KR20240021254A

KR20240021254A - 소형 모터

Info

Publication number: KR20240021254A
Application number: KR1020247001050A
Authority: KR
Inventors: 리오넬 빌릿
Original assignee: 무빙 마그네트 테크놀로지스
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2022-06-14
Publication date: 2024-02-16
Also published as: JP2024521477A; EP4356498A1; WO2022263769A1; FR3124035A1; FR3124035B1; CN117730472A

Abstract

본 발명은 3개의 전기 권선들에 의해 여자되는 고정자 부분과 복수의 자화된 극들을 포함하는 회전자(50)에 의해 형성되는 3상 전기 모터에 관한 것이고, 상기 고정자 부분은 반경 방향으로 연장되는 치형부를 가지며; 상기 고정자 부분은:
-제1 각도 섹터에서 각 권선이 장착되는 3개의 연속적인 권선 치형부(1~3) 및
-상기 제1 각도 섹터에 상보적인 제2 각도 섹터에 있는 1 내지 3개의 상보적인 비권선 치형부(4~6)를 포함한다.

Description

소형 모터

발명의 분야

본 발명은 소형의 그리고 감소된 질량의 3상 전기 모터에 관한 것이고, 특히 하우징에 수용된 다단 감속 기어를 구동하도록 만들어진 것이며, 상기 고정자 부분은 다른 부품들(기어 휠, 전자 회로 등)의 양호한 체계(good organization)를 허용하기 위해 일체화된다.

종래기술

출원인에 의한 특허 EP 2171831 B1은 당업계에 공지되어 있으며, 전기 권선 및 교번 방향들에서 반경 방향으로 자화된 N개 극쌍을 갖는 회전자에 의해 여자(excited)되는 고정자 부분을 갖는 3상 전기 모터의 알려진 해결책을 기술한다.

고정자 부분은 각각의 반경 R1과 R2의 두 각도 섹터들인 알파-1과 알파-2를 가지고, R1은 R2와 다르고, 각각 환형 링으로부터 반경 방향으로 연장되는 넓은 치형부와 좁은 치형부를 포함한다. 넓은 치형부는 좁은 치형부 폭의 두 배 이상인 폭을 가지고, 노치 폭은 좁은 치형부의 폭보다 크다. 각도 섹터 알파-1은 220°보다 작으며 적어도 3개의 권선들을 포함한다.

특허 EP 3326263이 또한 공지되어 있으며, 적어도 2개의 전기적 위상을 갖는 브러시리스 모터, 축을 중심으로 회전하는 회전자를 포함하는 하우징으로 구성되고, 각각 권선이 장착되는(carrying) 적어도 2개의 극을 가지는 고정자 조립체로 구성된 기어드 모터(geared motor)의 또 다른 해결책을 기술하며, 그 권선 축들은 180° 미만의 기계적 각도로 이격되어 있고 반경 방향으로 연장되어 있다.

특허 FR 3096195는 감속 기어 트레인과 겹겹이 쌓인 적층체와 3*k 전기 권선들로 형성된 고정자와 k*N 쌍의 자화 극, k = 1 또는 2, 을 갖는 회전자를 포함하는 3상 전기 모터를 포함하는 기어드 모터의 또 다른 해결책을 기술하며, 상기 고정자는 두 개의 별개의 각도 섹터들인 알파 1과 알파 2를 가지며 이들은 상기 모터의 회전 중심에 중심을 두고, 노치와 3*k*N 치형부가 교대로 구성되며, 이들은 규칙적으로 이격되며 회전 중심을 향해 수렴하고 상기 회전자가 배열되는 공동을 정의하며, N = 4이고 알파 1은 180°이하이고 상기 모터의 상기 권선들 모두를 포함하는 것을 특징으로 한다.

종래기술의 문제점

배경 기술의 해결책들은 모터를 수용할 충분한 공간이 있는 응용 분야에 적합하다. 그러나 동질적으로(homothetically) 치수를 줄이는 것은 불가능하다. 실제로, 일부 치수들은 권선들에 적용되는 전기 에너지와 같은 매개변수에 의해 제한되며, 이는 구리의 부피를 줄이는 것을 가능하게 하지 않으므로, 이에 따라 권선 와이어의 단면 또는 권선의 벌크가 한도 미만으로 제한된다. 또한, 권선 본체들 및 전기 연결 부재들과 같은 일부 부재들의 치수들은 모터의 사이즈에 비례하여 줄어들 수 없으며, 따라서 권선의 전도성 와이어들에 사용 가능한 부피가 비례하여 감소된다. 그 결과, 상기 모터들의 성능이 저하된다.

따라서 배경 기술의 해결책은 고정된 전력 레벨에 대한 소형화의 한계에 직면하게 된다.

본 발명에 의해 제공되는 해결수단

본 발명의 주제는 이러한 단점을 해결하는 것이며, 가장 일반적인 의미에 따라 3개의 전기 권선들에 의해 여자되는 고정자 부분과 자화된 회전자에 의해 형성되는 3상 전기 모터에 관한 것이고, 상기 고정자 부분은 반경 방향으로 연장되는 치형부를 가지며; 상기 고정자 부분은

-제1 각도 섹터에서 각 권선이 장착되는 3개의 연속적인 권선 치형부; 및

-상기 제1 각도 섹터에 상보적인 제2 각도 섹터에 있는 1 내지 3개의 상보적인 비권선 치형부를 포함하는 것이다.

특별한 경우에, 상기 비권선 치형부는 상기 3개의 권선 치형부의 무전류 토크를 미리 결정된 기준값으로 조정하도록 구성된다.

다른 특별한 경우에, 상기 비권선 치형부의 각도 폭, 길이, 및 선택적으로 형상은, 상기 3상 전기 모터의 무전류 토크 곡선을 형상화하고, 상기 무전류 토크(current-free torque)의 다소 급격한 인덱싱(a more or less steep indexing) 또는 규칙성(regularity)과 평활성(smoothness)을 쉽게하기 위해 조정된다.

또 다른 특별한 경우에 있어서, 상기 비권선 치형부의 각도 폭, 길이, 및 선택적으로 형상은 상기 회전자와 상기 고정자의 상기 치형부 사이에 가해지는 상기 반경 방향의 자기력들의 균형을 위하여 조정된다

유리하게, 2개의 연속적인 권선 치형부 사이의 상기 각도 간격은 60°이다.

제1 실시예에 따르면, 상기 고정자는 6개의 치형부를 포함하고, 상기 권선 치형부의 정반대에서 60°의 간격을 갖는 3개의 비권선 치형부가 있다.

제2 실시예에 따르면, 고정자는 5개의 치형부를 포함하고 상기 비권선 치형부 및 상기 연속적인 권선 치형부 사이에 60°의 간격을 갖는 상기 제1 각도 섹터의 양편에 있는 하나의 비권선 치형부가 있다.

제3 실시예에 따르면, 고정자는 4개의 치형부를 포함하며, 하나의 비권선 치형부는 중앙의 권선 치형부의 정반대에 있다.

한 변형에 따르면, 삽입을 용이하게 하기 위해, 반경 방향에서 측정된 권선들의 길이는 회전자의 직경보다 작다.

또 다른 변형에 따르면, 고정자는 긴 권선들을 삽입할 수 있도록 2개의 부품들로 생산된다.

한 변형에 따르면, 전기 모터는 60°의 각도로 분리된 3개의 비권선 치형부를 포함하고, 각각의 비권선 치형부는 상기 권선 치형부 중 하나와 정반대에 있다.

다른 변형에 따르면, 전기 모터는 제2 각도 섹터에 위치된 2개의 비권선 치형부를 포함하고, 각각의 비권선 치형부와 인접한 권선 치형부 사이에 형성되는 각도는 동일하다.

또 다른 변형에 따르면, 전기 모터는 단일의 비권선 치형부를 포함하고, 상기 비권선 치형부는 중앙의 권선 치형부의 정반대에 있다.

특히, 고정자는 비권선 치형부들 사이에 컷아웃을 갖고, 그에 따라 상기 회전자의 위치를 측정하기 위한 자기적으로 민감한 프로브를 수용하는 것을 가능하게 하는 공간이 마련된다.

한 버전에 따르면, 반경 방향에서 측정되는 권선들의 길이는 회전자의 직경보다 작다.

다른 버전에 따르면 고정자는 2개 이상의 부품들로 구성된다.

또 다른 버전에 따르면, 회전자는 2^N쌍의 자극을 가지며, N은 2 이하의 자연수이다.

운동 변환기뿐만 아니라 3상 전기 모터를 포함하는 하우징이 제공되는 기어드 모터.

상기 3상 전기 모터를 제어하기 위한 수단을 갖는 제어 전자장치를 또한 포함하는 하우징을 갖춘 기어드 모터.

하나의 비제한적인 예시적 실시예에 대한 상세한 설명
본 발명은 첨부된 도면에 의해 도시된 비제한적인 예시적 실시예에 관한 다음의 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이다.
[도 1] 도 1은 제1 예시적 실시예의 사시도를 도시한다.
[도 2] 도 2는 제1 예시적 실시예의 정면도를 도시한다.
[도 3] 도 3은 제1 예시적 실시예의 단면도를 도시한다.
[도 4] 도 4는 제1 실시예의 고정자 시트를 도시한다.
[도 5] 도 5는 동일하지 않은 치형부를 갖는 제1 예시적 실시예의 변형의 고정자 시트를 도시한다.
[도 6a],
[도 6b],
[도 6c] 도 6a, 도 6b, 도 6c는 제1 최적화된 예시적 실시예에 따른 일반적인 토크 곡선들을 도시한다.
[도 7] 도 7은 제3 예시적 실시예의 사시도를 도시한다.
[도 8a],
[도 8b],
[도 8c] 도 8a, 도 8b, 도 8c는 제3 최적화된 예시적 실시예에 따른 일반적인 토크 곡선들을 도시한다.
[도 9] 도 9는 본 발명에 따른 고정자의 대안적인 실시예의 사시도를 도시한다.
[도 10] 도 10은 본 발명에 따른 다른 회전자 변형들의 사시도를 도시한다.
[도 11] 도 11은 본 발명에 따른 고정자의 대안적인 실시예의 사시도를 도시한다.
[도 12] 도 12는 감속 기어에 대한 본 발명의 커플링의 사시도를 도시한다.
[도 13] 도 13은 감속 기어에 대한 본 발명의 변형 커플링의 사시도를 도시한다.
[도 14] 도 14는 감속 기어에 대한 본 발명의 변형 커플링의 사시도를 도시한다.
[도 15] 도 15는 도 14에 도시되고 기어드 모터의 하우징에 통합된 변형의 사시도를 도시한다.
[도 16] 도 16은 2쌍의 극을 갖는 회전자가 구비된 본 발명에 따른 대안적인 실시예의 사시도를 도시한다.
[도 17] 도 17은 단일의 비권선 치형부를 갖는 고정자가 구비된 본 발명에 따른 대안적인 실시예의 사시도를 도시한다.
[도 18] 도 18은 비권선 치형부의 두 가지 다른 폭들에 대한 각 치형부 상의 자기력들의 시뮬레이션을 묘사한다.
[도 19] 도 19는 비권선 치형부의 두 가지 다른 폭들에 대해 고정자에 가해지는 자기력들의 결과에 대한 시뮬레이션을 묘사한다.

일반 원리

따라서 본 발명은 특히 경제적이고 견고하며 대량 생산에 적합한 기어드 모터를 장착하기 위해 의도된 모터를 제안하는 것을 목적으로 하며, 이 목적을 위해 외부 치수와 질량 측면에서 발생하는 모든 제약 조건을 존중하는 감속 기어 또는 운동 변환기 시스템(movement transformer system)과 쉬운 통합을 허용하는 다상 전기 모터(polyphase electric motor)를 포함한다.

작은 구조들의 경우, 배경 기술의 고정자 구조로는 치형부 사이의 공간이 부족하고 노치들에 충분한 구리를 수용할 수 없다. 실제로, 권선 본체들은 모터의 치수에 비해 무시할 수 없는 폭을 갖고 있으며, 권선들과 고정자 적층체들 사이에서 보장되어야 하는 유전 저항 및 성형성의 이유들로 인해 이들을 줄일 수 없으므로, 구리에 사용할 수 있는 공간을 증가시킬 필요가 있다. 본 발명에 의해 제안된 더 적은 수의 치형부로의 전환은 구리의 이용 가능한 부피를 증가시키는 것을 가능하게 한다. 따라서 권선 본체(winding body)는 일정한 부피로 유지되며, 권선 본체의 부피에 대한 구리 부피의 비율이 유리한 영향을 받는다. 본 발명의 주제인 해결책은 3개의 연속된 권선 치형부(wound teeth)의 구조를 선택하고, 여기에 1~3개의 비권선 치형부(non-wound teeth)를 추가하는 것으로 구성되며, 즉, 최대 4쌍의 극이 제공되는 회전자와 결합된 총 4~6개의 치형부이며, 상기 치형부는 서로 60° 또는 120°로 분포되어 있다. 4개 극쌍을 갖는 6개의 치형부 구조의 권선 계수(winding factor)는 위에서 언급한 5개 극쌍을 갖는 12개의 치형부 구조에 비해 자기적으로 불리하기 때문에, 당업자는 공간 요구 사항이 충분히 크지 않는 한 당연히 이를 선택하지 않을 것이다.

상기 모터에는 오직 3개의 권선들만 제공되는데(최대 6개까지 이에 장착), 이는 권선 본체의 전체 부피를 줄여 구리의 부피를 최대화하고 전기 연결을 크게 단순화할 수 있기 때문이다.

기계적으로 60°로 분리된 권선 치형부를 갖는 고정자와 4개 극쌍을 갖는 회전자를 연관시키는 자기 솔루션은 이 구성이 낮은 고조파 범위(low-harmonic range)의 그리고 이에 따라 상당한 진폭을 갖는 무전류 토크(a current-free torque)를 갖기 때문에 사소한 것이 아니다. 본 발명은 치형부의 특정 각도 폭을 선택함으로써 이 문제를 해결하는 것을 제안한다.

상기 고정자 구조는 비대칭적이고, 권선들의 세트는 180°미만의 동일한 각도 섹터에 위치한 3개의 치형부에 분산되어 있다. 상보적인 각도 섹터는 1개, 2개 또는 3개의 맨(bare) 치형부가 있다. 즉, 자기력들의 균형을 맞추기 위해 권선들이 없음.

비권선 치형부의 길이를 늘리는 것은 특정 길이를 지나면 기계 성능에 어떠한 유익한 영향도 미치지 않기 때문에 이들을 권선 치형부보다 짧게 선택하는 것이 가능하며, 이는 권선 치형부를 포함하는 각도 섹터를 내접하는(inscribing) 원형 공동의 R1 보다 짧은 반경 R2의 원형 공동에 비권선 치형부를 포함하는 상보적인 각도 섹터를 내접시키는 능력으로 이어진다.

제1 예시적 실시예

도 1 내지 도 4는 6개의 치형부(1~6)를 갖는 변형의 제1 실시예에 대응한다. 3개의 연속 치형부(1~3)가 절연 코어(21~23)에 의해 지지된 권선(11~13)으로 권취되어 있고, 그들 사이에 60°의 각도를 형성하며, 3개의 더 짧은 비권선 치형부(4~6)로 완성된다.

상기 치형부는 환형 주변 영역(10)에 대해 반경 방향으로 연장된다.

고정자(30)는 강자성 금속 시트(a sheet of ferromagnetic metal)에서 절단된 적층체(20)의 적층에 의해 공지된 방식으로 형성된다. 권선(11~13)들은 인쇄 회로와 연결할 수 있는 "압입식(press-fit)" 유형의 접촉부(31~33; 41~43)를 갖는 코어(21~23)에 장착된다.

비권선 치형부의 특성 결정

비권선 치형부(4~6)의 각도 폭α₂, 길이 및 선택적으로 그들의 형상은 무전류 토크 측면에서 원하는 동작의 함수로서 조정되며, 이는 규칙성과 평활성, 또는 다소 급격한 인덱싱(a more or less steep indexing)을 쉽게 할 수 있다. 이러한 특성들은 회전자 프로토 타입의 연속적인 조정, 또는 무전류 토크를 모델링함으로써 경험적으로 결정될 수 있다. 60°의 기계적 각도에 의해 연속적으로 분리된 6개의 치형부를 갖고 4개 극쌍을 가진 회전자와 결합된 모터의 경우 무전류 토크 C₀ 는,22°와 23°사이의 값을 갖는 동일한 각도 확산α₀을 갖는 프런트 엔드(front end)를 갖는 치형부를 선택하여 최소화할 수 있다. 그러나 동일한 치형부를 갖는 이러한 구성은 권선(11, 12, 13)에 할당할 수 있는 공간을 제한하기 때문에 반드시 최적인 것은 아니다. 도 5에 제시된, 본 발명에 따른 대안적인 실시예는 권선 치형부(1~3)의 각도 폭α₁보다 큰 비권선 치형부(4~6)의 각도 폭 α₂을 선택함으로써 이 문제를 해결하는 것을 제안한다. 비권선 치형부(4~6)를 넓히고 권선 치형부(1~3)를 얇게 만들어 총 각도 확산을 일정하게 유지하면 좋은 결과를 얻을 수 있으며, 즉, 권선 치형부가 x° 만큼 또는

만큼 얇아지면 비권선 치형부는 동일한 값인 x°만큼 또는

만큼 넓어져야 한다. 따라서 매우 이질적인 치형부 너비들의 조합들을 상상하는 것이 가능하며, 여기서 x는 5°까지 올라갈 수 있고, 이는 α₁=17°를 갖는 권선 치형부(1~3)와 관련된 α₂=27°를 갖는 비권선 치형부(4~ 6)로 이어진다. 치형부 사이즈의 수학적 규칙은 절대적인 것이 아니며 본 발명을 제한하는 것이 아니라, 단지 추세를 설명하기 위해 제공되는 것이고, 그러면 당업자는 배운 값에 가까운 값에 대해 수치 시뮬레이션들과 경험적 조정들을 수행하여 완벽한 보상을 얻을 수 있다.

도 6a, 도 6b, 도 6c는 기계적 각도의 함수로서 권선 치형부와 비권선 치형부에 의해 감지되고, 무전류 토크 리플 C₀를 최소화하도록 최적화된 권선 치형부의 각도 폭 α₁및 비권선 치형부의 각도 폭 α₂ 사이의 비율과 전기적 주기에 대해 묘사된 자화 고조파(3)로 인한 토크 변화를 묘사한다. 도 6a, 도 6b, 도 6c는 6개의 치형부를 가진 고정자의 경우를 보여준다. 4개 극쌍과 60°의 배수(0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°)인 기계적 각도로 분포된 치형부를 가진 구조의 경우, 무전류 토크 리플 C₀은 주로 자화 고조파(3)로 C₀이고 C_0.6 라고 하는 자기 주기보다 6배 더 큰 주파수의 리플(ripple)을 생성한다. 따라서, 도 6a는, 곡선(101)에서 상기 권선 치형부(1)에 의해 인지된 토크 C_0.6의 시뮬레이션을 보여 주고, 곡선(102)은 상기 권선 치형부 세트(1~3)에 의해 인지된 토크들의 합을 묘사한다. 이들 쌍(pairs)은 공칭 전류(nominal current)가 이에 공급되는 동안, 권선에 의해 생성된 토크, 곡선(100)과 비교하여 무시할 수 없는 진폭을 갖는다. 과도한 무전류 토크는 작동 중에 바람직하지 않은 진동이 발생시켜, 조기 마모 및 소음을 유발한다. 따라서 이를 가능한 많이 제한하는 것이 매우 중요하다. 도 6b는 곡선(103)에서 비권선 치형부(4)에 대해 시뮬레이션 된 토크 C_0.6를 보여주고, 곡선(104)은 모든 비권선 치형부(4~6)에 대한 토크들 C_0.6의 합을 보여준다. 도 6c에 도시된 것처럼, 권선 치형부 곡선(102)과 비권선 치형부 곡선(104)에 대해 시뮬레이션 된 토크 C_0.6는 진폭은 동일하지만 위상은 반대이므로, 결과적으로 모든 치형부(1~6)에 걸쳐 합산되며 곡선(110)으로 표시되는 토크 C_0.6가 완벽하게 상쇄됨을 알 수 있다

제2 예시적 실시예

도 7은 서로 연결되지 않고 권선들(11, 13)에 의해 둘러싸인 권선 치형부(1, 3)에 각각 연결되는 단지 2개의 비권선 치형부(4, 6)를 갖는 또 다른 대안적인 실시 예를 도시한다. 고정자는 자화된 회전자(50)를 둘러싸고 있다. 연결되지 않은 치형부는 치형부를 분리하는 가장 작은 각도에서 이들 치형부 사이에 자기 연속성이 중단되는 것을 의미하는 것으로 이해되며, 예를 들어 고정자를 구성하는 적층체의 묶음의 치형부 사이의 컷-아웃(cut-out)에 의한 것이다. 비권선 치형부(4, 6) 사이의 빈 공간은 회전자의 위치를 측정하고 권선의 전기 공급을 제어하기 위하여 자기적으로 민감한 프로브(30)를 수용할 수 있다.

6개의 치형부가 규칙적으로 분포된 경우와, 달리 5개의 치형부가 60°의 배수(0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°)의 기계적 각도로 분포된 구조에는 치형부의 프론트 엔드가 동일한 각도 확산(angular spreading)을 가질 때 무전류 최소 토크가 없다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 권선 치형부의(1~3)의 각도 폭 α₁보다 큰 비권선 치형부(4, 6)의 각도 폭 α₃을 선택함으로써 이러한 문제를 해결하고자 한다. 비권선 치형부의 각도 확산 α₃이 동일하고 그 총계가 역시 동일한 권선 치형부의 총 각도 확산과 같을 때 좋은 결과를 얻으며, 권선 치형부의 각도 확산 α₁은 22° 와 23° 사이에 있다. 이는

의 관계를 초래한다. 이전 실시예에 대해 설명된 바와 같이, 이러한 각도 확산 α₁은 반드시 고유하거나 최적일 필요는 없으며 이는 권선(11, 12, 13)에 더 많은 공간을 할당할 수 있도록 감소될 수 있다. 이러한 감소는 치형부(1, 2, 3, 4, 6)의 각도 확산을 일정하게 유지하기 위해 비권선 치형부의 각도 폭 α₃의 증가를 동반해야만 한다. 예를 들어, 만약 권선 치형부(1, 2, 3)가 x° 만큼 또는

만큼 얇아지면, 비권선 치형부(4, 6)는

의 관계식을 만족시키기 위해서 보완 값만큼 또는

만큼 넓어져야 한다. 따라서 매우 이질적인 치형부 너비들의 조합들을 상상하는 것이 가능하며, 여기서 x가 5°까지 올라갈 수 있고. 이는 α₃=40.5°를 갖는 두 개의 비권선 치형부(4,6)와 관련된 α₁=17°를 갖는 권선 치형부(1~3)로 이어진다. 치형부 사이즈의 수학적 규칙은 절대적인 것이 아니며 본 발명을 제한하는 것이 아니라, 단지 추세를 설명하기 위해 제공되는 것이고, 그러면 당업자는 배운 값에 가까운 값에 대해 수치 시뮬레이션들과 경험적 조정들을 수행하여 완벽한 보상을 얻을 수 있다. 당업자는 또한 이러한 목적을 달성하기 위해 비권선 치형부와 바로 인접한 권선 치형부 사이의 각도 간격을 수정할 수 있을 것이다. 이는 따라서 60°와 다를 수도 있고, 중요한 측면은 하나의 비권선 치형부와 인접한 권선 치형부 사이의 각도 간격이 동일하다는 것이다.

도 8a, 도 8b, 도 8c는 기계적 각도의 함수로서 권선 치형부와 비권선 치형부에 의해 감지되고, 무전류 토크 리플 C₀를 최소화하도록 최적화된 권선 치형부의 각도 폭 α₁ 및 비권선 치형부의 각도 폭 α₂ 사이의 비율과 전기적 주기에 대해 묘사된 자화 고조파(3)로 인한 토크 변화를 묘사한다. 도 8a, 도 8b, 도 8c는 5개의 치형부를 가진 고정자의 경우를 보여준다. 보다 구체적으로, 도 8a은 곡선(105)에서 권선 치형부(1)에 의해 인지된 토크 C_0.6의 시뮬레이션을 보여주고, 곡선(106)은 상기 권선 치형부 세트(1~6)에 의해 인지된 토크 C_0.6의 합을 묘사한다. 이들 쌍(pairs)은 공칭 전류(nominal current)가 이에 공급되는 동안, 권선에 의해 생성된 토크, 곡선(100)과 비교하여 무시할 수 없는 진폭을 갖는다. 따라서 이를 가능한 많이 제한하는 것이 매우 중요하다. 도 8b는 곡선(107)에서 비권선 치형부(4)에 대해 시뮬레이션된 토크 C_0.6를 보여주고, 곡선(108)은 모든 비권선 치형부(4, 6)에 대한 토크들 C_0.6의 합을 보여준다. 도 8c에 도시된 것처럼, 권선 치형부 곡선(106)과 비권선 치형부 곡선(108)에 대해 시뮬레이션 된 토크 C_0.6는 진폭은 동일하지만 위상은 반대이므로, 결과적으로 모든 치형부(1~6)에 걸쳐 합산되며 곡선(110)으로 표시되는 토크 C_0.6가 완벽하게 상쇄됨을 알 수 있다

표시되지 않은 최종 대안은 상보적인 각도 섹터에 위치한 단일의 비권선 치형부를 사용하여 무전류 토크를 보상하는 것이다.

도 8a, 도 8b, 도 8c뿐만 아니라, 도 6a, 도 6b, 도 6c는 특정 치형부 폭들을 통해 수행되는 무전류 토크 C_0.6의 완벽한 보상을 보여준다. 그럼에도 불구하고, 무전류 토크의 보상은 본 발명을 제한하지 않는데, 그 이유는 특정 응용 분야에서는 무전류 토크의 0이 아닌 진폭이 바람직하기 때문이며, 예를 들어 동력이 공급되지 않을 때 액추에이터의 잠금을 보장하기 위함이다. 그러면 당업자는 기계의 성능을 최적화하기 위해 권선 치형부의 폭을 조정할 수 있을 것이고, 그런 다음 비권선 치형부의 폭을 조정하여 무전류 토크의 원하는 값을 얻을 수 있을 것이다.

다른 경우에, 비대칭 고정자 구조에서 최소 소음을 추구할 때, 치형부와 회전자 사이에 가해지는 반경 방향 힘에 주의를 기울이고, 회전자에 가해지는 방향성 힘의 결과를 피하기 위해 그들 사이에 가능한 최선의 균형을 찾거나 고정자 구조의 진동 여자(vibratory excitation)를 초래하는 치형부에 가해지는 반경 방향 힘을 최소화하는 것이 중요하다. 당업자는 이러한 목적을 달성하기 위해 권선 치형부와 비권선 치형부의 각도 폭을 조정할 수도 있다. 도 18과 도 19는 자기 고정자 힘들을 설명하고 비권선 치형부가 권선 치형부와 동일한 각도 폭을 갖거나 권선 치형부가 더 넓을 때 두 가지 다른 치형부 폭에 대해 자기 고정자 힘들을 비교한다. 도 18은 전기적 주기에 걸쳐 권선의 공급에 의해 구동될 때 각 치형부의 적층체들의 평면(x, y) 및 모든 회전자 위치에 대한 자기력들의 시뮬레이션을 보여주고, 각 타원체는 치형부에 대응된다. 상기 곡선들(201, 202, 203)은 모든 치형부가 동일할 때 권선 치형부(1, 2, 3)에 가해지는 힘을 나타내고, 곡선들(204, 205, 206)은 모든 치형부가 동일할 때 비권선 치형부(4, 5, 6)에 가해지는 힘을 나타내며, 곡선들(301, 302, 303)은 비권선 치형부의 각도가 더 넓을 때 권선 치형부(1, 2, 3)에 가해지는 힘을 나타내고, 곡선들(304, 305, 306)은 비권선 치형부의 각도가 더 넓을 때 비권선 치형부(4, 5, 6)에 가해지는 힘을 나타낸다. 비권선 치형부가 더 넓을 때, 타원체는 더 작은 힘에 해당하는 더 작은 표면을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이는 동일한 각도 폭(210)의 모든 치형부에 대해 또는 권선 치형부가 더 큰 각도 폭(310)을 가질 때 고정자에 가해지는 힘의 결과를 예시하는 도 19에 의해 확인된다. 두 번째 경우에는 힘들의 진폭이 더 작을 뿐만 아니라 타원체가 힘의 평면 중심에 더 잘 위치하기 때문에 그들이 또한 더 대칭적이라는 점에 주목해야 한다.

마지막으로, 60°의 배수(즉, 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°) 각도에서 동일한 각도 확산을 갖는 비권선 치형부의 분포는 다시 한번, 무전류 토크 C_0.6을 최적화하는 것을 가능하게 하지 않고, 당업자는 또 다른 분포를 상상할 수 있지만, 예를 들어 상보적인 각도 섹터에서 공간을 확보하기 위해 비권선 치형부에 대한 다른 각도 폭들도 상상할 수 있다.

조립된 고정자

도 9에 도시된 대안적인 실시예에 따르면, 상기 고정자(8)는, 조립된 2개의 부품, 예를 들어 더브테일(dovetail)에 의해, 형성될 수 있으며, 권선들(11, 12, 13)을 지지하는 치형부를 갖는 각도 섹터를 포함하는 한 부품(81) 및 비권선 치형부 (4, 5, 6)를 갖는 상보적인 각도 섹터를 포함하는 다른 부품(82). 이 실시예는 특히 그 길이가 회전자(50)의 직경보다 긴 긴 권선(11, 12, 13)을 묶는 것을 가능하게 한다.

회전자의 변형 예들

본 발명은 도 1에 도시된 바와 같은 4개 극쌍을 갖는 링형 회전자에 제한되지 않고, 당업자에게 알려진 임의의 회전자의 변형 예를 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 것처럼, 회전자(501)는 8개의 내장된 자석(51)을 가질 수 있으나, 동일한 도면에서 회전자(502)와 함께 제시된, 연한 강자성 재료로 만들어진 돌출 극(52)과 교번하는 자석 극(53)과 같은, 더 적은 자석들을 사용하는 대안을 상상하는 것도 또한 가능하다.

우선적으로, 회전자는 4개 자화된 극쌍을 포함한다; 그러나, 본 발명은 이 수에 제한되지 않고, 권선들 없이 치형부(4~6)의 기하학적 특징을 신중하게 선택함으로써, 본 발명에 의해 제공되는 이점으로부터 이익을 얻으면서, 더 적은 수의 극들이 사용될 수도 있다. 가장 좋은 이점을 갖는 극 쌍의 수 p는

공식에 따라 구해지며, N은 2보다 작거나 같은 자연수, 즉 0, 1 또는 2이다. 따라서 도 16은 가능한 2개 극 쌍이 제공되는 회전자의 변형예이다.

치형부 주둥이(TOOTH SNOUT)가 있는 고정자 변형예

도 11에 도시된 대안적인 실시예에 따르면, 권선 치형부(1, 2, 3)는 치형부 주둥이로 불리는 전면 확관(front flaring)을 가질 수 있어, 회전자 흐름(rotor flow)의 수집을 최적화하면서 권선들에 더 많은 공간 할당을 가능하게 할 수 있다. 비권선 치형부 또한, 예를 들어 고정자를 가능한 한 가볍게 만들도록 치형부를 더 얇게 만들기 위해, 치형부 주둥이를 추가로 또는 대안적으로 가질 수 있다는 점에 유의해야 한다.

기어드 모터에 사용

모든 변형에 따른 본 발명은 기어 모터로의 통합에 관심을 갖는다. 도 12, 도 13 및 도 14는 회전자를 감속 기어의 제1 모듈과 결합하기 위한 다양한 구성을 도시하고, 도 15는 3상 모터를 제어하기 위한 수단을 갖는 제어 전자 장치들을 더 포함하는 기어드 모터의 하우징에 가능한 통합을 도시한다. 상기 회전자(50)는 움직임을 줄이기 위해 제1 모듈(52)의 기어 휠에 맞물리는 피니언(51)과 일체형이다. 이 제1 모듈은 샤프트(53)에 의해 지지되며, 그 배열은 자기 회로의 벌크(bulk)에 의해 제한된다. 도 12는 두 개의 비권선 치형부(4, 5) 사이에 이 샤프트를 삽입할 수 있는 가능성을 보여 주며, 이는 피니언(51)과 모듈 휠(52)의 직경에 대해 더 큰 위도(latitude)를 얻을 수 있게 하고 따라서 이 첫 번째 단계의 축소에 대한 더 많은 선택권이 있다. 도 13은 2개의 권선들(12, 13)의 주변에서 샤프트(53)의 또 다른 가능한 위치 설정을 도시한다. 이 구성은 권선을 포함하지 않는 각도 섹터에 위치한 공간을 완전히 확보하는 것을 가능하게 하며 이에 따라 매우 컴팩트한 해결책을 얻기 위해 기어드 모터의 하우징의 코너에 고정자를 위치시킬 수 있다. 마지막으로, 도 14는 도 7에 도시된 바와 같이, 2개의 비권선 치형부를 갖는 본 발명의 한 버전의 자유 각도 섹터에 샤프트(53)를 삽입할 가능성을 보여준다. 실제로, 2개의 비권선 치형부(4, 6)는 강자성 회로에 의해 연결되지 않으며 자유 공간은 감속 체인(reduction chain)의 제1 모듈(52)의 피니언(54)을 수용하는 데 사용될 수 있다. 이는 축 방향에서 매우 컴팩트한 버전을 얻는 것을 가능하게 한다.

Claims

3개의 전기 권선들(11~13)에 의해 여자되며 반경 방향으로 연장되는 치형부(1~6)를 갖는 고정자 부분과, 복수의 자화된 극들을 포함하는 회전자(50)에 의해 형성되는 3상 전기 모터로서,
상기 고정자 부분은,
제1 각도 섹터에서 각 권선(11~13)이 장착되는 3개의 연속적인 권선 치형부(1~3); 및
상기 제1 각도 섹터에 상보적인 제2 각도 섹터에서 1개 내지 3개의 상보적인 비권선 치형부(4~6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 비권선 치형부(4~6)의 각도 폭, 길이, 및 선택적으로 형상은, 상기 3상 전기 모터의 무전류 토크 곡선을 형상화하고, 상기 무전류 토크의 규칙성과 평활성 또는 다소 급격한 인덱싱을 쉽게 하기 위해 조정되는 것을 특징으로 하는 3상 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 비권선 치형부(4~6)의 각도 폭, 길이, 및 선택적으로 형상은, 상기 회전자와 상기 고정자의 치형부 사이에 가해지는 상기 반경 방향의 자기력들의 균형을 맞추기 위하여 조정되는 것을 특징으로 하는 3상 전기 모터.
제1항에 있어서,
2개의 연속적인 권선 치형부(1,2,3) 사이의 상기 각도 간격은 60°인 것을 특징으로 하는 3상 전기 모터.
제2항에 있어서,
60°의 각도로 분리된 3개의 비권선 치형부(4~6)를 포함하며, 각각의 상기 비권선 치형부(4~6)는 상기 권선 치형부(1~3)들 중 하나와 정반대에 있는 것을 특징으로 하는 3상 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 제2 각도 섹터에 위치된 2개의 비권선 치형부(4, 6)를 포함하고, 각 비권선 치형부와 인접한 권선 치형부 사이에 형성되는 각도는 동일한 것을 특징으로 하는 3상 전기 모터.
제6항에 있어서,
상기 고정자는 상기 비권선 치형부들 사이에 컷-아웃을 갖고, 그에 따라 상기 회전자의 위치를 측정하기 위해 자기적으로 민감한 프로브를 수용하는 것을 가능하게 하는 공간이 마련되는 것을 특징으로 하는 3상 전기 모터.
제1항에 있어서,
단일의 비권선 치형부(5)를 포함하고, 상기 비권선 치형부(5)는 중앙의 권선 치형부(2)의 정반대에 있는 것을 특징으로 하는 3상 전기 모터.
제1항에 있어서,
반경 방향에서 측정되는 상기 권선들(11~13)의 길이는 상기 회전자(50)의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 3상 전기 모터.
제1항에 있어서,
상기 고정자는 2개 이상의 부품(81, 82)들로 구성되는 것을 특징으로 하는 3상 전기 모터.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 3상 전기 모터 및 운동 변환기를 포함하는 하우징을 구비하는 기어드 모터.
제11항에 있어서,
상기 하우징은 상기 3상 전기 모터를 제어하기 위한 수단을 갖는 제어 전자장치(100)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기어드 모터.
제1항에 있어서,
상기 회전자(50)는 2^N쌍의 자기 극을 가지며, N은 2 이하의 자연수인 것을 특징으로 하는 3상 전기 모터.