에 대한 회전자의 이동을 유발하는 자기장을 생성한다. 하나 이상의 데이터 신호가 고정자 전류에 임베드된다. 하나 이상의 데이터 신호는 고정자 전류에 의해 생성된 자기장의 변조를 생성하도록 구성된다. 변조는, 변조가 하나 이상의 제2 회전자 권선에 의해 수신될 때, 능동 정류기가 수신된 변조에 응답하여 제어되도록 이루어진다.

본 개시내용에 설명된 주제의 예시적인 구현예는 이하의 특징을 갖는 모터 제어 방법이다. 고정자의 고정자 권선이 여자되어 고정자 내에 고정자 자기장을 생성한다. 대응 회전자 자기장이 자속을 설정함으로써 고정자 자기장에 의해 회전자 극 내의 강자성 재료 내에서 수정된다. 회전자에 대한 접선 방향의 힘은 고정자 자기장의 시프트에 의해 발생된다. 회전자는 발생된 접선 방향 힘에 의해 이동된다. 데이터 신호는 여자된 고정자 권선에 의해 발생된다. 데이터 신호는, 데이터 신호가 하나 이상의 제2 회전자 권선에 의해 수신될 때, 능동 정류기가 수신된 데이터 신호에 응답하여 제어되어, 공기 간극 내의 자속의 여자의 지연을 제어하도록 이루어지고, 공기 간극은 고정자의 내부 표면과 회전자의 외부 표면 사이에 형성된다. 수신된 데이터 신호에 응답하여, 회전자 내의 자속의 감쇠는 고정자 자기장의 시프트에 응답하여 하나 이상의 제1 회전자 권선 내의 전류에 의해 제어된다.

전술된 구현예는 이하의 특징의 임의의 것, 모두를 포함할 수 있거나, 전혀 포함하지 않을 수 있다.

몇몇 구현예에서, 전기 기계는 제어기를 포함한다.

몇몇 구현예에서, 제어기는 다중 고정된 회전자 극 중 가장 가까운 것에 대해 측정된 전류각으로 고정자 권선을 통해 전류를 보냄으로써 고정자 권선에 토크 제어 신호를 보냄으로써 고정자 권선을 여자하고 고정자 내에 고정자 자기장을 생성하도록 구성된다. 제어기는 또한 회전자 내의 자속 변화를 제어하기 위해 고정자 권선을 통해 데이터 신호를 송신하도록 구성될 수도 있다. 데이터 신호는 토크 제어 신호와는 상이할 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 제어기는 동작 조건에 응답하여 전류각을 조정하고 동작 조건에 응답하여 보내진 전류의 전류 크기를 조정하도록 구성된다. 회전자는 동작 중에 고정자 권선에 의해 생성된 자기장과 동기화되어 유지될 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 회전자는 회전자 내에 매립된 영구 자석을 포함한다.

몇몇 구현예에서, 다수의 고정된 회전자 극 중 하나와 연관된 각각의 회전자 권선은 단일의 대응 능동 정류기에 전도성 결합된다.

몇몇 구현예에서, 신호를 수신하는 하나 이상의 제2 회전자 권선은 전류 흐름의 방향이 제어되는 하나 이상의 제1 회전자 권선을 포함한다.

몇몇 구현예에서, 능동 정류기는 H-브리지 구성으로 배열된 복수의 게이트를 포함한다. 능동 정류기는 H-브리지 구성으로 배열된 2개의 다이오드와 2개의 게이트를 포함할 수도 있다. 2개의 다이오드는 적어도 하나의 회전자 권선과 직렬로 배열될 수도 있다. 2개의 게이트는 하나 이상의 제1 권선과 직렬로 배열될 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 게이트는 하나 이상의 제2 회전자 권선에 의해 고정자로부터 유도적으로 수신된 신호에 응답하여 작동한다.

몇몇 구현예에서 게이트는 트랜지스터를 포함한다.

몇몇 구현예에서, 전기 기계는 하나 이상의 제2 회전자 권선 내에서, 고정자 권선에 의해 생성된 자기장에 의해 유도된 전기 신호를 검출하도록 구성된 회전자 제어 유닛을 포함한다. 회전자 제어 유닛은 전기 신호로부터, 회전자에 대한 동작 설정점을 나타내는 데이터 신호를 추출하도록 구성될 수도 있다. 회전자 제어 유닛은 동작 설정점에 응답하여 능동 정류기의 스위칭 동작을 제어하도록 구성될 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 데이터 신호는 진폭 변조 또는 주파수 변조에 의해 전기 신호에 임베드된다.

몇몇 구현예에서, 동작 설정점은 회전자 권선 전압 설정점, 회전자 권선 전류 설정점, 또는 회전자 전압 주파수 설정점을 포함한다.

몇몇 구현예에서, 스위칭 동작의 제어는 회전자 권선 전압이 대응 고정자 권선 전압에 선행하게 하여, 회전자 권선 전류의 능동 약화를 야기하는 것을 포함한다.

몇몇 구현예에서, 전기 기계는 하나 이상의 제2 회전자 권선 내에서, 고정자 권선에 의해 생성된 자기장에 의해 유도된 전기 신호를 검출하도록 구성된 회전자 제어 유닛을 포함한다. 회전자 제어 유닛은 검출된 전기 신호에 기초하여, 고정자의 동작 상태를 추정하도록 구성될 수도 있다. 회전자 제어 유닛은 추정된 동작 상태에 응답하여 능동 정류기의 스위칭 동작을 제어하도록 구성될 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 고정자의 동작 상태는 고정자 권선 전압을 포함한다.

몇몇 구현예에서, 회전자 권선의 n개의 회전자 권선은 서로 전도성 결합된다. 전기 기계는 n개의 전압 성분을 포함하는 전압을 고정자 권선에 인가하도록 구성된 제어기를 포함할 수도 있고, 각각의 전압 성분은 전압 성분에 대응하는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 n개의 회전자 권선의 각각에 결합된다. n개의 전압 성분은 각각 별개의 위상에 의해 특징화될 수도 있고, 별개의 위상은 약 360/n도만큼 서로로부터 분리되어 있다.

몇몇 구현예에서, n개의 회전자 권선은 회전자의 상이한 각각의 극 쌍에 포함된다.

몇몇 구현예에서, 능동 정류기는 n개의 회전자 권선의 각각에 전도성 결합된 공유 커패시터를 포함하고, 공유 커패시터는 에너지를 저장하고 반면 능동 정류기는 n개의 회전자 권선의 각각에서 전류 흐름의 방향을 제어한다.

몇몇 구현예에서, 회전자는 n개의 부가의 회전자 권선을 포함한다.

몇몇 구현예에서, n개의 부가의 회전자 권선의 각각은 n개의 회전자 권선 중 대응하는 하나와 함께 극 쌍에 포함된다.

몇몇 구현예에서, n개의 회전자 권선은 능동 정류기에 의해 n개의 부가의 회전자 권선에 전도성 결합된다.

몇몇 구현예에서, n개의 부가의 회전자 권선은 능동 정류기에 대해 델타 구성으로 전도성 결합된다.

몇몇 구현예에서, n개의 회전자 권선은 직렬로 전도성 결합된다. n개의 회전자 권선은 n개의 전압 성분에 대해 교번 극성을 갖고 직렬로 전도성 결합될 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 전기 기계는 능동 정류기 및 하나 이상의 제1 회전자 권선에 전도성 결합된 저역 통과 필터를 포함한다. 저역 통과 필터의 DC 출력은 능동 정류기의 DC 출력에 전도성 결합될 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 능동 정류기는 고정자 권선에 의해 하나 이상의 제1 회전자 권선 내에 유도된 주기적인 전압에 제로 시퀀스를 도입하도록 구성된다.

몇몇 구현예에서, 능동 정류기는 하나 이상의 제1 회전자 권선 내에서, 고정자 권선 내의 대응 주기적인 전압에 비교하여 약 90도 시프트된 주기적인 전압을 발생하도록 구성된다.

몇몇 구현예에서, 능동 정류기는 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통해 0이 아닌 DC 전류를 생성하도록 구성된다.

몇몇 구현예에서, 고정자 권선에 의해 생성된 자기장은 대응 회전자 극과 실질적으로 인라인인 D 성분, 및 전기 기준 프레임 내의 대응 회전자 극보다 90° 앞선 Q 성분을 포함한다.

몇몇 구현예에서, 신호는 D 성분의 변조에 포함된다.

몇몇 구현예에서, 신호는 Q 성분의 변조에 포함된다.

몇몇 구현예에서, 신호는 D 성분과 Q 성분의 모두의 변조에 포함된다.

몇몇 구현예에서, 하나 이상의 제1 회전자 권선은 고정자와 회전자가 유도적으로 결합되는 제1 제어 가능한 축을 따라 고정자에 의해 실질적으로 여자되도록 구성되고, 신호는 고정자와 회전자가 유도적으로 결합되는 제2 상이한 제어 가능한 축을 따라 유도적으로 수신된다.

몇몇 구현예에서, 하나 이상의 제1 회전자 권선은 고정자와 회전자가 유도적으로 결합되는 제1 제어 가능한 축을 따라 고정자에 의해 실질적으로 여자되도록 구성되고, 신호는 제1 제어 가능한 축을 따라 유도적으로 수신된다.

몇몇 구현예에서, 자기장은 제어 가능한 축을 따라 하나 이상의 제2 회전자 권선에 결합되고, 신호는 자기장의 변조된 진폭, 자기장의 변조된 주파수 또는 양자 모두에 기초하여 제어 가능한 축 상의 전력 전송에 의해 하나 이상의 제2 회전자 권선에 의해 유도적으로 수신된다.

몇몇 구현예에서, 고정자 권선에 의해 생성된 자기장은 대응 회전자 극과 실질적으로 인라인인 D 성분, 전기 기준 프레임 내의 대응 회전자 극보다 90° 앞선 Q 성분, 및 D 성분 및 Q 성분에 직교하는 z 성분을 포함한다. 신호는 z 성분의 변조에 포함된다.

몇몇 구현예에서, 자기장은 하나 이상의 제어 가능한 축 상의 하나 이상의 제1 회전자 권선 및 하나 이상의 제2 회전자 권선에 결합된다.

몇몇 구현예에서, 상대 힘은 하나 이상의 제어 가능한 축 중 제1 제어 가능한 축을 따른 결합에 의해 생성되고, 신호는 제1 제어 가능한 축을 따라 유도적으로 수신된다.

몇몇 구현예에서, 능동 정류기는 회전자 권선의 제1 세트에서 실질적으로 DC 전류 및 회전자 권선의 제2 상이한 세트에서 실질적으로 진동 전류를 생성하도록 구성된다.

몇몇 구현예에서, 능동 정류기는 회전자 상에 장착된 회로 기판에 포함된다.

몇몇 구현예에서, 하나 이상의 제2 회전자 권선은 하나 이상의 제1 회전자 권선을 포함한다.

몇몇 구현예에서, 신호의 주파수는 고정자로부터 회전자로 전송되는 신호와는 상이한 토크 제어 신호의 주파수에 독립적이다.

몇몇 구현예에서, 회전자는 다중 회전자 극을 형성한다. 고정자 권선은 여자될 수도 있다. 고정자 자기장은 다중 회전자 극 중 가장 가까운 것에 대해 측정된 전류각으로 고정자 권선을 통해 전류를 보냄으로써 고정자 권선에 토크 제어 신호를 보냄으로써 고정자 내에서 생성될 수도 있다. 데이터 신호는 회전자 내의 자속의 변화를 제어하기 위해 고정자 권선을 통해 송신될 수도 있고, 데이터 신호는 토크 제어 신호와는 상이하다.

몇몇 구현예에서, 전류각이 동작 조건에 응답하여 조정된다.

몇몇 구현예에서, 고정자 전류의 전류 크기는 동작 조건에 응답하여 조정된다.

몇몇 구현예에서, 회전자는 동작 중에 고정자 전류에 의해 생성된 자기장과 동기화하여 유지된다.

몇몇 구현예에서, 하나 이상의 게이트가 능동 정류기 내에서 작동된다.

몇몇 구현예에서, 고정자 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 유도된 전기 신호는 하나 이상의 제2 회전자 권선 내에서 검출된다. 회전자에 대한 동작 설정점을 나타내는 데이터 신호는 검출된 전기 신호로부터 추출될 수도 있다. 하나 이상의 게이트는 동작 설정점에 응답하여 제어될 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 데이터 신호는 진폭 변조 또는 주파수 변조에 의해 전기 신호에 임베드된다.

몇몇 구현예에서, 동작 설정점은 회전자 권선 전압 설정점, 회전자 권선 전류 설정점, 또는 회전자 전압 주파수 설정점을 포함한다.

몇몇 구현예에서, 고정자 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 유도된 전기 신호는 하나 이상의 제2 회전자 권선 내에서 검출된다. 고정자의 동작 상태가 검출된 전기 신호에 기초하여 추정될 수도 있다. 하나 이상의 게이트는 추정된 동작 상태에 응답하여 작동될 수도 있다. 고정자의 동작 상태는 고정자 권선 전압을 포함할 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 고정자 전류에 의해 생성된 자기장은 회전자 전류를 유도한다.

몇몇 구현예에서, 능동 정류기는 회전자 전류의 DC 성분이 회전자 전류 내의 리플의 크기의 적어도 약 2배가 되도록 제어된다.

몇몇 구현예에서, 자기장에 의해 하나 이상의 제1 회전자 권선 내에 유도된 주기적인 전압에 제로 시퀀스가 도입된다.

몇몇 구현예에서, 고정자 권선 내의 대응 주기적인 전압에 비교하여 실질적으로 90도 시프트된 주기적인 전압은 하나 이상의 제1 회전자 권선 내에서 발생한다.

몇몇 구현예에서, n개의 주기적인 전압이 고정자 권선에 인가된다. n개의 주기적인 전압은 n개의 주기적인 전압과 연관된 고정자 전류에 의해, n개의 회전자 권선에 각각 결합되도록 타이밍 설정될 수도 있고, n개의 회전자 권선은 서로 전도성 결합된다. n개의 주기적인 전압은 각각 별개의 위상에 의해 특징화될 수도 있고, 별개의 위상은 약 360/n도만큼 서로로부터 분리되어 있다.

몇몇 구현예에서, 저역 통과 필터링이 하나 이상의 제1 회전자 권선의 전압에 적용된다.

몇몇 구현예에서, 에너지는 하나 이상의 제1 회전자 권선 중 적어도 2개에 공통인 공유 커패시터에 저장된다.

몇몇 구현예에서, 고정자 전류에 의해 생성된 자기장은 대응 회전자 극과 실질적으로 인라인인 D 성분, 및 전기 기준 프레임 내의 대응 회전자 극보다 90° 앞선 Q 성분을 포함한다.

몇몇 구현예에서, 하나 이상의 데이터 신호는 D 성분의 변조에 포함된다.

몇몇 구현예에서, 하나 이상의 데이터 신호는 Q 성분의 변조에 포함된다.

몇몇 구현예에서, 하나 이상의 데이터 신호는 D 성분과 Q 성분의 모두의 변조에 포함된다.

몇몇 구현예에서, 자기장은 고정자와 회전자가 유도적으로 결합되는 제1 제어 가능한 축을 따라 하나 이상의 제1 회전자 권선에 결합되고, 변조는 고정자와 회전자가 유도적으로 결합되는 제2 상이한 제어 가능한 축을 따라 유도적으로 수신된다.

몇몇 구현예에서, 자기장은 고정자와 회전자가 유도적으로 결합되는 제1 제어 가능한 축을 따라 하나 이상의 제1 회전자 권선에 결합되고, 변조는 제1 제어 가능한 축을 따라 유도적으로 수신된다.

몇몇 구현예에서, 자기장은 제어 가능한 축을 따라 하나 이상의 제1 회전자 권선에 결합되고, 변조는 자기장의 변조된 진폭, 자기장의 변조된 주파수 또는 양자 모두에 기초하여 제어 가능한 축을 따라 유도적으로 수신된다.

몇몇 구현예에서, 고정자 전류에 의해 생성된 자기장은 대응 회전자 극과 실질적으로 인라인인 D 성분, 전기 기준 프레임 내의 대응 회전자 극보다 90° 앞선 Q 성분, 및 D 성분 및 Q 성분에 직교하는 z 성분을 포함한다. 하나 이상의 데이터 신호는 z 성분의 변조에 포함된다.

몇몇 구현예에서, 자기장은 하나 이상의 제어 가능한 축 상의 하나 이상의 제1 회전자 권선 및 하나 이상의 제2 회전자 권선에 결합된다.

몇몇 구현예에서, 이동은 하나 이상의 제어 가능한 축 중 제1 제어 가능한 축을 따른 결합에 의해 생성되고, 하나 이상의 데이터 신호는 제1 제어 가능한 축을 따라 유도적으로 수신된다.

몇몇 구현예에서, 실질적으로 DC 전류는 제1 세트의 회전자 권선에 부과되고, 실질적으로 진동 전류는 제2 세트의 회전자 권선에 부과된다.

몇몇 구현예에서, 하나 이상의 데이터 신호의 주파수는 회전자의 이동을 발생시키기 위해 모터의 회전자 내의 하나 이상의 제1 회전자 권선에 직접 결합하는 자기장을 생성하는 고정자 전류의 주파수에 독립적이다.

능동 정류의 부재시에, 모터 내의 회전자측 전류는, 이들이 결합되는 고정자측 전류와 회전자 권선에 결합된 수동 구성요소(예를 들어, LC 시간 상수를 정의하는 수동 구성요소)에 의존하는 타이밍 및 발생/감쇠 특성을 갖는다. 능동 정류는 회전자 권선 전류의 정확한 선택, 튜닝 및 온 더 플라이(on-the-fly) 수정을 허용하여 효율(예를 들어, 전력 전송 효율 및 토크 효율)을 최대화하고 모터의 동작 모드를 정의할 수 있게 한다.

본 개시내용의 대부분은 효율을 증가시키고 그리고/또는 회로 설계 제약을 회피하는 능동 정류 구현예에 관한 것이다. 예를 들어, 상이한 극 쌍의 권선은 능동 정류 회로의 모두 또는 몇몇을 공유하여, 필요한 총 회로 구성요소를 감소시킬 뿐만 아니라 또한 회로 동작을 개선할 수도 있다(예를 들어, 피크 전압 감소). 몇몇 구현예는 결합된 회전자 권선의 세트 내에서 AC 및 DC 전류의 분리와 관련되는데, 이는 다른 가능한 장점들 중에서, 능동 정류기 회로 내의 최대 전력을 감소시킬 수 있다. 몇몇 구현예는 극 쌍 내의 상이한 권선 내에서 AC 및 DC 전류의 분리를 포함한다.

본 개시내용의 몇몇 부분은 능동 정류 회로의 제어에 관한 것이다. 자체 동기화 제어 설계는 필요한 회로 복잡성을 감소시킬 수 있다. 몇몇 설계는 신호 기반이고, 고정자 권선으로부터의 데이터 신호가 회전자 권선으로 전송된다. 이 방식으로(예를 들어, 별개의 브러시, 센서 또는 무선 구성요소에 대조적으로) 데이터 신호의 전송은 또한 회로 복잡성과 비용을 감소시킬 수 있다. 상이한 여자 축을 가로지르는 분리, 토크 제어, 전력 전송 및 데이터 신호 기능에 의해 고도의 설계 유연성이 가능해진다.

본 개시내용에 설명된 주제의 하나 이상의 구현예의 상세는 첨부 도면 및 이하의 설명에 설명되어 있다. 이하의 설명에서는 도면들 사이의 유사한 부분을 지칭하기 위해 유사한 참조 번호가 사용될 것이다. 주제의 다른 특징, 양태, 및 장점은 상세한 설명, 도면, 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.

도 1은 전기 구동 시스템의 예의 개략도이다.
도 2는 전기 권선을 위한 예시적인 전원 스위치의 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 능동 정류 회전자 권선을 갖는 예시적인 전기 기계의 측면도 및 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 예시적인 능동 정류 회전자 권선의 정면도, 사시도 및 측면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 예시적인 능동 정류기의 회로도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 예시적인 회전자 제어 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 7a는 예시적인 전기 기계의 구성요소에 대한 시간 경과에 따른 전압의 플롯이다.
도 7b는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 예시적인 회전자 제어 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 8은 예시적인 전기 기계의 구성요소에 대한 시간 경과에 따른 전류 및 전압의 플롯이다.
도 9는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 예시적인 회로 토폴로지의 블록도이다.
도 10은 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 예시적인 능동 정류기를 포함하는 예시적인 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 11은 예시적인 전기 기계의 구성요소에 대한 시간 경과에 따른 전류 및 전압의 플롯이다.
도 12는 n개의 권선 코일과 n개의 정류기를 갖는 예시적인 회전자 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 13은 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 14는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 15는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 16은 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 17a 내지 도 17c는 시간 경과에 따른 AC 및 DC 전압의 플롯이다.
도 18은 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 19는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 20a는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 20b는 시간 경과에 따른 전압의 플롯이다.
도 21a 및 도 21b는 각각 능동 정류 회전자를 포함하는 모터의 측면도 및 사시도이다.
도 21c 내지 도 21f는 능동 정류기를 포함하는 회전자의 도면이다.
도 21g 내지 도 21j는 능동 정류기를 포함하는 다른 회전자의 도면이다.
도 22는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 예시적인 제어기의 블록도이다.
도 23은 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 방법의 흐름도이다.
도 24는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 방법의 흐름도이다.
도 25는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 인버터 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 26은 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 인버터 회로 토폴로지의 개략도이다.
도 27은 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 방법의 흐름도이다.
다양한 도면에서 유사한 참조 번호 및 명칭은 유사한 요소를 나타낸다.

본 개시내용에 따른 구현예에서, 모터 내의 회전자 권선은 고정자 권선 내의 진동 전류에 의해 충전된다. 충전될 때, 회전자 권선은 고정자 권선 내의 전류에 의해 생성된 자기장과 결합하는 회전자 전류를 전달하여, 회전자 상에 기전력을 생성한다.

그러나, 회전자 전류의 몇몇 특성은 모터의 기능에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다. 예를 들어, 기전력의 크기는 회전자 전류의 강도와 관련되기 때문에, 회전자 전류 내의 리플은 회전자 상의 기전력 토크 내에 리플을 유발하여, 불균일한 모터 동작을 유도할 수도 있다. 다른 예로서, 회전자 전류 내의 리플은 직접적으로(회전자 권선이 "재충전"되어야 하기 때문에) 또는 간접적으로(예를 들어, 회전자 라미네이션에서 리플이 증가된 와전류 손실을 유발하기 때문에) 전력 손실을 나타낼 수 있다. 따라서, 회전자 권선에 전도성으로 결합된 제어 요소를 도입하는 것이 유익할 수도 있고, 제어 요소는 예를 들어 회전자 전류 리플을 감소시키도록 구성된다.

제1 단계로서, 회전자 권선은 예를 들어, 회전자 권선에 단락된 수동 정류기(예를 들어, 다이오드)에 의해 수동적으로 정류될 수도 있다. 이러한 수동 정류기는 회전자 권선 내의 전류를 단방향성이 되도록 강제하여, 고정자 권선의 진동 구동 전류에 대해 비대칭성 유도 응답을 생성하고 모터 동작 중에 회전자 전류 리플을 감소시킨다.

그러나, 수동 정류는 단점이 있을 수도 있다. 첫째, 다이오드로 구현된 수동 정류기는 회전자 코일 내에 손실을 유도하는데, 이는 각각의 다이오드가 다이오드에 대응 전압 강하(예를 들어, 수십 분의 1 볼트)를 도입하기 때문이다. 회전자 권선으로 전달되는 낭비되는 전력을 나타내는 것 이외에도, 이 전압 강하는 고려되어야 할 필요가 있을 수도 있거나(예를 들어, 냉각에 의해) 또는 정류기 동작을 손상시킬 수도 있는 방산 열을 생성한다.

둘째, 몇몇 경우에, 수동 정류를 구현하는 것은 회전자 전류 사이클에 로킹 상태를 도입하는 것을 의미한다. 로킹 상태에서, 회전자 권선을 통한 회전자 전류는 0으로 감소되어, 회전자 권선 상의 반발 토크가 또한 0으로 감소된다.

따라서, 본 개시내용에 설명된 바와 같이, 회전자 권선은 능동적으로 정류될 수도 있어, 전류 리플을 감소시키고(수동적으로 정류된 시스템과 비교하여) 모터 효율을 증가시킨다. 달리 말하면, 고정자 권선은 회전자 권선에 무선으로 전력을 전송할 수도 있고(고정자로부터 회전자로의 순 전력 전송), 능동 정류기는 무선으로 전송된 전력으로부터 전기 에너지를 포획하고 회전자 자기장을 발생하기 위해 회전자 권선으로의 이 전기 에너지의 인가를 제어할 수도 있다. 회전자 자기장은 고정자 권선에 의해 발생된 고정자 자기장과 상호 작용하여 토크를 발생하고 회전자를 회전시킨다. 몇몇 구현예에서, 능동 정류기는 고정자 권선 자체로부터 송신된 신호에 의해 제어되어, 브러시 및/또는 센서를 통합하는 시스템에 비교하여 모터 복잡성을 감소시킨다.

이러한 무선 전력 전송 및 제어 시그널링을 위한 직접적인 고정자-회전자 결합은 다수의 장점을 가질 수 있다. 첫째, 동적 조건 하에서 2개의 시스템(예를 들어, 고정자와 회전자)을 적절한 정렬로 유지하는 복잡성과 공차 스택을 감소시킬 수 있다. 둘째, 회전자의 스택 높이를 감소시킬 수 있어, 회전자가 회전자 축방향 길이를 증가시키는 슬립 링 또는 다른 2차 결합 조립체를 포함하지 않기 때문에 더 콤팩트한 패키징을 허용한다. 셋째, 액체 냉각이 2차 결합과 간섭하지 않고 액체 냉각을 허용할 수 있다. 넷째, 1차 다위상 고정자 인버터가 양 신호 및 전력에 대해 이용되게 함으로써 2차 전력 인버터의 필요성을 없애거나 감소시킬 수 있다. 또한, 무선 전력 전송을 위한 직접적인 고정자-회전자 결합을 위해 능동 정류를 채용하는 것은: 증가된 토크 출력, 더 낮은 토크 리플, 회전자 전류가 비교적 일정하게 유지될 수 있는 것, 더 낮은 전력 소산, 개선된 과도 성능, 고정자 인버터 상의 더 낮은 응력, 충전을 위한 정류에 있어서 "데드존(dead zone)" 없음, 히스테리시스(예를 들어, 최소화된 쇄교 자속 내의 리플) 및 와전류(더 낮은 리플의 진폭은 와전류 손실을 감소시킴)의 관점에서 더 낮은 코어 손실, 회전자 계자 권선의 극성을 제어하는 능력, 회전자 계자 극성 또는 회전자 극을 재구성하는 능력, 및/또는 자속 약화에 대한 부가의 기회(예를 들어, 자속을 약화시키는 L/R 시간 상수 대신에 자속을 약화시키는 능동 제어) 중 하나 이상을 포함하여 수동 정류에 비한 다수의 장점을 제공할 수 있다.

도 1은 전기 모터(102) 및 전기 모터(102)에 결합된 모터 제어기(104)를 포함하는 전기 구동 시스템(100)을 도시하고 있다. 모터 제어기(104)는 전기 모터(102)를 동작시켜 부하(110)를 구동하도록 구성된다. 부하(110)는 기어 세트, 차륜, 펌프, 압축기, 또는 다수의 모터가 연결되어 병렬로 동작될 수 있는 다른 모터와 같은 부가의 기어 트레인일 수 있다.

전기 모터(102)는 모터 하우징(105)에 대해 회전 가능한 출력 샤프트(107)를 갖는데, 이는 모터 구성요소의 회전 및 다른 운동에 대한 기준점으로 고려된다. 사용시, 출력 샤프트(107)는 부하(110)에 결합될 수 있고, 전기 모터(102)는 적절한 전력 및 모터 제어기(104)로부터의 신호에 의해 전기적으로 활성화될 때 부하에 회전 동력을 부여할 수 있다. 출력 샤프트(107)는 모터를 통해 연장되고 양 단부에서 노출될 수도 있는데, 이는 회전 동력이 모터의 양 단부에서 전달될 수 있는 것을 의미한다. 모터 하우징(105)은 출력 샤프트(107)의 회전축에 대해 회전 대칭일 수 있지만, 임의의 외부 형상을 가질 수도 있고 일반적으로 모터 하우징(105)을 다른 구조체에 고정하여 모터 동작 중에 하우징 회전을 방지하기 위한 수단을 포함할 수 있다.

전기 모터(102)는 고정자와 같은 능동 자기 구성요소(106) 및 회전자와 같은 수동 자기 구성요소(108)를 포함할 수도 있다. 예시의 목적으로, 이하에서, "고정자"가 능동 자기 구성요소의 대표 예로서 사용되고 "회전자"가 수동 자기 구성요소의 대표 예로서 사용된다.

회전자(108)는 고정자(106)와 연관되고 고정자(106) 내에, 예를 들어 내부 회전자 방사형-간극 모터 내에, 고정자에 평행하게, 예를 들어 축방향-간극 모터 내에 또는 리니어 모터 내에; 또는 고정자 주위에, 예를 들어 외부 회전자 방사형-간극 모터 내에 배치될 수 있다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 적절하게 제어되는 고정자(106) 내의 전기적 활동은 회전자(108)의 운동을 구동한다. 회전자(108)는 출력 샤프트(107)에 회전식으로 결합되어, 결과적인 회전자 운동의 임의의 회전 성분이 출력 샤프트(107)에 전달되어, 출력 샤프트(107)가 회전하게 한다. 고정자(106)는 동작 중에, 회전자(108)가 고정자(106) 주위로 또는 고정자(106)에 평행하게 이동하도록 하우징(105)에 고정된다.

전기 와이어의 루프를 통해 흐르는 전류는 실질적으로 균일한 기자력(MMF)을 야기하여 권선형 또는 둘러싸인 영역 내에 모터 극을 야기할 것이다. 통상적인 모터에서, 이러한 루프는 원하는 전류 부하를 전달하기에 충분한 직경을 갖지만, 구동 주파수의 표피 깊이가 루프를 완전히 관통하도록 충분히 얇다. 그룹으로서 권취된 와이어의 많은 턴 또는 동일 넓이 확장 루프가 극 자기장 강도를 증가시키기 위해 사용될 수도 있다. 이 토폴로지는 통상적으로 권선 계자 극이라 지칭된다. 그룹으로서 권취된 이러한 동일 넓이 확장 루프의 세트는 코일이라 지칭된다. 본 개시내용의 목적을 위해, 고정자 또는 회전자 내에서 함께 작용하는 하나 이상의 코일은 권선이라 칭한다.

몇몇 경우에, 코일은 회전자 또는 고정자의 다수의 치형부와 중첩하고 이를 포위할 수 있다. 이러한 중첩 코일은 전기자 또는 분산 권선이라고 지칭될 수 있다. 극은 이 분산 권선의 자기 중심이며, 이와 같이, 극은 권선을 통과하는 구동 전류에 따라 이러한 분산 권선 내의 개별 코일에 대해 이동할 수 있다.

고정자(106)는 연관된 전기 권선과 함께 다수의 고정자 극을 형성하고, 회전자(108)는 본 개시내용 전반에 걸쳐 추가의 상세를 갖고 예시된 예와 같이, 다수의 회전자 극을 포함한다. 회전자(108)는 본 개시내용 전반에 걸쳐 추가의 상세를 갖고 예시된 예와 같이, 고정자(106)와 함께, 고정자 극과 회전자 극 사이에 공칭 공기 간극을 형성한다. 회전자(108)는 운동 방향을 따라 고정자(106)에 대해 이동 가능하다.

도 2는 개별 전기 권선(132)에 대한 다른 예시적인 전원 스위치(200)를 도시하고 있다. 전원 스위치(200)는 중심에 전기 권선(132)을 갖고, H-형 구성의 4개의 스위칭 요소(202a, 202b, 202c, 202d)를 포함하는 H-브리지 회로를 가질 수 있다. 스위칭 요소(202a, 202b, 202c, 202d)는 양극성 또는 FET 트랜지스터일 수 있다. 각각의 스위칭 요소(202a, 202b, 202c, 202d)는 각각의 다이오드(D1, D2, D3, D4)와 결합될 수 있다. 다이오드는 캐치 다이오드(catch diodes)라고 칭하며 쇼트키 유형(Schottky type)일 수 있다. 브리지의 상단부는 전원, 예를 들어 배터리(V_bat)에 연결되고, 하단부는 접지된다. 스위칭 요소(202a, 202b, 202c, 202d)의 게이트는 각각의 스위칭 요소(202a, 202b, 202c, 202d)에 각각의 제어 전압 신호를 송신하도록 동작 가능한 모터 제어기(104)(도 1)에 결합될 수 있다. 제어 전압 신호는 직류(DC) 전압 신호 또는 교류(AC) 전압 신호일 수 있다.

스위칭 요소(202a, 202b, 202c, 202d)는 모터 제어기(104)(도 1)에 의해 개별적으로 제어될 수 있고 독립적으로 턴온 및 턴오프될 수 있다. 몇몇 경우에, 스위칭 요소(202a, 202d)가 턴온되면, 고정자의 좌측 리드가 전원에 연결되고, 우측 리드가 접지에 연결된다. 전류가 고정자를 통해 흐르기 시작하여, 전기 권선(132)을 순방향으로 여자한다. 몇몇 경우에, 스위칭 요소(202b, 202c)가 턴온되면, 고정자의 우측 리드가 전원에 연결되고, 좌측 리드가 접지에 연결된다. 전류가 고정자를 통해 흐르기 시작하여, 전기 권선(132)을 반대 역방향으로 여자한다. 즉, 스위칭 요소를 제어함으로써, 전기 권선(132)은 2개의 방향 중 하나로 여자/활성화될 수 있다. 단상 H-브리지 구성을 사용하는 것으로서 주로 예시되고 설명되었지만, 본 개시내용으로부터 벗어나지 않고 통상적인 6개의 스위치 인버터 시스템이 다위상 기계에 사용될 수 있다.

모터 제어기(104)는 본 개시내용 전반에 걸쳐 추가의 상세를 갖고 설명된 예와 같이, 고정자 극과 회전자 극 사이의 공기 간극을 가로질러 자속을 발생하기 위해 각각의 극 여자 듀티 사이클에 대해 스위치(200)를 순차적으로 동작하도록 구성될 수 있다. 스위치는 고정자 극을 순차적으로 여자하여 회전자를 당기는 국소 인력을 생성하도록 제어될 수 있다. 이러한 순차적인 여자(또는 활성화)는 회전자(108), 출력 샤프트(107) 및 부하(110)의 회전을 유발할 수 있다.

모터 구성요소 및 제어는 때때로 모터 회전자 및/또는 고정자의 D-축(312)(도 3a에 도시되어 있는 예) 및 Q-축에 관련하여 설명된다. 모터 내의 직접 축 또는 D-축(312)은 공기 간극(314)에 수직인 극(308)의 중심선으로서 정의될 수도 있고, 고정자 극 또는 회전자 극(308)에 적용될 수도 있다. 회전자는 동기 기준 프레임에서 볼 때 각각의 극에 대한 D-축(312)을 갖고 특징화될 수도 있다. 와이어 권선형 회전자에서, D-축(312)은 계자 권선이 단일의 큰 슬롯에 집중되어 있는지 또는 다수의 더 작은 슬롯을 가로질러 퍼져 있는지에 무관하게 코일 또는 계자 권선의 결과적인 자기 중심의 중심 지점이다. 고정자 극이 유사하게 특징화될 수 있다.

Q-축은 자기 기준 프레임 내의 D-축(예를 들어, D-축이 0°에 있는 경우)에 대해 수직이다(예를 들어, 4개의 회전자 극을 갖는 기계에 대해 전기적으로 90°이거나, 또는 몇몇 구현예에서, n_p개의 극을 갖는 기계에 대해 360°/n_p). 몇몇 구현예에서, Q-축은 D-축에 전기적으로 수직이고, 양자 모두 회전자가 회전하는 평면에 놓인다. 일반적으로, Q-축을 따른 힘은 토크와 같은 기전력을 발생한다. 위상적으로, 회전자 또는 고정자의 Q-축은 통상적으로 2개의 극 사이에 직접 위치된다.

축은 회전자 극과의 그 관계에 대해 "주" 또는 "부"로서 설명될 수도 있다. 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예는, D-축 및 Q-축을 언급할 때, 달리 지시되지 않으면, 주 D-축 및 주 Q-축을 지칭한다. 그러나, 본 개시내용에 따른 몇몇 구현예에서, 고정자-회전자 결합(예를 들어, 전력 전송 및/또는 데이터 신호 전송)은 부 축 상에서 수행될 수도 있다. 예를 들어, 회전자 극 D-축으로부터 오정렬된 D-축을 갖는 회전자 코일은 그 자신의 부 D-축을 갖는다고 말할 수 있다.

제어 신호가 D-Q-축 성분으로 변환될 수 있는 시스템에서, 제3 z-축 구성요소가 또한 존재할 수 있고 D-축 또는 Q-축 상에 직접 맵핑되지 않는 신호량으로서 기술될 수 있다(예를 들어, 몇몇 실시예에서 Q 및 D 성분이 발견될 수 있는 평면에 직교하는 성분으로서 기술될 수 있음).

전류 페이저각(318)은 고정자의 자기 중심에 대한 회전자 D-축(312)의 상대 각도이다(도 3a에 예시된 예). 양의 전류 페이저각은 고정자의 자기 중심이 운동 방향에서 회전자 극보다 전방에 있음을 나타낸다. 이러한 상황은 고정자의 자기 중심이 고정자의 자기 중심을 향해 회전자 극을 "당기는" 것을 야기한다. 유사하게 음의 전류각은 고정자의 자기 중심이 회전자 극 후방에 있음을 나타낸다. 이러한 상황은 회전자 극을 반대 방향으로 "당긴다". 이러한 음의 전류 페이저각(318)은 제동 상황에서 사용될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 90° 초과의 전류 페이저각(318)이 사용될 수 있다. 이러한 큰 페이저 전류각(318)은 인접한 극을 운동 방향으로 "밀어낼" 수 있다. 유사하게, -90° 미만의 전류 페이저각(318)은 예로서 제동 동작 중에, 인접한 극을 반대 방향으로 "밀어내는" 데 사용될 수 있다. 고정 기준 프레임과 동기 기준 프레임 사이의 전류 페이저각(318)을 변환하는 것은 이하의 수학식을 사용하여 수행될 수 있고:

(1)

여기서, θ_e는 동기 기준 프레임의 전류 페이저각이고, P는 고정자 극의 수이며, θ_m은 고정 기준 프레임의 전류 페이저각이다. 전류 페이저각에 무관하게, 이는 D-축 성분과 Q-축 성분으로 분해될 수 있다. 일반적으로, 본 명세서에 설명된 모터 및 발전기의 경우, D-축 성분은 회전자 극 내에서 계자를 "충전" 또는 변조하는 작용을 하고, 반면 Q-축 성분은 회전자 극 상에 힘 또는 토크를 부여하는 작용을 한다. 본 실시예 및 본 명세서에 설명된 다른 실시예에서, 변조된 필드는 1차 토크 생성 채널에 직교하기 때문에 전력 전송은 전기 기계의 토크 성능과 간섭하지 않는다. D-축은 또한 본 개시내용 전반에 걸쳐 상세히 설명되는 바와 같이, 고정자 권선으로부터 회전자 권선으로 직접 데이터 신호의 병렬 전송을 위해 또는 제어 신호의 성분으로서, 또는 양자 모두로 사용될 수도 있다.

도 3a 및 도 3b는 예시적인 전기 기계(300)의 측면도 및 사시도이다. 전기 기계(300)는 연관된 고정자 권선(304)과 함께 다수의 고정자 극을 형성하는 고정자(302)를 포함한다. "모터 극"은 주어진 시점에서 공기 간극을 가로질러 단일 극성의 자속을 방출하는 고정자 또는 회전자의 위상적 섹션으로서 설명될 수도 있다. 전기 모터 내의 극 수 또는 위치를 결정할 때 고정자 또는 회전자의 백아이언 내에 전달된 자속이 고려된다. 극은 통상적으로 5,000 가우스를 초과할 수도 있는 고 필드 영역에 의해 특징화된다. 극은 영구 자석으로부터 또는 전자기장으로부터 발생할 수도 있다. 고정자 또는 회전자의 극의 수는 종종 제조 중에 고정되지만, 본 명세서에 설명된 몇몇 구현예에서, 회전자, 고정자 또는 양자 모두의 극의 수가 동작 중에 변경될 수 있다.

본 발명에 예시된 고정자(302)는 돌출되고 집중된 고정자 권선(304)을 갖는 것으로서 본 발명에 예시되어 있지만, 분산형 및/또는 비중첩 고정자 권선이 본 개시내용으로부터 벗어나지 않고 유사하게 사용될 수 있다. 회전자(306)는 연관된 회전자 코일(310)과 함께 다수의 회전자 극(308)을 형성한다.

다양한 고정자 및 회전자 토폴로지 및 구동 메커니즘에 대한 추가의 상세는 그 전문이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 가특허 출원 제17/151,978호에서 발견될 수 있다.

도시되어 있는 바와 같이, 각각의 회전자 코일(310)은 능동 정류기(311)에 단락된다. 각각의 코일(310)에 대해 능동 정류기를 갖는 것으로서 예시되어 있지만, 다른 배열이 본 개시내용으로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 회전자 코일은 단일 능동 정류기에 직렬 또는 병렬로 전도성 결합될 수 있다. 능동 정류기 토폴로지의 예가 본 개시내용 전반에 걸쳐 제공된다. 능동 정류기에 대한 구성요소 선택은 전압 강하, 역 전압 항복, 복구 시간을 포함하는 다양한 인자의 함수이다. 상이한 구성요소가 원하는 동작 조건에 따라 사용될 수도 있다. 능동 정류기는 수동 정류 방안에 비교하여 감소된 리플을 갖고, 전류가 각각의 회전자 코일(310)을 통해 원하는 방향으로 그리고 원하는 크기로 선택적으로 이동할 수 있게 한다.

능동 정류기(311)가 각각의 코일(310) 상에 배치되는 것으로서 도시되어 있지만, 몇몇 구현예에서 능동 정류기는 회전자 내의 또는 상의 다른 곳에 위치한다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 능동 정류기(311)는 회전자 코어 내에 또는 상에 배치된다.

능동 정류기(311)는 회로 커플러(422)에 의해 회전자 코일(310)에 전도성 결합된다(도 4a 및 도 4b 참조). 몇몇 구현예에서, 회로 커플러(422)는 회전자 코일(310) 자체의 연장부, 예를 들어 회전자 코일(310)을 형성하는 구리 배선의 절연된 길이이다. 몇몇 구현예에서, 회로 커플러(422)는 별개의 구성요소, 예를 들어 능동 정류기(311)에 플러깅되고 또한 회전자 코일(310)에 부착된(예를 들어, 클램프 또는 클립에 의해) 케이블이다.

능동 정류기(311) 자체는 몇몇 구현예에서, 인클로저 내부에 회로 구성요소를 캡슐화하는 인클로저를 포함한다. 인클로저는 예를 들어, 플라스틱 또는 다른 절연재로 제조될 수도 있다.

인클로저 내에서, 회로 구성요소(예를 들어, 몇몇 구현예에서 집적 회로 내에 및/또는 회로 기판 상에 통합된 트랜지스터, 커패시터, 다이오드, 인덕터 및/또는 저항기)의 조합이 본 개시내용 전반에 걸쳐 더 상세히 설명된 바와 같이, 회전자 코일(310) 내의 전류의 능동 정류를 구현한다. 몇몇 구현예에서, 포팅 재료가 회로 구성요소에 의해 점유되지 않는 인클로저 내부의 공간의 일부 또는 전부를 충전한다.

몇몇 구현예에서, 능동 정류기(311)는 하나 이상의 코일 상호 연결부(322)를 포함한다. 코일 상호 연결부(322)는 하나 또는 다수의 코일 또는 권선 계자 극을 서로 또는 별개의 전기 회로에 연결할 수도 있는 와이어의 영역이다. 상호 연결부는 동작 중에 작은 국소 MMF만을 발생한다. 이는 상호 연결부가 통상적으로 고정자 및 회전자 슬롯에 실질적으로 수직이고, 따라서 모터 공기 간극을 가로질러 균일한 필드 생성에 상당히 기여하지는 않는다는 사실에 결합된다. 예시된 구현예는 능동 제어 회로(예를 들어, 능동 정류기(311))를 포함하지만, 다른 이산 구성요소가 코일 상호 연결부(322) 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 다이오드와 같은 수동 정류 구성요소가 포함될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 트랜지스터 또는 4극관과 같은 능동 회로가 포함될 수 있다.

회전자 극(308)은 회전자 표면 상에 위상적 및 전기적으로 고정된다. 고정-극 회전자는 극이 지형적으로 그리고 전자기적으로 고정되거나 모터의 동기 기준 프레임에 대해 정적으로 유지되는 회전자이며, 예를 들어 회전자(306)는 고정-극 회전자이다. 즉, 회전자(306)는 항상 고정자에 의해 제공되는 구동 주파수와 실질적으로 동일한 속도로 또는 동기하여 회전할 것이다(토크 리플의 고유 레벨을 허용함). 동기 기준 프레임은 자기 기준 프레임과 동일하다. 이러한 이유로, 고정-극 모터는 종종 "동기" 모터라 지칭된다. 계자 권선 회전자, 표면 PM 회전자, 릴럭턴스 모터 및 내부 PM 회전자는 모두 고정-극 회전자의 예이다. 고정 극 회전자 설계는 회전자 D-축(312) 영역(회전자 극의 중심)에서 강자성 재료의 활용을 최대화하고, 권선 계자 회전자의 경우, 유효 자기 중심이 D-축(312)과 정렬하는 것을 보장한다. 그 결과, 고정 극 회전자는 주어진 크기와 전력 정격에 대해 시프팅 극 회전자보다 더 효율적인 것으로 고려되지만; 고정 극 회전자는 동적 부하 조건 및 동적 주행 속도 하에서 일정한 전류 페이저각으로 고정 극 회전자를 유지하는 것이 어렵다는 점에서 제어가 어렵다. 예를 들어, 부하 변화 중에 모터를 가속하거나 속도를 유지하는 것은 위치 센서(316)로부터의 입력에 기초하여 전류 페이저각(318), 전류 크기 및/또는 구동 주파수를 능동적으로 조정하는 것을 수반한다. 본 명세서에 설명된 개념은 고정자 자기장 및 회전자, 예를 들어 회전자(306)가 동작 중에 서로 동기성을 유지하므로 동기 기계에 주로 적용 가능하다.

대조적으로, 시프팅 극 회전자의 극은 지형적으로 또는 전자기적으로 고정되어 있지 않고 동작 하에서 고정 기준 프레임에 대해 이동할 것이다. 즉, 회전자는 항상 "슬립"하고 고정자에 의해 제공된 구동 주파수보다 지연되거나 동기화에서 벗어날 것이다. 이와 같이, 이들 모터는 종종 "비동기" 모터라 지칭된다. 시프팅 극 회전자의 예는 와이어 권선 및 농형 유도 회전자, 전기자 와이어 권선 회전자, 브러시 모터 및 다른 유사한 모터를 포함한다. 시프팅 극 회전자는 동작 중에 전류 페이저각(318)을 자체 조절하는 것이 가능하지만, 극이 회전자 표면을 가로질러 균일하게 이동하는 것을 가능하게 하기 위해 D-축 강자성 재료와 Q-축 계자 권선 사이의 설계 양보가 이루어져야 한다. 그 결과, 이러한 모터 내의 전기 저항은 더 높고, 더 많은 시동 전류가 요구되며, 주어진 크기 및 전력 정격의 시프팅 극 회전자에서 필드 강도는 더 낮다.

회전자(306)의 필드는 궁극적으로 고정자 권선(304)에 의해 생성된 자기장에 의해 여자되도록 구성되는데, 이는 자기장이 전력을 회전자 필드에 전송하고, 이 전력은 포획되어 이어서 여자를 위한 소스로서 사용되기 때문이다. 회전자(306) 및 고정자(302)는 여자된 회전자 필드에 응답하여 서로에 대해 이동하도록 구성된다. 회전자(306)는 고정자 권선(304)을 제외하고 고정자(302)의 구성요소로부터 실질적으로 에너지적으로 격리되어 있다.

전기 기계 내에서, 고정자와 회전자는 동작 중에 전력 전송, 데이터 신호 전송 및/또는 필드 변조를 가능하게 하기 위해 결합될 수 있다. 결합은 직접 결합 또는 간접 결합으로서 분류될 수도 있다. 공기 간극(314)과 같은 1차 동작 공기 간극을 따라 고정자와 회전자 사이에 직접 결합이 발생한다. 간접 결합은 1차 동작 공기 간극으로부터 이격하여 2차 인터페이스를 따라 발생한다.

직접 결합은 통상적으로 유도 결합으로 특징화되는데, 예를 들어 농형 유도 회전자가 고정자에 직접 결합되는 것으로 고려된다. 직접 결합은 비동기 기계에서 통상적이고 쉽게 제어되지만, 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 이유로 인해, 동기 기계와의 직접 결합은 제어가 어렵다. 예를 들어, 전류 크기 및/또는 주파수가 적절하게 유지되는 것을 보장하기 위해 회전자 위치가 종종 알려져야 할 필요가 있다.

간접 결합은 2차 결합을 따라 동작하고 반경방향 배향 또는 축방향 배향될 수도 있으며, 전기 접점, 별개의 공기 간극을 따른 유도 결합, 용량성 결합 또는 광학 결합을 통해 통신할 수도 있다. 2차 결합은 전기 기계의 효율 및/또는 전반적인 제어 가능성을 개선시키도록 다양한 기능을 위해 사용될 수도 있지만, 이러한 시스템을 활용하는 기계의 중량, 복잡성, 고장 빈도 및 비용(운영 및 자본 비용의 모두)을 증가시킬 수 있는 부가의 구성요소가 종종 요구된다.

본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 것들과 같은, 에너지적으로 격리된 모터 및 발전기는 주로(표준 전자기 차폐 공차 내에서) 간접 또는 2차 결합의 사용 없이 고정자와 회전자 사이에 전력 및 신호를 전송하기 위해 직접 결합을 사용한다. 본 명세서에 설명된 전기 기계는 전력 결합과 신호 결합의 모두를 위해 회전자(306)와 고정자(302) 사이의 직접 결합을 포함한다. 예를 들어, 직접 신호 결합이 능동 정류기(311)의 상태를 제어하는 데 사용될 수 있다. 직접 전력 결합은 예를 들어, 회전자 계자 권선을 통해 능동 정류기(311)에 전력을 제공하고, 궁극적으로 회전자 계자 권선으로 다시 전력을 제공하기 위해(예를 들어, 이는 직접 신호 결합에 의해 제어될 수도 있음) 사용될 수 있다.

회전자(306)는 회전자(306) 내에 매립된 영구 자석 재료(320)를 포함한다. 도시되어 있는 바와 같이, 회전자(306)는 각각의 회전자 극 사이에 실질적인 스포크형 배열로 배열된 영구 자석 재료(320)의 채널을 포함할 수 있지만; 영구 자석 재료(320)의 다른 배열이 본 개시내용으로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 영구 자석 재료(320)는 페라이트, AlNiCo, SmFeN, NdFeB, 또는 SmCo를 포함하여, 다양한 재료를 포함할 수 있다. 더 낮은 전력 영구 자석 재료가 통상적으로 사용되지만, 더 적은 양으로 더 높은 전력의 자기 재료가 본 개시내용으로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 영구 자석 재료(320)는 각각의 회전자 극(308)의 전체 종방향 길이를 가로질러 또는 각각의 회전자 극(308)을 부분적으로 가로질러 연장될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 영구 자석 재료(320)는 다수의 층 또는 라미네이션으로 구성될 수 있다.

도시되어 있는 바와 같이, 영구 자석 재료(320)는 실질적으로 각각의 회전자 극(308) 사이에 순 자기력을 야기한다. 몇몇 구현예에서, 영구 자석 재료는 영구 자석 재료(320)로부터의 순 자기력이 회전자 극(308)과 정렬되도록 배열될 수 있다. 일반적으로, 영구 자석 재료(320)의 배열은 회전자 내의 자기 재료의 원하는 단면 자속 밀도에 의존한다. 영구 자석 재료(320)가 회전자 코일(310) 내에 위치되는 구현예에서, 영구 자석 재료(320)의 각각의 세트에 대한 자속은 주변 회전자 코일(310)의 전하를 조정함으로써 개별적으로 조정 및/또는 변조될 수 있다. 이러한 구현예는 또한 강한 고정자 필드에 의해 발생될 수 있는 소자(demagnetization)로부터 자석을 보호한다. 영구 자석 재료(320)가 회전자 코일에 의해 둘러싸여 있지 않은 구현예에서, 고정자 필드에 의해 발생된 자속의 조정은 회전자(306) 내의 영구 자석 재료(320)의 다수의 세트에 영향을 미칠 수 있다. 영구 자석 재료(320)를 포함하는 것으로서 예시되고 설명되지만, 본 개시내용의 주제는 영구 자석 재료를 포함하지 않는 회전자에도 여전히 적용 가능하다.

도 4a 내지 도 4c는 예시적인 회전자 코일(310)의 정면도, 측면도 및 사시도이다. 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 회전자 코일(310)은 회전자 극(308)과 같은 각각의 극 주위에 단일 코일을 갖는 그 자신의 권선으로서 작용한다. 이와 같이, 회전자는 집중, 돌출 및/또는 비중첩 권선을 포함하는 것으로서 설명될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 각각의 코일의 권취 방향은 각각의 인접한 회전자 극(308)과 교번할 수 있다. 예를 들어, 돌출, 집중 및/또는 비중첩 않는 권선을 갖는 고정자를 사용하는 구현예에서, 이러한 배열이 사용될 수 있다. 대안적으로, 능동 정류기(311)의 정류 방향은 유사한 결과를 갖는 각각의 인접한 극과 교번하도록 제어될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 권취 방향은 인접한 회전자 극 사이에서 교번할 필요는 없다. 예를 들어, 분산 권선을 갖는 고정자를 사용하는 구현예에서, 이러한 배열이 사용될 수 있다. 회전자 코일(310)은 자체로 단락된(예를 들어, 능동 정류기(311)를 통해) 와이어의 단일 코일로서 예시되어 있지만, 각각의 코일이 자체로 단락되고 인접 코일과 중첩되지 않는 한 다른 기하학 형상이 사용될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유사한 극성을 갖는 극은 예를 들어 능동 정류기를 공유하기 위해, 서로 단락될 수 있다. 이러한 구성은 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된다. 유사하게, 반대 극성을 갖는 극은 각각의 극의 권취 방향에 따라 서로 단락될 수 있다. 일반적으로, 회전자 코일은 종종 전력 전송 주파수의 전류 표피 깊이가 코일의 전도체를 완전히 관통하도록 구성된다. 본 개시내용의 맥락에서 "전류 표피 깊이"는 전류, 특히 주어진 주파수에서 변화하는 자기장으로부터 유도되는 와전류가 주로 흐르는 전도체의 표면으로부터의 깊이를 지칭한다. 주어진 재료에 대해, 표피 깊이는 다음과 같이 계산될 수 있다:

(2)

여기서, 'f'는 자기 스위칭 주파수이고, μ는 재료의 자기 투자율(H/mm)이고, σ는 재료의 전기 전도도이다. 회전자 코일(310) 내에서 전체 표피 깊이 침투를 달성하는 것은 회전자 코일(310) 내에서 균일한 인덕턴스를 허용한다. 몇몇 구현예에서, 구동 주파수는 0 헤르츠 내지 20 헤르츠로 확장될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 구동 주파수는 100 헤르츠 내지 3000 헤르츠 범위일 수 있다. 일반적으로, 회전자 코일은 회전자 내의 자속의 감쇠가 고정자로부터의 자기장 시프트에 응답하여 회전자 코일 내의 전류에 의해 저항되도록 배열된다.

전통적으로, 동기 모터는 재료를 자화하는 자화 전류를 갖지 않고, 따라서 자석은 공장에서 또는 설치 전에 자화되어야 한다. 이러한 취지로, 자기 재료가 동작 중에 소자되면(예를 들어, 고정자가 너무 많은 부하를 그에 인가하기 때문에) 자석은 손상될 수 있거나, 또는 모터는 완전히 비동작하게 될 수 있다. 회전자 코일(310)은 고정자의 잠재적 소자 효과로부터 영구 자석을 보호하는 것을 돕는다.

각각의 회전자 코일(310)에 결합된 능동 정류기(311)는 동작 중에 모터 내의 토크 리플을 감소시키는 것을 돕는다. 능동 정류기(311)는 부분적으로, 공기 간극(314) 내의 자속의 여자의 지연을 감소시킴으로써 이를 행한다. 회전자 코일(310)은 자기장 시프트에 응답하여 회전자 권선 내의 전류에 의해 회전자 내의 자속의 감쇠에 저항하지만, 회전자 코일(310)은 정류 없이, 회전자 코일(310)이 노출되는 구동 사이클의 일부에 무관하게 이 기능을 수행한다. 즉, 미정류 회전자 코일은 구동 주파수의 양의 부분과 구동 주파수의 음의 부분의 모두에 대해 대칭성이다. 이러한 배열은 측정 가능한 양의 토크 리플을 생성할 수 있다.

수동적으로 정류되는 회전자 코일의 경우, 회전자 코일은 제1 전류가 0으로 감소할 때까지 회전자 권선 내에서 제1 방향으로 제1 전압을 유도함으로써 자속의 제1 변화를 허용하여, 자속의 제2 변화가 회전자 권선 내의 제2 방향에서 전류를 유도할 수 있게 한다. 능동적으로 제어된 회전자 회로에서, 볼트-초의 에너지가 회전자 극 전류를 0으로 감소시키지 않고 회전자에 추가될 수 있다. 예를 들어, 회전자 권선 내의 전류는 선택적으로 단방향성일 수 있어, 동작 중에 토크 리플을 상당히 감소시킨다.

예를 들어, 다양한 구현예에서, 회전자 전류의 DC 성분은 회전자 전류 내의 리플의 크기의 적어도 2배, 회전자 전류 내의 리플의 크기의 적어도 5배, 회전자 전류 내의 리플의 크기의 적어도 10배, 회전자 전류 내의 리플의 크기의 적어도 20배, 회전자 전류 내의 리플의 크기의 적어도 50배, 또는 회전자 전류 내의 리플의 크기의 적어도 100배이다.

동작시에, 코일(310)과 능동 정류기(311)를 통해 흐르는 전류는 0 또는 0이 아닌 것과 같은 원하는 양으로 감소되도록 허용될 수 있거나, 또는 능동 정류기(311)에 의해 0 또는 0이 아닌 상태로 능동적으로 유도된다. 전류가 원하는 양으로 감소되도록 허용되는 경우, 전류 페이저각(318)을 90° 미만으로 감소시킴으로써 동작이 수행될 수 있다(즉, 다음 인접한 극을 "밀어내는" 것이 아니라 극을 "당김"). 코일(310) 및 정류기(311) 내의 전류는 전류 페이저각이 90° 미만인 지속 시간 기간 내에 감쇠하도록 허용된다. 이러한 지속 시간 기간은 회전자의 속도 및 포화도에 따라 수 밀리초 내지 2초의 범위일 수 있다. 결과적인 필드는 D-축 변조, 또는 몇몇 실시예에서는, 전류 페이저각의 변조 또는 기계의 크기(통상적으로 0° 내지 90°)를 통해 행해질 수도 있는 회전자 계자 코일의 D-축과의 상호 작용을 통해 여자될 수 있다.

몇몇 구현예에서, 능동 정류기(311)는 감쇠 시간을 상당히 능동적으로 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 감쇠 시간은 수동 정류 시스템에 비교하여, 10배, 100배, 1000배 이상만큼 감소될 수도 있다. 감쇠 후, 코일(310) 내의 전류가 증가함에 따라 전류 페이저각(또는 페이저 크기)이 증가된다. 이 프로세스 전반에 걸쳐, 전류 페이저각(318)을 조정할 때 리플 전류를 상쇄하기 위해 전류 페이저각(318) 및 정류의 방향과 함께 전류 크기가 변조될 수 있다.

특정 모터 동작 중에, 예를 들어, 로킹-회전자 조건(예를 들어, 시동) 중에, 높은 레벨의 전하가 상당한 유도성 감쇠(예를 들어, 필드를 유지함)를 갖고, Q-축(90°)과 음의 D-축(180°) 사이에서 동작할 때 사용된다. 이러한 제어 방안(코일(310)과 조합됨) 하에서, 회전자 필드는 전류 페이저각(318) 또는 전류 크기에 기초하여 변조될 수 있다. 이는 동작 중에 넓은 동작 인벨로프로 변환될 수 있다. 음의 D-축 대 Q-축 동작은 영구 자석 재료(320)를 보호하는(적어도 부분적으로) 차폐 효과를 제공하는데, 이는 영구 자석 동기 모터에 비교하여 더 적은 자기 재료, 더 낮은 보자력 재료 또는 양자 모두가 사용될 수 있게 한다. 다른 이점은 영구 자석 모터의 것에 비교하여, D-축 주입을 갖는 필드 약화가 일정하지 않다는 것이다. 유사하게, 회전자 필드는 고정자를 통과하는 전류 크기에 의해 변조될 수 있다. 많은 경우에, 전류 크기와 전류 페이저각의 모두는 원하는 회전자 필드 변조를 위해 동시에 조정될 수 있다.

도 5a는 전술된 능동 정류기(311)를 위해 사용될 수 있는 능동 정류기의 적어도 일부에 대한 예시적인 토폴로지이다. 능동 정류기는 2개의 다이오드(502a, 502b) 및 2개의 스위치(504a, 504b)를 포함하는 비대칭성 브리지 회로(500)를 포함한다. 다이오드(502a)와 스위치(504a)는 회전자 권선의 제1 노드(506a)에 각각 결합되고, 다이오드(502b)와 스위치(504b)는 회전자 권선의 제2 노드(506b)에 각각 결합된다. 각각의 다이오드/스위치 쌍 사이에 각각 있는 노드(506)는 회전자 권선의 2개의 단부에 대응한다. 커패시터(508)는 다이오드/스위치/회전자 권선 조립체와 병렬로 배선된다. 스위치(504a, 504b)를 제어하는 회로 구성요소의 예는 도 5a에는 도시되어 있지 않지만, 도 6a 내지 도 7b와 관련하여 설명된다.

예를 들어, p-n 접합 다이오드, 가스 다이오드, 제너 또는 쇼트키 다이오드와 같은, 다수의 유형의 다이오드가 사용될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 쇼트키 다이오드가 사용될 때, 쇼트키 다이오드는 실리콘 카바이드 다이오드일 수 있다. 다이오드 선택은 전압 강하, 역 전압 항복, 복구 시간을 포함하는 다양한 인자의 함수이다. 상이한 다이오드가 원하는 동작 조건에 따라 사용될 수도 있다. 다수의 유형의 다이오드가 열거되어 있지만, 본 개시내용으로부터 벗어나지 않고 다른 다이오드가 사용될 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 각각의 스위치(504a, 504b)는 하나 이상의 트랜지스터를 포함한다. 예를 들어, 바이폴라 접합 트랜지스터, FET(예를 들어, MOSFET), 헤테로접합 바이폴라 트랜지스터 및 절연 게이트 바이폴라 접합 트랜지스터와 같은 다수의 유형의 트랜지스터가 사용될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 스위치(504a, 504b)는 릴레이를 포함할 수 있다. 회전자 권선 전류가 스위치(504a, 504b)를 통과하기 때문에, 스위치(504a, 504b) 내에 포함된 트랜지스터는 높은 전류, 예를 들어, 수 암페어에 대해 정격화될 수도 있다.

도 5b는 예시적인 풀 브리지 정류기 회로(510)를 도시하고 있다. 풀 브리지 능동 정류기 회로(510)는, 다이오드(502a, 502b)가 스위치(504c, 504d)로 대체되는 점을 제외하고는, 비대칭성 브리지 회로(500)와 유사하게 동작한다. 이러한 대체는 몇몇 구현예에서, 비대칭성 브리지 회로(500)에 비교하여 풀 브리지 정류기 회로(510)의 전도 손실을 감소시킬 수도 있는 데, 이는 적어도 각각의 스위치가 대응 다이오드보다 더 낮은 유효 온-저항(on-resistance)을 가질 수도 있기 때문이다. 스위치(504c, 504d) 이외에, 풀 브리지 회로는 도 5a에 관련하여 설명된 바와 같이, 스위치(504a, 504b) 및 커패시터(508)를 또한 포함한다. 스위치(504a, 504b)를 제어하는 회로 구성요소의 예는 도 5b에는 도시되어 있지 않지만, 도 6a 내지 도 7b와 관련하여 설명된다.

일반적으로, 고정자 권선은 3개의 유형의 신호: 토크 제어 신호, 전력 전송 신호, 및 데이터 신호로 구동될 수도 있다. 토크 제어 신호는 회전자 권선(들)의 자기장과 상호 작용하여 고정자에 대한 회전자의 이동을 구동하는 토크 제어 신호를 수신하는 고정자 권선(들)에 자기장을 발생한다. 전력 전송 신호는 고정자로부터 회전자로 전력을 무선으로(또는 유도적으로) 전송하는 변조 또는 변조된 신호(예를 들어, 진폭 또는 주파수 변조)이고, 이는 궁극적으로 예를 들어, 회전자 권선을 여자하여 기자 결합을 위한 자기장을 발생하고 회전자 상의 회로(들)에 전력 공급하는 데 사용될 수도 있다. 데이터 신호는 데이터(예를 들어, 인코딩된 제어 정보)를 고정자로부터 회전자로 무선으로(또는 유도적으로) 전송하는 변조이다. 몇몇 예에서, 고정자 권선은 고정자 신호의 유형 중 하나 초과로서 분류될 수도 있는 신호(예를 들어, 다목적 신호)로 구동된다. 예를 들어, 고정자 권선은, 신호가 고정자에 대한 회전자의 이동을 구동하기 위해 고정자 권선 내에 자기장을 발생하고, 또한 고정자로부터 회전자로 전력을 유도적으로 전송하는 점에서, 토크 제어 신호와 전력 전송 신호의 모두로서 분류될 수도 있는 신호로 구동될 수도 있다. 몇몇 예에서, 고정자 권선을 통한 신호가 이들 고정자 신호 중 하나 이상의 중첩이 되도록 고정자 권선은 이들 고정자 신호 중 하나 이상에 의해 동시에 구동될 수도 있다. 몇몇 예에서, 회전자 권선은 또한 토크 제어 신호(예를 들어, 회전자를 회전시키기 위해 고정자 권선(들)의 자기장(들)과 상호 작용하도록 각각의 회전자 권선 내에 자기장을 발생하기 위해); 전력 전송 신호(예를 들어, 잉여 전력을 고정자 권선으로 다시 유도적으로 전송하기 위해); 및/또는 데이터 신호(예를 들어, 회전자 권선으로부터 고정자 권선으로 데이터를 유도적으로 전송하기 위해)로 구동될 수도 있다.

D/Q 시스템이 자기장 D/Q 구성요소(제어 가능한 채널/축)를 사용하여 기계 내에 토크를 발생하고 제어하고, 뿐만 아니라 고정자와 회전자 사이에 전력을 전송하고 그리고/또는 회전자 회로에 명령을 인가하기 위해 설정되어 이용될 수도 있도록 본 개시내용에 포함된 기계를 제어하기 위해 D/Q 결합 접근법이 취해질 수도 있다.

동기 D/Q 기준 프레임 내의 회전자 권선의 관점으로부터, 몇몇 구현예에서, 토크 제어 신호가 공칭 DC 신호로서 나타날 수도 있고; 고정자로부터의 전력 전송 신호는 이들 공칭 DC 신호로부터 변조된 AC 또는 DC 신호 성분으로서 나타날 수도 있고; 데이터 신호는 이들 공칭 DC 신호로부터 변조된 AC 또는 DC 신호 성분으로서 나타날 수도 있다.

수학적으로, D/Q 표현에서, 고정자 권선 내의 토크 제어 전류는 I_q = I_mag*sin(θ_e), I_d = I_mag*cos(θ_e), 및 I_z = 0으로서 표현될 수 있고, 여기서 θ_e는 동기 기준 프레임 내의 전류 페이저각이고 I_mag는 파크 변환(Park transform)을 통해 I _q 및 I _d 로 변환되는 주어진 여자에 대한 전류의 크기이다. z-축은 D 축 및 Q 축에 직교하는 축이다. 몇몇 구현예에서, I_z는 0이거나, 또는 실질적으로 0(예를 들어, 무시할 수 있는 강도의 필드)이고, 무시될 수도 있지만; 다른 구현예에서는, 적절한 기계 토폴로지가 주어지면, 전력 전송 및/또는 데이터 신호 전송이 z-축 상에서 수행될 수도 있다.

전력 전송 및/또는 데이터 신호 변조는 이들 성분의 하나 이상에 중첩될 수 있어, I_D,total = I_D + I_D,mod, I_Q,total = I_Q + I_Q,mod, 및 I_z,total = I_z + I_{z_mod}가 되고, 각각의 I_mod는 전력 전송 신호, 데이터 신호 또는 양자 모두를 포함할 수 있게 된다.

4극 회전자 실시예에서 순수 직각 위상으로 동작(θ_e = 90°), I_Q = I_mag, I_D = 0, I_z = 0, I_D,mod 및/또는 I_Z,mod은 0 신호에 부과되는 변조가 된다. 그러나, I_D,mod 및/또는 I_Z,mod는 0 신호에 대한 변조일 필요는 없다. 예를 들어, θ_e ≠ 90°이면, I_D,mod는 동기 기준 프레임에서 0이 아닌 DC 값에 대한 변조이다. D/Q 기준 프레임 내의 "DC" 신호는 예를 들어, 주어진 동작 지점에 대한 동기 기준 프레임으로의 3상 교류 신호의 변환을 표현하는 공칭 DC 신호이고, DC 신호는 상이한 모터 상태에 대해 변화할 수 있다는 것을 주목하라.

몇몇 구현예에서, I_D,mod, I_Q,mod 및/또는 I_{z_mod}에 포함된 데이터 신호는 독립적인 데이터를 전달하는 별개의 데이터 신호 여자이고 본질적으로 개별적으로 처리될 수 있다. 그러나, 몇몇 구현예에서, 데이터 신호는 예를 들어 전류각 및/또는 총 전류 크기의 변조에서, I_D,mod, I_Q,mod 및 I_{z_mod} 중 2개 이상의 조합으로 임베드된다. 몇몇 구현예에서, 회전자 회로 구성은 데이터 신호 여자를 통해 고정자와의 상호 작용을 위해 이용 가능한 제어 가능한 축을 정의하는 것을 도울 수 있다.

"전력 전송" 및 연관된 용어는 무시할 수 없는 기자력을 발생하기 위해 충분히 회전자 권선을 여자하는 고정자-회전자 결합을 지칭한다. "데이터 신호 전송" 및 연관된 용어(예를 들어, 데이터 신호)는 주로 데이터 전송을 나타내는 고정자-회전자 결합을 지칭하는데, 예를 들어 무시할 수 없는 기전력을 발생하기 위해 충분히 회전자 권선을 여자하지 않는다.

몇몇 경우에, 전력 전송은 전송되는 전력의 크기에 의해 데이터 신호 전송과 구별될 수도 있다. 예를 들어, 전력 전송은 데이터 신호 전송보다 고정자 권선으로부터 회전자 권선으로 전송되는 전력의 적어도 10배, 적어도 100배, 또는 적어도 1000배만큼 연관될 수도 있다. 몇몇 경우에, 전력 전송은 연관된 고정자 전압의 크기에 의해 데이터 신호 전송과 구별될 수도 있다. 예를 들어, 전력 전송과 연관된 고정자 전압은 데이터 신호와 연관된 고정자 전압의 적어도 10배, 적어도 100배, 또는 적어도 1000배일 수도 있다. 몇몇 경우에, 전력 전송은 전송이 발생하는 주파수에 의해 데이터 신호 전송과 구별될 수도 있다. 예를 들어, 데이터 신호 전송을 대표하는 전류 및/또는 자기장은 전력 전송을 대표하는 전류 및/또는 자기장의 주파수의 적어도 10배, 적어도 100배, 또는 적어도 1000배인 주파수에서 진동할 수도 있다. 몇몇 경우에, 전력 전송은 각각의 고정자 전류의 형태에 의해 데이터 신호 전송과 구별될 수도 있다.

고정자 D-축과 회전자 권선 사이의 관계는 고정자 D-축 권선과 공기 간극을 갖는 회전자 권선을 포함하는 등가 회로를 사용하여 모델링될 수도 있다. 예를 들어, 3상 권선 계자 동기 모터에 대해 이 기술을 사용하여, 전력 전송을 위한 D-축 전류(I _S )는 다음과 같이 표현될 수도 있고:

여기서, I _S 는 D-축 전류, L _m 는 자화 인덕턴스, L _S 는 고정자 D-축 인덕턴스, L _R 은 회전자 권선 인덕턴스, ω는 주파수, V _R 은 회전자 권선 전압, V _S 는 고정자 D-축 전압, φ는 페이저각이다. φ가 90°에 가깝고, 누설 인덕턴스가 자화 인덕턴스에 비교하여 작다고 가정하면, I _S 의 진폭은 다음과 같이 근사화될 수 있다:

부가적으로, 고정자 및 회전자 권선 사이의 전력 전송은 권선의 턴 비(즉, 각각의 코일 세트의 턴의 수)에 기초하여 스텝 업 또는 다운될 수도 있다.

구현예는 본 개시내용에 명시적으로 설명된 D-축 결합 및 Q-축 결합 예에 한정되지 않는다. 일반적으로, 고정자로부터 회전자로의 필드 결합(토크 제어, 전력 전송 및/또는 데이터 신호)은 모터 내의 다양한 제어 가능한 채널(축)을 가로질러 구현될 수 있다. 토크 제어, 전력 전송 및/또는 데이터 신호 전송은, 적절한 고정자 토폴로지, 회전자 토폴로지 및/또는 여자 패턴에 기초하여, 이들 축 중 하나, 2개, 또는 그 초과 상에서 토크를 제어하고, 전력을 결합 또는 전송하고, 그리고/또는 데이터 신호를 전송하는 진동 고정자측 전류를 사용하여 수행될 수도 있다. 몇몇 경우에, 축이 기능들 사이에 공유되고, 몇몇 경우에 축이 단일 기능에만 전용된다. 예를 들어, 전력 전송은 제1 축 상에서 수행될 수도 있고, 데이터 신호는 제2 상이한 축을 통해 전송될 수도 있거나, 또는 적절한 회전자 회로 토폴로지가 주어지면, 하나의 축이 양자 모두를 위해 사용될 수도 있다.

몇몇 예에서, 고정자 및 회전자는 다른 제어 가능한 채널(축)을 통해 제어된다. 예를 들어, 전기 기계는 MK 기준 프레임이라 지칭될 수도 있는 다른 동기 기준 프레임의 견지에서 설명될 수도 있다. MK 기준 프레임은 상호 인덕턴스 축(M-축), 누설 인덕턴스 축(K-축), 직각 위상 축(Q-축), 널 축(N-축)을 포함하고, 그 각각은 전술된 바와 같이 전기 기계 내에서 토크를 제어하고, 전력을 전송하고, 그리고/또는 데이터 신호를 전송하는 데 사용될 수도 있는 제어 가능한 축(예를 들어, D-축, Q-축 및 N-축에 대해)일 수도 있다. 예를 들어, M-축, D-축, Q-축 및/또는 N-축에 변조를 도입함으로써, 회전자는 고정자 권선으로부터 유도적으로 전력 변환 신호 및/또는 데이터 신호를 수신할 수 있다.

본 명세서에 설명된 D-축 및 Q-축을 갖는 직접-직각 위상-널-회전자(Direct-Quadrature-Null-Rotor: DQNR) 기준 프레임과 같이, 제어기는 적절한 변환을 사용하여, 고정 기준 프레임(예를 들어, 제어 가능한 축으로서 고정자와 회전자의 위상을 포함함)과 MK 기준 프레임 사이, 또는 DQNR 기준 프레임과 MK 기준 프레임 사이에서 변환할 수도 있다. 예를 들어, A, B, C, R(고정) 기준 프레임으로부터 (회전) MK 기준 프레임으로 변환하기 위해 적용되는 MK 변환은 다음과 같을 수도 있다:

예를 들어, I_M, I_K, I_Q 및 I_Null을 결정하기 위해, 모터 제어기(135)는 MK 변환에 I_A, I_B, I_C, 및 I_R의 1차원 전류 행렬을 곱하여 I_M, I_K, I_Q, 및 I_Null의 MK 기준 프레임 내의 1차원 전류 행렬을 얻을 수도 있다.

직접 축(D-축), 직각 위상 축(Q-축), 널 축(N-축), 회전자 필드 축(R-축)(DQNR) 기준 프레임을 사용하는 권선 계자 동기 모터의 제어 방안에 대해, MK 기준 프레임을 사용하는 제어 방안은 D-축과 R-축 사이의 교차 결합을 제거하거나 거의 제거함으로써 제어 복잡성을 감소시킬 수 있다. MK 기준 프레임과 전기 기계에서의 그 사용에 대한 부가의 상세 및 설명은 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2021년 7월 7일자로 출원된 계류 중인 미국 가출원 제63/219,096호에서 발견될 수도 있다.

추가로, 본 개시내용에 따른 몇몇 실시예는 권선 이외에 고정자-회전자 결합 요소를 포함하지 않지만, 몇몇 실시예는 부가의 결합 요소, 예를 들어 브러시, 슬립 링, 광학 송신기/센서 등을 포함한다. 이들 부가의 결합 요소는 몇몇 실시예에서, 데이터 신호 전송 및/또는 전력 전송에 사용될 수도 있어, 필드 결합 축과 함께 대안적인 제어 가능한 축을 나타낸다.

기능이 상이한 제어 가능한 축을 가로질러 분산될 수 있는 다양한 방식 이외에, 기능은 또한 상이한 회전자 권선을 가로질러 분산될 수 있다. 제1 회전자 권선은 데이터 신호 전송을 위해 사용될 수도 있고, 제2 상이한 회전자 권선은 전력 전송을 위해 사용될 수도 있으며, 토크 제어는 제1 및 제2 회전자 권선 중 하나 또는 모두로의 결합에 의해 또는 제3 권선으로의 결합에 의해 수행될 수도 있다. 더욱이, 상이한 기능을 수행하는 권선은 고정자로부터 동일한 자속에 노출될 수도 있거나(예를 들어, 극 쌍을 형성함), 또는 상이한 자속에 노출될 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 하나의 회전자 권선이 데이터 신호 전송과 전력 전송의 모두를 위해 사용된다.

예를 들어, 도 16(이하에 더 상세히 설명됨)에서, 권선(1602a, 1604a)은 제1 자속에 노출된 제1 극 쌍을 형성하고, 권선(1602b, 1604b)은 제2 자속에 노출된 제2 극 쌍을 형성한다. 몇몇 구현예에서, 예를 들어 권선(1602a, 1602b)을 통한 AC 전력 전송에 의해 권선(1604a, 1604b)을 여자하기 위해, 전력 전송이 양 자속을 통해 수행된다. 그러나, 전력 전송 신호와 별개로서, 데이터 신호는 제1 자속, 제2 자속, 또는 양 자속 모두를 통해 전송될 수도 있다. 예를 들어, 데이터 신호가 반드시 또한 제2 자속에도 포함될 필요 없이, 제1 자속 내의 데이터 신호는 추출되고(예를 들어, 회전자 권선(1602a 및/또는 1604a) 내의 전류/전압으로부터) 권선(1602a, 1604a) 뿐만 아니라 권선(1602b, 1604b)을 위한 그리고 회전자 내의 다른 권선을 위한 능동 정류기 스위칭을 결정하는 데 사용될 수도 있다.

도 16의 맥락에서 자체 동기화 회전자 제어 방안의 기능-권선 연결의 예에서, 고정자의 상태(예를 들어, 고정자 권선 내의 전압 및/또는 전류)는 회전자 권선(1602a) 내의 전압 및/또는 전류에 기초하여 추정될 수도 있고, 추정의 결과는 회전자 권선 (1602a) 뿐만 아니라, 몇몇 구현예에서, 다른 회전자 권선, 예를 들어 회전자 권선(1604a, 1602b, 1604b) 및/또는 다른 회전자 권선에서 능동 정류를 제어하는 데 사용될 수도 있다.

다양한 제어 방안이 능동 정류기 회로의 제어를 위해 사용될 수도 있다. 몇몇 제어 방안은, 이들이 고정자로부터 회전자로 특수 데이터 신호의 전송을 요구하지 않고; 오히려, 회전자측 회로는 회전자 권선을 여자하고 회전자의 이동을 구동하는(예를 들어, 전력 전송 신호 및/또는 토크 제어 신호에 기초하여) 동일한 D-축 및/또는 Q-축 전류에 의해 회전자 권선에 유도된 전류에 기초하여 능동 정류기 회로를 제어한다는 점에서 "자체 동기화"이다. 다른 제어 방안은 이들이 고정자 권선-대-회전자 권선 D-축 전류 및/또는 Q-축 전류 내에 임베드되어(예를 들어, 전력 전송 신호 또는 토크 제어 신호 내에 임베드됨) 모터 상태 데이터를 고정자로부터 회전자로 통과시키는 인코딩된 데이터 신호, 예를 들어, 데이터 신호를 포함한다는 점에서 "신호 구동식"이다. 신호 구동 제어 방안은 대안적으로 또는 부가적으로 전력 전송 및/또는 토크 제어를 위해 사용되는 축과 별개인 축 상의 데이터 신호를 포함할 수도 있다. 몇몇 제어 방안은 자체 동기화 및 신호 구동식 특징의 모두를 포함한다.

고정자측 전류는 고정자측 전압에 대응할 수도 있기 때문에, 전류 내에 임베드된 신호를 포함하는 방안은 전압 내에 임베드된 신호를 포함하는 등가 방안에 대응할 수도 있다. 고정자측 전압 내의 신호와 관련하여 본 개시내용에 설명된 구현예는 고정자측 전류 내의 신호와 등가일 수도 있고, 또한 기술할 수도 있으며, 그 반대도 마찬가지이다.

이들 방안은 반드시 부가의 고정자-대-회전자 결합 요소를 필요로 하지는 않고; 오히려, 몇몇 구현예에서, 회전자 권선 여자 및 이동을 위해 이미 사용된 고정자 권선 및 회전자 권선을 사용하여 신호가 전송된다. 이는 고정자로부터 회전자로 신호를 전송하는 특수 검출기, 센서, 유선 또는 무선 연결 또는 브러시를 통합하는 방안에 비교하여 비용을 절감하고 성능과 유연성을 증가시키는 것을 도울 수 있다.

도 6a는 회전자 제어를 위한 예시적인 회로 개략도를 도시하고 있다. 이 예에서, 회전자 권선(600)은 회전자 권선(600) 내의 전류를 정류하는 능동 정류기 회로(602)에 결합된다. 추정기 유닛(604)은 회전자 전류(I_R) 및 회전자 전압(V_R)을 측정 또는 추정하고, 이들 값에 기초하여, 추정된 고정자 AC 전압(V_S)을 결정하도록 구성된다. V_S에 기초하여, 추정기 유닛(604)은 능동 정류기 회로(602)의 스위칭 가능 요소를 제어하여 회전자 전류 상에 원하는 타이밍과 레벨을 부과한다.

예를 들어, 고정자 및 전압 권선의 몇몇 구성에서, 고정자 전압(V_S)은 수학식 V_S = L_k·dI_k/dt + V_R에 의해 I_R 및 V_R와 관련되고, 여기서 L_k는 고정자와 회전자 사이의 유효 누설 인덕턴스이고, I_k는 회전자 누설 전류(회전자 전류의 주입 성분)이다. 따라서, I_k 및 V_R의 회전자측 측정 또는 추정은 V_S의 추정을 허용한다. 이는 V_S가 별개의 데이터 신호에 기초하지 않고, 전력 전송 신호 및/또는 토크 제어 신호에 의해 유도된 회전자 전류/전압에 기초하여 추정되기 때문에 이는 자체 동기화 계산이다.

이 수학식은 고정자-회전자 시스템의 하나의 가능한 모델을 나타내지만, 다른 모델이 회전자 권선 내의 전압 및/또는 전류에 기초하여 고정자측 값을 추정하기 위해 대안적으로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 추정기 유닛(604) 내의 디지털 메모리는 고정자-회전자 시스템의 하나 이상의 수학적 모델을 저장하고 추정된 고정자 신호 파라미터를 결정하기 위해 디지털 로직과 함께 이들 모델을 사용할 수도 있다.

V_S에 기초하여 수행될 수도 있는 제어 기능의 예는 다음 중 하나 이상을 포함한다. 고정자 AC 전압의 위상이 추정되고, 회전자 전류/전압 파형이 직각 위상에서 제어되어 전력 전송을 제어한다(예를 들어, 전력 전송을 최대화하기 위해). 고정자 AC 전압의 주파수가 추정되고, 회전자 전류/전압 파형은 고정자 AC 전압의 주파수와 정합하는 주파수를 갖거나 또는 고정자 AC 전압과 상이한 미리 정의된 관계를 갖도록 제어된다. 고정자 AC 전압의 진폭이 추정되고, 회전자 전압 파형은 고정자 AC 전압의 진폭과 정합하거나 고정자 AC 전압의 진폭의 2배인 진폭을 갖거나, 또는 고정자 AC 전압과 상이한 미리 정의된 관계를 갖도록 제어된다.

V_S와 I_S를 모두 측정하거나 추정할 필요는 없을 수도 있고; 오히려, 몇몇 구현예에서 이들 값 중 단지 하나만이 측정되거나 추정되고, 제어 기능은 그 측정 또는 추정에 기초하여 수행된다.

도 6b는 자체 동기화 제어 방안의 상세한 예를 도시하고 있다. 회전자 권선(600)은 회전자 권선(600) 내의 전류를 정류하는 능동 정류기 회로(602)에 결합된다. 추정기 유닛(606)은 회전자 전류(I_R) 및 회전자 전압(V_R)을 측정 또는 추정하고, 이들 값에 기초하여, 추정된 고정자 AC 전압(V_S), 추정된 고정자 AC 주입 주파수(f_S), 및 추정된 고정자 AC 주입 위상(φ_S)을 결정하도록 구성된다.

주입 주파수(f_S)에 기초하여, 변환기 유닛(608)은 대응 회전자 전류 설정점(I_R,Sp)을 결정한다. 결정은 f_S와 I_R,Sp 사이의 미리 결정된 관계에 기초하여 이루어진다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서 더 많은 전력이 더 낮은 고정자 AC 주입 주파수에서 전송되어, 미리 결정된 관계가 f_S에 역 관계를 갖는 I_R,Sp를 나타내게 된다.

회전자 전류 설정점(I_R,Sp) 및 측정되거나 추정된 회전자 전류(I_R)는 게이트 구동 유닛(612)에 입력을 제공하는 비교기(610)에 공급되고, 입력은 회전자 전류가 회전자 전류 설정점과 정합하게 하기 위해 게이트 구동 유닛(612)에 의해 사용된다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 회전자 위상(φ_R)은 추정된 고정자 AC 주입 위상(φ_S)에 기초하여 고정자 AC 전압과 회전자 전압/전류 사이의 상대 위상을 증가시키거나 감소시키도록 조정된다. 상대 위상은 전송되는 전력의 양을 조정하고 따라서 회전자 전류를 조절한다.

게이트 구동 유닛(612)은 예를 들어, 트랜지스터 게이트 또는 트랜지스터 베이스 전압의 변조에 의해 능동 정류기 회로(602)의 스위칭 요소(예를 들어, 트랜지스터)를 제어한다.

이 예에서, 추정된 고정자 AC 전압(V_S)은 게이트 구동 유닛(612), 비교기(610) 또는 다른 회전자 로직 유닛에 직접 공급되지 않지만; 몇몇 구현예에서는, V_S가 또한 또는 대신에 능동 정류기 회로(602)의 요소를 제어하는 데 사용되는 로직 연산에 사용된다.

다양한 구현예에서, 이 예의 것들 이외의 다른 로직 연산이, 측정된 또는 추정된 회전자 전류 및/또는 고정자 전압에 의해 유도된 전압에 기초하여, 회전자 전류/전압이 특정 크기, 주파수, 위상 또는 다른 파라미터를 갖게 하는 데 사용될 수도 있다. 추정기 유닛은 측정된 또는 추정된 V_R 및 I_R 이외의 데이터를 입력으로 취할 수도 있고; 예를 들어, 이들 값을 측정하거나 추정하는 대신에 또는 추가로, 회전자 회로는 V_R 및/또는 I_R에서 극성 스위칭 이벤트를 검출하고 이들 이벤트에 기초하여 추정을 행할 수도 있다. 추가로, 예시적인 추정된 고정자측 파라미터(V_S, f_S, 및 φ_S) 이외에, 다른 고정자측 파라미터, 예를 들어 고정자 전류(I_S) 또는 고정자 전류/전압 극성 스위칭 이벤트가 추정될 수도 있다. 위상 고정 루프 방법은 회전자 주파수를 고정자 주파수에 동기화하고, 회전자 주파수의 특정 상대 위상을 설정하거나, 다른 회전자측 제어를 수행하는 데 사용될 수도 있다.

도 7a는 신호 구동 회전자 제어 방안에 사용되는 고정자측 전압의 예를 도시하고 있다. 고정자측 전력 전송 전압(700)은 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 바와 같이, 회전자 권선으로의 전력 전송을 수행하는 데 사용된다. 그러나, 전력 전송 전압(700)(예를 들어, 다양한 구현예에서, 동등하게 토크 제어 전압일 수 있음)에 추가로, 부가의 데이터 신호(702)가 고정자 권선 전압 내에, 이 예에서는(보편적이지는 않음) 전력 전송 전압(700)과 동일한 제어 가능한 축을 따라 임베드된다. 데이터 신호는 결과적인 회전자 전압 설정점(704)을 제어하기 위해 회전자 내의 검출기 유닛에 의해 사용된다. 이 예에서, 전력 전송과 데이터 신호 전송의 모두는 동기 기준 프레임 내의 D-축을 통해 수행되고, 양 결합은 동일한 회전자 권선(712)에 이루어진다. 그러나, 전술된 바와 같이, 이는 일반적으로 반드시 그럴 필요는 없다.

데이터 신호(702)는 데이터 신호(702)와 동일한 제어 가능한 축을 따라 또한 결합되는 전력 전송 전압(700)보다 상당히 더 높은 주파수를 갖도록 구성된다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서 전력 전송 전압 또는 토크 제어 전압은 100 Hz 내지 500 Hz의 주파수를 갖고, 데이터 신호는 1 kHz 내지 10 kHz의 주파수를 갖는다. 추가로, 데이터 신호의 주파수는 고정자 인버터의 스위칭 주파수의 2배 미만, 예를 들어 고정자 인버터의 스위칭 주파수의 1/10 미만일 수도 있다.

데이터 신호 및 전력 전송 신호는 토크 제어 신호 및 회전자의 기본 이동(예를 들어, 회전 주파수)과 특정 주파수 관계를 가질 필요는 없다. 예를 들어, 데이터 신호와 전력 전송 신호는 토크 제어 신호의 더 고차 고조파일 필요는 없다. 오히려, 구동 주파수(토크 제어 신호의 주파수)는 다른 신호(예를 들어, 전력 전송 신호 및 데이터 신호)의 주파수에 독립적일 수도 있고, 모터 동작 상태의 변화는 예를 들어 데이터 신호의 대응 변화에 반영될 필요는 없다. 예를 들어, 회전자 속도 변화는 토크 제어 속도 변화에 동시에 대응할 수 있고, 반면 데이터 신호 주파수 및/또는 전력 신호 주파수는 일정하게 유지될 수 있거나 또는 FM 데이터 전송을 위해 변조될 수 있다.

예를 들어, 제1 동작 모드 동안, 토크 제어 신호는 주파수(f₁)를 가질 수도 있고; 제2 동작 모드 동안, 토크 제어 신호는 f₁와는 상이한 주파수(f₂)를 가질 수도 있고; 양 동작 모드 동안의 데이터 신호 및/또는 전력 전송 신호는 일정한 주파수 또는 FM 데이터 전송을 수행하기 위해 일정한 주파수로부터 변조되는 주파수를 가질 수도 있다.

상이한 고정자-회전자 상호 작용의 이러한 결합 해제는 회전자측 회로 설계에 향상된 유연성을 제공하는데, 이는 회전자 동작 조건에 기초하는 신호 전송으로 제한될 필요가 없다.

도 7a의 예에서, 데이터 신호(702)는 이진 온/오프 데이터를 회전자 권선에 전송한다. 데이터 신호(702)가 온/활성일 때(예를 들어, 시간 길이(706) 동안), 회전자 전압 설정점(704)은 양으로 제어된다. 데이터 신호(702)가 오프/비활성일 때(예를 들어, 시간 길이(707) 동안), 회전자 전압 설정점(704)은 음으로 제어된다. 따라서, 데이터 신호(702)는 회전자 전압 설정점(704)(따라서 비이상성 및 스위칭 지연을 무시하고, 회전자 전압)이 90° 위상 지연을 갖는 전력 전송 전압(700)과 정합하는 주파수를 갖게 된다.

동작적으로, 도 7a의 예시적인 제어 방안은 회전자 내의 검출기 유닛에 고역 통과 또는 대역 통과 필터를 포함함으로써 구현될 수도 있어, 검출기 유닛이 전력 전송 전압(700)으로부터 데이터 신호(702)를 격리하고 이에 따라 회전자 전압 설정점(704)을 조정할 수 있게 된다.

도 7a의 예는 회전자 전압의 극성을 제어하기 위한 간단한 이진 데이터 전송을 포함한다. 그러나, 많은 다른 유형의 데이터가 여기에 설명된 방법을 사용하여 송신될 수도 있다. 예를 들어, 단순한 극성 정보 이외에도, 회전자 전류, 회전자 전압, 회전자 주파수 및/또는 회전자 위상에 대한 실제 설정점 값은 고정자측 데이터 신호의 적절한 구성 및 회전자측 검출기 유닛 및 다른 스위칭 및 로직 요소의 상보적 구성에 의해 송신될 수 있다. 데이터 신호는 다양한 포맷 중 하나 이상일 수도 있다. 예를 들어, 진폭 변조(AM) 및/또는 주파수 변조(FM)는 데이터 신호의 데이터를 고정자로부터 회전자로 전송하는 데 사용될 수도 있다.

도 7b는 도 7a의 예시적인 신호 구동 회전자 제어 방안을 구현하는 예시적인 토폴로지의 개략도를 도시하고 있다. 다른 정보 중에서 제어 정보를 인코딩할 수도 있는 데이터 신호는 고정자 권선(710) 내의 전압 내에 임베드되고 회전자 권선(712)에 대응 전압을 유도한다. 검출기 유닛(714)은 전체 회전자 전류(I_R)를 측정하고(다른 구현예에서, 다른 회전자 파라미터가 대신에 또는 부가적으로 측정될 수도 있음) 인코딩된 정보를 포함하는 데이터 신호를 나타내거나 표현하는 신호 전류를 전체 회전자 전류로부터 추출한다. 검출기 유닛(714)은 신호 전류에 기초하여 회전자 전압 설정점(V_R,sp)을 발생하기 위해 미리 결정된 로직을 채용한다. 회전자 전압 설정점(V_R,sp)은 능동 정류기(718)의 스위칭 요소를 제어하고, 특히 스위칭 요소가 회전자 전압을 회전자 전압 설정점(V_R,sp)과 동일하게 하기 위해 게이트 구동 유닛(716)에 의해 사용된다.

검출기 유닛(714)은 검출된 데이터 신호를 정확하게 추출 및 해석하고(즉, 인코딩된 정보를 디코딩함) 능동 정류기(718)를 제어하기 위해 게이트 구동 유닛(716)에 의해 이해될 것인 출력을 게이트 구동 유닛(716)에 제공하도록 구성된다. 이 검출기 유닛(714)은 검출된 회전자 전류 및/또는 전압으로부터 특정 유형의 신호를 추출하고 대응 출력을 제공하도록 구성된 아날로그 회로, 추출 및 출력을 수행하도록 프로그래밍된 구성 가능한 디지털 로직, 또는 이들 요소의 혼합을 통한 "하드코딩"을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 검출기 유닛(714)의 필터링 회로는 먼저 데이터 신호를 격리할 수도 있고, 검출기 유닛(714)의 아날로그 대 디지털 변환기는 데이터 신호를 디지털 데이터 스트림으로 변환할 수도 있고, 검출기 유닛(714)의 마이크로프로세서(예를 들어, 제어기)는 디지털 데이터 스트림을 분석하여 출력(예를 들어, 회전자 전압 주파수 설정점)을 얻고 출력을 게이트 구동 유닛(716)으로 통과시킬 수도 있고, 이 게이트 구동 유닛은 회전자 동작이 출력에 순응하게 하기 위해 필요한 스위칭 동작을 구현한다.

회전자 상의 마이크로프로세서는 예를 들어, 회전자 상의 하나 이상의 커패시터, 예를 들어 회전자의 능동 정류기에 포함된 하나 이상의 커패시터에 의해 전력 공급될 수도 있다. 이들 커패시터는 고정자에 의해 간접적으로 충전되기 때문에, 이들은 모터가 오프될 때 미충전 상태에서 시작하고, 따라서 마이크로프로세서도 또한 오프된다. 그러나, 몇몇 구현예에서, 능동 정류기는 커패시터가 충전되고 마이크로프로세서가 전력 공급되어 스위칭 동작을 제어하는 것이 가능할 때까지 수동적으로 작용한다. 이 기능과 연관된 특징은 도 20과 관련하여 더 상세히 설명된다.

마이크로프로세서는 대안적으로 또는 부가적으로 회전자 내에 또는 상에 포함된 전용 저전압 변압기, 예를 들어 회전자 상에 장착되고 전력 전송을 위해 또한 사용되는 제어 가능한 축에 결합하도록 배열된 부가의 코일에 의해 전력 공급될 수도 있다. 부가의 코일의 턴 카운트는 동작을 위해 마이크로프로세서에 의해 필요한 전압을 제공하도록 구성될 수도 있다. 따라서, 전력 전송 신호는 또한 마이크로프로세서에 별개의 전용 전력을 제공하여 능동 정류를 가능하게 한다.

몇몇 구현예에서, 마이크로프로세서는 대안적으로 또는 부가적으로 회전자 전원, 예를 들어 회전자 내에 포함된 배터리에 의해 전력 공급된다.

본 개시내용은 때때로 데이터 신호가 다른 신호에 "임베드"되는 것으로서 언급하지만, 몇몇 구현예에서는 데이터 신호(D/Q 공식에서)는 0이 아닌 신호에 "임베드"되지 않고, 오히려 주어진 제어 가능한 축을 따른 유일한 신호이다.

몇몇 구현예에서, 자체 동기화 및 신호 구동 제어 방안이 동시에 또는 서로 함께 사용된다. 예를 들어, 자체 동기화는 회전자 전압 주파수를 제어하는 데 사용될 수도 있고, 데이터 신호가 추출되고 해석되어 회전자 전류 설정점을 제어할 수도 있다.

집합적으로, 검출기 유닛(714), 게이트 구동 유닛(716), 및 능동 정류를 제어하는 데 관련된 임의의 다른 유닛 및/또는 회로(예를 들어, 도 6b에 도시되어 있는 비교기(610) 및 변환기 유닛(608))는 제어부에 기초하든지 또는 자체 동기화 방식이든지간에, 회전자 제어 유닛이라고 지칭될 수도 있다.

도 8은 도 5b의 능동 정류기에 전도성으로 결합된 회전자 권선에 대한 고정자측 및 회전자측 전류 및 전압의 예를 도시하고 있다. 구체적으로, 곡선(800)은 발생된 자기장에 기초하여 회전자 권선에 의해 감지된, 고정자로부터의 예시적인 D-축 전압(예를 들어, 또한 D-축 주입 전압이라고도 지칭되는 전력 전송 신호)을 나타내고; 곡선(802)은 능동 정류기에 의해 제어되는 바와 같은, 회전자 권선을 가로지르는 전압을 나타내고; 곡선(804)은 능동 정류기에 의해 제어되는 바와 같은, 회전자 권선을 통한 전류를 나타내고; 곡선(806)은 커패시터(508)를 가로지르는 전압을 나타내고 있다.

도 8에 도시되어 있는 바와 같이, D-축 전압(800)은 50% 듀티 사이클 구형파이다. 몇몇 구현예에서, D-축 전압(800)은 0 V에 중심 설정되지만; 몇몇 구현예에서, D-축 전압(800)은 토크 생성에 기여하고 고정자 상에 D-축 전류를 발생하는 DC 오프셋 전압을 포함한다.

이 예에서 회전자 전압(802)은 일반적으로 D-축 전압(800)을 반영하지만, 능동 정류기의 동작으로 인해 90°만큼 지연된다. 추가로, 회전자 전압(802)은 회전자 전압(802)의 각각의 기간에 걸쳐 음의 시퀀스(812)와 비교하여 회전자 전압(802)의 양의 시퀀스(810)를 단축하는 제로 시퀀스(808)를 포함한다(능동 정류기의 구성된 스위칭 패턴으로 인해).

일반적으로, 회전자 전압(802)과 D-축 전압(800) 사이의 위상은 능동 정류기의 특정 구성에 의존하고, 능동 정류기가 유발하도록 구성되는 임의의 값을 취할 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 주입 전압에 의한 전력 전송이 위상의 사인에 따라 변하기 때문에, 약 90°의 위상이 회전자 권선에 개선된 전력 전송을 제공한다. 이 주입 전압 각도를 명시적으로 제어하는 능력은 전력 전송을 최대화하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 또한 고정자와 회전자 사이의 전력 전송의 크기와 방향을 변조하는 데 사용될 수 있기 때문에, 수동에 비한 능동 정류의 다른 이점이다. 몇몇 구현예에서, 이 주입 각도를 제어하는 것은 고정자 및 회전자 상의 특정 반도체 디바이스의 우선적인 선택을 허용한다(예를 들어, 볼트-암페어 정격을 최소화함, 이는 비용을 실질적으로 절감할 수 있음).

제로 시퀀스로 인해, 회전자 전압(802)의 평균 값은 0 미만이어서, DC 전압 성분과 DC 전류 성분이 회전자 권선에 생성되게 된다. 몇몇 구현예에서, DC 전압 및 DC 전류는 제로 시퀀스를 반드시 포함할 필요 없이, 양의 시퀀스(810) 및 음의 시퀀스(812)에 대해 동일하지 않은 지속기간을 설정하는 능동 정류기로부터 발생한다. DC 전기 구성요소는 회전자 권선의 필드 발생 기능, 예를 들어 토크를 발생하기 위해 고정자 필드에 결합되는 필드의 발생에 대응한다.

회전자 전류(804)는 실질적으로 DC이고, 커패시터가 회전자 권선과 에너지를 교환할 때 커패시터 전압(806) 내의 리플에 대응하는 리플을 갖는다. 실질적으로 DC 회전자 전류(804)는 고정자에 대해 회전자를 이동시키기 위해 Q-축 고정자 전압에 의해 결합될 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 능동 정류로부터 발생하는 토크 및 전류 리플은 수동 정류로부터 발생하는 것들보다 작다.

본 개시내용의 다른 곳에서 설명된 바와 같이, 회전자의 수동 정류는 몇몇 경우에, 회전자 전류가 주입 사이클당 1회 0으로 구동되고 이어서 재충전되는 것을 요구할 수도 있다. 이 프로세스는 예를 들어, 수십 밀리초가 소요될 수도 있다. 이 시간은 주로 반발 토크가 더 작고 주로 릴럭턴스-구동 토크로 대체되기 때문에, 전달된 총 토크의 손실을 나타낸다. 본 개시내용에 설명된 바와 같이, 능동 정류 회전자 전류는 실질적으로 일정하기(모터의 정상 상태 동작을 위해) 때문에, 시간 경과에 따라 전달되는 총 토크가 증가된다.

몇몇 구현예에서, 리플 전류에 의해 발생된 와전류가 감소될 수도 있다. 회전자 전류가 더 일정하게 유지되기 때문에, 다른 모터 구성요소는 더 간단하게 또는 더 큰 공차를 갖고 설계될 수도 있다(예를 들어, 가변 릴럭턴스를 고려하지 않음). 회전자 전류에 대한 능동 제어는 회전자 필드에 저장된 에너지를 능동적으로 감소시키고, 회전자 필드가 의도적으로 그리고 능동적으로 그 강도를 감소시키고 모터를 더 저전력 모드가 되게 하도록 구현될 수도 있다. 대조적으로, 수동 시스템의 필드 에너지 감쇠는 동작 중에 쉽게 수정 가능하지 않은 시스템의 L/R 시간 상수에만 기초할 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 능동 필드 약화 동안, 회전자 전압이 고정자의 전압을 선행하도록 고정자와 회전자 사이의 주입 신호(예를 들어, 전압)의 각도를 조정함으로써 전력이 회전자로부터 고정자로 유도될 수 있다. 이는 회전자로부터 전력을 신속하게 소산시킬 수 있고, 뿐만 아니라 고정자 측에서 재생 또는 더 효과적인 열 소산과 같은 생산적인 목적으로 이 전력을 포획할 수 있다. 능동 필드 약화는 능동 정류기가 이에 따라 주입 각도를 시프트하게 하는 적절한 데이터 신호에 의해 발생할 수도 있다. 또한, 몇몇 경우에, 회전자가 고정자로부터 초과 전력(예를 들어, 회전자 권선(들)을 구동하고 회전자 회로를 전력 공급하는 데 필요한 것 초과)을 수신한다. 이에 응답하여, 회전자는 회전자 권선(들)을 통해 고정자 권선으로 전력을 다시 전송할 수 있다(예를 들어, 회전자 전압이 고정자의 전압을 선행하도록 고정자와 회전자 사이의 주입 신호(예를 들어, 전압)의 각도를 조정함으로써).

수동에 대조적으로, 능동 정류의 다른 장점은, 능동 정류 회로가 특정 동작 모드 하에서 회전자 권선의 극성을 스위칭하도록 구성될 수도 있다는 것이다. 예를 들어, 제1 방향으로 전류 흐름을 부과하는 능동 정류기는 제2 반대 방향으로 전류 흐름을 부과하도록 스위칭될 수도 있는 데, 몇몇은 때때로 수동 정류로는 가능하지 않다. 그 결과, 제어기(예를 들어, 제어기(104))는 예를 들어, 회전자의 극 수를 변경하도록 회전자를 재구성할 수 있다. 이러한 재구성 가능한 회전자에 관한 추가 상세는 그 전문이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는, 2021년 5월 13일자로 출원된 미국 가특허 출원 제63/188,374호에서 발견될 수 있다.

본 명세서에 개시된 다양한 실시예에서, 능동 정류기를 갖는 회전자는 하나 이상의 정류기, 하나 이상의 제어기, 및 하나 이상의 권선의 조직화를 기술하는 다양한 토폴로지를 가질 수도 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 각각의 회전자는 이하의 토폴로지 중 하나를 포함할 수도 있다: (1) 회전자는 회전자 권선당 하나의 능동 정류기 및 하나의 제어기(연관된 정류기를 제어하기 위해)를 포함한다; (2) 회전자는 권선당 단일 능동 정류기, 및 중앙 회전자 제어기(각각의 능동 정류기를 제어하기 위해)를 포함한다; (3) 회전자는 회전자 권선 및 중앙 회전자 제어기(중앙 능동 정류기를 제어하기 위해)에 의해 공유된 중앙 능동 정류기를 포함한다; (4) 권선의 그룹이 능동 정류기 및/또는 제어기(연관된 권선의 그룹의 정류기를 제어하기 위해)를 공유하는 제2 또는 제3 토폴로지의 하이브리드, 여기서 권선의 그룹은 유사한 극성의 권선이 능동 정류기 및/또는 제어기를 공유하기 위해 함께 그룹화되도록 형성될 수도 있다.

다축 전압 주입을 갖는 능동 정류

도 9는 능동 정류기(900)에 대한 다른 예시적인 토폴로지의 개략도를 도시하고 있다. 이하에 상세히 설명된 바와 같이, 능동 정류기(900)는 또한 2축 전압 주입이라고도 지칭되는 이중 축 전압 주입을 위해 구성될 수도 있다. 이 구현예에서, 제1 회전자 권선(902a)은 제1 능동 정류기 서브 회로(904a)에 의해 정류되고, 제2 회전자 권선(902b)은 제2 능동 정류기 서브 회로(904b)에 의해 정류된다. 제1 회전자 권선(902a) 및 제1 능동 정류기 서브 회로(904a)는 제2 회전자 권선(902b) 및 제2 능동 정류기 서브 회로(904b)에 병렬로 배선된다. 커패시터 네트워크(906)는 양 권선(902a, 902b) 및 양 능동 정류기 서브 회로(904a, 904b)에 병렬로 배선된다.

제1 회전자 권선(902a)과 제2 회전자 권선(902b)은 크기가 대략 동일하고 위상이 반대인(예를 들어, 그 사이에 180° 위상을 갖는 2개의 전압 파형) 각각의 D-축 전압 주입(예를 들어, 전력 전송 전압)을 수신한다. 이들 D-축 전압 주입은 예를 들어, 모터 제어기(104)에 의해 또는 고정자 권선 내의 전압 및 전류를 제어하는 다른 제어 유닛에 의해 설정된다. 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명되는 바와 같이, 도 9의 설명은 D-축 이외의 다른 제어 가능한 축 상에 전압 주입을 수신하는 회전자 권선을 동등하게 설명할 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 회전자 권선(902a, 902b)에 의해 수신된 D-축 전압 주입은 실질적으로 동일하고 반대이기 때문에, 제1 능동 정류기 서브 회로(904a)가 커패시터 네트워크(906)에 에너지를 전송하고 있을 때, 제2 능동 정류기 서브 회로(904b)는 커패시터 네트워크(906)로부터 에너지를 수신하고 있다. 반대로, 제1 능동 정류기 서브 회로(904a)가 커패시터 네트워크(906)로부터 에너지를 수신하고 있을 때, 제2 능동 정류기 서브 회로(904b)는 에너지를 커패시터 네트워크(906)에 전송하고 있다. 따라서, 커패시터 네트워크(906)에 전송되는 최대 총 순간 전력은, 단지 하나의 회전자 권선과 단지 하나의 능동 정류기 서브 회로만이 커패시터 네트워크(906)에 결합된 경우(동일한 D-축 전압 주입 패턴을 가짐)에 비교하여 감소된다. 이와 같이, 단일 정류기와 회전자 권선이 단일 커패시터에 결합되는 토폴로지에서보다 이러한 토폴로지에서 더 작은 커패시터가 사용될 수 있다.

도 10은 능동 정류기(900)의 일반적인 설계에 따른 능동 정류기(1000)의 실제 구현예를 도시하고 있다. 능동 정류기(1000)는 2개의 능동 정류기 서브 회로(1002a, 1002b)를 포함하는데, 이들 각각은 도 5b와 관련하여 설명된 바와 같이 풀 브리지 정류기이다. 능동 정류기 서브 회로(1002a, 1002b)는 공통 커패시터(1004)를 공유하고 각각의 회전자 권선(1006a, 1006b)에 결합된다. 각각의 능동 정류기 서브 회로(1002a, 1002b)는 복수의 스위치, 예를 들어 스위치(1008)를 포함한다.

정상 상태 모터 동작에서, 능동 정류기 서브 회로(1002a, 1002b)의 스위치(1008)는, a) 실질적으로 DC 전류가 능동 정류기 서브 회로(1002a, 1002b)에 결합된 각각의 회전자 권선 내에 유지되도록 그리고 b) 능동 정류기 서브 회로(1002a, 1002b)에 의해 커패시터(1004)로 전송된 각각의 전력이 180° 탈위상되도록 동작된다.

도 9 및 도 10의 예시적인 회로는 모터의 극 쌍 설계의 견지에서 해석될 수도 있다. 극 쌍은 고정자로부터 주어진 자속에 대한 노출에 대응한다. 회전자 권선(1006a)은 제1 극 쌍에 포함되고, 회전자 권선(1006b)은 제2 극 쌍에 포함된다. 고정자 전압 위상은 2개의 극 쌍으로부터의 권선이 180° 탈위상된 D-축 전압 주입을 볼 수 있도록 구성된다.

공통 커패시터 네트워크(예를 들어, 능동 정류기(900, 1000))로 동시에 에너지를 전달하고 그로부터 에너지를 회수하는 능동 정류기는 몇몇 구현예에서, 공통 커패시터에 전송되는 최대 총 순간 전력을 감소시킨다. 이와 같이, 별개의 정전용량이 별개의 권선에 대해 사용되는 경우 또는 상이한 전력 프로파일이 커패시터로/커패시터로부터 전달되는 경우에 비교하여, 능동 정류기 내의 필요한 총 정전용량이 감소된다. 몇몇 구현예에서, 총 공통 정전용량은 10배, 20배 이상만큼 감소될 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 단일 코일과 단일 커패시터에 속박된 정류기를 갖는 시스템에 비교하여 커패시터 전압 리플이 감소되어, 능동 정류기 내의 응력과 손실이 감소한다.

추가로, 몇몇 구현예에서, 회전자 전류 리플이 2개의 능동 정류기 서브 회로 사이에서 상당한 정도로 상쇄될 수도 있기 때문에, 토크 리플(예를 들어, 도 8에 도시되어 있는 회전자 전류 리플에 의해 표현되는 바와 같이)은 감소될 수도 있다. 토크 리플의 감소는 더 낮은 손실, 더 낮은 동작 소음, 및/또는 더 간단한 필요한 제어 방법을 유도할 수도 있다.

이 효과는 도 12, 도 16 및 도 19에 도시되어 있는 바와 같은 구현예와 같은, 상이한 필드 자속에 노출된 다수의 권선이 전도성 결합되는 본 개시내용의 구현예에서 유사하게 보여질 수도 있다. 각각의 주입은 토크 리플을 발생하지만, 동등한 위상 분리 축(예를 들어, 360°/n 위상 또는 인터리빙)은 토크 리플의 합이 상쇄되는 것을 의미한다.

도 11은 예시적인 능동 정류기(1000)의 정상 상태 동작에 대응하는 예시적인 회로 파형을 도시하고 있다. 곡선(1100)은 회전자 권선(1006a)을 통해 고정자로부터 제1 능동 정류기 서브 회로(1002a)로 전송되는 D-축 전력을 나타내고; 곡선(1102)은 회전자 권선(1006b)을 통해 회전자로부터 제2 능동 정류기 서브 회로(1002b)로 전송되는 D-축 전력을 나타내고; 곡선(1104)은 곡선(1100)과 곡선(1102)의 합(달리 말하면, 공통 커패시터(1004)에 전송된 총 전력)을 나타내고; 곡선(1106)은 커패시터(1006) 상의 전압을 나타내고 있다. 도 9 및 도 10에 관련하여 설명된 바와 같이, 곡선(1100, 1102)은 180° 탈위상되어 있고; 곡선(1100, 1102) 각각은 또한 도 8에 관련하여 설명된 바와 같이, 제로 시퀀스를 포함한다.

도 8 및 도 9에 관련하여 설명된 바와 같이, 능동 정류기(1000)의 구성과 능동 정류기(1000)에 그리고 내에서 전송되는 전기 신호 때문에, 커패시터 전력(1104)의 최대 순간 값은 감소된다. 추가로, 몇몇 구현예에서, 커패시터 전압(1106)의 리플은 감소되고, 그리고/또는 커패시터(1006)의 총 정전용량은 감소된다.

도 9 및 도 10의 예시적인 능동 정류기 회로 토폴로지, 및 그 대응 고정자측 전압 패턴은 공통 커패시터를 공유하고 n개의 각각의 D-축 전압에 의해 여자되는 n개의 결합된 회전자 권선의 경우로 일반화될 수 있다. n개의 D-축 전압은 서로로부터 이격되어 360°/n 위상차가 있고, 각각의 회전자 권선에 결합된 능동 정류기(또는 능동 정류기 서브 회로)는 또한 서로로부터 360°/n 위상차가 있는 신호에 의해 공통 커패시터에 전력을 전송한다. 따라서, 커패시터에 전송되는 피크 총 전력이 감소되고, 도 10 및 도 11에 관련하여 설명된 바와 같이 모터 동작 및 설계에 장점이 제공된다. 몇몇 구현예에서, n개의 D-축 전압이 서로 인터리빙된다.

도 9 내지 도 11은 n=2인 경우(즉, 이중 축 또는 2축 전압 주입을 가짐)의 회로 및 대응 신호의 예를 도시하고 있다.

n=3인 경우의 몇몇 구현예에서, 3개의 회전자 권선은 각각의 능동 정류기 서브 회로를 통해 그리고 공통 커패시터에 의해 서로 전도성 결합된다. 대응 고정자는 3개의 회전자 권선을 여자시키기 위해 3축 주입을 구현하고, 3개의 주입 축은 120° 이격하여 위상차가 있다. "3축 주입"은 고정자 및 회전자의 전체 구성을 나타내고, Q-축, D-축, 및 z-축과 같은 "제어 가능한 축"의 기술과 구별된다는 것을 주목하라.

도 12는 n개의 결합된 회전자 권선(1202)에 대한 예시적인 능동 정류기 회로(1200)의 개략도를 도시하고 있다. 각각의 회전자 권선(1202)은 대응 능동 정류기 서브 회로(1204)에 의해 능동적으로 정류되고, 능동 정류기 서브 회로(1204)는 서로 병렬로 배선되고 하나 이상의 커패시터를 포함하는 공통 커패시터 네트워크(1206)를 공유한다. 각각의 능동 정류기 서브 회로(1204)는 각각의 결합된 회전자 권선(1202)에서 전류의 능동 정류를 구현하고, 능동 정류는 n개의 능동 정류기 서브 회로(1204)에 의해 커패시터 네트워크(1206)로 전송된 전력이 360°/n도만큼 서로 탈위상되도록 이루어진다. 몇몇 구현예에서, 도 12에 도시되어 있는 각각의 회전자 권선은 회전자의 상이한 극 쌍으로부터 나온 것이고, 회전자 내에는 적어도 n개의 극 쌍이 있다. 몇몇 구현예에서, 전송된 전력은 서로 인터리빙된다.

다축 분할 코일 주입을 갖는 능동 정류

본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 바와 같이, 능동 정류는 스위치로서 작용을 하는 반도체 디바이스에 의해 구현될 수도 있다. 그러나, 몇몇 경우에, 반도체 디바이스(예를 들어, 도 5c의 스위치(504a-504d))는 비교적 높은 순간 전력 레벨에 노출될 수도 있다.

구체적으로, 몇몇 경우에, 능동 정류 회전자 권선 전류(예를 들어, 도 8의 곡선(804))는 비교적 큰 DC 성분과 비교적 작은 AC(리플) 성분을 포함한다. 한편, 몇몇 경우에, 능동 정류 회전자 권선 전압(예를 들어, 도 8의 곡선(802))은 비교적 큰 AC 성분과 비교적 작은 DC 성분을 포함한다. 회전자 권선 전압의 비교적 큰 AC 성분은 고정자 권선으로부터 회전자 권선으로 효과적인 전력 전송을 허용하고, 반면 회전자 권선 전압의 비교적 작은 DC 성분은 예를 들어, 회전자 권선 전압 신호 내로 도입된 제로 시퀀스에 의해 생성될 수도 있다.

전력은 전압 곱하기 전류(V×A)이기 때문에, 전류 및 전압의 각각의 AC 및 DC 성분이 분리되지 않으면, 큰 DC 전류 성분 및 큰 AC 전압 성분이 함께 능동 정류기에서 처리되는 평균 전력과 비교하여 능동 정류기 회로에 높은 피크 전력을 유도하는데, 이는 회전자 권선 DC 전압 곱하기 회전자 권선 DC 전류에 동일하다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 피크 전력은 평균 전력의 10배 초과이다. 이는 능동 정류기 회로의 구성요소(예를 들어, 반도체 디바이스)가 대응적으로 높은 전력 정격을 가져야 해서, 구성요소 크기를 증가시킨다는 것을 의미한다. 추가로, 몇몇 구현예에서, 높은 피크 전력은 대응적으로 높은 손실, 예를 들어 전도 손실을 나타낸다.

그러나, 몇몇 구현예에서, 능동 정류기(및 몇몇 구현예에서, 고정자측 전압)는 회전자 전류 및 전압의 AC 및 DC 성분이 분리되도록 구성된다. 따라서, 능동 정류기 회로 구성요소는 a) 비교적 큰 DC 전류와 비교적 작은 DC 전압, 또는 b) 비교적 작은 AC 전류와 비교적 큰 AC 전압을 전달한다. 이는 능동 정류기 회로 구성요소가 비교적 큰 DC 전류와 비교적 큰 AC 전압의 모두를 전달하는 설계와 비교하여, 각각의 구성요소를 가로지르는 피크 V×A가 감소되게 한다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 도 13 내지 도 16은 AC 및 DC 전류 및 전압 성분을 분리할 수 있는 각각의 능동 정류기 회로를 도시하고 있다.

도 13은 AC 및 DC 전류 및 전압 성분을 분리하는 예시적인 능동 정류기 회로(1300)를 도시하고 있다. 고정자로부터의 D-축 전력 전송 신호에 결합하여, 회전자 권선(1302)은 2개의 병렬 입력: 능동 정류기 서브 회로(1304) 및 저역 통과 필터(1306)로 종료된다. 이와 함께, 능동 정류기 서브 회로(1304)는 저역 통과 필터(1306)를 포함하는 회로(1300)의 "DC 측"으로부터 회로(1300)의 "AC 측"(회전자 권선(1302)을 포함하는 AC 측)을 격리한다. 커패시터(1310)는 능동 정류 프로세스 동안 에너지를 저장하고 회전자 권선 전류의 리플을 평활화한다.

능동 정류기 서브 회로(1304)는 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 바와 같이, 예를 들어 고정자 권선으로부터 회전자 권선에서 수신된 데이터 신호에 기초하여 스위칭하는 하나 이상의 능동 스위치를 포함하는 풀 브리지 또는 비대칭성 브리지에 의해 구현될 수도 있다.

몇몇 구현예에서, 회로(1300)의 DC 측의 구동기 회로(1308)는 DC 전기 구성요소가 커패시터(1310)와 개별적으로 제어될 수 있게 하는데, 예를 들어 커패시터(1310)에 대한 제1 전압과 회로(1300)의 DC 측의 제2 상이한 DC 전압을 유지할 수 있게 한다.

동작시에, 능동 정류기 서브 회로(1304)는 회전자 권선(1302) 상에 실질적으로 AC 전류(1312)를 부과하여, 능동 정류기 서브 회로(1304) 내의 반도체 디바이스가 더 낮은 전류 응력에 노출되게 된다. DC 전류(1314)는 능동 정류기 서브 회로(1304)로부터 저역 통과 필터(1306)를 통해 회전자 권선(1302)으로 전송되고, 이 DC 전류(1314)는 Q-축 자기장과 결합하여 회전자 상에 기전력을 생성한다.

몇몇 구현예에서, 저역 통과 필터(1306)의 입력 포트(1316)에서의 입력 임피던스는 D-축 주입 주파수(예를 들어, 고정자로부터의 D-축 전력 전송 전압 주입 신호의 주파수)에서 높고; 그렇지 않으면, 고정자와 회전자 사이의 전력 전송이 부정적인 영향을 받을 수도 있는데, 예를 들어 입력 포트(1316)를 가로질러 효과적으로 단락될 수도 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 입력 포트(1316)에서의 입력 임피던스는 고정자 D-축 누설 인덕턴스 및 회전자 누설 인덕턴스를 포함하여, 시스템 내의 총 누설 인덕턴스의 임피던스보다 높고, 이는 전력 전송을 증가시킬 수도 있다. 시스템은 총 누설 인덕턴스와 입력 임피던스 사이의 전압 분배기로서 이해될 수 있다.

고정자 D-축 누설 인덕턴스는 고정자 권선에 직렬인 누설 인덕턴스와 고정자 권선에 병렬인 누설 인덕턴스의 조합으로서 표현될 수도 있고; 회전자 누설 인덕턴스는 적어도 회전자 권선과 직렬인 누설 인덕턴스를 포함한다.

본 개시내용 전반에 걸쳐 설명되는 바와 같이, 도 13의 설명은 D-축 이외의 다른 제어 가능한 축 상에 전압 주입을 수신하는 회전자 권선을 동등하게 설명할 수도 있다.

능동 정류기 회로(1300)의 하나의 특정 예가 도 14에 도시되어 있다. 이 예시적인 능동 정류기 회로(1400)에서, 인덕터(1402)는 저역 통과 필터링을 구현하고; 도 13 및 도 14의 구현예는 그렇지 않으면 본 명세서에 설명된 임의의 차이점을 제외하고는 실질적으로 유사하다.

인덕터(1400)는 효율적인 저역 통과 필터링을 구현하기 위한 에너지의 1차 저장소로서 작용하기 위해, 시스템의 총 누설 인덕턴스의 임피던스보다 상당히 더 큰(예를 들어, 적어도 약 10배 더 큼) 인덕턴스를 갖는다.

도 15는 저역 통과 필터링 메커니즘이 누설 인덕턴스의 적절한 선택에 의해 회로 설계에 매립되어 있는 능동 정류기 회로(1500)의 예시적인 구현예를 도시하고 있다. 구체적으로, 제1 회전자 권선(1502)은 능동 정류기 서브 회로(1504)에 의해 종료되고, 제2 회전자 권선(1506)은 능동 정류기 서브 회로(1504)의 DC 출력에 의해 종료된다(몇몇 구현예에서, 개입 구동기 회로(1505)를 가짐). 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 바와 같이, 커패시터 네트워크(1508)는 능동 정류 프로세스 동안 에너지를 저장하고 방출한다.

2개의 회전자 권선(1502, 1506)은 몇몇 구현예에서, 서로 나란히 권취되는데, 예를 들어 동일한 회전자 극 주위에 권취되어, 2개의 회전자 권선(1502, 1506)은 고정자로부터 동일한 D-축 전압에 노출되게 된다(극 쌍에 포함됨).

제1 회전자 권선(1502)과 제2 회전자 권선(1506)은, 도 15에 이산 구성요소로서 도시되어 있지만, 몇몇 구현예에서, 각각의 회전자 권선(1502, 1506)의 설계에 매립되어 있는 각각의 누설 인덕턴스(1510, 1512)에 의해 각각 특징화된다. 예를 들어, 누설 인덕턴스는 고정자와 회전자 사이의 공기 간극의 길이와 폭(들)에 의해, 회전자 및/또는 고정자 극의 형상에 의해, 극 슬롯의 구성에 의해, 또는 이들 요소의 조합에 의해 결정될 수도 있다. 제2 회전자 권선(1506)의 누설 인덕턴스(1512)는 제1 회전자 권선(1502)의 누설 인덕턴스(1510)보다 상당히 크다(예를 들어, 적어도 약 10배 더 큼). 제2 회전자 권선(1406)의 누설 인덕턴스(1512)는 또한 총 고정자측 D-축 누설 인덕턴스보다 상당히 크다(예를 들어, 적어도 약 10배 더 큼).

본 개시내용 전반에 걸쳐 설명되는 바와 같이, 도 15의 설명은 D-축 이외의 다른 제어 가능한 축 상에 전압 주입을 수신하는 회전자 권선을 동등하게 설명할 수도 있다.

도 16은 AC 및 DC 전류 및 전압 성분을 분리하는 능동 정류기 회로(1600)의 예시적인 구현예를 도시하고 있다. 이 구현예에서, 제1 회전자 극은 제1 AC 회전자 권선(1602a) 및 제1 DC 회전자 권선(1604a)에 의해 여자된다. 제2 회전자 극은 제2 AC 회전자 권선(1602b) 및 제2 DC 회전자 권선(1604b)에 의해 여자된다. 회전자 권선의 쌍(1602a, 1604a 및 1602b, 1604b)은 각각의 상이한 회전자 극 주위에 각각 권취되는데, 예를 들어 자기 재료의 각각의 부분 주위에 원주방향으로 권취된다. 동일한 필드 자속에 노출되어, 권선(1602a, 1604a)은 제1 극 쌍에 포함되고, 권선(1602b, 1604b)은 제2 극 쌍에 포함된다.

제1 쌍의 회전자 권선(1602a, 1604a)은 제1 고정자측 D-축 전압(1605a)에 의해 여자되고, 제2 쌍의 회전자 권선(1602b, 1604b)은 제2 고정자측 D-축 전압(1605b)에 의해 여자된다. 몇몇 구현예에서, 2개의 D-축 전압(1605a, 1605b)은 역 극성을 갖고, 예를 들어 도 9 내지 도 11에 관련하여 설명된 바와 같이 서로 위상이 180° 탈위상된다.

AC 회전자 권선(1602a, 1602b)은 그 각각의 D-축에 대해 반대 극성으로 직렬로 전도성 결합된다(예를 들어, 권선의 권취 방향은 서로 반대이거나, 권취 방향은 동일한 방향이지만 권선 사이의 전기 결합은 권선 단부를 연결하여 극성이 반대가 되게 됨).

AC 회전자 권선(1602a, 1602b)의 나머지 노드(예를 들어, AC 회전자 권선(1602a, 1602b)을 서로 직렬로 결합하지 않는 노드)는 능동 정류기 서브 회로(1606)의 입력(1612)에서 종료된다. 능동 정류기 서브 회로(1606)는 커패시터 네트워크(1608) 및 드라이버 서브 회로(1610)에 전도성 결합된다.

DC 회전자 권선(1604a, 1604b)은 그 각각의 D-축에 대해 정합 극성을 갖고 직렬로 전도성 결합된다. 이 직렬 결합 이외에, DC 회전자 권선(1604a, 1604b)은 또한 드라이버 서브 회로(1610)의 출력(1614)에 결합된다.

이 예시적인 회로(1600)는 반대 극성의 D-축 전압과 조합하여, 회전자 권선 전압 및 전류의 AC 및 DC 성분의 효과적인 분리를 구현한다. 먼저, 능동 정류기 서브 회로(1606)는 AC 회전자 권선(1602a, 1602b) 내에 AC 전압 및 전류를 부과하고; 이들 AC 신호 성분은 고정자-대-회전자 전력 전송을 수행한다. 추가로, AC 회전자 권선(1602a, 1602b)이 반대 극성을 갖고 직렬로 배선되어 있지만, 인가된 D-축 전압은 또한 반대 극성을 가져, AC 회전자 권선(1602a, 1602b) 내의 각각의 전압이 보강적으로 추가되게 된다. 따라서, 능동 정류기 서브 회로(1606)의 입력(1612)에서의 총 AC 전압은 각각의 AC 회전자 권선(1602a, 1602b) 내의 AC 전압의 피크 진폭의 2배를 갖는다.

둘째, DC 회전자 권선(1604a, 1604b)이 정합 극성을 갖고 직렬로 배선되기 때문에, 이들 권선(1604a, 1604b) 내의 AC 성분은 서로 상쇄된다. 드라이버 서브 회로(1610)(능동 정류기 서브 회로(1606) 및 커패시터 네트워크(1608)에 전도성 결합되어 그로부터 에너지를 인출함)로부터 출력된 DC 전압은 DC 회전자 권선(1604a, 1604b)을 통해 DC 전류를 제공하고; 이 전류는 고정자로부터의 Q-축 전압에 결합되어 회전자를 이동시킨다. 이 구현에서, 이산 인덕터가 요구되지 않는다. 따라서, 도 13의 구현에 비교하여 회로 비용 및/또는 크기가 감소될 수도 있다.

몇몇 구현예에서, DC 회전자 권선(1604a, 1604b)은 AC 회전자 권선(1602a, 1602b)보다 높은 턴 카운트를 갖는다. 이는 권선 단자 전압의 증가(V/턴을 유지하면서) 및 권선 단자 전류의 감소(A×턴을 유지하면서)를 촉진할 수도 있다. 따라서, 드라이버 서브 회로(1610) 상의 전류 및 전압 응력이 감소될 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 드라이버 서브 회로는 포함되지 않고, DC 회전자 권선(1604a, 1604b)은 커패시터 네트워크(1508)에 직접 전도성 결합된다.

턴 비는 회로(1600)의 AC 측과 회로(1600)의 DC 측의 피크 전압이 동일하거나 대략 동일하도록(예를 들어, 서로의 50% 이내, 서로의 25% 이내, 또는 서로의 10% 이내) 구성될 수 있다. 이는 능동 정류기 서브 회로(1606) 및 드라이버 서브 회로(1610)에서 상당한 전압 스텝 다운(또는 스텝 업)을 수행할 필요성을 제거할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 턴 비는 이들 피크 전압을 제공하는 턴 비와는 상이하다.

더욱이, AC 및 DC 전기 성분이 분리되기 때문에, 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 바와 같이 피크 커패시터 전력이 감소되고, 필요한 커패시터 크기, 비용 및/또는 전력 정격의 대응 감소를 갖는다.

회로(1600)는 AC 및 DC 전기 성분의 효과적인 분리 뿐만 아니라 또한 대응적으로, 전력 전송 및 필드 발생 기능의 효과적인 분리도 구현한다. 고정자로부터 회전자로의 전력 전송은 AC 회전자 권선을 통해 달성되고, 반면 토크를 발생하기 위해 고정자 발생 필드에 결합되는 필드의 발생은 DC 회전자 권선을 통해 달성된다.

몇몇 구현예에서, 다축 주입은 별개의 고정자 권선 세트에서 공통 모드(CM) 및 차동 모드(DM) 고정자 여자의 분리에 의해 구현된다. CM 고정자 여자 필드는 저주파수, 예를 들어, DC이다. 고정자 CM 코일은 CM 전류를 강제하기 위해 직렬로 결합될 수도 있다. DM 필드는 예를 들어 정현파형, 사다리꼴 또는 톱니형과 같은 중간 또는 고주파 필드(예를 들어, CM 필드보다 더 높은 주파수)이다. 고정자 DM 코일은 예를 들어, 스타 또는 델타 구성과 같은 다양한 배열로 연결될 수도 있다. CM 및 DM 필드 발생은 또한 예를 들어 고정자 코일 기하학 형상의 수정과 같은 다른 방법에 의해 구현될 수도 있다.

몇몇 구현예에서, CM 및 DM 고정자 여자가 3상 고정자 주입 및 2축 주입과 함께 사용된다.

본 개시내용 전반에 걸쳐 설명되는 바와 같이, 도 16의 설명은 D-축 이외의 다른 제어 가능한 축 상에 전압 주입을 수신하는 회전자 권선을 동등하게 설명할 수도 있다.

도 17a 내지 도 17c는 능동 정류기(1600)에 대한 시간 의존적 전압 및 전류 값의 예를 도시하고 있다. 도 17a에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 D-축 전압(1700a)(도 16의 D-축 주입(1605a)에 대응)과 제2 D-축 전압(1700b)(도 16의 D-축 주입(1605b)에 대응)은 360°2 = 180° 탈위상된다.

도 17b에 도시되어 있는 바와 같이, AC 회전자 권선(1602a, 1602b)은 반대 극성을 갖고 직렬로 배선되기 때문에, 탈위상 D-축 전압(1700a, 1700b)은 상쇄되지 않고; 오히려, 능동 정류기 서브 회로(1606)는 능동 정류기 서브 회로(1606)의 입력(1612)에서의 전압에 대응하는 AC 회전자 권선(1602a, 1602b)으로부터의 순 전압(1702)이 D-축 전압(1700a, 1700b)의 피크 진폭의 2배를 갖고 50% 듀티 사이클 구형파가 되게 한다.

사다리꼴 AC 전류(1704)는 권선(1602a, 1602b)을 포함하는 유도 시스템 내의 2개의 입력 구형파 전압의 조합으로부터 발생한다.

도 17c에 도시되어 있는 바와 같이, DC 회전자 권선(1604a, 1604b)을 통한 전류(1706)는 실질적으로 DC인데, 이는 AC 회전자 권선(1602a, 1602b)으로부터의 신호가 능동 정류기 서브 회로(1606)에 의해 정류되기 때문이고, 정합 극성을 갖는 DC 회전자 권선(1604a, 1604b)의 직렬 배선이 DC 회전자 권선(1604a, 1604b)으로부터의 반영된 AC 전압이 상쇄될 수 있게 하기 때문이다. 마찬가지로, 드라이버 서브 회로(1610)의 출력(1614)에서의 전압에 대응하는 DC 회전자 권선(1604a, 1604b)으로부터의 순 전압(1708)은 또한 실질적으로 DC이다.

전류 및 전압의 AC 및 DC 성분이 분리되기 때문에, 반도체 구성요소의 피크 전력이 감소되어, 몇몇 구현예에서, 감소된 구성요소 크기 및 비용과 감소된 손실을 유도한다.

추가로, 도 16의 구현에서(그리고 도 19에 관련하여 설명된 바와 같이, 2개 초과의 주입 축을 갖는 구현예의 경우), 다수의 주입 축에 대응하는 권선이 능동 정류기 서브 회로(1606)를 공유하기 때문에, 총 반도체 구성요소 카운트가 감소될 수도 있어, 몇몇 구현예에서 기생 손실을 대응적으로 감소시킨다.

또한, 몇몇 구현예에서, 능동 정류기 서브 회로(1606)의 입력(1612)에서의 DC 전류는 0 또는 대략 0이기 때문에, 그리고 도 17b에 도시되어 있는 바와 같이 전류가 이 입력(1612)에서 전압을 선행하기 때문에, 능동 정류기 서브 회로(1606) 내의 소프트 스위칭을 위해 요구된 회로는 감소될 수도 있다. 선행 전류(예를 들어, 전류(1704))는 전압이 고로부터 저로 또는 저로부터 고로 스위칭함에 따라 능동 정류기 서브 회로(1606) 내의 정전용량을 충전하여, 능동 정류기 서브 회로(1606)의 스위치 내의 전류 스파이크를 감소시킨다.

도 18은 능동 정류기 서브 회로(1606), 커패시터 네트워크(1608), 및 드라이버 서브 회로(1610)를 구현하는 예시적인 회로(1800)를 도시하고 있다. 직렬 배선된 AC 회전자 권선(1602a, 1602b)은 AC 입력(1802)에서 종료된다. 2개의 다이오드(1804) 및 2개의 스위치(1806)(예를 들어, D-축 전압에 임베드된 데이터 신호에 기초하여 제어되는 스위치(1806))는, 이 구현예에서는 2개의 커패시터(1810)를 포함하는 커패시터 네트워크(1808)를 사용하여 AC 신호의 능동 정류를 구현한다.

다른 다이오드(1812) 및 다른 스위치(1814), 드라이버 서브 회로는 결합된 DC 권선(예를 들어, DC 권선(1604a, 1604b))이 커패시터로부터 DC 권선의 결합/결합 해제에 의해, 예를 들어 커패시터 네트워크(1608) 상의 전압과 같은, 커패시터 네트워크 전압과 독립적으로 제어될 수 있게 한다. 드라이버 서브 회로의 부재시에, DC 권선 전압은 커패시터 전압과 동일하다. 드라이버 서브 회로에 의해, 큰 전압이 커패시터 네트워크 상에 유지되어, 전력 전송에 유익할 수도 있다.

도 16 내지 도 18에 관련하여 설명된 예시적인 구현예는 2개 초과의 D-축 주입 축으로 확장될 수 있다. 몇몇 구현예에서, n개의 D-축 주입 축은 n개의 대응하는 쌍의 AC 회전자 권선 및 DC 회전자 권선을 여자한다. AC 회전자 권선은 교대 극성으로 직렬로 배선되고, DC 회전자 권선은 정합 극성으로 직렬로 배선된다. AC 회전자 권선은 델타 구성(예를 들어, 도 19에 도시되어 있는 바와 같이)의 공통 능동 정류기 서브 회로 및 공통 커패시터 네트워크에 전도성 결합되어, DC 전류가 DC 회전자 권선으로 출력되게 된다.

몇몇 구현예에서, n개의 D-축 전압 합은 0 또는 대략 0이고; 예를 들어, 몇몇 구현예에서, n개의 D-축 전압은 360°/n만큼 서로 탈위상된 정합 신호이다. 추가로, 몇몇 구현예에서, 능동 정류기 서브 회로에 의해 AC 회전자 권선에 인가되는 전압의 합은 0 또는 대략 0이다. 몇몇 구현예에서, AC 회전자 권선에 인가되는 전압은 인터리빙된다.

도 19는 3개의 쌍의 회전자 권선을 여자하기 위해 3축 주입을 사용하는 예시적인 능동 정류기(1900)를 도시하고 있다. 특히, 3개의 AC 회전자 권선(1902a, 1902b, 1902c)은 그 각각의 D-축에 대해 반대 극성을 갖고 직렬로 함께 배선되고, 3개의 DC 회전자 권선(1904a, 1904b, 1904c)은 그 각각의 D-축에 대해 정합 극성을 갖고 직렬로 함께 배선된다. 3축 고정자측 D-축 전압 주입(1905a, 1905b, 1905c)은 서로 360°/3 = 120° 탈위상된다.

몇몇 구현예에서, 권선(1902a, 1904a)은 제1 극 쌍에 포함되고, 권선(1902b, 1904b)은 제2 극 쌍에 포함되며, 권선(1902c, 1904c)은 제3 극 쌍에 포함된다.

이 구현예에서, 그리고 본 개시내용에 설명된 다른 AC/DC 분리 회로의 경우, 극 쌍의 수는 고정자 위상 및/또는 축의 수와 동일할 필요는 없다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 회전자는 기존 고정자 위상 및/또는 축보다 더 많은 극 쌍을 포함한다. 몇몇 구현예에서, 회전자는 기존 고정자 위상 및/또는 축보다 더 많은 극 쌍을 포함하고, 회전자 극 쌍 중 적어도 몇몇은 병렬로 권취된다.

6개의 스위치(예를 들어, 스위치(1906))는 능동 정류 동안 에너지를 저장하는 커패시터(1908)로, AC 회전자 권선(1902a, 1902b, 1902c)을 통해 전류의 능동 정류를 구현한다.

본 개시내용 전반에 걸쳐 설명되는 바와 같이, 도 19의 설명은 D-축 이외의 다른 제어 가능한 축 상에 전압 주입을 수신하는 회전자 권선을 동등하게 설명할 수도 있다.

도 19의 예시적인 능동 정류기는 n > 2를 갖는 능동 정류기의 다른 예와 함께, 도 16 내지 도 18의 n=2 경우와 관련하여 설명된 장점 중 몇몇 또는 모두를 가질 수도 있다. 예를 들어, AC 및 DC 성분이 효과적으로 분리되기 때문에, 피크 전력 요구가 감소되어, 구성요소 중량, 크기 및/또는 비용을 감소시킨다. 능동 정류기 회로의 손실이 감소될 수도 있다. 총 구성요소의 수가 감소될 수도 있다. 총 커패시터 비용 및/또는 크기가 감소될 수도 있다.

추가로, 도 5a 및 도 5b, 도 9 및 도 10, 도 12 내지 도 16, 및 도 19의 예시적인 능동 정류기를 포함하여, 본 개시내용에 설명된 다양한 능동 정류기는 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 능동 정류의 장점 중 몇몇 또는 모두를 제공할 수도 있다. 예를 들어, 능동 정류는 감소된 토크 리플 및 증가된 전력 효율을 제공할 수도 있다.

전압 거버너(governor)를 갖는 능동 정류기 회로

전술된 바와 같이, 몇몇 구현예에 따른 능동 정류기는 궁극적으로 고정자로부터 전력을 얻기 때문에, 이들은 전력 미공급 상태에서 모터 동작을 시작한다. 예를 들어, 스위칭 동작을 제어하는 데 필요한 에너지가 존재하지 않고, 예를 들어 능동 정류기 내의 커패시터가 미충전되거나 전력이 변압기로서 작용하는 전용 회전자 권선에 의해 아직 전송되지 않기 때문에, 모터 동작의 시작시에 능동 스위칭 동작을 수행하는 것이 가능하지 않을 수도 있다. 능동 제어의 결여로 인해, 과전압이 회로 구성요소를 손상시키거나 회전자 기능을 방해할 수도 있다.

이러한 과전압 및 다른 전압 스파이크(예를 들어, 스위칭 주파수에서의 과도 전압)를 방지하거나 감소시키기 위해, 몇몇 구현예에서 능동 정류기는 전압 거버너를 포함한다. 도 20a는 예시적인 비대칭성 브리지 능동 정류기 회로(2000)의 개략도를 도시하고 있다. 노드(2002)의 회전자 권선은 회로(2000)의 수동 구성요소와 함께, 능동 정류를 구현하는 다이오드(2004) 및 2개의 능동 제어 스위치(2006)에 결합된다. 수동 구성요소의 상이한 배열 및 조합을 포함하여, 전압 거버너를 포함하는 회로의 다른 구성이 또한 구현될 수도 있다.

회로(2000)의 스위치에 의해 보여지는 최대 전압은 커패시터(2008)에 걸친 전압이다. 능동 게이트 제어의 부재시에, 능동 제어 스위치(2006)는 구현예에 따라, 개방, 폐쇄 및/또는 부동 구성으로 미제어되고, 어느 경우든 전류를 능동적으로 정류하기 위해 동기식으로 스위칭하지 않는다. 도 20a의 예에서, 능동 제어 스위치(2006)는 개방된 상태로 유지된다.

커패시터 전압(2008)을 제어하고 능동 게이트 제어의 부재시에 미리 결정된 최대값을 초과하는 것을 방지하기 위해, 회로(2000)는 거버너 스위치(2010)에 걸친 전압이 최대값을 초과하는 경우 회전자 권선을 단락시키는 거버너 스위치(2010)를 포함한다. 거버너 스위치(2010)는 외부 제어기 또는 게이트 드라이버에 의존하지 않는 트랜지스터 및/또는 수동 구성요소의 혼합을 포함할 수도 있다.

몇몇 능동 정류 구현예에서, 능동 정류기 내의 스위치는 전력 미공급 상태에 있을 때, 스위치가 수동적으로 작용하도록 구현될 수도 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서 바이폴라 접합 트랜지스터는 능동 제어의 부재시에 2개의 단자를 가로질러 전류를 정류한다. 따라서, 모터 시동시, "능동 정류기"는 능동 제어가 이용 가능해질 때까지 수동 정류기로서 작용을 한다.

도 20b는 예시적인 능동 정류기(2000) 및 전압 조절이 없는 다른 능동 정류기 회로(도시되어 있지 않음)의 과도 동작에 대응하는 예시적인 회로 파형을 도시하고 있다. 곡선(2020)은 회로(2000)에 포함된 거버너 스위치(2010)로 커패시터(2008)에 걸친 전압을 나타내고; 곡선(2022)은 회로(2000) 내의 거버너 스위치(2010)의 온/오프 상태를 나타내고; 곡선(2024)은 거버너 스위치의 부재시에 커패시터(2008)에 걸친 전압을 나타내고 있다. 거버너 스위치(2010)의 부재시에, 커패시터(2008)에 걸친 전압은 연속적으로 상승하여, 가능한 과전압을 유발하는 것으로 보인다(커패시터(2008)에 걸친 전압은 결국 반영된 버스 전압에 도달하게 될 것임). 대조적으로, 곡선(2020)은 최대값으로 한정된다.

능동 스위칭의 부재시에 능동 정류기 과전압을 방지하기 위한 전압 거버너 및 능동 정류기 회로 토폴로지의 다른 구현예가 또한 본 개시내용의 범주 내에 있다.

여기에 설명된 구성요소 및 서브 회로 이외에, 회전자 권선에 결합된 능동 정류기는 다른 구성요소를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 능동 정류기는 회로 파라미터, 예를 들어, 커패시터 전압 및/또는 회전자 전류를 측정하고 몇몇 구현예에서, 본 개시내용에 명시적으로 설명된 것들 이외의 제어 기능을 수행하기 위한 아날로그 및/또는 디지털 구성요소를 포함한다. 몇몇 구현예에서, 능동 정류기는 예를 들어 회전자 내에서, 회전자와 고정자 사이에서, 또는 회전자와 다른 제어기 구성요소 사이에서 아날로그 및/또는 디지털 신호를 교환하기 위한 하나 이상의 통신 디바이스를 포함한다.

본 개시내용의 다양한 구현예는 D-축 결합에 관련하여 설명되었다(예를 들어, 도 6 내지 도 19와 관련하여 설명된 구현예). 그러나, 모터 내에 존재할 수도 있는 제어 가능한 축 중 어느 하나 이상을 따라, 예를 들어 Q-축을 따라 또는 설정될 수도 있는 다른 축을 따라 결합을 위한 등가 구현예가 본 개시내용의 범주 내에 있다.

능동 정류 회로를 위한 모터 구조

도 21a 및 도 21b는 능동 정류 회전자(2101)를 포함하는 모터(2100)의 예시적인 기계적 구현예를 도시하고 있다. 인쇄 회로 기판(PCB)(2102)은 회로 요소(2104), 예를 들어 아날로그 회로 요소, 디지털 회로 요소, 수동 회로 요소, 능동 회로 요소, 및/또는 능동 정류기 및 회전자 제어 유닛의 집적 회로를 포함한다. PCB(2102)는 회전자(2101)의 코어(2106) 상에 축방향으로 배열되고 상호 연결부(2110), 예를 들어 와이어 또는 케이블에 의해 회전자 권선(2108)에 전도성 연결된다. PCB(2102)는 모터 액슬이 통과할 수도 있는 구멍(2112)을 형성한다.

몇몇 구현예에서, 도 21b에 도시되어 있는 바와 같이, PCB(2102)는 PCB(2102)를 제자리에 고정하는 인클로저(2114) 내에 배치된다.

능동 정류기 회로를 위한 다른 구성 및 배치가 또한 가능하다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서 능동 정류기 회로는 회전자 상에 축방향이 아닌 반경방향으로 배치되는 PCB 내에 포함된다. 몇몇 구현예에서, 능동 정류기의 일부는 회전자의 다수의 영역 전반에 걸쳐, 예를 들어 회전자 코어의 2개의 대향 축방향 표면 상에 분산된다.

도 21c 내지 도 21f는 도 3의 전기 기계(300)와 같은, 모터에 사용을 위한 능동 정류 회전자(2120)의 다른 예시적인 기계적 구현예를 도시하고 있다. 더 구체적으로, 회전자(2120)는 회전자(2120)의 회전자 샤프트(2124)에 통합된 능동 정류기 조립체(2122)를 포함한다. 도 21c는 회전자(2120)의 축방향 도면이고; 도 21d는 도 21c의 축방향 도면의 라인 A-A를 따라 취한 단면도이고; 도 21e는 능동 정류기 조립체(2122)의 사시도이고; 도 21f는 회전자(2120)의 분해도이다. 도 21c를 참조하면, 회전자(2120)는 6개의 회전자 권선(2126)을 포함한다. 도 21d를 참조하면, 회전자 샤프트(2124)는 회전자(2120)에 고정식으로 결합되어 회전자 샤프트(2124)는 회전자(2120)와 함께 회전하게 된다. 회전자 샤프트(2124) 및 회전자(2120)는 회전자(2120)를 통합하는 전기 기계의 고정자에 대해 회전식으로 고정된 고정 부분을 갖는 베어링(2128)을 중심으로 회전한다. 회전자 샤프트(2124)는 샤프트 하우징에서 캡 또는 리테이너(2132)의 제거 및 부착을 통해 선택적으로 접근 가능한 공동(2130)을 더 포함한다. 공동(2130)은, 능동 정류기 조립체(2122)가 또한 회전자(2120)에 고정식으로 결합되도록(예를 들어, 접착제, 마찰, 캡(2132), 키, 시트, 리테이너 또는 다른 물리적인 부착용 메커니즘 등을 통해) 능동 정류기 조립체(2122)를 수용하고 유지한다. 이에 따라, 능동 정류기 조립체(2122)는 회전자(2120) 및 회전자 샤프트(2124)에 대해 회전식으로 고정되어, 능동 정류기 조립체(2122)는 회전자(2120) 및 회전자 샤프트(2124)와 함께 회전하게 된다.

도 21e를 참조하면, 능동 정류기 조립체(2122)는 본체(2134), 커패시터 및 캡 또는 하우징(2136)을 포함하는 카트리지를 형성한다. 도 21f의 분해도에서, 능동 정류기 및 회전자 제어 유닛의 회로 요소(예를 들어 아날로그 회로 요소, 디지털 회로 요소, 수동 회로 요소, 능동 회로 요소, 및/또는 집적 회로)를 포함하는 인쇄 회로 기판(PCB)(2138)의 스택이 도시되어 있다. 달리 말하면, PCB 스택(2138)은 능동 정류기 및 회전자(2120)의 능동 정류기 조립체(2122)의 회전자 제어 유닛을 포함한다. 능동 정류기 및 회전자 제어 유닛은 본 명세서에 설명된(예를 들어, 도 6a, 도 6b, 도 7b, 도 9, 도 10, 도 12 내지 도 16, 도 18, 도 19, 또는 도 20a에 관하여) 임의의 능동 정류기 및 회전자 제어 유닛일 수도 있다. 예를 들어, 능동 정류기는 스위치(예를 들어, MOSFETS, IGBT, GaN 트랜지스터 등) 및/또는 다이오드를 갖는 h-브리지(풀 또는 비대칭)를 포함할 수도 있고, 회전자 제어 유닛은 저전압 전원을 갖는 로컬 마이크로제어기(MCU)를 포함할 수도 있다. 능동 정류기 및/또는 회전자 제어 유닛, 및 따라서, PCB 스택(2138)은 PCB 스택(2138)의 상호 연결부(2139), 예를 들어 회전자 권선에 접근하기 위해 샤프트 내의 통로를 통과하는 전도체에 의해 회전자 권선(2126)에 전도성 연결된다. 몇몇 실시예에서, 회전자 권선은 샤프트(2124) 외부에 위치된 PCB 또는 상호 연결부(2141)에 연결될 수도 있고, 이는 이어서 2139에서 상호 연결부를 통해 PCB 스택(2138)(및 그 위의 구성요소)에 인터페이싱된다. PCB 스택(2138) 내에는, 고전압 버스 바아 상호 연결부(2140)와 함께 저전압 커넥터가 존재한다. 버스 바아(2140)는 각각의 절연 플레이트(2142)에 의해 커버되어 유지될 수도 있는데, 이는 접착제, 초음파 용접 또는 카트리지 구성요소 하우징(2136)에 의한 기계적 유지에 의해 적소에 유지될 수도 있다. 대안적으로, 특정 실시예에서, 버스 바아 상호 연결부는 PCB 스택(2138)과 함께 2136 내부에 위치될 수도 있다. 능동 정류기 조립체(2122)는 커패시터(2144) 및/또는 PCB 스택(2138)의 PCB 중 하나 이상 상의 커패시터(예를 들어, 예시된 예에서, PCB 스택(2138)의 3개의 최우측 PCB는 필름 커패시터를 포함함)와 같은 에너지 저장 요소를 더 포함할 수도 있다. 다른 예에서, 능동 정류기 조립체(2122)는 커패시터(2144)에 추가하여 또는 대신에, 인덕터, 슈퍼커패시터 또는 2차(충전식) 배터리를 포함한다. 부가적으로, 특정 실시예에서 이들 에너지 저장 디바이스는 조합하여 사용될 수도 있다. 에너지 저장 요소는 본 명세서에 설명된 바와 같이, 고정자에 의해 무선으로 전송되고 능동 정류기에 의해 포획된 전기 에너지를 저장하기 위해 PCB 스택(2138)의 능동 정류기에 결합된다. PCB 스택(2138)의 다양한 회로 기판은 커넥터, 접점, 하니스, 납땜 등을 통해 서로 연결될 수도 있다.

적어도 몇몇 실시예에서, 능동 정류기 조립체(2122)의 카트리지 폼 팩터는 드롭인(drop-in) 조립 및 교체, 뿐만 아니라 구성요소와 기판 사이의 효과적인 전압 격리를 가능하게 한다. 카트리지는 또한 유체가 능동 정류기 조립체(2122) 내로 진입하는 것을 방지하기 위해 밀봉되거나, 또는 공동(2130) 내에 밀봉될 수도 있어, 이에 의해 능동 정류기 조립체(2122) 전반에 걸쳐 그리고 가로질러 직접적인 냉각 유동의 사용을 가능하게 한다. 따라서, 도 21c 내지 도 21f의 실시예, 뿐만 아니라 이어지는 도 21g 내지 도 21j의 실시예는: (1) 개선된 냉각 - 직접 액체 냉각(침지 또는 분무), (2) 기계 공동으로부터의 격리, (3) 능동 정류기 회로 상의 더 작은 힘, (4) 증가된 전력 밀도, 또는 (5) 서브조립체 카트리지에 기초하는 개선된 유지 보수 및 조립 용이성 중 하나 이상을 허용할 수도 있다.

도 21g 내지 도 21j는 도 3의 전기 기계(300)와 같은, 모터에 사용을 위한 능동 정류 회전자(2150)의 다른 예시적인 기계적 구현예를 도시하고 있다. 더 구체적으로, 회전자(2150)는 능동 정류기 조립체(2152)를 포함한다. 도 21g는 회전자(2150)의 축방향 도면이고; 도 21h는 도 21g의 축방향 도면의 라인 A-A를 따라 취한 단면도이고; 도 21i는 능동 정류기 조립체(2152)의 사시도이고; 도 21j는 회전자(2150)의 분해도이다.

도 21g 내지 도 21j의 실시예는, 도 21d 및 도 21f에 도시되어 있는 커패시터(2144) 대신에 더 큰 커패시터(2154)(도 21h 및 도 21j 참조)의 포함 및 수용을 제외하고는, 도 21c 내지 도 21f의 실시예와 유사하다. 이에 따라, 회전자(2120)의 구성요소를 표기하는 데 사용된 것과 동일한 번호가 회전자(2150)의 구성요소를 표기하는 데 사용되며, 상기에 제공된 것과 유사한 설명이 회전자(2150)의 유사하게 번호가 붙은 구성요소에 적용된다.

모터 제어

도 22는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 예시적인 제어기(2200)의 블록도이다. 제어기(2200)는 전술된 모터 제어기(104)에 추가로 또는 대신에 사용될 수 있다. 전자의 경우, 제어기(2200)와 모터 제어기(104)는 단일의 통합 제어기로 조합될 수 있거나, 제어기(2200)와 모터 제어기(104)는 별개의 이산 제어기일 수 있다. 제어기(2200)는 무엇보다도, 전기 기계(300)의 파라미터를 모니터링하고 전기 기계(300)의 다양한 동작 파라미터를 작동 및/또는 조정하기 위한 신호를 송신할 수 있다. 능동 정류기(311)(예를 들어, 도 3a 및 도 3b)는 본 개시내용에 설명된 임의의 능동 회로를 포함할 수 있고 제어기(2200)에 의해 제어되어, 예를 들어 전기 기계(300)의 동작 파라미터를 작동 및/또는 조정할 수도 있다는 것이 주목되어야 한다. 또한, 전기 기계(300)에 관하여 주로 설명되었지만, 제어기(2200)는 전기 기계(300)와 유사한 방식으로 본 명세서에 설명된 임의의 전기 기계(예를 들어, 전기 모터(102)를 포함함)와 함께 사용될 수 있다. 달리 말하면, 제어기(2200)는 무엇보다도, 전기 기계의 파라미터를 모니터링하고, 전기 기계의 다양한 동작 파라미터를 작동 및/또는 조정할 수 있다(예를 들어, 무엇보다도, 이들 전기 기계의 능동 정류기를 제어함으로써). 이들 기계의 능동 정류기는 본 명세서에 설명된 임의의 능동 정류기의 형태를 취할 수 있다.

도 20에 도시되어 있는 바와 같이, 제어기(2200)는 특정 경우에, 프로세서(2250)(예를 들어, 하나의 프로세서 또는 다중 프로세서로서 구현됨) 및 프로세서(2250)가 본 명세서에 설명된 동작을 수행하게 하는 명령을 포함하는 메모리(2252)(예를 들어, 하나의 메모리 또는 다중 메모리로서 구현됨)를 포함한다. 프로세서(2250)는, 예를 들어 회전자 위치 센서 또는 전류 센서를 포함하여, 전기 기계(300)의 구성요소와 통신을 송신 및 수신하기 위한 입력/출력(I/O) 인터페이스(2254)에 결합된다. 특정 경우에, 제어기(2200)는 부가적으로 전기 기계(300)의 다양한 전기 기계 구성요소(고정자에 대한 전력 또는 구동 신호를 포함함) 중 하나 이상 뿐만 아니라 전기 기계(300)에 제공된 다른 센서(예를 들어, 온도 센서, 진동 센서 및 다른 유형의 센서)와 상태를 통신하고 작동 및/또는 명령 신호를 송신할 수 있다. 통신은 유선, 무선 또는 유선과 무선의 조합일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 제어기(2200)는 상이한 위치, 예를 들어 차량의 상이한 부분 내에 위치된 상이한 부분을 갖는 분산형 제어기일 수 있다. 부가의 제어기는 본 개시내용으로부터 벗어나지 않고 독립형 제어기 또는 네트워킹된 제어기로서 제어기(2200)와 함께 사용될 수 있다.

제어기(2200)는 전기 기계(300)를 제어하기 위해 다양한 레벨의 자율성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제어기(2200)는 부하 및/또는 속도의 변화를 감지하기 시작할 수 있고, 조작자는 전력 주파수, 전류 크기 및/또는 전류각을 조정한다. 대안적으로, 제어기(2200)는 부하 및/또는 속도의 변화를 감지하기 시작하고, 조작자로부터 부가의 입력을 수신하고, 조작자로부터 다른 입력 없이 주파수, 전류 크기 및/또는 전류각을 조정할 수 있다. 대안적으로, 제어기(2200)는 부하 및/또는 속도의 변화를 감지하기 시작하고, 조작자로부터 입력 없이 주파수, 전류 크기 및/또는 전류각을 조정할 수 있다.

예를 들어, 동작시에, 제어기(2200)는 고정자 권선(304)에 명령 신호를 송신함으로써 고정자 권선을 여자하고 고정자 내에 고정자 자기장을 생성하도록 구성된 제어기일 수 있다. 예를 들어, 제어기(2200)는 전원으로부터 고정자 권선으로의 전류의 인가를 제어하기 위해 요소를 스위칭하기 위한 제어 신호(예를 들어, 각각의 펄스폭 변조(PWM) 제어 신호)를 발생할 수 있다(예를 들어, 도 25 및 도 26의 스위치 제어기 및 스위칭 요소에 관하여 이하에 더 설명되는 바와 같이). 제어기는 전류각 및 크기에서 고정자를 통해 전류를 보내고, 전기 기계(300)의 동작 조건에 따라 전류각 및 크기를 능동적으로 조정함으로써 고정자 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 제어기(2200)는 위치 센서(316)로부터 위치 스트림을 수신할 수 있다. 위치 스트림은 회전자 위치를 대표한다. 위치 스트림은 아날로그 또는 디지털 전기 또는 전자기 신호일 수 있다. 위치 스트림 수신에 응답하여, 제어기(2200)는 존재하는 임의의 토크 리플의 존재, 부재 또는 심각도를 결정할 수 있다. 제어기(2200)는 이어서 토크 리플이 존재한다는 결정에 응답하여 전류각 및/또는 전류 크기를 조정할 수 있다.

몇몇 구현예에서, 전류 페이저각(318)은 높은 토크 조건 동안 이동 방향으로 회전자 극(308)보다 앞서 증가된다. 즉, 토크 단위당 더 큰 전류가 필요한 경우에는 증가된 전류 페이저각(318)을 유도할 수 있다. 일반적으로, 전류 페이저각(318)이 증가함에 따라, 회전자 코일(310)은 감소된 D-축 성분으로 인해 더 활성이 된다(더 많은 전류가 코일을 통해 흐름). 달리 말하면, 각각의 회전자 권선의 필드는 전류 페이저각(318)이 증가함에 따라 더 빠르게 감쇠한다. 코일 내의 더 큰 활성도는 완화 없이 증가된 토크 리플을 유도할 수 있지만; 전류 진폭은 각각의 극에 의해 경험되는 D-축 성분이 증가하는 동안 증가될 수 있어, 증가된 전류 페이저각(318)에 의해 생성된 잠재적인 음의 토크를 상쇄한다. 대안적으로 또는 추가로, 전류 페이저각(318)은 고속, 낮은 토크 동작 동안 감소된다. 대안적으로 또는 추가로, 전류각은 제동 동작 중에 음이 될 수 있다. 사용된 동작 모드에 무관하게, 제어기(2200)는 주어진 상황에서 전기 기계(300)의 현재 수요를 충족시키기 위해 전류각 및/또는 전류 진폭을 조정하는 것이 가능하다. 제어기(2200)는 고정자를 통해, 넓은 주파수 범위, 예를 들어, 50 내지 1000 헤르츠(Hz)에서 회전자와 통신하는 것이 가능하다. 몇몇 구현예에서, 통신은 100 내지 1000 Hz에서 발생한다. 이와 무관하게, 시스템은 전통적인 시스템보다 변화를 더 빠르게 통신하는 것이 가능하다. 예를 들어, 전통적인 농형 유도 기계는 실질적으로 7 Hz에서 통신한다. 더 높은 주파수 전송 능력은 제어기(2200)가 동작 조건에 무관하게 토크 리플을 능동적으로 감소시키고 동작 조건의 변화에 신속하게 조정할 수 있게 한다.

대안적으로 또는 추가로, 제어기(2200)는 회전자 상의 능동 정류기(311)와 통신하고 제어할 수 있다. 이와 같이, 회전자 권선을 통한 전류는 페이저 전류각 및/또는 크기에 대안적으로 또는 추가로 능동적으로 조정될 수 있다.

도 23은 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 방법(2300)의 흐름도이다. 방법(2300)의 모두 또는 일부는 본 개시내용에 따라 제어기(2200), 모터 제어기(104), 능동 정류기 및/또는 회전자 제어 유닛에 의해 수행될 수 있다. 고정자 전류는 모터의 고정자 내의 고정자 권선을 통해 보내지고, 고정자 전류는 모터의 회전자 내의 회전자 권선에 직접 결합되어 고정자에 대한 회전자의 이동을 유발하는 자기장을 생성한다(2302). 하나 이상의 데이터 신호가 고정자 전류 내에 임베드되고, 데이터 신호는 고정자 전류에 의해 생성된 자기장의 변조를 생성하도록 구성된다(2304). 변조는, 변조가 회전자 권선 중 하나 이상의 회전자 권선에 의해 수신될 때, 능동 정류기가 수신된 변조에 응답하여 제어되도록 이루어진다.

도 24는 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 방법(2400)의 흐름도이다. 방법(2400)의 모두 또는 일부는 본 개시내용에 따라 제어기(2200), 모터 제어기(104), 능동 정류기 및/또는 회전자 제어 유닛에 의해 수행될 수 있다. 고정자의 고정자 권선이 여자되어 고정자 내에 고정자 자기장을 생성한다(2402). 회전자 극 내의 강자성 재료 내의 대응 회전자 자기장은 자속을 설정함으로써 고정자 자기장에 의해 수정된다(2404). 회전자에 대한 접선 방향의 힘은 고정자 자기장의 시프트에 의해 발생된다(2406). 회전자는 발생된 접선 방향 힘에 의해 이동된다(2408). 데이터 신호는 여자된 고정자 권선에 의해 발생된다(2410). 데이터 신호는, 데이터 신호가 적어도 하나의 회전자 권선에 의해 수신될 때, 능동 정류기가 수신된 데이터 신호에 응답하여 제어되어, 공기 간극 내의 자속의 여자의 지연을 제어하도록 이루어지고, 공기 간극은 고정자의 내부 표면과 회전자의 외부 표면 사이에 형성되고, 수신된 데이터 신호에 응답하여 회전자 내의 자속의 감쇠는 자기장 시프트에 응답하여 적어도 하나의 회전자 권선 내의 전류에 의해 제어된다.

도 25 및 도 26은 전력 스위칭을 구현하도록 구성된 예시적인 인버터(2500, 2600)를 도시하고 있다. 인버터(2500, 2600)는 예를 들어, 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 바와 같이, 모터 제어기(104), 모터 제어기(2200)의 부분으로서, 및/또는 고정자 또는 회전자의 부분으로서 구현될 수도 있다.

도 25의 예에서, 인버터(2500)는 3상 2-레벨 인버터이다. 고정자 권선(A, B, C)(도시되어 있지 않음, 노드(2502a, 2502b, 2502c)에서 전도성 결합됨)은 스위치(2504)에 의해 양의 전압 레일(2506)에 스위칭 가능하게 전도성 결합되고, 또한 스위치(2508)에 의해 음의 전압 레일(2510)에 스위칭 가능하게 전도성 결합된다. 고정자 권선 자체는 예를 들어, 와이 구성 또는 델타 구성으로 구성될 수도 있다. 레일(2506, 2510)은 커패시터(2512)에 의해 전도성 결합된다. 몇몇 구현예에서, 레일(2506, 2510)은 전압 소스 대신에 전류 소스에 대응한다.

스위치 제어기(2514)는 스위치(2504, 2508)를 능동적으로 제어하여 고정자 권선 내에 3상 전력을 구현하고(예를 들어, 회전자의 이동을 유발함) 그리고/또는 고정자 권선 내에 적절한 전압/전류를 사용하여 회전자에 신호를 전송한다. 몇몇 실시예에서, 스위치 제어기(2514)는 제어기(104) 또는 제어기(2200)에 통합될 수도 있다.

도 26은 달리 지시된 경우를 제외하고는 인버터(2500)에 대해 설명된 바와 같이 동작하는 예시적인 3-레벨 중성점 클램프(NPC) 인버터(2600)를 도시하고 있다. 고정자 권선(A, B, C)(도시되어 있지 않음, 노드(2602a, 2602b, 2602c)에서 전도성 결합됨)은 쌍을 이룬 스위치(2604)에 의해 양의 전압 레일(2606)에 스위칭 가능하게 전도성 결합되고, 또한 쌍을 이룬 스위치(2608)에 의해 음의 전압 레일(2610)에 스위칭 가능하게 전도성 결합된다. 쌍을 이룬 다이오드(2616)가 쌍을 이룬 스위치(2604, 2608)의 각각의 세트 사이에 전도성 결합된다. 스위치(2604, 2608)는 스위치 제어기(2614)에 의해 제어된다. 몇몇 실시예에서, 스위치 제어기(2614)는 제어기(104) 또는 제어기(2200)에 통합될 수도 있다.

예시적인 인버터(2600)에서, 고정자 권선(A, B, C)은 중성점(N)(예를 들어, 스타 구성)에 전도성 결합되고; 중성점(N)에 대한 전도성 결합은 직접적일 수도 있고 하나 이상의 중재 전기 요소에 의한 것일 수도 있다. 중성점(N)은 또한 다이오드(2616)의 각각의 쌍 내에서 전도성 결합된다. 2개의 커패시터(2612)는 중성점(N)을 양의 및 음의 전압 레일(2606, 2610)에 전도성 결합한다. 인버터(2500)에 대해 언급된 바와 같이, 몇몇 구현예에서 레일(2606, 2610)은 전압 소스 대신에 전류 소스를 나타낸다.

몇몇 예에서, 제어기(104, 2200, 2514 또는 2614) 중 하나 이상은, 예를 들어 R 및 D-축 상의 전류 에러를 수신하기 위한 2개의 입력(예를 들어, I_{R_Error} = I_{R_Desired} - I_{R_Measured}; I_{D_Error} = I_{D_Desired} - I_{D_Measured}) 및 R 및 D 축 상의 전압을 제어하기 위한 2개의 출력을 포함하는 다중 입력, 다중 출력(MIMO) 제어기를 포함하거나 그로서 구현된다. 여기서, I_{R_Desired} 및 I_{D_Desired}는 미리 설정된 값 및/또는 모터 시스템에 입력되는 입력 토크 또는 속도 동작 지점 값으로부터 변환된 값일 수도 있고(예를 들어, 사용자 입력 디바이스로부터 수신되거나 메모리로부터 검색됨), 여기서 속도 또는 토크로부터 원하는 전류(또는 전압)로의 변환은 룩업 테이블, 동적 피드백 제어기 또는 모델 기반 제어기에 의해 수행될 수도 있다. I_{R_Desired} 및 I_{D_Desired}는 또한 본 명세서에 설명된 바와 같이, 고정자로부터 회전자로, 또는 회전자로부터 고정자로 전송될 임의의 원하는 데이터 신호 또는 전력 전송 신호(일반적으로 I_R_excitation 및 I_D_excitation 신호라고 지칭될 수도 있음)를 그 내에 통합하거나 임베드될 수도 있다. I_{R_Measured}는 회전자 상의 전류 센서 또는 추정기로부터 얻어지고 본 명세서에 설명된 바와 같이, 회전자 권선으로부터 고정자 권선으로 통신되는 데이터 신호를 통해 제어기에 무선으로 통신될 수도 있다(예를 들어, 제어 채널 또는 축을 따라 능동 정류기에 의해 적용된 변조를 통해). 대안적으로, 이는 센서, 추정기 또는 관찰자를 통해 회전자 상에서 직접 측정될 수도 있다. I_{D_Measured}는 고정자의 위상에 대한 전류 측정값 또는 추정값을 RDQN 기준 프레임으로 변환함으로써(예를 들어, 클라크(Clarke) 및 파크(Park) 변환을 사용하여)하여 얻어질 수도 있다. MIMO 제어기의 R-축 전압 출력은 본 명세서에 설명된 기술을 사용하여 데이터 신호로서 회전자에 무선으로 통신될 수도 있고, 회전자 권선 상에 원하는 전압 레벨을 달성하기 위해 능동 정류기를 제어하는 데 사용될 수도 있다(예를 들어, 도 7b와 관하여 전술된 바와 같이). 대안적으로, 특정 실시예에서, I_R_excitation은 고정자에 의해 회전자에 부과될 수도 있고 여기서 회전자 신호는 고정자 신호(I_D_excitation)에 임베드된 패턴을 통해 통과된다. I_D_excitation 신호는 회전자 회로(예를 들어, 능동 정류기)가 회전자 권선(들)을 제어하여 회전자가 그 신호에 대해 직각 위상(즉, 90° 탈위상)이 되게 할 것이다. 회전자가 I_D_excitation 신호에 직각 위상인 것에 응답하여, I_R_excitation 신호가 효과적으로 회전자 권선(들) 상에 생성될 것이다. 이 신호 전송은 2차 목표로서 설명될 수도 있고 고정자에 의해 전달된 원하는 회전자 신호의 크기 및 주파수로 표시될 수도 있으며(I_D_excitation), 이에 의해 회전자 제어기는 그 1차 I_R 동작과 함께 고정자 신호에 대한 그 동작 위상을 선택할 수 있다. 1차 동작은 토크를 야기할 수도 있는 자기장을 설정하는 것으로서 설명될 수도 있다. 반대로, 2차 목표는 고정자로부터 회전자로 에너지의 전달을 야기하는 고정자 및/또는 회전자 상의 신호이거나, 또는 대안적으로 토크 또는 자기장 에너지의 상당한 변화가 없는 이들 2개의 부재 사이의 신호이다. D-축 전압 출력은 RDQN 기준 프레임으로부터 고정자의 고정 기준 프레임으로 변환되어 각각의 고정자 위상에 대해 원하는 전압 레벨을 제공할 수도 있다(예를 들어, 3상 시스템에서 V_A, V_B, V_C). 이들 원하는 전압 레벨은 각각의 위상에 대해 고정자 코일을 구동하는 스위칭 요소(예를 들어, 도 25 및 도 26의 스위칭 요소(2504, 2604) 참조)에 대한 PWM 듀티 사이클에 원하는 전압 레벨을 맵핑하는 룩업 테이블, 함수, 모델 또는 알고리즘에 대한 입력으로 제공될 수도 있다. 제어기는 이어서 결정된 듀티 사이클에 따라 이들 스위칭 요소를 구동할 수도 있다. 동작시에, MIMO 제어기는 입력 전류 에러를 연속적으로 수신 및 샘플링하고 회전자와 고정자를 구동하기 위한 출력 제어 전압을 발생할 수도 있다(그 1차 및 2차 목표에 따라).

도 27은 본 개시내용의 양태와 함께 사용될 수 있는 방법(2700)의 흐름도이다. 방법(2700)의 모두 또는 일부는 본 개시내용에 따라 제어기(2200), 모터 제어기(104), 능동 정류기 및/또는 회전자 제어 유닛에 의해 수행될 수 있다. 방법(2700)은 또한 다른 제어기 및 시스템에 의해 구현될 수도 있다.

블록 2705에서, 회전자는 고정자로부터 무선으로 전력 전송 신호를 수신한다. 여기서, 고정자는 고정자 극을 형성하기 위해 여자되도록 구성된 고정자 권선을 포함하고, 회전자는 회전자 극을 형성하기 위해 여자되도록 구성된 회전자 권선을 포함한다. 회전자 극은 회전자와 고정자 사이에 상대 힘을 생성하기 위해 고정자 극과 상호 작용할 수도 있다(예를 들어, 자기적으로 상호 작용하거나 자기적으로 결합됨). 고정자는 예를 들어, 고정자(108), 고정자(302), 또는 본 명세서에 설명된 다른 고정자일 수도 있다. 유사하게, 회전자는 회전자(106), 회전자(304), 회전자(2101), 회전자(2120), 회전자(2150), 또는 본 명세서에 설명된 다른 회전자일 수도 있다. 고정자 권선은 고정자 극을 형성하기 위해, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 제어기(예를 들어, 제어기(104 또는 2200))에 의해 발생된 토크 제어 신호를 통해 여자될 수도 있다. 예를 들어, 제어기는 고정자 권선에 토크 제어 신호를 인가하기 위해 인버터 브리지의 스위칭 요소를 구동하기 위한 스위치 제어기(예를 들어, 스위치 제어기(2514 또는 2614))를 통합할 수도 있다(예를 들어, 도 25 및 도 26 참조). 토크 제어 신호는 모터의 하나 이상의 제어 채널 또는 축(예를 들어, D-축, Q-축, N-축, M-축, K-축 등)을 따라 발생될 수도 있다. 고정자 극과 회전자 극은 상호 작용하여, 회전자 상에 토크를 야기하는(예를 들어, 회전자를 회전시키기 위해) 각각의 자기장과 연관된다.

또한, 고정자 극과 회전자 극은 상호 작용하여 공기 간극 내에 필드, 뿐만 아니라 회전자 상에 전류를 설정할 수도 있다. 회전자 상의 전류의 이러한 설정은 고정자와 회전자 사이의 신호의 전송을 통해 행해질 수도 있고, 여기서 고정자로부터 회전자로 전력 전송 신호를 전송하기 위해, 제어기는 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 기술 중 하나 이상을 사용하여 고정자 권선을 구동할 수도 있다. 예를 들어, 전력 전송 신호는 제어 채널 또는 축(예를 들어, D-축, Q-축, N-축, M-축, K-축 등)을 따라 주입될 수도 있어, 제어 채널 또는 축을 따른 고정자 권선을 통해 변조 신호(진폭 또는 주파수 변조됨)를 야기할 수도 있는데, 이는 회전자의 하나 이상의 회전자 권선 내에 전력 전송 신호를 유도한다. 이들 전력 신호 및/또는 데이터 신호는 개별적으로 토크 제어 신호와 함께 통과될 수도 있다.

블록 2710에서, 능동 정류기는 전력 전송 신호로부터 전기 에너지를 포획한다. 여기서, 능동 정류기는 회전자에 회전식으로 고정되고, 회전자 권선 중 하나 이상의 제1 회전자 권선에 전도성 결합된다. 능동 정류기는 능동 정류기(311, 500, 510, 602, 718, 900, 1000, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1900, 2000) 또는 다른 능동 정류기일 수도 있다. 전기 에너지를 포획하기 위해, 능동 정류기는 대응 제어 회로(예를 들어, 회전자 위 마이크로프로세서 또는 게이트 구동 유닛 참조)에 의해 제어된다. 예를 들어, 제어 회로는 변조 전력 전송 신호로부터의 전기 에너지가 하나 이상의 이산의 별개의 에너지 저장 요소(예를 들어, 본 명세서에 설명되고 다양한 회로도 및 도면에 도시되어 있는 바와 같은 커패시터, 인덕터, 배터리, 슈퍼 커패시터 등) 상에 저장되게 하도록 능동 정류기의 스위칭 요소를 구동하고(예를 들어, 각각의 PWM 신호로) 또한 회전자 권선 자체(인덕터로서 작용하는 회전자 권선을 가짐)를 포함할 수도 있다. 에너지 저장 요소는 예를 들어, 고정자로부터의 무선 전력의 수신 또는 데이터 전송과 동시에 토크 생성을 위해 회전자 권선(들)에 전력 공급하기 위해 회전자 버스 전압을 유지하는 것을 도울 수도 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 전기 에너지를 포획하기 위해, 제어 회로는 변조 전력 전송 신호로부터의 전기 에너지가 능동 정류기 및 회전자 권선(들)에 계속 흐르게 하기 위해 능동 정류기의 스위칭 요소를 구동할 수도 있어(예를 들어, 각각의 PWM 신호로), 능동 정류기와 회전자 권선(들)이 공진 회로 또는 순방향 변환기로서 작용하게 하고, 여기서 전기 에너지는 전기 에너지가 출력되는 것과 대략 동일한 속도로 포획된다.

블록 2715에서, 능동 정류기는 전력 전송 신호로부터 포획된 전기 에너지를 하나 이상의 제1 회전자 권선에 유도함으로써 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름을 제어한다. 전류 흐름을 제어하기 위해, 능동 정류기는 대응 제어 회로(예를 들어, 회전자 위 마이크로프로세서 또는 게이트 구동 유닛 참조)에 의해 제어된다. 예를 들어, 제어 회로는 포획된 전기 에너지가 에너지 저장 요소, 회전자 권선 또는 공진 회로로부터 회전자 권선을 통해 원하는 크기 및 방향으로 흐르게 하도록 능동 정류기의 스위칭 요소를 구동한다(예를 들어, 각각의 PWM 신호로). 몇몇 예에서, 능동 정류기는 고정자 D-축 전압보다 지연되는 주기적인 전압 신호(예를 들어, 일반적으로 구형파 형상을 가짐)를 회전자 권선 상에 발생하도록 구동된다(예를 들어, 도 8 참조). 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 이 접근법은 일반적으로 회전자 전압이 구형파 사이클의 낮은 부분에 있는 동안 전력의 포획을 야기하고(커패시터 전압(806) 상승에 의해 도시되어 있는 바와 같이), 구형파 사이클의 높은 부분(커패시터 전압(806) 하강에 의해 도시되어 있는 바와 같이)에 있을 때 포획된 전력으로 회전자 권선을 구동한다. 부가적으로 또는 대안적으로, 본 출원의 전반에 걸쳐 설명된(예를 들어, 다른 능동 정류기 토폴로지에 관하여) 다른 능동 정류기 제어 방안 중 하나 이상이 또한 블록 2715에서 사용될 수도 있다.

전술된 바와 같이, 방법(2700)은 본 명세서에 개시된 각각의 능동 정류기 실시예와 함께 사용될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 방법(2700)은 다중 능동 정류기 및 공유 커패시터의 사용(예를 들어, 도 9 내지 도 12 참조), 저역 통과 필터의 적용(예를 들어, 도 13 내지 도 15 참조), AC 및 DC 성분의 분리(예를 들어, 도 13 내지 도 19 참조), 거버너 스위치의 적용(예를 들어, 도 20a 참조)과 같은, 특정 능동 정류기 토폴로지의 특정 특징을 수용하기 위한 부가의 단계를 포함한다.

부가적으로, 전술된 바와 같이, 몇몇 예에서, 포획된 전기 에너지는 또한 회전자 상의 다른 회로 요소(예를 들어, 능동 정류기를 제어하는 데 사용되는 회전자 위 마이크로프로세서)에 전력 공급하기 위해 인가될 수도 있다. 또한, 전술된 바와 같이, 몇몇 예에서, 능동 정류기는 회전자에 의해 포획된 초과 전력을 다시 고정자로 전송하고 그리고/또는 데이터(예를 들어, 회전자 위치, 회전자 온도, 회전자 전류 또는 다른 상태)를 고정자로 전송하도록 제어된다.

국소 자속 변동은 회전자가 슬롯팅 효과로 인해 회전함에 따라 자연적으로 발생하고 또한 쇄교 자속의 변화로 인해 AC 응답을 발생함으로써 전력을 전송하는 데 사용될 수도 있다. 즉, 고정자의 치형부를 통과하는 회전자 극의 치형부 통과 주파수로 인해 AC 응답이 발생된다(돌출 및/또는 집중된 고정자 권선을 가정함). 이러한 고유한 변동에 의존하는 구현예에서, 전체 자기장의 고주파수 변동/섭동이 감소되거나 불필요할 수도 있다. 유리하게는, 이 접근법은 더 적은 손실(예를 들어, 스위칭 및 코어 손실)을 발생할 수도 있지만; 치형부 통과 주파수는 회전자의 회전 속도의 함수이기 때문에 이들 변동은 완전히 제어 가능하지 않다. 더 높은 회전 속도는 국소 슬롯팅 효과와 자속 변동의 함수로서 더 효과적인 AC 응답을 야기하는 경향이 있다.

본 명세서에 설명된 전기 기계 및 방법의 몇몇 구현예에서, 제어 방안이 국소 자속 변동에 추가하여 AC 부과 또는 주입(예를 들어, 고정자로부터 회전자로의 무선 전력 전송을 위한)을 이용하도록 하이브리드 방안이 적응될 수 있다. 이는 AC 신호를 통한 명시적인 제어 방법과 국소 자속 변동(예를 들어, 슬롯팅 효과에 의해 발생됨)의 효율의 이점을 제공한다. 예를 들어, 주입된 AC 신호는 낮은 속도, 높은 토크 조건 또는 큰 토크 스텝이 필요할 때 의존될 수 있다. 더 높은 회전 속도와 더 낮은 토크 요구에서, 자속 수요가 높지 않을 것이기 때문에 국소 자속 변동이 사용될 것이다. 이러한 하이브리드 제어 방안에 대한 추가 상세는 그 전문이 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는, 발명의 명칭이 "AC 및 DC 회전자 코일을 갖는 전기 기계 내의 전력 무선 전송(Wirelessly transferring power within an electric machine having AC and DC rotor coils)"이고, 대리인 문서 번호 175073.00032호를 갖고 미국 가출원 제63/157,563호에 대한 우선권을 주장하는 동시 출원된 PCT 출원의 도 20과 관련하여 제공되어 있다.

청구범위에서 상이한 명칭에 의해 나타낸 권선의 그룹에 대한 언급은 청구범위에서 달리 지시되지 않으면, 이들 그룹이 상이하거나 별개의 개별 세트를 형성한다는 것을 암시하지 않는다.

따라서, 본 발명의 주제의 특정 구현예가 설명되었다. 다른 구현예 및 수정은 이하의 청구범위의 범주 내에 있고 본 개시내용의 이점을 갖는다. 이는 모든 이러한 구현예 및 수정을 포괄하도록 의도되고, 이에 따라, 상기 설명은 한정적인 의미보다는 예시적인 것으로서 간주되어야 한다. 몇몇 경우에, 청구범위에 상술된 동작은 상이한 순서로 수행되고 여전히 바람직한 결과를 달성할 수 있다. 추가로, 첨부 도면에 도시되어 있는 프로세스는 바람직한 결과를 달성하기 위해, 반드시 도시된 특정 순서 또는 순차적 순서를 요구하는 것은 아니고, 다양한 요소가 추가되고, 재순서화되고, 조합되고, 생략되거나, 수정될 수도 있다. 또한, 몇몇 비한정적인 예에서, 특정 동작은 전용 병렬 처리 디바이스 또는 대규모 시스템의 부분으로서 상호 운용하도록 구성된 별개의 컴퓨팅 디바이스에 의한 것을 포함하여, 병렬로 실행될 수 있다.

하나 이상의 실시예가 이하의 설명과 첨부 도면에 설명되고 예시된다. 이들 실시예는 본 명세서에 제공된 특정 상세에 한정되지 않고 다양한 방식으로 수정될 수도 있다. 더욱이, 본 명세서에 설명되지 않은 다른 실시예가 존재할 수도 있다. 또한, 다수의 구성요소에 의해 수행된 기능은 단일의 구성요소에 의해 통합되어 수행될 수도 있다. 유사하게, 하나의 구성요소에 의해 수행되는 것으로 본 명세서에 설명된 기능은 분산 방식으로 다수의 구성요소에 의해 수행될 수도 있다. 부가적으로, 특정 기능을 수행하는 것으로서 설명된 구성요소는 또한 본 명세서에 설명되지 않은 부가의 기능을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 특정 방식으로 "구성"된 디바이스 또는 구조체는 적어도 그 방식으로 구성되지만, 또한 열거되지 않은 방식으로 구성될 수도 있다.

몇몇 비한정적인 예에서, 방법의 컴퓨터화된 구현예를 포함하는 본 개시내용의 양태는 프로세서 디바이스, 컴퓨터(예를 들어, 메모리에 동작식으로 결합된 프로세서 디바이스), 또는 본 명세서에 상세히 설명된 양태를 구현하기 위한 다른 전자적으로 동작되는 제어기를 제어하기 위해 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어 또는 그 임의의 조합을 생성하기 위해 표준 프로그래밍 또는 엔지니어링 기술을 사용하는 시스템, 방법, 장치 또는 제조 물품으로서 구현될 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 본 발명의 비한정적인 예는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 유형적으로 구현된 명령의 세트로서 구현될 수 있어, 프로세서 디바이스는 컴퓨터 판독 가능 매체로부터 명령을 판독하는 것에 기초하여 명령을 구현할 수 있다. 본 발명의 몇몇 비한정적 예는 이하의 설명과 일치하는 자동화 디바이스, 다양한 컴퓨터 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 등을 포함하는 특수 목적 또는 (특별히 프로그래밍되고 구성된) 범용 컴퓨터와 같은 디바이스를 포함(또는 이용)할 수 있다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "제조 물품"은 임의의 컴퓨터 판독 가능 디바이스, 캐리어(예를 들어, 비일시적 신호) 또는 매체(예를 들어, 비일시적 매체)로부터 액세스 가능한 컴퓨터 프로그램을 포함하도록 의도된다. 예를 들어, 컴퓨터 판독 가능 매체는 자기 저장 디바이스(예를 들어, 하드 디스크, 플로피 디스크, 자기 스트립 등), 광학 디스크(예를 들어, 콤팩트 디스크(CD), 디지털 다기능 디스크(DVD) 등), 스마트 카드 및 플래시 메모리 디바이스(예를 들어, 카드, 스틱 등)를 포함할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 부가적으로, 반송파는 전자 메일을 전송 및 수신하거나 인터넷 또는 근거리 통신망(LAN)과 같은 네트워크에 액세스하는 데 사용되는 것들과 같은 컴퓨터 판독 가능 전자 데이터를 전달하기 위해 채용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 통상의 기술자는 청구된 주제의 범주 또는 사상을 벗어나지 않고 많은 수정이 이들 구성에 대해 이루어질 수도 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 방법 또는 이들 방법을 실행하는 시스템의 특정 동작은 도면에 개략적으로 나타내거나 본 명세서에서 달리 설명될 수도 있다. 달리 명시되거나 한정되지 않으면, 특정 공간 순서의 특정 동작의 도면에서의 표현은 반드시 이들 동작이 특정 공간 순서에 대응하는 특정 순서로 실행될 것을 필요로 하지는 않을 수도 있다. 대응적으로, 도면에 나타내거나 본 명세서에 달리 개시된 특정 동작은 본 발명의 특정 비한정적인 예에 적절한 바와 같이, 명시적으로 예시되거나 설명된 것과 상이한 순서로 실행될 수 있다. 또한, 몇몇 비한정적인 예에서, 특정 동작은 전용 병렬 처리 디바이스 또는 대규모 시스템의 부분으로서 상호 운용하도록 구성된 별개의 컴퓨팅 디바이스에 의한 것을 포함하여, 병렬로 실행될 수 있다.

컴퓨터 구현예의 맥락에서 본 명세서에 사용될 때, 달리 명시되거나 제한되지 않으면, 용어 "구성요소", "시스템", "모듈" 등은 하드웨어, 소프트웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합 또는 실행 중인 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터 관련 시스템의 일부 또는 전부를 포함하도록 의도된다. 예를 들어, 구성요소는 프로세서 디바이스, 프로세서 디바이스에 의해 실행되는(또는 실행 가능한) 프로세스, 객체, 실행 파일, 실행 스레드, 컴퓨터 프로그램 또는 컴퓨터일 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 예시로서, 컴퓨터 상에서 실행하는 애플리케이션 및 컴퓨터의 모두는 구성요소일 수 있다. 하나 이상의 구성요소(또는 시스템, 모듈 등)는 프로세스 또는 실행 스레드 내에 상주할 수도 있고, 하나의 컴퓨터 상에 로컬라이징될 수도 있으며, 2개 이상의 컴퓨터 또는 다른 프로세서 디바이스 사이에 분산될 수도 있거나, 다른 구성요소(또는 시스템, 모듈 등) 내에 포함될 수도 있다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "제어기" 및 "프로세서" 및 "컴퓨터"는 컴퓨터 프로그램을 실행하는 것이 가능한 임의의 디바이스 또는 설명된 기능을 실행하도록 구성된 로직 게이트를 포함하는 임의의 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 이는 프로세서, 마이크로제어기, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이, 프로그램 가능 로직 제어기 등을 포함할 수도 있다. 다른 예로서, 이들 용어는 하나 이상의 프로세서 및 메모리 및/또는 임의의 유형의 프로세서, CPU, 마이크로제어기, 디지털 신호 프로세서 또는 소프트웨어 명령을 실행하는 것이 가능한 다른 디바이스와 같은 하나 이상의 프로그램 가능한 하드웨어 요소를 포함할 수도 있다.

추가로, 본 명세서에 사용된 어법 및 용어는 설명을 위한 것이며 한정적인 것으로서 고려되어서는 안된다. 예를 들어, 본 명세서에서 "포함하는", "구비하는", "함유하는" 또는 "갖는" 및 이들의 변형의 사용은 이후에 열거된 항목 및 그 등가물 뿐만 아니라 부가의 항목을 포함하는 것으로 의도된다. 부가적으로, 용어 "연결" 및 "결합"은 광범위하게 사용되고 직접 및 간접 연결 및 결합의 모두를 포함하며, 물리적 또는 전기적 연결 또는 결합을 나타낼 수도 있다. 특정 동작, 상태 또는 다른 용어(예를 들어, 실질적으로 폐쇄형)를 수정하는 데 사용되는 수식어 "실질적으로"는 그 사용의 맥락 내에서 통상의 기술자에게 명백하고 적어도 몇몇 실시예에서 수식된 용어의 90%, 95%, 99% 또는 99.5%를 나타내는 양을 칭할 수도 있다. 더욱이, 2개 이상의 항목과 함께 사용되는 구문 "및/또는"은 항목을 개별적으로 커버하고 양 항목을 함께 커버하도록 의도된다. 예를 들어, "a 및/또는 b"는 a; b; 및 a 및 b를 커버하도록 의도된다. 달리 명시되거나 한정되지 않으면, "A, B 및 C 중 적어도 하나", "A, B 및 C 중 하나 이상" 등과 유사한 문구는 A 또는 B 또는 C, 또는 A, B 및/또는 C의 다수의 또는 단일 인스턴스와의 조합을 포함하여 A, B 및/또는 C의 임의의 조합을 나타내도록 의도된다.

Claims (97)

1. 전기 기계이며,
   고정자 극을 형성하기 위해 여자되도록 구성된 고정자 권선을 포함하는 고정자;
   회전자와 고정자 사이에 상대 힘을 생성하기 위해 고정자 극과 상호 작용하는 회전자 극을 형성하기 위해 여자되도록 구성된 회전자 권선을 포함하는 회전자로서, 회전자는 고정자로부터 무선으로 전력 전송 신호를 수신하기 위해 고정자에 자기적으로 결합되도록 구성되는, 회전자; 및
   회전자에 회전식으로 고정되고 회전자 권선 중 하나 이상의 제1 회전자 권선에 전도성 결합된 능동 정류기를 포함하고, 능동 정류기는:
   전력 전송 신호로부터 전기 에너지를 포획하고,
   전력 전송 신호로부터 포획된 전기 에너지를 하나 이상의 제1 회전자 권선에 유도함으로써 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름을 제어하도록 구성되는, 전기 기계.
2. 제1항에 있어서, 능동 정류기에 결합된 에너지 저장 요소를 더 포함하고, 능동 정류기는 전력 전송 신호로부터 포획된 전기 에너지를 에너지 저장 요소에 저장하도록 추가로 구성되고, 하나 이상의 제1 회전자 권선으로의 전기 에너지의 유도는 에너지 저장 요소 상에 저장된 전기 에너지를 인출하는 것 및 인출된 전기 에너지를 하나 이상의 제1 회전자 권선으로 유도하는 것을 포함하는, 전기 기계.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 회전자는 고정자로부터 무선으로 데이터 신호를 추가로 수신하고, 데이터 신호는 능동 정류기에 대한 제어 정보를 인코딩하고, 능동 정류기는 제어 정보에 응답하여 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름을 제어하도록 추가로 구성되는, 전기 기계.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   회전자는 전력 전송 신호에 기초하여, 고정자의 동작 상태를 추정하여 제어 정보를 결정하도록 구성된 회전자 제어 유닛을 더 포함하고;
   능동 정류기는 제어 정보에 응답하여 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름을 제어하도록 추가로 구성되는, 전기 기계.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 정류기는 전력 전송 신호로부터 전기 에너지를 포획하고 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름을 제어하도록 선택적으로 제어되도록 구성된 제어 가능한 스위치를 포함하는, 전기 기계.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자에 의해 무선으로 수신된 전력 전송 신호는 하나 이상의 제1 회전자 권선에 의해 수신되거나, 회전자 권선 중 하나 이상의 제2 회전자 권선에 의해 수신되는, 전기 기계.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   고정자 권선을 여자하여 고정자 극을 형성하고 전력 전송 신호를 회전자에 무선으로 전송하기 위해 고정자 권선을 통한 전류를 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는, 전기 기계.
8. 제7항에 있어서, 고정자 극을 형성하기 위해 고정자 권선을 여자하도록 고정자 권선을 통한 전류를 제어하기 위해, 제어기는 회전자 극 중 가장 가까운 극에 대해 측정된 전류각에서 고정자 권선에 토크 제어 신호를 송신하도록 구성되는, 전기 기계.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 회전자에 전력 전송 신호를 무선으로 전송하기 위해 고정자 권선을 통한 전류를 제어하기 위해, 제어기는 고정자 권선을 통해 전력 전송 신호를 송신하도록 구성되고, 전력 전송 신호 토크 제어 신호는 토크 제어 신호와는 상이한, 전기 기계.
10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제어기는 회전자에 데이터 신호를 무선으로 전송하기 위해 고정자 권선을 통해 데이터 신호를 송신하기 위해 고정자 권선을 통한 전류를 제어하도록 추가로 구성되고, 데이터 신호는 토크 제어 신호와는 상이하고 제어 정보를 포함하는, 전기 기계.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제어기는:
    동작 조건에 응답하여 전류각을 조정하고;
    동작 조건에 응답하여 토크 제어 신호의 전류 크기를 조정하도록 추가로 구성되고,
    회전자의 회전은 동작 중에 고정자 권선에 의해 생성된 고정자 극의 자기장과 동기화되어 유지되는, 전기 기계.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자는 회전자 내에 매립된 영구 자석을 포함하는, 전기 기계.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자 극 중 하나와 연관된 각각의 회전자 권선은 단일의 대응 능동 정류기에 전도성 결합되는, 전기 기계.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 정류기는 H-브리지 구성으로 배열된 복수의 게이트를 포함하는, 전기 기계.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 정류기는 H-브리지 구성으로 배열된 2개의 다이오드 및 2개의 게이트를 포함하고, 2개의 다이오드는 하나 이상의 제1 회전자 권선과 직렬로 배열되고, 2개의 게이트는 제1 하나 이상의 회전자 권선과 직렬로 배열되는, 전기 기계.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 회전자는 추가로 고정자로부터 무선으로 데이터 신호를 수신하고, 게이트는 회전자에 의해 고정자로부터 무선으로 수신된 데이터 신호에 응답하여 작동하는, 전기 기계.
17. 제14항 또는 제15항에 있어서, 게이트는 트랜지스터를 포함하는, 전기 기계.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    고정자로부터 무선으로 수신된 전력 전송 신호로부터, 회전자에 대한 동작 설정점을 나타내는 데이터 신호를 추출하고;
    동작 설정점에 응답하여 능동 정류기의 스위칭 동작을 제어하도록 구성된 회전자 제어 유닛을 포함하는, 전기 기계.
19. 제18항에 있어서, 데이터 신호는 진폭 변조 또는 주파수 변조에 의해 전력 전송 신호에 임베드되는, 전기 기계.
20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 동작 설정점은 회전자 권선 전압 설정점, 회전자 권선 전류 설정점, 또는 회전자 전압 주파수 설정점을 포함하는, 전기 기계.
21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 스위칭 동작의 제어는 회전자 권선 전압이 대응 고정자 권선 전압에 선행하게 하여, 회전자 권선 전류의 능동 약화를 야기하는 것을 포함하는, 전기 기계.
22. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    고정자로부터 무선으로 수신된 전력 전송 신호에 기초하여, 고정자의 동작 상태를 추정하고;
    추정된 동작 상태에 응답하여 능동 정류기의 스위칭 동작을 제어하도록 구성된 회전자 제어 유닛을 포함하는, 전기 기계.
23. 제22항에 있어서, 고정자의 동작 상태는 고정자 권선 전압을 포함하는, 전기 기계.
24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자 권선 중 n개의 회전자 권선은 서로 전도성 결합되고, 전기 기계는:
    n개의 전압 성분을 포함하는 전압을 고정자 권선에 인가하도록 구성된 제어기를 더 포함하고, 각각의 전압 성분은 전압 성분에 대응하는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 n개의 회전자 권선의 각각에 결합되고,
    n개의 전압 성분은 각각 별개의 위상에 의해 특징화되고, 별개의 위상은 약 360/n도만큼 서로로부터 분리되어 있는, 전기 기계.
25. 제24항에 있어서, n개의 회전자 권선은 회전자의 상이한 각각의 극 쌍에 포함되는, 전기 기계.
26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 능동 정류기는 n개의 회전자 권선의 각각에 전도성 결합된 공유 커패시터를 포함하고, 공유 커패시터는 에너지를 저장하고 반면 능동 정류기는 n개의 회전자 권선의 각각에서 전류 흐름의 방향을 제어하는, 전기 기계.
27. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자는 n개의 부가의 회전자 권선을 포함하고,
    n개의 부가의 회전자 권선의 각각은 n개의 회전자 권선 중 대응하는 하나와 함께 극 쌍에 포함되고,
    n개의 회전자 권선은 능동 정류기에 의해 n개의 부가의 회전자 권선에 전도성 결합되는, 전기 기계.
28. 제27항에 있어서, n개의 부가의 회전자 권선은 능동 정류기에 대해 델타 구성으로 전도성 결합되는, 전기 기계.
29. 제24항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, n개의 회전자 권선은 직렬로 전도성 결합되는, 전기 기계.
30. 제29항에 있어서, n개의 회전자 권선은 n개의 전압 성분에 대해 교번 극성을 갖고 직렬로 전도성 결합되는, 전기 기계.
31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    능동 정류기 및 하나 이상의 제1 회전자 권선에 전도성 결합된 저역 통과 필터를 포함하는, 전기 기계.
32. 제31항에 있어서, 저역 통과 필터의 DC 출력은 능동 정류기의 DC 출력에 전도성 결합되는, 전기 기계.
33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 정류기는 고정자 권선에 의해 하나 이상의 제1 회전자 권선에 유도된 주기적인 전압에 제로 시퀀스를 도입하도록 구성되는, 전기 기계.
34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 정류기는 하나 이상의 제1 회전자 권선 내에서, 고정자 권선 내의 대응 주기적인 전압에 비교하여 약 90도 시프트된 주기적인 전압을 발생시키도록 구성되는, 전기 기계.
35. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 정류기는 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통해 0이 아닌 DC 전류를 생성하도록 구성되는, 전기 기계.
36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 고정자 극과 연관되고 고정자 권선에 의해 생성된 자기장은 대응 회전자 극과 실질적으로 인라인인 D 성분, 및 전기 기준 프레임 내의 대응 회전자 극보다 90° 앞선 Q 성분을 포함하고,
    전력 전송 신호는 D 성분의 변조, Q 성분의 변조, 또는 D 성분과 Q 성분의 모두의 변조에 포함되는, 전기 기계.
37. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 고정자 극과 연관되고 고정자 권선에 의해 생성된 자기장은 대응 회전자 극과 실질적으로 인라인인 D 성분, 전기 기준 프레임 내의 대응 회전자 극보다 90° 앞선 Q 성분, 및 D 성분 및 Q 성분에 직교하는 z 성분을 포함하고,
    전력 전송 신호는 z 성분의 변조에 포함되는, 전기 기계.
38. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 전력 전송 신호는 하나 이상의 제1 회전자 권선을 여자하기 위한 전력의 무선 전송을 제공하고, 회전자는 추가로 고정자 권선으로부터 무선으로 데이터 신호를 수신하고, 데이터 신호는 능동 정류기에 대한 제어 정보를 인코딩하고,
    전력 전송 신호는 고정자와 회전자가 유도 결합되는 제1 제어 가능한 축을 따라 무선으로 수신되고,
    데이터 신호는 고정자와 회전자가 결합되는 제2 상이한 제어 가능한 축을 따라 무선으로 수신되는, 전기 기계.
39. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 전력 전송 신호는 하나 이상의 제1 회전자 권선을 여자하기 위한 전력의 무선 전송을 제공하고, 회전자는 추가로 고정자 권선으로부터 무선으로 데이터 신호를 수신하고, 데이터 신호는 능동 정류기에 대한 제어 정보를 인코딩하고,
    전력 전송 신호 및 데이터 신호는 고정자와 회전자가 무선으로 자기적으로 결합되는 제1 제어 가능 축을 따라 무선으로 수신되고, 제1 제어 가능 축은 회전 기준 프레임의 축인, 전기 기계.
40. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 전력 전송 신호는 고정자의 자기장의 변조된 진폭, 고정자의 자기장의 변조된 주파수, 또는 양자 모두에 기초하여 고정자와 회전자가 자기적으로 결합되는 제어 가능한 축을 따라 회전자에 의해 무선으로 수신되는, 전기 기계.
41. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 고정자는 하나 이상의 제어 가능한 축 상에서 하나 이상의 제1 회전자 권선에 결합되는, 전기 기계.
42. 제41항에 있어서, 상대 힘은 하나 이상의 제어 가능한 축 중 제1 제어 가능한 축을 따른 결합에 의해 생성되고,
    전력 전송 신호는 제1 제어 가능한 축을 따라 무선으로 수신되는, 전기 기계.
43. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 정류기는 회전자 권선의 제1 서브세트에서 실질적으로 DC 전류 및 회전자 권선의 제2 상이한 서브세트에서 실질적으로 진동 전류를 생성하도록 구성되는, 전기 기계.
44. 제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 정류기는 회전자 상에 장착된 하나 이상의 회로 기판에 포함되는, 전기 기계.
45. 제44항에 있어서, 하나 이상의 회로 기판은 회전자의 회전자 샤프트에 통합되는, 전기 기계.
46. 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 전력 전송 신호의 주파수는 상대 힘을 생성하기 위해 고정자 권선에 송신된 토크 제어 신호의 주파수에 독립적인, 전기 기계.
47. 제1항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자는 추가로 고정자 권선으로부터 무선으로 데이터 신호를 수신하고, 데이터 신호는 능동 정류기에 대한 제어 정보를 인코딩하고, 데이터 신호의 주파수는 상대 힘을 생성하기 위해 고정자 권선에 송신된 토크 제어 신호의 주파수에 독립적인, 전기 기계.
48. 모터를 제어하는 방법이며,
    회전자에 의해, 고정자로부터 무선으로 전력 전송 신호를 수신하는 단계로서, 고정자는 고정자 극을 형성하기 위해 여자되도록 구성된 고정자 권선을 포함하고 회전자는 회전자와 고정자 사이에 상대 힘을 생성하기 위해 고정자 극과 상호 작용하는 회전자 극을 형성하기 위해 여자되도록 구성된 회전자 권선을 포함하는, 전력 전송 신호 수신 단계;
    회전자에 회전식으로 고정된 능동 정류기에 의해, 전력 전송 신호로부터 전기 에너지를 포획하는 단계로서, 능동 정류기는 회전자 권선의 하나 이상의 제1 회전자 권선에 전도성 결합되는, 전기 에너지 포획 단계; 및
    능동 정류기에 의해, 전력 전송 신호로부터 포획된 전기 에너지를 하나 이상의 제1 회전자 권선에 유도함으로써 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
49. 제48항에 있어서,
    능동 정류기에 의해, 전력 전송 신호로부터 포획된 전기 에너지를 에너지 저장 요소에 저장하는 단계로서, 에너지 저장 요소는 능동 정류기에 결합되는, 전기 에너지 저장 단계를 더 포함하고,
    하나 이상의 제1 회전자 권선으로의 전기 에너지의 유도는 에너지 저장 요소 상에 저장된 전기 에너지를 인출하는 것 및 하나 이상의 제1 회전자 권선에 인출되는 전기 에너지를 유도하는 것을 포함하는, 방법.
50. 제48항 또는 제49항에 있어서,
    회전자에 의해, 고정자로부터 무선으로 데이터 신호를 수신하는 단계로서, 데이터 신호는 능동 정류기에 대한 제어 정보를 인코딩하는, 데이터 신호 수신 단계를 더 포함하고,
    능동 정류기에 의해, 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름을 제어하는 단계는 제어 정보에 응답하는, 방법.
51. 제48항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전자의 회전자 제어 유닛에 의해, 전력 전송 신호에 기초하여, 고정자의 동작 상태를 추정하여 제어 정보를 결정하는 단계를 더 포함하고,
    능동 정류기에 의해, 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름을 제어하는 단계는 제어 정보에 응답하는, 방법.
52. 제48항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력 전송 신호로부터 전기 에너지를 포획하고 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름을 제어하기 위해 능동 정류기의 제어 가능한 스위치를 선택적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
53. 제48항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자에 의해 무선으로 수신된 전력 전송 신호는 하나 이상의 제1 회전자 권선에 의해 수신되거나, 회전자 권선 중 하나 이상의 제2 회전자 권선에 의해 수신되는, 방법.
54. 제48항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어기에 의해, 고정자 권선을 여자하여 고정자 극을 형성하고 전력 전송 신호를 회전자에 무선으로 전송하기 위해 고정자 권선을 통한 전류를 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
55. 제54항에 있어서, 고정자 극을 형성하기 위해 고정자 권선을 여자하도록 고정자 권선을 통한 전류를 제어하기 위해, 제어기는 회전자 극 중 가장 가까운 극에 대해 측정된 전류각에서 고정자 권선에 토크 제어 신호를 송신하는, 방법.
56. 제54항 또는 제55항에 있어서, 회전자에 전력 전송 신호를 무선으로 전송하기 위해 고정자 권선을 통한 전류를 제어하기 위해, 제어기는 고정자 권선을 통해 전력 전송 신호를 송신하고, 전력 전송 신호 토크 제어 신호는 토크 제어 신호와는 상이한, 방법.
57. 제54항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어기에 의해, 회전자에 데이터 신호를 무선으로 전송하기 위해 고정자 권선을 통해 데이터 신호를 송신하기 위해 고정자 권선을 통한 전류를 제어하는 단계를 더 포함하고, 데이터 신호는 토크 제어 신호와는 상이하고 제어 정보를 포함하는, 방법.
58. 제54항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어기에 의해, 동작 조건에 응답하여 전류각을 조정하는 단계; 및
    제어기에 의해, 동작 조건에 응답하여 토크 제어 신호의 전류 크기를 조정하는 단계를 더 포함하고,
    회전자의 회전은 동작 중에 고정자 권선에 의해 생성된 고정자 극의 자기장과 동기화되어 유지되는, 방법.
59. 제48항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자는 회전자 내에 매립된 영구 자석을 포함하는, 방법.
60. 제48항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자 극 중 하나와 연관된 각각의 회전자 권선은 단일의 대응 능동 정류기에 전도성 결합되는, 방법.
61. 제48항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 정류기는 H-브리지 구성으로 배열된 복수의 게이트를 포함하는, 방법.
62. 제48항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 정류기는 H-브리지 구성으로 배열된 2개의 다이오드 및 2개의 게이트를 포함하고, 2개의 다이오드는 하나 이상의 제1 회전자 권선과 직렬로 배열되고, 2개의 게이트는 제1 하나 이상의 회전자 권선과 직렬로 배열되는, 방법.
63. 제61항 또는 제62항에 있어서,
    회전자에 의해, 고정자로부터 무선으로 데이터 신호를 수신하는 단계; 및
    회전자에 의해 고정자로부터 무선으로 수신된 데이터 신호에 응답하여 게이트를 작동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
64. 제61항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서, 게이트는 트랜지스터를 포함하는, 방법.
65. 제48항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전자의 회전자 제어 유닛에 의해, 고정자로부터 무선으로 수신된 전력 전송 신호로부터 회전자에 대한 동작 설정점을 나타내는 데이터 신호를 추출하는 단계; 및
    회전자 제어 유닛에 의해, 동작 설정점에 응답하여 능동 정류기의 스위칭 동작을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
66. 제65항에 있어서, 데이터 신호는 진폭 변조 또는 주파수 변조에 의해 전력 전송 신호에 임베드되는, 방법.
67. 제65항 또는 제66항에 있어서, 동작 설정점은 회전자 권선 전압 설정점, 회전자 권선 전류 설정점, 또는 회전자 전압 주파수 설정점을 포함하는, 방법.
68. 제65항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 스위칭 동작의 제어는 회전자 권선 전압이 대응 고정자 권선 전압에 선행하게 하여, 회전자 권선 전류의 능동 약화를 야기하는 것을 포함하는, 방법.
69. 제48항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전자의 회전자 제어 유닛에 의해, 고정자로부터 무선으로 수신된 전력 전송 신호에 기초하여 고정자의 동작 상태를 추정하는 단계; 및
    회전자 제어 유닛에 의해, 추정된 동작 상태에 응답하여 능동 정류기의 스위칭 동작을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
70. 제69항에 있어서, 고정자의 동작 상태는 고정자 권선 전압을 포함하는, 방법.
71. 제48항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자 권선 중 n개의 회전자 권선은 서로 전도성 결합되고, 방법은:
    고정자 권선에, n개의 전압 성분을 포함하는 전압을 인가하는 단계로서, 각각의 전압 성분은 전압 성분에 대응하는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 n개의 회전자 권선의 각각에 결합되는, 전압 인가 단계를 더 포함하고,
    n개의 전압 성분은 각각 별개의 위상에 의해 특징화되고, 별개의 위상은 약 360/n도만큼 서로로부터 분리되어 있는, 방법.
72. 제71항에 있어서, n개의 회전자 권선은 회전자의 상이한 각각의 극 쌍에 포함되는, 전기 기계.
73. 제71항 또는 제72항에 있어서,
    능동 정류기의 공유 커패시터에 의해, 능동 정류기가 n개의 회전자 권선의 각각 내의 전류 흐름의 방향을 제어하는 동안 에너지를 저장하는 단계를 더 포함하고, 공유 커패시터는 n개의 회전자 권선의 각각에 전도성 결합되는, 방법.
74. 제71항 내지 제73항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자는 n개의 부가의 회전자 권선을 포함하고,
    n개의 부가의 회전자 권선의 각각은 n개의 회전자 권선 중 대응하는 하나와 함께 극 쌍에 포함되고,
    n개의 회전자 권선은 능동 정류기에 의해 n개의 부가의 회전자 권선에 전도성 결합되는, 방법.
75. 제74항에 있어서, n개의 부가의 회전자 권선은 능동 정류기에 대해 델타 구성으로 전도성 결합되는, 방법.
76. 제71항 내지 제75항 중 어느 한 항에 있어서, n개의 회전자 권선은 직렬로 전도성 결합되는, 방법.
77. 제76항에 있어서, n개의 회전자 권선은 n개의 전압 성분에 대해 교번 극성을 갖고 직렬로 전도성 결합되는, 방법.
78. 제48항 내지 제77항 중 어느 한 항에 있어서,
    저역 통과 필터에 의해, 능동 정류기와 하나 이상의 제1 회전자 권선 사이에서 신호를 필터링하는 단계를 포함하고, 저역 통과 필터는 능동 정류기 및 하나 이상의 제1 회전자 권선에 전도성 결합되는, 방법.
79. 제78항에 있어서, 저역 통과 필터의 DC 출력은 능동 정류기의 DC 출력에 전도성 결합되는, 방법.
80. 제48항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서,
    능동 정류기에 의해, 고정자 권선에 의해 하나 이상의 제1 회전자 권선 내에 유도된 주기적인 전압에 제로 시퀀스를 도입하는 단계를 더 포함하는, 방법.
81. 제48항 내지 제80항 중 어느 한 항에 있어서,
    능동 정류기에 의해, 하나 이상의 제1 회전자 권선 내에서, 고정자 권선 내의 대응 주기적인 전압에 비교하여 약 90도 시프트된 주기적인 전압을 발생하는 단계를 더 포함하는, 방법.
82. 제48항 내지 제81항 중 어느 한 항에 있어서,
    능동 정류기에 의해, 하나 이상의 제1 회전자 권선을 통한 전류 흐름으로서 0이 아닌 DC 전류를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
83. 제48항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서, 고정자 극과 연관되고 고정자 권선에 의해 생성된 자기장은 대응 회전자 극과 실질적으로 인라인인 D 성분, 및 전기 기준 프레임 내의 대응 회전자 극보다 90° 앞선 Q 성분을 포함하고,
    전력 전송 신호는 D 성분의 변조, Q 성분의 변조, 또는 D 성분과 Q 성분의 모두의 변조에 포함되는, 방법.
84. 제48항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서, 고정자 극과 연관되고 고정자 권선에 의해 생성된 자기장은 대응 회전자 극과 실질적으로 인라인인 D 성분, 전기 기준 프레임 내의 대응 회전자 극보다 90° 앞선 Q 성분, 및 D 성분 및 Q 성분에 직교하는 z 성분을 포함하고,
    전력 전송 신호는 z 성분의 변조에 포함되는, 방법.
85. 제48항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서, 전력 전송 신호는 하나 이상의 제1 회전자 권선을 여자하기 위한 전력의 무선 전송을 제공하고, 회전자는 추가로 고정자 권선으로부터 무선으로 데이터 신호를 수신하고, 데이터 신호는 능동 정류기에 대한 제어 정보를 인코딩하고,
    전력 전송 신호는 고정자와 회전자가 유도 결합되는 제1 제어 가능한 축을 따라 무선으로 수신되고,
    데이터 신호는 고정자와 회전자가 결합되는 제2 상이한 제어 가능한 축을 따라 무선으로 수신되는, 방법.
86. 제48항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서, 전력 전송 신호는 하나 이상의 제1 회전자 권선을 여자하기 위한 전력의 무선 전송을 제공하고, 회전자는 추가로 고정자 권선으로부터 무선으로 데이터 신호를 수신하고, 데이터 신호는 능동 정류기에 대한 제어 정보를 인코딩하고,
    전력 전송 신호 및 데이터 신호는 고정자와 회전자가 무선으로 자기적으로 결합되는 제1 제어 가능 축을 따라 무선으로 수신되고, 제1 제어 가능 축은 회전 기준 프레임의 축인, 방법.
87. 제48항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서, 전력 전송 신호는 고정자의 자기장의 변조된 진폭, 고정자의 자기장의 변조된 주파수, 또는 양자 모두에 기초하여 고정자와 회전자가 자기적으로 결합되는 제어 가능한 축을 따라 회전자에 의해 무선으로 수신되는, 방법.
88. 제48항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서, 고정자는 하나 이상의 제어 가능한 축 상에서 하나 이상의 제1 회전자 권선에 결합되는, 방법.
89. 제88항에 있어서, 상대 힘은 하나 이상의 제어 가능한 축 중 제1 제어 가능한 축을 따른 결합에 의해 생성되고,
    전력 전송 신호는 제1 제어 가능한 축을 따라 무선으로 수신되는, 방법.
90. 제48항 내지 제89항 중 어느 한 항에 있어서,
    능동 정류기에 의해, 회전자 권선의 제1 서브세트에서 실질적으로 DC 전류 및 회전자 권선의 제2 상이한 서브세트에서 실질적으로 진동 전류를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
91. 제48항 내지 제90항 중 어느 한 항에 있어서, 능동 정류기는 회전자 상에 장착된 하나 이상의 회로 기판에 포함되는, 방법.
92. 제90항에 있어서, 하나 이상의 회로 기판은 회전자의 회전자 샤프트에 통합되는, 방법.
93. 제48항 내지 제92항 중 어느 한 항에 있어서, 전력 전송 신호의 주파수는 상대 힘을 생성하기 위해 고정자 권선에 송신된 토크 제어 신호의 주파수에 독립적인, 방법.
94. 제48항 내지 제93항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전자에 의해, 고정자 권선으로부터 무선으로 데이터 신호를 수신하는 단계를 더 포함하고, 데이터 신호는 능동 정류기에 대한 제어 정보를 인코딩하고, 데이터 신호의 주파수는 상대 힘을 생성하기 위해 고정자 권선에 송신된 토크 제어 신호의 주파수에 독립적인, 방법.
95. 제48항 내지 제94항 중 어느 한 항에 있어서, 고정자 권선에 n개의 주기적인 전압을 인가하는 단계를 더 포함하고,
    n개의 주기적인 전압은 n개의 주기적인 전압과 연관된 고정자 전류에 의해, n개의 회전자 권선에 각각 결합되도록 타이밍 설정되고, n개의 회전자 권선은 서로 전도성 결합되고,
    n개의 주기적인 전압은 각각 별개의 위상에 의해 특징화되고, 별개의 위상은 약 360/n도만큼 서로로부터 분리되어 있는, 방법.
96. 제48항 내지 제95항 중 어느 한 항에 있어서, 또한, 능동 정류기는 하나 이상의 제1 회전자 권선 내의 전압에 저역 통과 필터링을 적용하도록 제어되는, 방법.
97. 전기 기계를 제어하는 방법이며,
    고정자 내에 고정자 자기장을 생성하기 위해 고정자의 고정자 권선을 여자하는 단계;
    자속을 설정함으로써 고정자 자기장에 의해 회전자 극 내의 강자성 재료 내의 대응 회전자 자기장을 수정하는 단계;
    고정자 자기장의 시프트에 의해 회전자에 대한 접선 방향의 힘을 발생하는 단계;
    발생된 접선 방향 힘에 의해 회전자를 이동시키는 단계; 및
    여자된 고정자 권선에 의해 데이터 신호를 발생하는 단계를 포함하고,
    데이터 신호는, 데이터 신호가 하나 이상의 제2 회전자 권선에 의해 수신될 때, 능동 정류기가 수신된 데이터 신호에 응답하여 제어되어, 공기 간극 내의 자속의 여자의 지연을 제어하도록 이루어지고, 공기 간극은 고정자의 내부 표면과 회전자의 외부 표면 사이에 형성되고,
    수신된 데이터 신호에 응답하여, 회전자 내의 자속의 감쇠는 고정자 자기장의 시프트에 응답하여 하나 이상의 제1 회전자 권선 내의 전류에 의해 제어되는, 방법.

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