WO2020162734A1 - 다중 다상권선 자가장 결속을 이용하는 전자기기계 - Google Patents

다중 다상권선 자가장 결속을 이용하는 전자기기계 Download PDF

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    • H02P2207/07—Doubly fed machines receiving two supplies both on the stator only wherein the power supply is fed to different sets of stator windings or to rotor and stator windings
    • H02P2207/076—Doubly fed machines receiving two supplies both on the stator only wherein the power supply is fed to different sets of stator windings or to rotor and stator windings wherein both supplies are made via converters: especially doubly-fed induction machines; e.g. for starting

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic machine using magnetic field binding of multiple multi-phase windings, and in particular, comprising an active controllable rotor and a stator for generating a rotating magnetic field independently of the electromagnetic machine, and independently By controlling the motor, it is possible to increase the torque required during starting-up or during operation, so that the direction, torque and speed can be better controlled.For a generator, the instability of the prime mover is excluded,
  • the present invention relates to an electromagnetic machine capable of supplying stable power, having a wide operating range, and having high efficiency with a small size, as well as controlling torque and speed over a wide range.
  • a reversible electromagnetic machine including a rotating member in a system.
  • a generator that converts into mechanical energy by rotational motion of such a rotating member, and generates electrical energy from this mechanical energy.
  • the power generated from these generators can be supplied or stored in other system elements.
  • a motor that supplies electrical energy to a machine and converts it into mechanical energy to obtain rotational power by rotating the rotating member.
  • Electromagnetic machines used in these motors/generators are the most widely used electric devices in our daily life, and are widely used in homes and industrial sites, ranging from small sizes of tens of W to large sizes of several MW, especially fans, washing machines, refrigerators, automobiles, and elevators. , Pumps, and cranes are widely used.
  • the general demand for such an electromagnetic machine is not only cost reduction, but also miniaturization and weight reduction, especially for transportation means such as vehicles and airplanes on the ground.
  • the electromagnetic machine comprises a stator and a rotor.
  • it operates on the principle that rotational torque is generated in the rotor by a rotating magnetic field generated when a current flows through the coil of the stator.
  • the rotational torque uses the rotational force of the rotor as the rotational power.
  • Direct current motors generate torque by using a fixed magnetic field in the air gap and driving the armature coil.
  • the induction motor has a stator with a multiphase coil that creates a moving or rotating magnetic field in the air gap, the rotor generates a predetermined magnetic field originating from a permanent magnet or electromagnet, It rotates at the same speed as the speed of the rotor shaft.
  • conventional electromagnetic machines have magnetic field rotation fixed to the axis.
  • Induction motors can be largely classified into squirrel cage induction motors and wound motors.
  • a squirrel cage induction motor the structure is simple and robust, operation is easy, and maintenance is simple.
  • a large current is required during startup and a small torque is generated. Therefore, it is difficult to apply when frequent start and stop are required, speed control is necessary, or power capacity is small.
  • the starting current is smaller than that of a squirrel cage motor, and a large torque is generated.
  • a large torque it is necessary to increase the size of the motor itself, which increases the cost.
  • a wound motor requires slip rings.
  • the present invention is to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide an electromagnetic machine including an independently active controllable winding type rotor and stator.
  • Another object of the present invention is to provide a Doubly Active Electromagnetic Machine system that reduces the system scale and increases efficiency by using an electromagnetic machine including a winding rotor and a stator that can be independently actively controlled.
  • the electromagnetic machine includes a stator including a multi-phase winding; A mover comprising a multiphase winding and spaced apart from the stator at a predetermined interval; And a control unit that independently controls the first magnetic field of the stator and the second magnetic field of the mover.
  • the controller may control the first magnetic field and the second magnetic field by controlling a first current applied to the multi-phase winding of the stator and a second current applied to the multi-phase winding of the mover.
  • controller may individually control the phase and amplitude of the first current and the second current.
  • control unit may apply the first current to the multiphase winding of the stator in at least one of a direct wiring method, a slip-ring method, and a wireless inductive coupling method, or to the multiphase winding of the mover.
  • the second current may be applied.
  • control unit may control the electromagnetic machine to be bound to each other at an initial stage of driving, the first magnetic field of the stator and the second magnetic field of the mover.
  • controller may control the movement directions of the first magnetic field and the second magnetic field in the same direction or in the opposite direction.
  • the mover may be a rotor connected to a rotation shaft and rotating around the rotation shaft.
  • control unit may generate a torque and a speed of the rotating shaft by maintaining the first magnetic field of the stator and the second magnetic field of the mover bonded to each other and individually controlling the first magnetic field and the second magnetic field.
  • the electromagnetic machine may be a linear electromagnetic machine or a rotating electromagnetic machine.
  • stator includes a first winding arrangement
  • the mover includes a second winding arrangement formed to be spaced apart from the first winding arrangement at a predetermined interval, and having a mirror image in the spaced direction, the first winding arrangement
  • the winding arrangement includes at least one first half cycle and at least one second half cycle formed adjacent to each other, and the first half cycle includes at least two windings having different current flow directions, wherein the first half cycle and The second half-period may have a mirror image in a neighboring direction.
  • the direction of the magnetic field formed between the two windings forming the first half cycle and the direction of the magnetic field formed between the two windings forming the second half cycle may be opposite to each other.
  • the first half period the first layer including at least two windings having different directions in which the current flows, and adjacent to the second winding arrangement; A second layer having the same current direction as the winding structure of the first layer, but including a second layer winding structure located outside the first layer winding structure, and located on the first layer; And a third layer winding structure having a current direction opposite to that of the second layer winding structure but located inside the second layer winding structure, and may include a third layer positioned above the second layer.
  • a fourth layer winding structure having the same current direction as that of the third layer winding structure, but located outside the third layer winding structure, and a fourth layer positioned above the third layer may be further included.
  • the first half cycle includes at least two windings having different directions in which a current flows, and a lower layer adjacent to the second winding arrangement;
  • An upper layer winding structure having a current direction opposite to that of the lower layer winding structure may be included, and an upper layer positioned above the lower layer may be included.
  • first winding arrangement may include a plurality of first half cycles and a plurality of second half cycles, and the first half cycle and the second half cycle may be formed periodically in an adjacent direction.
  • first winding arrangement or the second winding arrangement may have a length extending along a direction in which the current flows, and include a segmented toroid or segmented solenoid current distribution.
  • a magnetic field synchronous coupling (Field Lock) double-excitation electromagnetic mechanical system includes a stator including a multi-phase winding; A mover comprising a multiphase winding and spaced apart from the stator at a predetermined interval; And a control unit for independently controlling the first magnetic field of the stator and the second magnetic field of the mover.
  • a stator including a multi-phase winding
  • a mover comprising a multiphase winding and spaced apart from the stator at a predetermined interval
  • a control unit for independently controlling the first magnetic field of the stator and the second magnetic field of the mover.
  • the electromagnetic machine including the independently active controllable winding type rotor and stator according to the present invention provides a starting torque greater than the normal operating state due to the inertia of the load and the motor itself during startup from the winding type rotor that can be independently actively controlled. It can be solved by the generated rotating magnetic field. Therefore, there is an effect that the maximum drive torque can be calculated with the minimum size and the efficiency can be maximized. In addition, fast operation according to control is possible, has a wide dynamic range, and safe operation is possible.
  • Renewable energy such as offshore wind power generation, tidal current power generation, wave power generation, etc. using a new concept double-fed electromagnetic machine using an electromagnetic machine including an independently active controllable winding rotor and stator according to the present invention.
  • the size is minimized and mounted on each wheel to individually and efficiently control the driving torque and speed of each wheel. By controlling it, it can be applied to future vehicles such as electric vehicles.
  • FIG. 1 is a block diagram of an electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exemplary cross-sectional view showing the internal structure of an electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is another exemplary cross-sectional view showing the internal structure of an electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic illustration of driving or controlling an electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing an equivalent circuit for an electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a wind power generation double-excited electromagnetic machine (Doubly Active Electromagnetic Machine) to which an electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention is applied.
  • Doubly Active Electromagnetic Machine Doubly Active Electromagnetic Machine
  • FIG. 7 is an exemplary diagram of a schematic in-wheel drive electromagnetic machine to which the electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG 8 is another exemplary view of a schematic wheel-driven electromagnetic machine to which the electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 10 is an exemplary cross-sectional view schematically showing a current flow and a magnetic flux magnitude according to an arrangement of windings of a stator and a mover according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating an arrangement of windings of a stator and a mover according to an embodiment of the present invention as a set of two phase difference windings.
  • FIG. 12 is an exemplary cross-sectional view schematically showing a current flow and a magnetic flux magnitude according to a winding arrangement of a stator and a mover according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic perspective view illustrating an arrangement structure of windings of a stator and a mover according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a conceptual diagram schematically showing an interaction between a magnetic field and a current generated by the winding arrangement structure of a stator and a mover according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is an exemplary cross-sectional view schematically illustrating a winding arrangement of a stator and a mover according to an embodiment of the present invention applied in a horizontal direction with a stacked winding.
  • 16 is a schematic cross-sectional view illustrating a three-dimensional structure of a stator and a mover winding arrangement according to an embodiment of the present invention with a stacked winding.
  • 17 is a simulation result diagram for a structure in which a three-dimensional structure is applied to the winding arrangement of a stator and a mover according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a simulation result diagram for a structure in which a three-dimensional structure is applied to the winding arrangement of a stator and a mover according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is an exemplary cross-sectional view schematically showing a winding arrangement of a stator and a mover according to an embodiment of the present invention applied with a planar winding structure.
  • FIG. 20 is a schematic cross-sectional view illustrating a three-dimensional structure of a stator and a mover winding arrangement according to an embodiment of the present invention having a planar winding structure.
  • 21 is a simulation result diagram for a structure in which the winding arrangement of a stator and a mover according to an embodiment of the present invention is three-dimensionally applied with a planar winding structure.
  • the embodiments described in the present specification will be described with reference to a cross-sectional view and/or a plan view, which are ideal exemplary diagrams of the present invention.
  • the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content.
  • the shape of the exemplary diagram may be modified by manufacturing technology and/or tolerance.
  • the embodiments of the present invention are not limited to the specific shapes shown, but also include changes in shapes generated according to the manufacturing process.
  • the etched region shown at a right angle may be rounded or may have a shape having a predetermined curvature.
  • the regions illustrated in the figures have schematic properties, and the shapes of the regions illustrated in the figures are intended to illustrate specific forms of regions of the device and are not intended to limit the scope of the invention.
  • the electromagnetic machine includes a stator 110, a mover 120, and a control unit 130.
  • the stator 110 and the mover 120 each include multi-phase windings 111 and 121, and are formed to be spaced apart from each other by a predetermined distance d.
  • the control unit 130 independently controls the first magnetic field of the stator and the second magnetic field of the mover. By controlling the direction of the current flowing through the multiphase winding, a magnetic field is formed by the current. By controlling the current flowing through the multiphase winding, the movement or direction of the magnetic field can be controlled.
  • the controller 130 may control the first magnetic field and the second magnetic field by controlling the first current applied to the multiphase winding 111 of the stator and the second current applied to the multiphase winding 121 of the mover.
  • the control unit may individually control the phase and amplitude of the first current and the second current.
  • the control unit 130 may control the first magnetic field of the stator and the second magnetic field of the mover to bind to each other at the initial driving stage of the electromagnetic machine, and the movement direction of the first magnetic field and the second magnetic field is the same or opposite. Can be controlled in the direction.
  • the mover 120 may be a rotor that is connected to a rotation axis and rotates about the rotation axis, and the control unit 130 maintains the first magnetic field of the stator and the second magnetic field of the mover to be bound to each other, and the first magnetic field And by individually controlling the second magnetic field, it is possible to generate torque and speed of the rotating shaft.
  • the stator 110 and the mover 120 are circular and may be formed to have a common axis.
  • the polyphase windings 111 and 121 arranged in a linear array can be applied to a linear motor. It can also be applied to both linear and rotating electromagnetic machines.
  • a magnetic field generated by a constant current through the multiphase winding of the mover moves as the mover moves.
  • the sinusoidal current through the multiphase winding of the mover creates a rotating magnetic field about the axis of rotation of the mover.
  • the rotation of the field in the air gap rotates at a speed determined by the combination of the field rotation speed and the shaft rotation speed.
  • the velocity of the magnetic field in the air gap generated by the mover in relation to the stationary coordinate system is the combination of the velocity of the magnetic element and the velocity of the mover produced by the current in the mover winding.
  • Multi-phase windings provided on the stator and the mover mean two or more separate windings in which each winding generates a periodic magnetic field in the air gap as a function of angle when current flows through it. It may include an integer number of spatial periods or periods at an angle of 360 degrees.
  • the second winding is positioned offset by a fixed angle with respect to the first winding. For example, in the case of a two-phase winding, it may be shifted by 1/4 cycle (or 90 degrees of electrical angle), and in the case of a three-phase coil, it may be shifted by 1/3 cycle. (Or electric angle 120 degrees)
  • the total magnetic field generated by all windings is the sum of the magnetic fields generated by the current through each winding.
  • the amount of current in the winding By changing the amount of current in the winding, the phase and amplitude of the magnetic field can be changed.
  • the multiphase current for the multiphase winding can be supplied to the stator and the mover freely rotating relative to the stator by means of slip rings or other coupling means including wireless inductive coupling.
  • the polyphase current can be supplied to the electromagnetic machine through fixed wires or other coupling means that allow power and control signals to be transmitted to the electromagnetic machine.
  • An electromagnetic machine utilizes a rotating magnetic field generated by time-varying currents supplied in different phases from the stator and/or mover windings. When current is supplied to multiple windings, it creates an integer multicycle magnetic field fluctuation.
  • the number of periods of each magnetic field generated by the stator and the mover may be the same.
  • the mover and stator are magnetized by their respective currents, they are in magnetic field binding to each other.
  • the mover is positioned at an angular position fixed to the magnetic field generated by the stator, and is pulled together with the magnetic field generated by the mover.
  • the phase current of the mover is fixed, while the magnetic field pattern in the air gap generated by the stator moves as the phase of the current changes.
  • the mover magnetic field moves with it to keep the field locked. Similar events can occur as the stator phase does not change and the phase of the mover current changes.
  • the magnetic field generated by the multiple phase windings can move. If the current changes in time in exactly the same way in both the stator and rotor, producing the same rotation of the magnetic field in the same way, then in the same way, the magnetic field binding causes the mover to rotate twice the speed of the magnetic field rotation in the opposite direction, whereas In the case where the magnetic field rotation of the stator and the mover are in the opposite direction, the mover is kept stationary by the magnetic field binding.
  • Magnetic field binding is formed when the rotational speed of the moving magnetic field of the stator is equal to the sum of the speeds of the moving magnetic field generated by the mover determined by the speed and frequency of the mover.
  • the frequency and amplitude of the current in the stator and the mover can provide a wide range of dynamic control as well as protection of the payload and electromagnetic machinery.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating an internal structure of an electromagnetic machine including an independently active controllable winding type rotor and stator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a rotating electromagnetic machine in which a mover is connected to a rotating shaft with a rotor to maintain an interval with a stator and rotates.
  • the electromagnetic machine of FIG. 2 will be described as an example. 2 is an exemplary implementation, and it is natural that the electromagnetic machine according to the embodiment of the present invention is not limited thereto.
  • the electromagnetic machine 1100 includes a stator 120 fixed to the inside of the case 1110, and a rotation shaft 1Shaft 130 passing through the case 1110. ), a rotor 140 surrounding the rotation shaft 1130, a stator 1120, and a control unit 1150 placed at one end of the rotor 1140.
  • the positions of the stator 1120, the rotation shaft 1130, the rotor 1140, and the control unit 1150 inside the case 1110 are specified, but the present invention is not limited thereto and violates the spirit of the present invention. It is also possible to relocate the appropriate location to the extent that it is not possible.
  • the rotation shaft 1130 is disposed to penetrate the central portion of the case 1110 in the longitudinal direction.
  • bearings 1160 are provided at both ends of the case 1110 in which the rotating shaft 1130 is supported.
  • the rotatable case 1111 is disposed outside the control unit 1150 and prevents the external power line (not shown) from being entangled during rotation.
  • the case 1110 is exemplarily illustrated so that external power lines are not entangled by providing a rotatable case 1111, but the case is not limited thereto, and may be fixed when the power line is wirelessly supplied or transmitted in another manner.
  • the interval 1s between the control unit 1150 and the stator 1120 and the rotor 1140 is necessary because one side rotates at high speed when wireless power and signals are supplied.
  • a stator 1120 is attached and fixed to the inner circumferential surface of the case 1110, and the stator 1120 includes multi-phase windings (not shown).
  • the inner side of the stator 1120 shares the center of the rotation shaft 1130 and the stator 1120, and is spaced apart from the stator 1120 in the direction of the rotor 1130 by a predetermined distance, that is, an air gap (d), and
  • the rotor 1140 including the 1130 is provided.
  • the rotor 1140 in an embodiment according to the present invention includes multi-phase windings (not shown).
  • the case 1110 includes a stator 1120, a rotating shaft 1130, and a control unit 1150 for transmitting and receiving power at one end of the rotor 1140.
  • the control unit 1150 may supply first power to the stator 1120 to generate a first rotating magnetic field (not shown), and adjust the supplied first power to adjust the magnitude and frequency of the first rotating magnetic field. Etc. can be controlled.
  • the first power is a direct wiring method (not shown), a slip-ring method (not shown), a wireless inductive coupling method (not shown), and a control unit ( Power is transmitted and received from the 1150 to the multiphase windings of the stator 1120 through the stator switching unit 1125.
  • stator switching unit 1125 is a part in which pulse width modulation (PWM) occurs, and may include an inverter and a converter.
  • PWM pulse width modulation
  • stator switching unit 1125 is coupled to one end of the stator 1120 to be illustrated, but is not limited thereto, and the stator switching unit 1125 may be included in the control unit 1150.
  • control unit 1150 may generate a second rotating magnetic field (not shown) independently from the first rotating magnetic field by supplying second power to the rotor 1140, and adjusting the supplied second power The magnitude and frequency of the second rotating magnetic field may be controlled.
  • the second power is the rotor through the rotor switching unit 1145 from the control unit 1150 in any one selected from a slip ring method (not shown), a wireless inductive coupling method (not shown), and a combination thereof. Power is transmitted and received to the multi-phase windings of 1140.
  • control unit 1150 controls the stator 1120 in any one of a direct wiring method (not shown), a slip ring method (not shown), a wireless inductive coupling method (not shown), and a combination thereof. Can be delivered.
  • the controller 1150 may transmit a control command to the rotor 1140 in any one of a slip ring method (not shown), a wireless inductive coupling method (not shown), and a combination thereof.
  • the control unit 1150 supplies the first power and the second power to the stator 1120 and the rotor 1140, respectively, by a wireless inductive coupling method, a frequency different from the control command transmitted by the wireless inductive coupling method is applied. Can be used to avoid interference.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating an internal structure of an electromagnetic machine including an independently active controllable winding type rotor and stator according to an embodiment of the present invention.
  • the electromagnetic machine 1200 including an independently active controllable winding type rotor and stator includes a stator 1220 fixed to the inside of the case 1210, A rotating shaft 1230 passing through the case 1210, a rotor 1240 surrounding the rotating shaft 1230, a stator 1220, and a control unit 1250 placed at one end of the rotor 1240 may be included.
  • the stator 1220 and the rotor 1240 are connected to the stator slip ring 1221 and the rotor slip ring 1241 in the control unit 1250.
  • the control unit 1250 is exemplarily illustrated as being disposed inside the case 1210, but is not limited thereto, and the control unit 1250 may be disposed outside the case 1210.
  • FIG. 4 is a schematic illustration of driving or controlling an electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention.
  • the power supply device/grid 1370 A second rotating magnetic field (not shown) is generated by supplying second power to the multiphase windings (not shown) of the rotor 1340 through the rotor switching unit 1345.
  • the power generated from the rotor 1340 (Not shown) is supplied to the power supply/grid 1370 through the rotor switching unit 1345.
  • the second rotating magnetic field measures the magnitude and frequency of the first rotating magnetic field through a sensor 1380 included in the stator 1320, and transmits the measured value 1352 to the control circuit 1351, and 2
  • the stator 1320 and the rotor 1340 are actively controlled to optimize the torque and efficiency of the electromagnetic machine by comparing the magnitude and frequency of the rotating magnetic field.
  • the first rotating magnetic field also measures the magnitude and frequency of the second rotating magnetic field through a sensor 1380 included in the rotor 1340, and transmits the measured value 1354 to the control circuit 1351, and the The stator 1320 and the rotor 1340 are actively controlled to optimize the torque and efficiency of the electromagnetic machine by comparing the magnitude and frequency of the first rotating magnetic field.
  • the sensor 1380 is used to optimize the use of an electromagnetic machine by measuring at least one or more dynamic operating states (torque, current, voltage, position, speed, etc.) of the stator 1320 and the rotor 1340.
  • the electromagnetic machine can be efficiently operated and safely operated through the state information of the power supply/grid 1370 as well as the measured value of the dynamic operating state secured through the sensor 1380.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing an equivalent circuit for an electromagnetic machine including an independently active controllable winding type rotor and stator according to an embodiment of the present invention.
  • the equivalent circuit 1400 of an electromagnetic machine including an independently active controllable winding type rotor and a stator according to an embodiment of the present invention is equivalent to the equivalent circuit 1420 of the stator and the equivalent of the rotor. Circuit 1440.
  • the electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention has been described for illustrative purposes as two-phase windings having a phase difference of 90°, but the present invention is not limited thereto, and a person skilled in the art can easily apply it to a multi-phase winding.
  • the force according to Lorentz law can be expressed by the following equation.
  • F is the force generated on the wire
  • l is the length of the rod-shaped wire
  • a rotating magnetic field generated in the equivalent circuit 1420 of the stator is generated in the Z-axis direction, and the current supplied from the equivalent circuit 1440 of the rotor is Y As it is supplied in the axial direction, it can be expressed by the following equations.
  • the magnetic flux generated by the current flowing through the winding A of the stator can be approximated as a sinusoidal wave, and can be expressed by the following equation.
  • the stator winding can have several cycles of an electromagnetic machine.
  • the superscript A means winding (phase) A.
  • magnetic flux is generated in the phase A winding of the stator.
  • the phase B winding is electrically 90° out of phase with respect to the phase A winding, and the magnetic flux generated by the current flowing through the phase B winding can be expressed by the following equation.
  • phase A winding and the phase B winding are overlapped by a current flowing through the stator winding with a time difference to form a moving magnetic field as follows. This can be expressed by the following equation.
  • the current flowing in the rotor winding can be approximated as a sinusoidal wave.
  • the current flowing through the phase A winding of the rotor can be expressed by the following equation.
  • phase B winding has a phase difference of 90° with respect to the phase A winding
  • current flowing through the phase B winding of the rotor can be expressed by the following equation.
  • the current flowing in the rotor winding can be expressed as follows by overlapping the phase A winding and the phase B winding. This can be expressed by the following equation.
  • Lorentz force generated by electromagnetic machinery Can be expressed as the following equation from Equations 4 and 7.
  • the Lorentz force was analyzed by the interaction of the magnetic field generated from the stator and the current generated from the rotor, but this is only an example and the opposite case can be interpreted.
  • ⁇ is the phase difference between the rotor and stator. Also this Compared to speed Assuming that it is moving (with respect to the stator winding), it can be expressed by the following equation.
  • the torque interpreted by the equivalent circuit 1400 of the electromagnetic machine is proportional to the magnetic field that can be interpreted from the equivalent circuit 1420 of the stator and the equivalent circuit 1440 of the rotor, and may be expressed by the following equation.
  • the torque is interpreted as a magnetic field generated in the stator and the rotor, but this is only an example and can be interpreted as a current generated in the stator and the rotor.
  • the magnetic field analyzed by the equivalent circuit 1440 of the rotor is proportional to the current flowing through the rotor winding. Therefore, from Equation 9, the torque is proportional to the current flowing in the stator and rotor, which can be independently actively controlled. Meanwhile, in the case of a general motor, the current flowing through the rotor is induced or derived from the stator, and the stator must be controlled to control it. Accordingly, since the electromagnetic machine according to the present invention can be driven by a combination of independent currents of the stator and the rotor, the range of torque available when operating the electromagnetic machine is wide, the reaction time can be reduced, and the efficiency can be optimized. In addition, it is easy to secure safety when operating an electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exemplary diagram of a wind power dual-excitation electromagnetic machine (Dual Active Electromagnetic Machine) of a schematic new concept including an electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention.
  • a wind power dual-excitation electromagnetic machine Deviceic Electromagnetic Machine
  • FIG. 6 only an example of wind power generation is described, but the application example is not limited thereto and may be applied to a new renewable energy system such as tidal power generation or wave power generation, which may include an electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention. .
  • a double-excitation electromagnetic machine 1505 for wind power generation including an electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention can electronically implement a continuously variable gear ratio without a gearbox, and thus a large drive It is a power generation or regenerative braking device capable of generating torque.
  • the rotor blade 1501 is connected to the electromagnetic machine 1500 through a power shaft 1502.
  • the output of the electromagnetic machine 1500 is delivered to a load 1506 via a power converter 1503 and a grid 1504.
  • FIG. 7 and 8 are schematic views of a vehicle including an in-wheel drive motor to which an electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention is applied. 7 and 8 illustrate only an example of an in-wheel drive motor, but the application example is not limited thereto. Meanwhile, FIG. 7 is an exemplary configuration diagram for driving a vehicle including the electromagnetic machine of the present invention, and FIG. 8 is an exemplary configuration diagram for braking a vehicle including the electromagnetic machine of the present invention.
  • an energy source for example, DC power of a battery 1601 is converted into AC power through an inverter 1604.
  • the converted electric power is applied to the electromagnetic machine 1600 according to an embodiment of the present invention, a driving force is generated and transmitted to each wheel through a power shaft (not shown) to drive the vehicle.
  • the inertial force of the vehicle being driven is transmitted to the electromagnetic machine 1700 according to the exemplary embodiment of the present invention through the power shaft during braking, thereby entering a regenerative braking state.
  • the generated power is charged in an energy source, for example, the battery 1701 or the capacitor 1702 through the inverter 1704 or consumed as heat in the braking resistor 1703.
  • the motor size is minimized and mounted on each wheel, and the driving torque and speed of each wheel are independently and individually and efficiently controlled, thereby providing stability of the vehicle. And improve driving performance.
  • the reaction time is short, so it is possible to quickly cope with the driving situation.
  • FIG. 9 shows the force between the stator and the mover (rotor) according to an embodiment of the present invention.
  • the mover can move freely in the x direction. (In a rotating electromagnetic machine, x is the axis rotation direction)
  • the mover does not move in the y or z direction, and the force in the z direction refers to the direction of the pulling or pressing force between the mover and the stator.
  • stator's polyphase coil When the stator's polyphase coil is driven by DC current, an AC magnetic field is generated in the air gap, and when the mover's polyphase coil is driven by DC current, an AC magnetic field is generated in the air gap. It has a magnetic field space period of 0.01m in the x direction, the current of the polyphase coil is bound by the magnetic field in the y direction, and the magnetic field of the air gap changes periodically in the x direction.
  • the figure can be expressed as the restoring force, the force in the x direction to return to a stable equilibrium position, (-0.5 * period ⁇ x ⁇ 0.5 * period), and the repulsive force, the force to push the mover to a stable position.
  • the point of (0.5 * period ⁇ x ⁇ 1.0 * period) x 0.5 *period is the saddle point.
  • Force and displacement serve as a periodic function of the mover offset angle.
  • the restoring force exists at the position where the mover and stator face each other with opposite polarities, and if this condition is met, the mover and stator are defined as being in "field locking".
  • the magnetic field binding can be maintained with the stator and the mover generates a separate rotating magnetic field while the mover rotates.
  • a stator with a multiphase winding capable of generating a moving magnetic field there is an air gap with a certain distance between a stator with a multiphase winding capable of generating a moving magnetic field and a mover having a multiphase winding capable of independently generating a moving magnetic field. It can be formed in an electromagnetic machine that can move at regular intervals in the direction of flow and normal.
  • the moving magnetic field is focused on the void, and the vector direction of the magnetic field, the direction of current flow, and the moving direction of the moving object have a vertical relationship with each other.
  • the magnetic field generated by the current flowing through the stator and the mover each polyphase winding maintains a stable state in which the magnetic field polarities are opposite to each other is a magnetic field binding phenomenon.
  • a restoring force is generated to return to its original state. If the moving distance is small, the restoring force is proportional to the moving distance, and the direction of the force is opposite to the moving direction.
  • the electromagnetic machine Before the electromagnetic machine starts to drive, it first forms a magnetic field bond, and when it is driven, it starts to drive while maintaining the in-rush current to be below an appropriate level at the start of the drilling.
  • the magnetic field binding By maintaining the magnetic field binding at all times while driving, it can quickly respond to the torque required by the wide dynamic operating range, and the bi-directional power transfer function can secure safety.
  • the rotor position can be stable.
  • the repulsive force pushes the mover into a stable area. Resilience exists when opposite poles are encountered, whereas repulsive forces occur when similar poles are encountered.
  • the external load of the shaft eg friction
  • f_ext the external load of the shaft
  • the mover position can be moved away from a stable equilibrium (x ⁇ 0, fx> 0). It means that the motor performs the work of converting electrical energy into mechanical energy.
  • the external load is pushing the mover with f_ext> 0 in the x direction, and the external force can be balanced by the restoring force fx ⁇ 0.
  • the generator converts mechanical work into electrical energy.
  • the stator and the mover of the electromagnetic machine according to the embodiment of the present invention may be formed of a winding arrangement.
  • it may be formed in a winding arrangement as shown in FIG. 10.
  • the winding arrangement constituting the stator and the mover will be described in detail.
  • the stator includes a first winding arrangement
  • the mover includes a second winding arrangement that is formed to be spaced apart from the first winding arrangement at a predetermined interval and has a mirror image in the spaced direction
  • the first winding arrangement is At least one first half cycle and at least one second half cycle formed adjacent to each other, and the first half cycle includes at least two windings having different current flow directions, wherein the first half cycle and the second half cycle May have a mirror image in a neighboring direction.
  • a winding arrangement 2100 according to an embodiment of the present invention includes a first winding arrangement 2110 and a second winding arrangement 2120.
  • the winding arrangement means the winding arrangement of the stator and the mover.
  • the first winding arrangement 2110 and the second winding arrangement 2120 are formed to be spaced apart at predetermined intervals, and have a mirror image in the spaced direction. That is, the first winding arrangement 2110 and the second winding arrangement 2120 have a mirror image with the x-axis as a symmetrical axis.
  • the mirror image has a structure corresponding to each other around the axis of symmetry, and means that the mirror image has the same structure as that of a mirror.
  • the first winding arrangement 2110 includes at least one first half cycle and at least one second half cycle formed adjacent to each other.
  • the first half cycle 2150 and the second half cycle 2160 are formed as one cycle, and the spatial cycle ( ) Can be formed in a periodic form repeating the same structure every time.
  • the first half cycle 2150 includes at least two windings having different current flow directions, and the first half cycle and the second half cycle have mirror images in neighboring directions. That is, the first half-period 2150 has a second half-period 2160 and a mirror image with a z-axis as a symmetry axis.
  • the first winding arrangement 2110 and the second winding arrangement 2120 are spaced apart by a predetermined interval, that is, an air gap (d) in the z-axis direction.
  • the interval between the first winding arrangement 2110 and the second winding arrangement 2120 may be set by magnetic flux or other components to be implemented using the winding arrangement, and may be set by a user.
  • the first half cycle 2150 includes at least two windings having different directions in which current flows.
  • 10 illustrates an embodiment in which the first half cycle 2150 is formed of a plurality of layers, but this corresponds to one example, and the first half cycle 2150 includes at least two windings having different current flow directions.
  • the two windings may have opposite directions in which a current flows. One winding may flow in a direction (+y direction) in the plane of FIG. 10, and the other winding may flow in a direction (-y direction) out of the plane of FIG. 10.
  • a current flows in one direction, a magnetic field is formed in the winding.
  • a current flows into the plane of FIG.
  • a magnetic field is formed in a clockwise direction surrounding the winding, and when a current flows out of the plane of FIG. 10, a magnetic field is formed in a counterclockwise direction surrounding the winding.
  • the two windings included in the first half-cycle 2150 may be windings included in the first layer on the first half-cycle 2150 of FIG. 10.
  • the magnetic field between the two windings is caused by the counterclockwise magnetic field generated by the winding located on the right and flowing current out of the plane, and the clockwise magnetic field generated by the winding located on the left and flowing current into the plane. )
  • Direction to strengthen the magnetic flux is to strengthen the magnetic flux.
  • a winding through which current flows into a plane is formed on the right side and a winding through which current flows out of the plane is formed on the left side. Since the winding of the second half-cycle 2160 is formed in the opposite direction of the winding of the first half-cycle 2150 and the current flowing, the magnetic field between the two windings is formed in the opposite direction of the second winding arrangement 2120 to enhance magnetic flux. do.
  • the first winding arrangement 2110 and the second winding arrangement 2120 may be formed of a plurality of layers. It may be formed of a plurality of layers of two or more layers. Although illustrated as four layers in FIG. 10 by way of example, the number of layers is not limited thereto, or additional layers may be further included as necessary.
  • the first winding arrangement 2110 and the second winding arrangement 2120 may be formed of three layers.
  • the first layer of the first half-cycle 2150 may include at least 11 windings through which currents flow in different directions.
  • the left winding of the first layer is a winding indicating a current flowing into the plane
  • the right winding is a winding indicating a current flowing out of the plane.
  • the second layer of the first half cycle 2150 is the same as the winding current direction of the first layer, but is disposed relatively outside the winding of the first layer.
  • the third layer of the first half cycle 2150 is opposite to the winding current direction of the second layer. That is, the left winding of the third layer is a winding indicating current flowing out of the plane, and the right winding is a winding indicating current flowing into the plane. On the other hand, the winding of the third layer is disposed relatively inside than the winding of the second layer.
  • the fourth layer of the first half cycle 2150 is the same as the winding current direction of the third layer, but is disposed relatively outside the winding of the third layer.
  • first winding arrangement 2110 and the second winding arrangement 2120 may be formed as a lower layer and an upper layer.
  • the lower layer may correspond to the first layer of FIG. 10
  • the upper layer may correspond to the third layer of FIG. 10. It is composed of only the first layer and the third layer, and may not include the second layer and the fourth layer.
  • the current directions of the first half cycle 2150 and the second half cycle 2160 shown in FIG. 10 are illustratively shown for explanation, and are not limited thereto, and the above-described relationship in the current direction changing with time And the direction of current in the winding can change over time.
  • the relative position of the windings or the number of windings in each layer shown in FIG. 10 are illustratively shown for explanation, and the position or number of windings is not limited thereto and is not contrary to the spirit of the present invention. You can change it.
  • the first winding arrangement 2110 may be formed in a winding structure having the above-described current distribution.
  • the first winding arrangement 2110 and the second winding arrangement 2120 are illustratively illustrated as a stacked winding structure 2130 or a horizontal stacked winding structure 2140 and a vertical stacked winding structure 2145.
  • the present invention is not limited thereto, and if necessary, a planar structure having a current distribution shown in FIG. 10 may be substituted for the three-dimensional stacked structure.
  • the winding arrangement 2100 has a structure in which a magnetic flux is strengthened in one direction and a magnetic flux is canceled in the other direction. That is, referring to FIG. 10, the magnetic flux of the first winding arrangement 2110 and the second winding arrangement 2120 is strengthened toward one side facing each other in the z-axis direction, and the magnetic flux is relatively canceled or almost negligible in other directions. Appear enough to be. Accordingly, the winding arrangement 2100 according to the present invention has an effect of minimizing a leakage magnetic field outside the region of interest.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating a winding arrangement according to an embodiment of the present invention as a set of two phase difference winding arrangements.
  • a winding arrangement 2200 includes a winding arrangement set 2201 for phase A and a winding arrangement set 2202 for phase B having a phase difference of 90 degrees from each other.
  • the two sets of winding arrangements may have different phases or may have the same phase.
  • the winding arrangement 2200 interposes the winding arrangement set 2202 for phase B to the winding arrangement set 2201 for phase A so as to alternate the sets.
  • a moving magnetic field may be formed by sequentially supplying a time-varying current to the winding array set 2201 for phase A and the winding array set 2202 for phase B with a phase difference.
  • a moving electromagnetic field can produce the same effect as the stator of an electromagnetic machine.
  • FIG. 11 although the phase of the winding arrangement 2200 is shown as two phases, it is not limited thereto, and a three or more phase winding arrangement is also possible by adding sets and alternately overlapping them as needed.
  • FIG. 12 is an exemplary cross-sectional view schematically showing a current flow and a magnetic flux magnitude according to a winding arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • the winding arrangement 2300 includes a first winding arrangement 2310 and a second winding arrangement 2320.
  • the second winding arrangement 2320 is shown in FIG. 10 and is the same as the above-described winding arrangement, but the first winding arrangement 2310 is shown in FIG. 12 and is a Halbach Array, which is a special structure of the above-described winding arrangement. ) Can be placed.
  • the magnetic flux is strengthened between the first winding arrangement 2310 and the second winding arrangement 2320, and the magnetic flux may be relatively negligibly small or canceled out. Meanwhile, in FIG.
  • the first winding arrangement 2310 is illustrated in a Halbach arrangement, but the present invention is not limited thereto, and the second winding arrangement 2320 is used as a Halbach arrangement, or the first winding arrangement 2310 and Both of the second winding arrangement 2320 may be used in a Halbach arrangement.
  • FIG. 13 is a schematic perspective view of an exemplary winding arrangement structure according to an embodiment of the present invention.
  • the first winding arrangement 2410 and the second winding arrangement 2420 repeat the same structure for each spatial period along the x-axis direction.
  • the first winding arrangement 2410 and the second winding arrangement 2420 extend in a direction in which current flows in a periodic structure (ie, a y-axis direction), and a segmented toroid or a segmented solenoid ) Has a current distribution.
  • a moving electromagnetic machine including the winding arrangement 2400 according to an embodiment of the present invention may be implemented with an ironless core structure or a minimum number of cores. Therefore, it is expected that efficiency can be maximized, weight and size can be minimized, and core loss due to the use of iron cores can be reduced by using the minimum iron core in the electromagnetic machine.
  • the magnetic field generated by the winding arrangement according to the embodiment of the present invention periodically changes in one direction. All of these attributes are possible only with the winding arrangement according to the embodiment of the present invention without using an iron core.
  • the magnetic field generated by the winding arrangement according to the embodiment of the present invention Can be approximated as the following sine wave.
  • the spatial period of the mover coil is It can be expressed as This is one of the elements of the winding design of the stator of an electromagnetic machine.
  • the stator winding can include several cycles of electromagnetic machinery. That is, the superscript A indicates the winding (phase) A.
  • the magnetic flux density is mostly strengthening in the z-axis direction.
  • the magnetic field of the stator can be expressed by the following equation proportional to the stator current.
  • winding B phase B
  • the winding arrangement according to an embodiment of the present invention may produce different magnetic fluxes.
  • Winding (phase) B is better than winding (phase) A
  • the magnetic field of the winding (phase) B Can be expressed by the following equation.
  • k S is the first winding arrangement (stator) propagation vector
  • k S 2 ⁇ / ⁇ S
  • the analysis of the winding arrangement according to the embodiment of the present invention is illustratively performed using a two-phase winding structure. Even assuming such a two-phase winding structure, the concept is the same and generality is not impaired.
  • This analysis can be extended to a multi-phase winding structure, such as a three-phase winding structure, and the analysis results and conclusions can be equally applied to a multi-phase winding structure.
  • the difference between a two-phase system and a three-phase system can be mentioned if necessary.
  • a three-phase system requires three sets of windings, commonly called U, V and W windings.
  • the V and W windings have a space phase shift of ⁇ S /3 and 2 ⁇ S /3 compared to the U winding.
  • the magnetic field generated by the complementary first winding arrangement and the second winding arrangement has the following characteristics:
  • the magnetic field between the first winding arrangement and the second winding arrangement is strengthened in one of the z-axis directions (ie, between the winding arrangements). Except for one side where the magnetic field is strengthened, it is almost offset to the other side (ie outside the winding arrangement).
  • magnetic fields generated by winding (phase) A and winding (phase) B of the winding arrangement according to an embodiment of the present invention are independently generated and overlapped.
  • winding A and winding B are electrically driven with a 90 degree phase difference to generate a moving magnetic field.
  • Magnetic field superimposed on these windings A and B Can be expressed by the following equation.
  • Equation 4 above may be expressed as the following equation.
  • the above magnetic flux density is in the form of a moving magnetic field in which the waveform pattern moves in the positive direction of the x axis along with the next velocity v S.
  • the direction of the wave pattern moving in the negative x-axis direction can be changed by changing the sign of the current in the winding pair or by time modulation.
  • An electromagnetic machine can be manufactured by providing a mover according to a winding through which current can flow vertically to a magnetic field generated by supplying current through a stator winding including a winding arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • a mobile electromagnetic machine can be constructed using the above-described winding arrangement.
  • a mobile electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention includes a stator and a mover, wherein the stator includes a first winding arrangement, and the first winding arrangement comprises at least one first half-cycle and at least one formed adjacent to each other.
  • a second half period includes at least two windings having different directions in which a current flows, and the first half period and the second half period may have a mirror image in a neighboring direction.
  • stator may further include a second winding arrangement formed to be spaced apart from the first winding arrangement at a predetermined interval and having a mirror image in the spaced apart direction
  • the mover may further include the first winding arrangement and the It can be formed between the second winding arrangement.
  • the mover may be formed to be spaced apart from the first winding array at a predetermined distance, and may include a second winding array having a mirror image in a spaced direction. That is, the first winding arrangement and the second winding arrangement of the winding arrangement according to the embodiment of the present invention may be a stator or a mover, respectively.
  • the mover may be a rotor.
  • x m is the x-direction coordinate of the second winding arrangement (mover), and the x-direction coordinate of the first winding arrangement (stator) can be expressed as x S.
  • a current on the mover is generated and the current can move relative to the mover (or may be a rotor).
  • the sinusoidal distribution of current can be realized by stacking very small wire loops together, and the number of wires per unit length can be expressed by the following equation.
  • Silver cycle Is a periodic function. For example, Is any initial phase value of the mover.
  • FIG. 14 is a conceptual diagram schematically showing an interaction between a magnetic field and a current generated by the winding arrangement structure according to an embodiment of the present invention.
  • the Lorentz force generated in a wire through which a current flows due to an interaction between a magnetic field and a current generated by the winding arrangement according to an embodiment of the present invention can be expressed by the following equation in the x-axis direction.
  • the force generated in the stator is the same size every half cycle along the x-axis direction, but in the opposite direction.
  • x m is assumed that the moving at a speed v m for x S.
  • the relationship is as follows.
  • the force per cycle can be calculated as follows.
  • Equation 14 may be summarized as follows.
  • Equation 25 The first term in Equation 25 changes rapidly in both space and time. Regardless of time, the average value disappears when the force is accumulated over many spatial periods. Spatial cycle
  • the sugar force (M is large enough and integrated over M cycles) can be expressed by the following equation:
  • the periodic average force for any periodic current distribution can be calculated. This results in the same result as the harmonic components of the same Fourier series expansion are generated as the current average value of 0.
  • the moving magnetic field generated in the mover means that the synthesized magnetic field is synchronized with the moving magnetic field generated by the stator. Since the spatial periods of the mover and stator have the same value, magnetic poles of the mover and stator are attracted to the opposite side, so that the magnetic flux paths are synchronized and field-locked with each other.
  • the magnetic flux binding positions the mover in the equilibrium position.
  • a magnetic force is generated and the mover moves to the equilibrium position.
  • an external force or torque is applied to the mover, the magnetic force due to the pulling motion of the opposite magnetic pole corresponds to the external force.
  • the position of the mover changes according to the external force.
  • the magnitude of the reaction is proportional to the product of the stator current and the mover current, and the total magnetic force or torque is proportional to the number of space periods.
  • a steady state force is generated in the mover from the interaction of the stator and the mover (or rotor), and the force is pushing the mover against friction.
  • the power supply machine of the stator and the mover supplies power to move the mover for a steady state or slow acceleration against friction. In this case, maximum force occurs.
  • the moving electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention When used as a motor, the following conditions are maintained while current is supplied.
  • the phosphorus condition is a steady state condition when the mover (rotor) is being pushed by an external force.
  • Negative force means that work is performed by external force. That is, when the mobile electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention is operating as a generator. Electric power is generated because current flows through the mover winding.
  • the mover moves at a velocity v m , and the current moves at a velocity (v S ) equal to the magnetic field generated by the stator.
  • v S velocity
  • the mover maintains a fixed position.
  • the axis of the mover (rotor) moves in v S -v m .
  • the rotor (rotor) shaft rotation speed is the sum of the stator magnetic rotation speed and the mover (rotor) magnetic rotation speed.
  • Magnetic field of the stator can be expressed by the following equation is to move at a speed v S.
  • the mover moves at a very slow acceleration or when the force is balanced with an external force, at this time moving at a constant speed.
  • 15 is a schematic cross-sectional view illustrating a winding arrangement according to an embodiment of the present invention applied in a horizontal direction with a stacked winding.
  • a winding arrangement 2600 has a stacked winding and is implemented in a periodic structure in the x-axis direction.
  • the winding arrangement 2600 is implemented with a first winding arrangement 2610 and a second winding arrangement 2620 spaced apart by a predetermined interval in the z-axis direction.
  • the magnetic flux density is strengthened in one direction between the first winding array 2610 and the second winding array 2620, and the directions inside the first winding array 2610 and the second winding array 2620 face each other. Otherwise, the magnetic flux density is canceled, and leakage magnetic field can be minimized from the outside.
  • 16 is an exemplary cross-sectional view schematically showing a winding arrangement according to an embodiment of the present invention applied in a three-dimensional structure with a stacked winding.
  • a winding arrangement 2700 according to an embodiment of the present invention has a stacked winding and is implemented in a circular shape.
  • the winding arrangement 2700 according to the embodiment of the present invention is spaced apart by a predetermined interval in a radial direction, and the first winding arrangement 2710 and the second winding arrangement 2720 are the same for each spatial period along the tangential direction.
  • the first winding arrangement 2710 and the second winding arrangement 2720 are implemented to be complementary to each other. That is, the first winding arrangement 2710 can be viewed as having a mirror image of the second winding arrangement 2720 and the current distribution based on the tangent direction.
  • the magnetic flux density is strengthened on one side between them in the radial direction, and the magnetic flux density is canceled on the other side outside them.
  • first winding arrangement 2710 and the second winding arrangement 2720 are exemplarily shown to have substantially the same size because they are arranged on a circumference and have a short size, but are not limited thereto and the scope of the present invention is not impaired. It is also possible to reduce the size of the inner circumferential winding array or increase the size of the outer circumferential winding array as needed.
  • 17 is a simulation result diagram for a structure in which a three-dimensional structure is applied to a winding arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • the simulation result is calculated using the Python program and based on the Biot-Savart law. Referring to FIG. 17, the results obtained near the middle of the air gap for the first winding arrangement 2710 and the second winding arrangement 2720 of the winding arrangement 2700 shown in FIG. 16 are shown. Therefore, the magnetic flux is strengthened in the radial direction at the center of the air gap between the first winding array 2710 and the second winding array 2720, and the magnetic flux is increased in the axial or tangential direction. Relatively few.
  • FIG. 18 is a simulation result diagram for a structure in which a three-dimensional structure is applied to a winding arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • the results obtained from the first winding arrangement 2710 and the second winding arrangement 2720 of the winding arrangement 2700 shown in FIG. 16 outside the region of interest having the size of half the air gap are shown. Therefore, it is confirmed that there is almost no leakage magnetic flux in all directions. Meanwhile, the region of interest refers to an interior thereof including the first winding arrangement 2710 and the second winding arrangement 2720.
  • FIG. 19 is a schematic cross-sectional view illustrating a winding arrangement according to an embodiment of the present invention applied with a planar winding structure.
  • a winding arrangement 2800 periodically implements a planar winding structure in the x-axis and z-axis directions. At this time, in the winding arrangement 2800, the magnetic field is strengthened in the + direction of the z axis, and the magnetic field is relatively weakened in the-direction.
  • FIG. 20 is an exemplary cross-sectional view schematically showing a winding arrangement according to an embodiment of the present invention applied in a three-dimensional structure with a planar winding structure.
  • a winding arrangement 2900 has a planar winding structure and is implemented in a circular shape.
  • the winding arrangement 2900 according to the exemplary embodiment of the present invention is implemented with a first winding arrangement 2910 and a second winding arrangement 2920 that are spaced apart from each other in a radial direction and are complementary to each other.
  • FIG. 21 is a simulation result diagram for a structure in which a winding arrangement according to an embodiment of the present invention is three-dimensionally applied with a planar winding structure.
  • a strong magnetic field is shown in a radial direction near the center of the air gap among a region of interest, and a magnetic field is negligibly canceled in the axial or tangential direction.
  • the mobile electromagnetic machine using the winding arrangement according to an embodiment of the present invention strengthens a magnetic field on one side in a region of interest and hardly causes a leakage magnetic field outside the region of interest.
  • the mobile electromagnetic machine according to an embodiment of the present invention can minimize or minimize its size and weight, reduce core loss, overcome performance limitations, etc. by not using or using an iron core to a minimum.

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Abstract

본 발명은 회전축과, 다상 권선을 포함하는 고정자, 다상 권선을 포함하고, 고정자와 소정 간격으로 이격되는 이동자(1회전자), 및 고정자의 제1 자기장 및 이동자(1회전자)의 제2 자기장을 독립적으로 제어하는 제어부를 포함하는 전자기 기계에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전자기 기계는 독립적으로 능동 제어가능한 권선형 고정자와 이동자(1회전자)로부터 기동이나 필요시 토크 문제를 해결할 수 있어, 최소 크기로 최대 구동 토크를 낼 수 있고, 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

다중 다상권선 자가장 결속을 이용하는 전자기기계
본 발명은 다중 다상권선 자가장 결속을 이용하는 전자기기계에 관한 것으로서, 특히 전자기 기계(Electromagnetic machine)에 독립적으로 회전 자기장(Rotating magnetic field)을 생성하는 능동 제어가능한 회전자와 고정자를 구비하고 이를 독립적으로 제어함으로써 모터로서 기동(Starting-up) 시나 운행 중 요구되는 토크(Torque)를 증가시킬 수 있어 방향, 토크와 속도를 보다 잘 조절할 수 있으며, 발전기로서는, 동력원 (prime mover)의 불안정성을 배제하고, 안정된 전력을 공급할 수 있는, 넓은 작동범위를 가지며, 작은 크기로 높은 효율을 가질 뿐만 아니라, 토크와 속도도 광범위한 영역으로 조절할 수 있는 전자기 기계에 관한 것이다.
여러 산업 분야에서는 시스템 내에 회전 부재를 포함하는 가역의 전자기 기계를 설치하고자 하는 요구가 많다. 기계가 설치된 시스템의 동작 조건에 따라, 이러한 회전 부재의 회전 운동에 의한 기계적 에너지로 변환하고, 이러한 기계적 에너지로 전기 에너지를 생성하는 것은 발전기(Generator)이다. 이러한 발전기로부터 생성된 전력은 다른 시스템 요소에 공급하거나 저장할 수 있다. 또한, 기계에 전기 에너지를 공급해서 기계적 에너지로 변환시켜 회전 부재를 회전시켜 회전동력을 얻는 것은 모터(Motor)이다.
이러한 모터/발전기에 사용되는 전자기 기계는 우리 생활 주변에서 가장 널리 쓰이는 전기기기로 용량이 수십 W의 소형부터 수 ㎿에 이르는 대형까지 가정과 산업현장에서 널리 쓰이고, 특히 선풍기, 세탁기, 냉장고, 자동차, 엘리베이터, 펌프, 크레인 등에 널리 사용되고 있다. 이러한 전자기 기계에 대한 일반적인 요구는, 비용의 절감뿐만 아니라, 특히 지상의 차량이나 비행기와 같은 수송 수단에는 소형화 및 경량화이다.
또한 전자기 기계는 고정자와 회전자를 포함해서 이루어진다. 일반적으로 고정자의 권선(Coil)에 전류가 흐를 때 발생하는 회전 자기장에 의해서 회전자에 회전 토크가 발생하는 원리로 작동한다. 회전 토크에 의해 회전자가 회전하는 힘을 회전동력으로 이용하게 된다.
직류 모터는 공극에 고정 자기장을 사용하고 전기자 코일을 구동하여 토크를 생성합니다. 전기자를 전환하려면 전류를 전환하기 위해 정류자가 필요하며, 유도 모터는 공극에서 이동 또는 회전 자기장을 생성하는 다상 코일을 갖는 고정자를 가지며, 회전자는 영구 자석 또는 전자석에서 유래하는 소정의 자기장을 생성하며, 회전자 축의 속도와 동일한 속도로 회전한다. 다시 말해서, 종래의 전자기 기계는 축에 고정된 자기장 회전을 갖는다.
직류모터에서는 기계적 정류기(브러쉬)를 이용하기 때문에 정기적 유지보수가 필요하고, 고속 구동 시에 어려움이 있고, 설치장소도 제한이 있다. 한편 기계적 정류기가 없는 영구자석 동기 모터(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)에서는 영구자석을 사용하기 때문에 최대 출력 시 마진이 적고, 고온 시 자석 성능이 저하되는 문제점이 있다.
일반적으로 유도 모터에서는 기동 시에 부하 및 모터 자체의 관성으로 인하여 발생하는 토크가 작고 정상운전까지 시간이 필요하다. 또한 모터 기동 시 모터 권선에는 일시적으로 돌입 전류(In-rush current)라 불리는 대전류가 흐르게 된다. 따라서 유도 모터 사용시 돌입 전류를 잘 조절해야하는 점이 있다.
유도 모터는 크게 농형 유도 모터(Squirrel cage induction motor)와 권선형 모터(Wound motor)로 구분할 수 있다. 농형 유도 모터의 경우, 구조가 간단하고 견고하며, 운전이 쉽고, 보수가 간단하다. 하지만 구조 특성 상 기동 시 큰 전류가 필요하고, 작은 토크를 생성한다. 따라서, 빈번한 기동과 정지가 요구되거나 속도를 제어할 필요하거나 전원 용량이 작은 경우에는 적용하기 어렵다.
또한 권선형 모터의 경우에는 농형 모터에 비해 기동 전류가 작고, 큰 토크를 생성한다. 하지만, 큰 토크를 생성하기 위해서 모터 자체 크기를 증가시켜야 하고, 이는 비용이 증가하는 문제점이 있다. 또한 권선형 모터는 슬립링을 필요로 한다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 독립적으로 능동 제어가능한 권선형 회전자와 고정자를 포함한 전자기 기계를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 독립적으로 능동 제어가능한 권선형 회전자와 고정자를 포함한 전자기 기계를 이용함으로써 시스템 규모를 줄이고 효율을 높이는 이중여자 전자기 기계(Doubly Active Electromagnetic Machine) 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 구현 예로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계는 다상 권선을 포함하는 고정자; 다상 권선을 포함하고, 상기 고정자와 소정 간격으로 이격되는 이동자; 및 상기 고정자의 제1 자기장 및 상기 이동자의 제2 자기장을 독립적으로 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 고정자의 다상 권선에 인가되는 제1 전류 및 상기 이동자의 다상 권선에 인가되는 제2 전류를 제어함으로써 상기 제1 자기장 및 상기 제2 자기장을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 전류 및 상기 제2 전류의 위상 및 진폭을 개별 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 직접 와이어링 방식, 슬립링(slip-ring) 방식, 및 무선 유도 결합 방식 중 적어도 하나의 방식으로 상기 고정자의 다상 권선에 상기 제1 전류를 인가하거나 상기 이동자의 다상 권선에 상기 제2 전류를 인가할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 전자기 기계를 구동 초기, 상기 고정자의 제1 자기장 및 상기 이동자의 제2 자기장이 서로 결속되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 자기장 및 상기 제2 자기장의 이동 방향을 동일 방향 또는 반대 방향으로 제어할 수 있다.
또한, 상기 이동자는, 회전축에 연결되어 상기 회전축을 중심으로 회전하는 회전자일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 고정자의 제1 자기장 및 상기 이동자의 제2 자기장이 서로 결속을 유지하며 상기 제1 자기장 및 상기 제2 자기장을 개별 제어함으로써, 상기 회전축의 토크 및 속도를 생성할 수 있다.
또한, 상기 전자기 기계는 선형 전자기 기계 또는 회전 전자기 기계일 수 있다.
또한, 상기 고정자는 제1 권선 배열을 포함하고, 상기 이동자는 상기 제1 권선 배열과 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 이격된 방향에서 미러 이미지를 가지는 제2 권선 배열을 포함하며, 상기 제1 권선 배열은 서로 이웃하여 형성되는 적어도 하나의 제1 반주기 및 적어도 하나의 제2 반주기를 포함하고, 상기 제1 반주기는 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하되, 상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향에서 미러 이미지를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 반주기를 형성하는 두 개의 권선 사이에서 형성되는 자기장의 방향과 상기 제2 반주기를 형성하는 두 개의 권선 사이에서 형성되는 자기장의 방향이 서로 반대일 수 있다.
또한, 상기 제1 반주기는, 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하고, 상기 제2 권선 배열과 인접하는 제1층; 상기 제1층의 권선구조와 동일한 전류 방향을 가지나 상기 제1층 권선구조보다 바깥쪽에 위치한 제2층 권선 구조를 포함하고, 상기 제1층 상부에 위치하는 제2층; 및 상기 제2층 권선구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지나 상기 제2층 권선구조보다 안쪽에 위치한 제3층 권선 구조를 포함하고, 상기 제2층 상부에 위치하는 제3층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3층의 권선구조와 동일한 전류 방향을 가지나 상기 제3층 권선구조보다 바깥쪽에 위치한 제4층 권선 구조를 포함하고, 상기 제3층 상부에 위치하는 제4층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 반주기는, 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하고, 상기 제2 권선 배열과 인접하는 하층; 상기 하층 권선구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지는 상층 권선 구조를 포함하고, 상기 하층 상부에 위치하는 상층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 권선 배열은 복수의 제1 반주기 및 복수의 제2 반주기를 포함하되, 상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향으로 주기적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 권선 배열은 또는 상기 제2 권선 배열은, 상기 전류가 흐르는 방향에 따라 길이가 연장되고, 분절된 토로이드(Toroid)나 분절된 솔레노이드(Solenoid) 전류 분포를 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 구현 예로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 동기 결합(Field Lock) 이중여자 전자기 기계 시스템은, 전자기 기계는 다상 권선을 포함하는 고정자; 다상 권선을 포함하고, 상기 고정자와 소정 간격으로 이격되는 이동자; 및 상기 고정자의 제1 자기장 및 상기 이동자의 제2 자기장을 독립적으로 제어하는 제어부를 포함하는 전자기 기계를 포함한다.
이에 따라, 상기한 과제 해결 수단을 통하여 다음과 같은 효과가 기대된다.
본 발명에 따른 독립적으로 능동 제어가능한 권선형 회전자와 고정자를 포함한 전자기 기계는 기동 시에 부하 및 모터 자체의 관성으로 인하여 정상운전 상태보다 큰 기동 토크를 독립적으로 능동 제어가능한 권선형 회전자로부터의 발생한 회전 자기장으로 해결할 수 있다. 따라서, 최소 크기로 최대 구동 토크를 안출할 수 있고, 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 제어에 따른 빠른 동작이 가능하며, 넓은 동적 범위를 가지며, 안전한 작동이 가능하다.
본 발명에 따른 독립적으로 능동 제어가능한 권선형 회전자와 고정자를 포함한 전자기 기계를 이용한 신 개념의 이중여자 전자기 기계(Double-Fed Electromagnetic Machine)를 해상풍력발전, 조류발전, 파력발전 등과 같은 신재생에너지 시스템에 적용하면, 기어박스를 없이도 구동 토크와 속도를 효율적으로 제어함으로써, 크기를 줄이고 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
한편 본 발명에 따른 독립적으로 능동 제어가능한 권선형 회전자와 고정자를 포함한 전자기 기계를 이용한 인 휠 모터에 의하면, 크기를 최소화하여 각 휠에 장착하여 각 휠의 구동 토크와 속도를 개별적으로, 효율적으로 제어함으로써, 전기자동차와 같은 미래자동차에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계의 내부 구조를 도시한 예시 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계의 내부 구조를 도시한 다른 예시 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계를 구동하거나 제어하는 개략적 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계에 대한 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계를 적용한 개략적인 풍력발전 이중여자 전자기 기계(Doubly Active Electromagnetic Machine)에 대한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계를 적용한 개략적인 인 휠(In-wheel) 구동 전자기 기계에 대한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계를 적용한 개략적인 인 휠 구동 전자기 기계에 대한 다른 예시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자 사이의 힘을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열에 따른 전류 흐름과 자속 크기를 개략적으로 도시한 예시 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열을 2 개의 위상차 권선 세트로 도시한 개략적 예시 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열에 따른 전류 흐름과 자속 크기를 개략적으로 도시한 예시 단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열 구조의 개략적인 예시 사시도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열 구조에 의해 생성한 자기장과 전류의 상호 작용을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열을 적층형 권선을 가지고 수평 방향으로 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열을 적층형 권선을 가지고 입체적 구조로 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열을 입체적 구조 적용한 구조에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열을 입체적 구조 적용한 구조에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열을 평면 권선 구조를 가지고 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열을 평면 권선 구조를 가지고 입체적 구조로 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열을 평면 권선 구조를 가지고 입체적으로 적용한 구조에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다 (comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 성분이나 부품이 언급되는 경우나 그 이외의 성분이나 부품이 배제되는 것이 아니고 필요한 경우 다른 성분이나 부품도 추가로 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 제공된 설명 및 예시들은 설명적인 목적으로 제시된 것이며 첨부된 청구항의 범주(scope)를 제한하도록 의도되지 아니한다. 본 명세서는 본 발명의 원리를 예시하기 위한 것으로 고려되어야 하며 기술된 실시예의 청구항들 및/또는 본 발명의 사상(spirit) 및 범주를 제한하도록 의도되지 아니한다. 본 기술 분야에 속한 통상의 기술자는 본 발명의 특정한 어플리케이션에 대하여 본 발명을 변형할 수 있을 것이다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도를 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들어, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들을 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계는 고정자(110), 이동자(120), 및 제어부(130)를 포함한다.
고정자(110) 및 이동자(120)는 각각 다상 권선(111, 121)을 포함하고, 서로 소정의 간격(d)으로 이격되어 형성된다. 제어부(130)는 상기 고정자의 제1 자기장 및 상기 이동자의 제2 자기장을 독립적으로 제어한다. 다상 권선에 흐르는 전류의 방향을 제어함으로써, 전류에 의해 자기장이 형성되는데, 다상 권선에 흐르는 전류를 제어함으로써 자기장의 이동이나 방향을 제어할 수 있다.
제어부(130)는 고정자의 다상 권선(111)에 인가되는 제1 전류 및 이동자의 다상 권선(121)에 인가되는 제2 전류를 제어함으로써 상기 제1 자기장 및 상기 제2 자기장을 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부는, 제1 전류 및 제2 전류의 위상 및 진폭을 개별 제어할 수 있다.
제어부(130)는 전자기 기계를 구동 초기, 상기 고정자의 제1 자기장 및 상기 이동자의 제2 자기장이 서로 결속되도록 제어할 수 있고, 상기 제1 자기장 및 상기 제2 자기장의 이동 방향을 동일 방향 또는 반대 방향으로 제어할 수 있다.
여기서, 이동자(120)는, 회전축에 연결되어 상기 회전축을 중심으로 회전하는 회전자일 수 있고, 제어부(130)는, 고정자의 제1 자기장 및 이동자의 제2 자기장이 서로 결속을 유지하며 제1 자기장 및 제2 자기장을 개별 제어함으로써, 상기 회전축의 토크 및 속도를 생성할 수 있다.
고정자(110)와 이동자(120)는 원형이며 공통 축을 가지도록 형성될 수 있다. 선형 어레이로 배열된 다상 권선(111, 121)은 선형 모터에 적용될 수 있다. 또한, 선형 및 회전 전자기 기계 모두에 적용될 수 있다.
고정자와 이동자 사이에 작은 에어 갭이 존재하며, 여기서 이동자는 고정자에 대해 공통 축을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있다. 고정자의 다상 권선에 전류가 흐르면, 공극에서 주기적 자기장이 생성된다. 유사하게, 전류가 이동자의 다상 권선에 흐르면, 에어 갭에서 주기적 자기장이 생성된다.
고정자의 다상 권선이 적절한 위상차를 갖는 정현파 입력 전류에 의해 여기되면, 에어 갭에서 움직이는 자기장이 생성되며, 이동자의 다상 권선이 적절한 위상차를 갖는 정현파 입력 전류에 의해 여기되면, 에어 갭에서 이동 자기장이 생성된다.
이동자가 고정자에 대해 일정한 속도로 이동하는 경우, 이동자의 다상 권선을 통해 일정한 전류에 의해 생성된 자기장은 이동자가 이동함에 따라 이동하게 된다. 이동자의 다상 권선을 통한 정현파 전류는 이동자의 회전축에 대해 회전 자기장을 생성한다. 이동자가 회전하면, 에어 갭 내의 필드의 회전은 필드 회전 속도와 축 회전 속도의 조합에 의해 결정된 속도로 회전한다.
정지 좌표계와 관련하여 이동자에 의해 생성되는 에어 갭에서의 자기장의 속도는 이동자 권선의 전류에 의해 생성된 자기 요소의 속도와 이동자의 속도의 조합이다.
고정자 및 이동자에 제공된 다상 권선은 전류가 흐를 때 각 권선이 각도의 함수로서 에어 갭에서 주기적 자기장을 생성하는 2개 이상의 개별 권선을 의미한다. 360도 각도에서 정수의 공간주기 또는 주기를 포함할 수 있다. 위상 코일이 두 개 이상인 경우, 제2 권선은 제1 권선에 대해 고정된 각도만큼 오프셋되어 위치된다. 예를 들어, 2 상 권선의 경우 1/4주기 (또는 전기 각도(Electrical angle) 90도)만큼 시프트되고 3 상 코일의 경우 1/3주기만큼 각도로 시프트될 수 있다. (또는 전기 각도 120도)
권선에 전류를 공급함으로써, 모든 권선에 의해 생성된 총 자기장은 각 권선을 통한 전류에 의해 생성된 자기장의 합이 된다. 권선의 전류량을 변화시킴으로써 자기장의 위상과 진폭을 변경할 수 있다.
다상 권선에 대한 다상 전류는 슬립 링 또는 무선 유도 결합을 포함하는 다른 결합 수단에 의해 고정자 및 고정자에 대해 자유롭게 회전하는 이동자에 공급 될 수 있다. 다상 전류는 전력 및 제어 신호가 전자기 기계로 전달될 수 있게 하는 고정 와이어 또는 다른 결합 수단을 통해 전자기 기계에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계는 고정자 및 / 또는 이동자 권선에서 상이한 위상으로 공급되는 시변 전류에 의해 생성된 회전 자기장을 이용한다. 전류가 다중 권선에 공급될 때 정수 다중 사이클 자기장 변동을 생성한다.
고정자와 이동자에 의해 생성된 자기장의 각주기의 수는 동일할 수 있다. 이동자와 고정자가 각각의 전류에 의해 자화될 때, 서로 자기장 결속 상태에 있게된다. 다시 말해, 이동자는 고정자에 의해 생성된 자기장에 고정된 각도 위치에 위치되며, 이동자에 의해 생성된 자기장과 서로 당겨지게 된다. 고정자의 다상 권선에서 전류의 위상이 변함에 따라, 이동자의 위상 전류는 고정되는 반면, 전류의 위상이 변함에 따라 고정자에 의해 생성된 에어 갭에서의 자기장 패턴이 이동한다. 고정자 자기장이 이동함에 따라 이동자 자기장이 함께 이동하여 필드 잠금을 유지한다. 고정자 위상이 변하지 않고 이동자 전류의 위상이 변함에 따라 유사한 이벤트가 발생할 수 있다.
고정자 및 이동자의 권선의 전류가 변하면 여러 위상 권선에 의해 생성된 자기장이 이동할 수 있다. 전류가 고정자 및 회 전자 모두에서 정확하게 동일한 방식으로 시간 변화하여, 동일한 방식으로 동일한 자기장의 회전을 생성하는 경우, 동일한 방식으로, 자기장 결속은 이동자가 반대 방향으로 자기장 회전 속도의 두 배 회전하며, 반면에, 고정자와 이동자의 자기장 회전이 반대 방향인 경우, 자기장 결속에 의해 이동자가 정지 상태를 유지하게 된다.
고정자의 이동 자기장의 회전 속도가 이동자의 속도 및 주파수에 의해 결정되는 이동자로 인해 생성되는 이동 자기장의 속도의 합과 같을 때 자기장 결속이 형성된다.
이동자와 반대 방향으로 이동자를 당기는 (끌어 당기는) 외력이 있으면 기계적 동력이 이동자로 전달된다. 이 경우, 전자파 및 전류에서 작은 위상 변이가 생기게 된다. 외력은 자기장과 전류에 의해 움직이는 요소에서 발생하는 힘에 의해 균형을 이루게 된다. 예를 들어, 고정자 전류 진폭이 고정되어 고정 진폭 고조파 이동 자기장을 생성하면, 이동 소자 전류 진폭을 증가시키게 된다.
위상의 독립적이고 동시적인 제어에 따라, 고정자와 이동자에서 전류의 주파수와 진폭은 페이로드 및 전자기 기계의 보호뿐만 아니라 광범위한 동적 제어를 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립적으로 능동 제어가능한 권선형 회전자와 고정자를 포함한 전자기 기계의 내부 구조를 도시한 개략적 예시 단면도이다. 도 2는 이동자가 회전자로 회전축에 연결되어 고정자와 간격을 유지하고 회전하는 회전 전자기 기계로써, 이하, 도 2의 전자기 기계를 예로써 설명하도록 하도록한다. 도 2는 하나의 구현 예시로 본 발명의 실시예에 따른 전자기 기계는 이에 한정되지 않는 것은 당연하다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전자기 기계(1100)는 케이스(1110)의 내측에 고정되는 고정자(Stator, 120)와, 케이스(1110)를 관통하는 회전축(1Shaft, 130), 회전축(1130)을 둘러싸는 회전자(Rotor, 140), 고정자(1120) 및 회전자(1140)의 일단에 놓인 제어부(1150)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서는 예시적으로 설명하기 위해 케이스(1110) 내부의 고정자(1120)와, 회전축(1130), 회전자(1140), 제어부(1150)의 위치를 특정하였으나, 이에 한정되지 않고 본 발명의 사상에 위배되지 않는 범위에서 적절한 위치를 재배치할 수도 있다.
여기서, 회전축(1130)은 케이스(1110)의 중심부를 길이 방향으로 관통하여 배치된다. 또한, 회전축(1130)이 지지되는 케이스(1110)의 양단에는 베어링(1160)이 구비된다. 한편, 회전가능한 케이스(1111)은 제어부(1150) 외측에 배치되고, 외부 전력선(미도시)이 회전 시 얽히지 않도록 한다. 여기서는 케이스(1110)는 회전가능한 케이스(1111)를 두어 외부 전력선이 얽히지 않도록 예시적으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 전력선을 무선으로 공급하거나 다른 방식으로 전달할 경우 이를 고정할 수도 있다. 한편, 제어부(1150)과 고정자(1120) 및 회전자(1140) 사이의 간격(1s)은 무선 전력 및 신호 공급 시 일 측이 고속으로 회전하기 때문에 필요하다.
또한, 케이스(1110)의 내주면에는 고정자(1120)가 부착 고정되고, 고정자(1120)는 다상 권선들(미도시)을 포함한다. 고정자(1120)의 내측으로는 회전축(1130)과, 고정자(1120)와 중심을 공유하고 회전자(1130) 방향으로 고정자(1120)와 소정 간격, 즉 공극(Air gap, d)으로 이격되고 회전축(1130)을 포함한 회전자(1140)가 구비된다. 한편, 본 발명에 따른 일 실시예에서의 회전자(1140)는 다상 권선들(미도시)을 포함한다.
또한, 케이스(1110) 내부의 고정자(1120)와, 회전축(1130), 회전자(1140)의 일단에는 전력을 주고받기 위한 제어부(1150)를 포함한다. 이때, 제어부(1150)는 고정자(1120)에 제1 전력을 공급하여 제1 회전 자기장(미도시)을 발생시킬 수 있고, 공급되는 상기 제1 전력을 조절하여 상기 제1 회전 자기장의 크기, 주파수 등을 제어할 수 있다. 여기서, 상기 제1 전력은 직접 와이어링 방식(미도시), 슬립링(slip-ring) 방식(미도시), 무선 유도 결합 방식(미도시) 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나의 방식으로 제어부(1150)로부터 고정자 스위칭부(1125)를 통해 고정자(1120)의 상기 다상 권선들에 전력을 주고받게 된다. 또한 고정자 스위칭부(1125)는 펄스폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)가 일어나는 부분이고, 인버터와 컨버터를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서는 고정자 스위칭부(1125)를 고정자(1120)의 일단에 결합하여 예시적으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 고정자 스위칭부(1125)를 제어부(1150)에 포함시킬 수도 있다.
또한, 제어부(1150)는 회전자(1140)에 제2 전력을 공급하여 상기 제1 회전 자기장과 독립적으로 제2 회전 자기장(미도시)을 발생시킬 수 있고, 공급되는 상기 제2 전력을 조절하여 상기 제2 회전 자기장의 크기, 주파수 등을 제어할 수 있다. 여기서, 상기 제2 전력은 슬립링 방식(미도시), 무선 유도 결합 방식(미도시) 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나의 방식으로 제어부(1150)로부터 회전자 스위칭부(1145)를 통해 회전자(1140)의 상기 다상 권선들에 전력을 주고받게 된다.
한편, 제어부(1150)는 직접 와이어링 방식(미도시), 슬립링 방식(미도시), 무선 유도 결합 방식(미도시) 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나의 방식으로 고정자(1120)에 제어 명령을 전달할 수 있다. 또한, 제어부(1150)는 슬립링 방식(미도시), 무선 유도 결합 방식(미도시) 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나의 방식으로 회전자(1140)에 제어 명령을 전달할 수 있다. 이때, 제어부(1150)가 고정자(1120)과 회전자(1140)에 각각 제1 전력과 제2 전력을 무선 유도 결합 방식으로 공급할 때, 무선 유도 결합 방식으로 전달되는 제어 명령과는 서로 다른 주파수를 이용하여 간섭을 회피할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립적으로 능동 제어가능한 권선형 회전자와 고정자를 포함한 전자기 기계의 내부 구조를 도시한 개략적 예시 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립적으로 능동 제어가능한 권선형 회전자와 고정자를 포함한 전자기 기계(1200)는 케이스(1210)의 내측에 고정되는 고정자(1220)와, 케이스(1210)를 관통하는 회전축(1230), 회전축(1230)을 둘러싸는 회전자(1240), 고정자(1220) 및 회전자(1240)의 일단에 놓인 제어부(1250)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계(1200)는 제어부(1250)에서 고정자(1220)와 회전자(1240)를 고정자 슬립링(1221)과 회전자 슬립링(1241)을 통해 구현하는 예시이다. 여기서는 제어부(1250)는 케이스(1210) 내부에 배치하는 것으로 예시적으로 도시하였으나, 이에 제한되지 않고 제어부(1250)를 케이스(1210) 외부에 배치할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계를 구동하거나 제어하는 개략적 예시도이다.
도 4을 참조하면, 고정자(1320)를 구동하기 위해서는 제어부(1350)의 제어명령(1352)이 제어회로(1351)를 거쳐 고정자 스위칭부(1325)로 전달될 때, 전력공급장치/그리드(1370)로부터 고정자 스위칭부(1325)를 거쳐 고정자(1320)의 다상 권선들(미도시)에 제 1 전력을 공급하여 제 1 회전 자기장(미도시)을 생성한다. 한편 고정자(1320)를 제어하기 위해서는 제어부(1350)의 제어명령(1352)이 제어회로(1351)를 거쳐 고정자 스위칭부(1325)로 전달될 때, 고정자(1320)로부터 발생되는 전력(미도시)이 고정자 스위칭부(1325)를 거쳐 전력공급장치/그리드(1370)에 공급된다.
또한, 회전자(1340)를 구동하기 위해서는 제어부(1350)의 제어명령(1352)이 제어회로(1351)를 거쳐 회전자 스위칭부(1345)로 전달될 때, 전력공급장치/그리드(1370)로부터 회전자 스위칭부(1345)를 거쳐 회전자(1340)의 다상 권선들(미도시)에 제 2 전력을 공급하여 제 2 회전 자기장(미도시)을 생성한다. 한편 회전자(1340)를 제어하기 위해서는 제어부(1350)의 제어명령(1352)이 제어회로(1351)를 거쳐 회전자 스위칭부(1345)로 전달될 때, 회전자(1340)로부터 발생되는 전력(미도시)이 회전자 스위칭부(1345)를 거쳐 전력공급장치/그리드(1370)에 공급된다.
한편, 상기 제 2 회전 자기장은 고정자(1320)에 포함된 센서(1380)를 통해 상기 제 1 회전 자기장의 크기, 주파수 등을 측정하여 측정값(1353)을 제어회로(1351)에 전달하고 상기 제 2 회전 자기장의 크기, 주파수 등과 비교함으로써 전자기 기계의 토크 및 효율을 최적화하기 위해 고정자(1320)와 회전자(1340)를 능동적으로 제어한다. 또한, 상기 제 1 회전 자기장도 회전자(1340)에 포함된 센서(1380)를 통해 상기 제 2 회전 자기장의 크기, 주파수 등을 측정하여 측정값(1354)을 제어회로(1351)에 전달하고 상기 제 1 회전 자기장의 크기, 주파수 등과 비교함으로써 전자기 기계의 토크 및 효율을 최적화하기 위해 고정자(1320)와 회전자(1340)를 능동적으로 제어한다. 한편 센서(1380)는 고정자(1320)과 회전자(1340)의 적어도 하나 이상의 동적 운영 상태(토크, 전류, 전압, 위치, 속도 등)를 측정하여 전자기 기계의 사용을 최적화하기 위해 사용한다. 또한 센서(1380)를 통해 확보한 동적 운영 상태 측정값뿐만 아니라 전력공급장치/그리드(1370)의 상태 정보를 통해 전자기 기계를 효율적 운행 및 안전하게 운용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립적으로 능동 제어가능한 권선형 회전자와 고정자를 포함한 전자기 기계에 대한 등가 회로를 도시한 회로도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립적으로 능동 제어가능한 권선형 회전자와 고정자를 포함한 전자기 기계의 등가 회로(1400)는 고정자의 등가 회로(1420)와 회전자의 등가 회로(1440)를 포함한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계는 90˚ 위상차를 갖는 2상 권선들으로 예시적 설명을 위해 기술하였으나, 이에 한정되지 않고 다상 권선의 경우에도 당업자라면 용이하게 적용할 수 있다. 로렌츠 법칙에 따른 힘은 다음 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000001
여기서, F는 전선에 생기는 힘이고, l는 막대형 전선의 길이이고,
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000002
는 고정자 코일에 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장의 크기이고,
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000003
은 이동자 전선에 흐르는 전류값이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계 등가 회로(1400)에서는 고정자의 등가 회로(1420)에서 발생하는 회전 자기장은 Z축 방향으로 발생하고, 회전자의 등가 회로(1440)에서 공급되는 전류는 Y축 방향으로 공급되는 것으로 하여 다음식들로 표현될 수 있다. 특히, 고정자의 권선 A에 흐르는 전류에 의해 생성된 자속은 정현파로서 근사될 수 있고, 다음 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000004
고정자 권선은 전자기 기계의 여러 사이클을 가질 수 있다. 수학식 2에서 윗 첨자 A는 권선(위상) A를 의미한다. 또한 고정자의 위상 A 권선에는 자속(Magnetic Flux)이 발생한다. 그리고 위상 B 권선은 위상 A 권선에 대해 전기적으로 90˚ 위상 차이가 나고, 위상 B 권선에 흐르는 전류에 의해 생성된 자속은 다음 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000005
따라서, 고정자 권선에 흐르는 시차를 두고 변화하는 전류에 의해 위상 A 권선과 위상 B 권선이 중첩되어 아래와 같이 이동 자기장이 형성된다. 이는 다음 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000006
또는
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000007
고정자 권선에 흐르는 전류에 의해 생성된 회전 자기장과 유사하게 회전자 권선에 흐르는 전류는 정현파로서 근사될 수 있다. 회전자의 위상 A 권선에 흐르는 전류는 다음 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000008
그리고 위상 B 권선은 위상 A 권선에 대해 90˚ 위상 차이가 나고, 회전자의 위상 B 권선에 흐르는 전류는 다음 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000009
따라서, 회전자 권선에 흐르는 전류는 위상 A 권선과 위상 B 권선의 중첩으로 아래와 같이 나타낼 수 있다. 이는 다음 수학식으로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000010
또는
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000011
전자기 기계의 발생하는 로렌츠 힘
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000012
는 수학식 4와 수학식 7로 부터 다음 수학식으로 표현될 수 있다. 여기서는 로렌츠 힘은 고정자로부터 생성된 자기장과 회전자로부터 생성된 전류의 상호작용으로 분석하였으나, 이는 예시적일뿐 그 반대의 경우로도 해석이 가능하다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000013
여기서 φ는 회전자와 고정자 사이의 위상차이다. 또한
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000014
이
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000015
에 비해 속도
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000016
(고정자 권선에 대해)로 움직이고 있다고 가정한다면, 다음 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000017
전자기 기계의 등가 회로(1400)에서 해석되는 토크는 고정자의 등가 회로(1420)와 회전자의 등가 회로(1440)로부터 해석될 수 있는 자기장에 비례하며, 다음식으로 표현될 수 있다. 여기서는 토크는 고정자와 회전자에서 발생하는 자기장으로 해석하였으나, 이는 예시적일뿐 고정자와 회전자에서 발생하는 전류로 해석할 수도 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000018
이때, Biot-Savart 법칙에 따라 회전자의 등가 회로(1440)에서 해석되는 자기장은 회전자 권선에 흐르는 전류에 비례한다. 따라서, 수학식 9로부터 토크는 독립적으로 능동 제어가능한 고정자와 회전자에 흐르는 전류에 각각 비례한다. 한편 일반적 모터의 경우 회전자에 흐르는 전류는 고정자로부터 유도나 파생되어서 이를 제어하기 위해서는 고정자를 제어해야한다. 따라서, 본 발명에 따른 전자기 기계는 고정자와 회전자의 독립적 전류의 조합으로 구동할 수 있어서, 전자기 기계 운용 시에 가능한 토크 범위가 넓으며, 반응시간도 줄일 수 있고, 효율도 최적화할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계 운용 시 안전성을 확보하기 쉽다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계를 포함한 개략적인 신 개념의 풍력발전 이중여자 전자기 기계(Dual Active Electromagnetic Machine)에 대한 예시도이다. 도 6에서는 풍력발전에 대한 예시만을 설명하나, 적용예는 이에 한정되지 않고 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계를 포함할 수 있는 조류발전이나 파력발전 등과 같은 신재생에너지 시스템에 적용할 수 있다.
도 6를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계를 포함한 풍력발전용 이중여자 전자기 기계(1505)는 기어박스 없이, 연속 가변 기어비(Continuously Variable Gear Ratio)를 전자적으로 구현할 수 있어 큰 구동 토크를 발생시킬 수 있는 발전 또는 회생제동 장치이다. 회전날개(1501)는 동력축(1502)을 통해 전자기 기계(1500)에 연결된다. 전자기 기계(1500)의 출력은 전력변환장치(1503)와 그리드(1504)를 거쳐서 부하(1506)에 전달된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계를 포함하는 이중여자 전자기 기계 시스템에서는 기어박스이 없이도 구동 토크와 속도를 효율적으로 제어함으로써, 크기를 줄이고 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 물리적 기어가 존재하지 않아 고장 시 빠른 대처가 가능하다.
도 7과 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계를 적용한 개략적인 인 휠(In-wheel) 구동 모터를 포함한 차량에 관한 예시도이다. 도 7과 도 8에서는 인 휠 구동 모터에 대한 예시만을 설명하나, 적용예는 이에 한정되지 않는다. 한편, 도 7은 본 발명의 전자기 기계를 포함한 차량의 구동에 관한 예시적 구성도이고, 도 8은 본 발명의 전자기 기계를 포함한 차량의 제동에 관한 예시적 구성도이다.
도 7을 참조하면, 에너지원, 예를 들어 배터리(1601)의 직류전원은 인버터(1604)를 거쳐 교류전원으로 변환된다. 이렇게 변환된 전력이 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계(1600)에 인가되면 구동력이 생기고, 동력축(미도시)을 통해 각 바퀴에 전달되어 차량을 구동하게 한다.
도 8을 참조하면, 주행중이던 차량이 가진 관성력은 제동 시에 상기 동력축을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계(1700)에 전달되어서 회생 제동(Regenerative braking) 상태가 된다. 이때 발전된 전력은 인버터(1704)를 거쳐 에너지원, 예를 들어 배터리(1701)이나 커패시터(1702)에 충전되거나 제동 저항(1703)에서 열로 소비된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계를 포함한 인 휠 모터에 의하면, 모터 크기를 최소화하여 각 휠에 장착하고 각 휠의 구동 토크와 속도를 독립 개별적으로, 효율적으로 제어함으로써, 차량의 안정성을 확보하고, 운전 성능을 향상시킬 수 있다. 특히, 물리적 기어가 존재하지 않고 회전자를 독립적으로 제어함으로써 반응 시간이 짧아 운전 상황에 따른 빠른 대처가 가능하다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고정자와 이동자(회전자) 사이의 힘을 나타낸다. 이동자는 x 방향으로 자유롭게 움직일 수 있다. (회전 전자기 기계에서 x는 축 회전 방향) 이동자는 y 또는 z 방향으로 움직이지 않으며, z 방향의 힘은 이동자와 고정자 사이의 당기거나 누르는 힘의 방향을 의미한다.
고정자의 다상 코일이 DC 전류로 구동되면, 에어 갭에서 교류 자기장이 생성되고, 이동자의 다상 코일이 DC 전류로 구동되면, 에어 갭에서 교류 자기장이 생성된다. x 방향으로 0.01m의 자기장 공간주기를 가지며, 다상 코일의 전류는 y 방향으로 자기장 결속이 이루어지며, 에어 갭의 자기장은 x 방향으로 주기적으로 변한다.
그림은 복원력, 안정적인 평형 위치로 복귀하기위한 x 방향의 힘, (-0.5 * period <x <0.5 * period), 그리고 반발력, 이동자를 안정적인 위치로 밀기 위한 힘으로 나타낼 수 있다. (0.5 * period <x <1.0 * period) x = 0.5 *period 의 지점은 중철점(saddle point)이다. 힘과 변위는 이동자 오프셋 각도의 주기적 기능역할을 한다. 이동자와 고정자가 서로 반대 극성으로 대면하는 위치에 복원력이 존재하며, 이 조건이 충족되면, 이동자와 고정자는 "자기장 결속(Field locking)"에 있는 것으로 정의된다. 자기장 결속은 고정자와 함께 유지될 수 있으며 이동자가 회전하는 동안 이동자는 별도의 회전 자기장을 생성한다.
자기장결속(Field locking)은 이동 자기장의 생성이 가능한 다상권선을 가진 고정자와 별도로 독립적으로 이동자기장의 생성이 가능한 다상권선을 가진 이동자 사이에 일정한 간격을 가지는 공극(air gap) 이 있으며, 이동자는 전류의 흐름과 법선방향으로 일정한 간격을 유지하며 움직일수 있는 전자기 기계에서 형성할 수 있다. 상기 이동 자기장은 공극에 집속 생성되며, 자기장의 벡터 방향, 전류 흐름의 방향, 이동체의 이동 방향은 서로 수직 관계를 가진다.
고정자와 이동자 각 다상권선에 흐르는 전류에 의하여 생성된 자기장은 서로 자기장극성이 반대로 마주보는 안정 상태를 유지하는 것이 자기장 결속 현상이다. 이동자가 이러한 안정상태를 벗어나 외부 힘에 의하여 이동하게 되면, 원래의 상태로 돌아가려는 복원력이 생기며, 이동거리가 작은 경우 복원력은 이동거리에 비례하며, 힘의 방향은 이동방향의 반대방향이다.
전자기 기계가 구동을 시작하기 전 먼저 자기장 결속을 형성하고, 구동시, 구공시작시 In-rush current를 적정 수준이하 되도록 유지하며 구동을 시작한다. 구동중에는 항상 자기장 결속을 유지함으로써 넓은 동적 작동영역으로 요구되는 토크(torque)에 빠르게 응답할 수 있고, Bi-directional power transfer 기능으로 안전성 확보할 수 있다.
이동자와 고정자가 서로 반대 극성으로 대면할 때 회 전자 위치는 안정적일 수 있다. 이동자와 고정자가 동일한 극으로 서로 마주보도록 변위되면, 반발력이 이동자를 안정된 영역으로 밀어낸다. 복원력은 반대 극이 직면할 때 존재하는 반면, 유사한 극이 직면할 때에는 척력이 발생한다.
모터 작동에서 샤프트의 외부 하중, 예를 들어 마찰은 f_ext (f_ext <0)로 끌고 있으며, 이동자 위치는 안정적인 평형 (x <0, fx> 0)에서 멀어질 수 있다. 모터가 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 작업을 수행하는 것을 의미한다.
발전기 작동에서, 외부 하중은 f_ext> 0을 갖는 이동자를 x 방향으로 밀고 있으며, 외부 힘은 복원력 fx <0에 의해 균형을 이룰 수있다. 이때, 발전기가 기계 작업을 전기 에너지로 변환하는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 전자기 기계의 고정자 및 이동자는 권선배열로 형성될 수 있다. 예를 들어 도 10과 같은 권선 배열로 형성될 수 있다. 이하, 고정자 및 이동자를 구성하는 권선배열에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
고정자는 제1 권선 배열을 포함하고, 이동자는 상기 제1 권선 배열과 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 이격된 방향에서 미러 이미지를 가지는 제2 권선 배열을 포함하며, 상기 제1 권선 배열은 서로 이웃하여 형성되는 적어도 하나의 제1 반주기 및 적어도 하나의 제2 반주기를 포함하고, 상기 제1 반주기는 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하되, 상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향에서 미러 이미지를 가질 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자와 이동자의 권선 배열에 따른 전류 흐름과 자속 크기를 개략적으로 도시한 예시 단면도이다. 도 10에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열(2100)은 제1 권선 배열(2110)과 제2 권선 배열(2120)을 포함한다. 이하, 권선배열은 고정자와 이동자의 권선배열을 의미한다.
제1 권선 배열(2110) 및 제2 권선 배열(2120)은 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 이격된 방향에서 미러 이미지(Mirror image)를 가진다. 즉, x 축을 대칭 축으로 제1 권선 배열(2110) 및 제2 권선 배열(2120)은 미러 이미지를 가진다. 여기서, 미러 이미지란 대칭축을 중심으로 서로 대응되는 구조를 가지는 것으로, 거울에 비추는 것과 같은 구조를 가지는 것을 의미한다.
이때, 제1 권선 배열(2110)은 서로 이웃하여 형성되는 적어도 하나의 제1 반주기 및 적어도 하나의 제2 반주기를 포함한다. 제1 반주기(2150) 및 제2 반주기(2160)를 한 주기로 형성되며, 공간적 주기(
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000019
)마다 동일한 구조를 반복하는 주기적인 형태로 형성될 수 있다. 제1 반주기(2150)는 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하되, 상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향에서 미러 이미지를 가진다. 즉, 제1 반주기(2150)는 z 축을 대칭 축으로 제2 반주기(2160)와 미러 이미지를 가진다.
도 10을 참조하면, 제1 권선 배열(2110)과 제2 권선 배열(2120)은 z 축 방향으로 소정 간격, 즉 공극(air gap, d)으로 이격되어 있다. 제1 권선 배열(2110)과 제2 권선 배열(2120) 사이의 간격은 권선 배열을 이용하여 구현하고자 자속 내지 다른 부품들에 의해 설정될 수 있고, 사용자에 의해 설정될 수 있다.
제1 반주기(2150)는 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함한다. 도 10은 제1 반주기(2150)가 복수의 층으로 형성되는 실시예를 도시하고 있으나, 이는 하나의 예시에 해당하며, 제1 반주기(2150)는 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함할 수 있다. 두 개의 권선은 전류가 흐르는 방향이 서로 반대일 수 있다. 하나의 권선은 도 10의 평면 내로 흐르는 방향(+y방향)으로 전류가 흐르고 다른 하나의 권선은 도 10의 평면 밖으로 흐르는 방향(-y 방향)으로 전류가 흐를 수 있다. 권선에 전류가 일 방향으로 흐르는 경우, 권선에는 자기장이 형성된다. 도 10의 평면 내로 전류가 흐르는 경우 권선을 감싸는 시계방향으로 자기장이 형성되고, 도 10의 평면 밖으로 전류가 흐르는 경우 권선을 감싸는 반시계방향으로 자기장이 형성된다. 여기서, 제1 반주기(2150)에 포함되는 두 개의 권선은 도 10의 제1 반주기(2150)상 제1층(1st upper layer)의에 포함된 권선일 수 있다. 우측에 위치하여 평면 밖으로 전류가 흐르는 권선에 의해 생성되는 반시계방향 자기장과 좌측에 위치하여 평면 내로 전류가 흐르는 권선에 의해 생성되는 시계방향 자기장에 의해 두 권선 사이의 자기장은 제2 권선 배열(2120) 방향으로 형성되어 자속이 강화된다.
제1 반주기(2150)와 미러 이미지를 가지는 제2 반주기(2160)는 제1 반주기와 다르게, 우쪽에 평면 내로 전류가 흐르는 권선이 형성되고, 좌측에 평면 밖으로 전류가 흐르는 권선이 형성된다. 제2 반주기(2160)의 권선은 제1 반주기(2150)의 권선과 전류가 흐르는 방향이 반대로 형성되기 때문에, 두 권선 사이의 자기장은 제2 권선 배열(2120)의 반대 방향으로 형성되어 자속이 강화된다.
제1 권선 배열(2110) 및 제2 권선 배열(2120)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 2층 이상의 복수의 층으로 형성될 수 있다. 도 10에서 예시적으로 4 개의 층으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 층수가 적거나 추가층을 더 포함할 수 있다.
제1 권선 배열(2110) 및 제2 권선 배열(2120)은 3개의 층으로 형성될 수 있다.
제1 반주기(2150)의 제1층은 서로 다른 방향으로 전류가 흐르는 적어도 11 개의 권선을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1층의 좌측 권선이 평면 내로 흐르는 전류를 표시하는 권선이고, 우측 권선이 평면 밖으로 흐르는 전류를 표시하는 권선이다. 제1 반주기(2150)의 제2층은 상기 제1층의 권선 전류 방향과 동일하나, 상기 제1 층의 권선보다 상대적으로 바깥쪽에 배치된다.
또한 제1 반주기(2150)의 제3층은 상기 제2 층의 권선 전류 방향과 반대이다. 즉, 상기 제3층의 좌측 권선이 평면 밖으로 흐르는 전류를 표시하는 권선이고, 우측 권선이 평면 내로 흐르는 전류를 표시하는 권선이다. 한편, 상기 제3층의 권선은 상기 제2 층의 권선보다 상대적으로 안쪽에 배치된다. 제1 반주기(2150)의 제4층은 상기 제3층의 권선 전류 방향과 동일하나, 상기 제3층의 권선보다 상대적으로 바깥쪽에 배치된다.
또는, 제1 권선 배열(2110) 및 제2 권선 배열(2120)은 하층 및 상층으로 형성될 수 있다. 여기서, 하층은 도 10의 제1층에 대응되고, 상층은 도 10의 제3층에 대응될 수 있다. 제1층 및 제3층만으로 구성되고, 제2층 및 제4층을 포함하지 않을 수 있다.
한편, 도 10에 도시된 제1 반주기(2150)와 제2 반주기(2160)의 전류 방향은 설명을 위해 예시적으로 표시한 것으로서, 이에 한정되지 않고 시간에 따라 변화하는 전류 방향에서 상술한 관계를 갖고 권선 내의 전류 방향은 시간에 따라 변화할 수 있다. 또한, 도 10에 도시된 상기 각 층 내의 권선의 상대적 위치나 권선의 개수는 설명을 위해 예시적으로 나타낸 것으로서, 이에 한정되지 않고 본 발명의 사상에 위배되지 않는 범위에서 권선의 위치나 권선 개수를 변경할 수 있다.
제1 권선 배열(2110)은 상술한 전류 분포를 가지는 권선 구조로 형성할 수 있다. 여기서는 제1 권선 배열(2110)과 제2 권선 배열(2120)은 적층된 권선 구조(2130)나, 수평 적층된 권선 구조(2140)와 수직 적층된 권선 구조(2145)로 예시적으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 3 차원 적층 구조를 대신하여 도 10에 도시된 전류 분포를 가지는 평면 구조로 대체할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열(2100)은 일 방향으로 자속(Magnetic flux)이 강화되고 타 방향으로 자속이 상쇄되는 구조를 갖게 된다. 즉 도 10을 참조하면, 제1 권선 배열(2110)과 제2 권선 배열(2120)은 z 축 방향에서 서로 마주보는 일 측으로 자속이 강화되고, 이외의 방향에서는 자속이 상대적으로 상쇄되거나 거의 무시할 수 있을 정도로 나타난다. 따라서, 본 발명에 따른 권선 배열(2100)은 관심 영역 외부에 누설 자장이 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열을 2 개의 위상차 권선 배열 세트로 도시한 개략적 예시 단면도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열(2200)은 서로 90도 위상차가 나는 위상 A를 위한 권선 배열 세트(2201)과 위상 B를 위한 권선 배열 세트(2202)를 포함한다. 두 권선 배열 세트는 서로 다른 위상을 가지거나 서로 동일한 위상을 가질 수도 있다. 권선 배열(2200)은 세트를 교대로 배치하도록 위상 B를 위한 권선 배열 세트(2202)를 위상 A를 위한 권선 배열 세트(2201)에 사이에 배치한다.
따라서, 위상 A를 위한 권선 배열 세트(2201)와 위상 B를 위한 권선 배열 세트(2202)에 시간에 따라 변화하는 전류를 순차적 위상차로 공급함으로써 이동 자계(미도시)를 형성할 수 있다. 이러한 이동 전자계를 이용하면 전자기 기계의 고정자와 같은 효과를 낼 수 있다. 한편, 도 11에서는 권선 배열(2200)의 위상이 2 상으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 세트를 추가하고 순차적으로 교대로 중첩함으로써 3 상 이상의 권선 배열도 가능하다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열에 따른 전류 흐름과 자속 크기를 개략적으로 도시한 예시 단면도이다.
도 12에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열(2300)에서는 제1 권선 배열(2310)과 제2 권선 배열(2320)을 포함한다. 이때, 제2 권선 배열(2320)은 도 10에 도시되고 상술한 권선 배열과 동일하나, 제1 권선 배열(2310)은 도 12에 도시되고 상술한 권선 배열의 특수한 구조인 할바흐 배열(Halbach Array)로 배치할 수 있다. 또한 이러한 권선 배열(2300)은 제1 권선 배열(2310)과 제2 권선 배열(2320) 사이에서 자속이 강화되고, 이외에서 자속이 상대적으로 무시할 정도로 작거나 상쇄될 수도 있다. 한편 도 12에서는 제1 권선 배열(2310)을 할바흐 배열로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 제2 권선 배열(2320)을 할바흐 배열로 사용하거나, 제1 권선 배열(2310) 및 제2 권선 배열(2320) 모두 할바흐 배열로 사용할 수도 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열 구조의 개략적인 예시 사시도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열(2400)에서는 제1 권선 배열(2410)과 제2 권선 배열(2420)이 x 축 방향을 따라 공간적 주기마다 동일한 구조를 반복한다. 또한 제1 권선 배열(2410)과 제2 권선 배열(2420)은 주기적 구조에서 전류가 흐르는 방향(즉 y축 방향)으로 길이가 연장되며, 분절된 토로이드(Toroid)나, 분절된 솔레노이드(Solenoid) 전류 분포를 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열(2400)을 포함한 이동 전자기 기계(미도시)는 무철심 구조나 최소한의 철심으로 구현할 수 있다. 따라서, 전자기 기계에 최소 철심을 사용함으로써 효율을 극대화시킬 수 있고, 무게와 크기를 최소화 수 있으며, 철심 사용으로 인한 코어 손실을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열에 의해 생성된 자기장은 일 방향으로 주기적으로 변한다. 이러한 모든 속성은 철심 코어를 사용하지 않고서도 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열만으로도 가능하다. 특히 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열에 의해 생성된 자기장
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000020
은 다음과 같은 정현파로서 근사 될 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000021
여기서
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000022
는 자기장의 공간적 주기이다. 이동 전자기 기계의 경우,
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000023
는 고정 코일의 공간적 주기(단위 m)이고, 이동자 코일의 공간적 주기는
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000024
으로 표현할 수 있다. 이것은 전자기 기계의 고정자의 권선 설계 요소 중의 하나이다. 고정자 권선은 전자기 기계의 여러 사이클을 포함 할 수 있다. 즉, 위첨자(A)는 권선(위상) A를 표시한다. 자속 밀도는 대부분 z 축 방향으로 강화되고 있다.
한편, 자속 밀도의 다른 방향 성분은 무시할만하다고 가정하고, 본 발명의 일 실시예의 권선 배열과 같이 상보적 권선 배열 사이의 공간에서는 특히 다른 방향 성분은 무시할만하다. 고정자의 자기장은 고정자 전류에 비례하는 다음 수학식으로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000025
또한, 권선(위상) B에 대해 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열은 다른 자속을 생성 할 수 있다. 권선(위상) B는 권선(위상) A 보다
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000026
만큼 물리적으로 이동한 것이며, 권선(위상) B의 자기장
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000027
은 다음식으로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000028
여기서 k S는 제1 권선 배열(고정자) 전파(2propagation) 벡터이고, k S=2π/λ S이다. 제2 권선 배열(이동자)의 전파 벡터는, k m=2π/λ m으로 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 권선 배열의 분석은 예시적으로 2상 권선 구조를 사용하여 수행한다. 이와 같은 2 상 권선 구조로 가정한다고 하여도 개념은 동일하며, 일반성이 손상되지 않는다. 이러한 분석은 3상 권선 구조와 같이 다상 권선 구조로 확장시킬 수 있으며, 분석 결과 및 결론은 다상 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다. 필요하다면 2 상 시스템과 3 상 시스템의 차이가 언급될 수 있다. 한편, 3 상 시스템의 경우 일반적으로 U, V 및 W 권선이라고 불리는 3 세트의 권선이 필요하다. V와 W 권선은 U 권선에 비해 공간 위상이 λ S/3, 2λ S/3 이동한다.
본 발명의 실시예에 따른 권선 배열에서는 상호 보완적인 제1 권선 배열과 제2 권선 배열에 의해 생성된 자기장은 다음과 같은 특성을 갖는다:
제1 권선 배열과 제2 권선 배열 사이의 자기장은 z축 방향 중 일 측(즉, 권선 배열 사이)으로 강화된다. 자기장이 강화되는 일 측을 제외하고 타 측(즉, 권선 배열 외부)으로는 거의 상쇄된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열의 권선(위상) A와 권선(위상) B에서 생성되는 자기장은 독립적으로 발생하고, 중첩된다. 또한 권선 A와 권선 B는 전기적으로 90도 위상차를 가지고 구동되어 이동 자계를 생성한다. 이러한 권선 A와 권선 B에 의해 중첩 변조된 자기장
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000029
은 다음식으로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000030
한편, 수학식 1과 수학식 3을 참조하면 위 수학식 4는 다음식으로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000031
여기서
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000032
는 제1 권선 배열 전류의 주기이고, 제1 권선 배열 전류의 주파수 f s와의 관계는
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000033
이다.
위와 같은 자속 밀도는, 파형 패턴이 다음 속도 v S와 함께 x 축 양의 방향으로 이동하는 이동 자계의 형태이다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000034
권선 쌍에 전류의 부호의 변화나 시간 변조에 의해 x 축 음의 방향으로 움직이는 파동 패턴의 방향을 변경할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 권선 배열을 포함한 고정자 권선을 통해 전류를 공급함으로써 생성한 자기장에 수직으로 전류가 흐를 수 있는 권선에 따라 이동자를 제공함으로써 전자기 기계를 제작할 수 있다.
상기와 같은 권선 배열을 이용하여 이동 전자기 기계를 구성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 전자기 기계는 고정자 및 이동자를 포함하되, 상기 고정자는 제1 권선 배열을 포함하고, 상기 제1 권선 배열은, 서로 이웃하여 형성되는 적어도 하나의 제1 반주기 및 적어도 하나의 제2 반주기를 포함하고, 상기 제1 반주기는 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하되, 상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향에서 미러 이미지를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 전자기 기계에 포함된 권선 배열에 대한 상세한 설명은 앞서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
또는, 상기 고정자는, 상기 제1 권선 배열과 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 이격된 방향에서 미러 이미지를 가지는 제2 권선 배열을 더 포함할 수 있고, 상기 이동자는 상기 제1 권선 배열 및 상기 제2 권선 배열 사이에 형성될 수 있다.
또는, 상기 이동자는, 상기 제1 권선 배열과 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 이격된 방향에서 미러 이미지를 가지는 제2 권선 배열을 포함할 수 있다. 즉, 상기 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열의 제1 권선 배열 및 제2 권선 배열은 각각 고정자 또는 이동자일 수 있다.
또한, 상기 이동자는 회전자일 수 있다.
전류가 y 축 양의 방향으로 흐를 수 있는 전선을 가정하고, 이동자가 x 축 방향으로 이동하는 것이 허용된다고 가정하자. 전선을 통해 흐르는 전류의 양이 i라고 하면, 로렌츠 힘
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000035
은 전선의 길이 l(l은 자속이 일정한 영역의 길이임)에 대해 다음식으로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000036
여기서,
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000037
는 위치 x 에서 y 방향으로 흐르는 전류이다. x의 함수로서 전류가 흐르는 전선 배열을 형성할 수 있다. 특히, 이동자 상에 분포된 전류는 고정자와 동일한 (공간적) 주기를 갖는다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000038
여기서, x m은 제2 권선배열(이동자)의 x 방향 좌표이고, 제1 권선배열(고정자)의 x 방향 좌표는 x S로 나타낼 수 있다.
따라서 이동자 상의 전류가 발생하여 이러한 전류가 이동자(또는 회전자일 수 있음)에 상대적으로 움직이게 할 수 있는 것을 의미한다. 원칙적으로, 전류의 정현파 분포는 매우 작은 전선 루프를 함께 적층함으로써 실현될 수 있으며, 단위 길이 당 전선의 수는 다음식으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000039
만약 전선을 통해 작은 전류 i가 흐를 경우, 다음식으로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000040
정현파 전류 밀도 분포를 실현하는 것은 쉽지 않을 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000041
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000042
의 경우,
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000043
이며,
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000044
의 경우,
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000045
이다.
여기서,
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000046
은 주기
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000047
를 갖는 주기함수이다. 예를 들어,
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000048
는 이동자의 임의의 초기 위상 값이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열 구조에 의해 생성한 자기장과 전류의 상호 작용을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열에 의해 생성한 자기장과 전류의 상호 작용에 의해 전류가 흐르는 전선에서 발생하는 로렌츠 힘은 x 축 방향으로 다음식으로 나타낼 수 있다. 한편, 고정자에 발생하는 힘은 x축 방향에 따라 반주기 마다 같은 크기지만 반대 방향으로 발생한다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000049
x m이 x S에 대한 속도 v m로 움직이고 있다고 가정한다. 그 관계는 다음과 같다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000050
주기당 힘은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000051
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000052
수학식 14는 다음식과 같이 정리될 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000053
수학식 25의 첫 항은 공간과 시간 모두에서 급속히 변한다. 시간과 무관하게 많은 공간 주기에 걸쳐 힘이 누적되면 평균값은 사라진다. 공간적 주기
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000054
당 힘(M이 충분히 크고, M 사이클에 걸쳐 통합)은 다음식으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000055
임의의 주기적 전류 분포에 대한 주기 평균 힘은 계산될 수 있다. 이는 동일한 푸리에 급수 전개의 고조파 성분이 현재 평균값 0으로 생성됨으로써 동일한 결과가 나타난다.
이동자에 구동하는 전류의 주기의 관계는 다음식과 같다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000056
즉, 이동자에 발생한 이동 자계는 합성된 자계가 고정자에 의해 생성된 이동 자계와 동기가 되는 것을 의미한다. 이동자와 고정자의 공간주기가 동일한 값을 가지므로, 이동자와 고정자의 자극(magnetic poles)은 반대쪽으로 끌어당겨짐으로 인해 자속 경로는 서로 동기화, 결속(Field lock)된다.
이동자와 고정자가 서로 자속 결속되면, 이동자(회전자)의 위치는 평형 위치에 있게 되고, 이동자와 고정자 사이의 평균 자기력은 평형 상태에서 0이된다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000057
는 전계 위상의 차리를 나타내며, 이동자와 고정자 사이의 평형으로부터의 위치 오프셋에 비례한다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000058
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000059
인 경우, 외력 또는 토크는 변하지 않고, 자속 결속은 이동자를 평형위치에 위치시킨다. 이동자가 평형에서 이동하면 자기력이 발생하여 이동자는 평형의 위치로 이동하게 된다. 반대로, 이동자에 외력 또는 토크가 가해지면, 반대쪽 자극의 당기는 동작으로 인한 자기력이 외력에 대응하게 된다. 이떼, 이동자의 위치는 외력에 따라 변하게 된다. 반작용의 크기는 고정자 전류와 이동자 전류의 곱에 비례하며, 총 자기력 또는 토크는 공간 주기의 수에 비례한다.
여기서
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000060
가 양이고 일정하다면, 고정자와 이동자(또는 회전자)의 상호 작용으로부터 이동자에 정상 상태 힘이 발생하고, 힘은 마찰에 대항하여 이동자를 밀고 있다. 이 경우, 고정자와 이동자의 전원 공급 기계는 마찰에 대해 느린 가속이나 정상 상태를 위해 이동자를 움직이기 위해 동력을 공급한다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000061
인 경우 최대 힘이 발생한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동 전자기 기계가 모터로 사용될 때, 전류가 공급되는 동안 다음식과 같은 조건이 유지된다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000062
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000063
인 조건은 이동자(회전자)가 외력에 의해 밀고 있을 때의 정상 상태 조건이다. 음의 힘은 외력에 의해 일이 수행됨을 의미한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 전자기 기계가 발전기로 작동 중일 때이다. 전류는 이동자 권선을 통해 흐르기 때문에 전력이 생성된다.
정상 상태 힘의 경우에서는 이동자가 속도 v m으로 이동하고, 전류가 고정자에 의해 생성된 자기장과 동일한 속도(v S)로 움직인다. 이동자와 고정자의 주파수가 동일하고 외력이 없는 경우, 이동자는 고정된 위치를 유지한다. 하지만, 이동자와 고정자가 다른 주파수로 구동되어 자기장이 같은 방향으로 움직이면, 이동자(회전자) 축은 v S- v m으로 움직인다. 자기 회전(2Field Rotation)이 반대 방향인 경우, 이동자(회전자) 축 회전 속도는 고정자 자기 회전 속도와 이동자(회전자) 자기 회전 속도의 합이 된다. 이를 통해, 빠른 회전이 가능하도록 할 수 있다.
고정자에서의 자기장은 속도 v S로 이동할 때 다음식으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020001840-appb-img-000064
정상 상태 힘은 이동자에서 생성될 때, 이동자(회전자)는 매우 느린 가속도로 움직이거나 그 힘이 외력과 균형을 이룰 경우이고, 이때 등속도로 움직인다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열을 적층형 권선을 가지고 수평 방향으로 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열(2600)은 적층형 권선을 가지고 x 축 방향으로 주기적 구조로 구현한다. 이때, 권선 배열(2600)은 z 축 방향으로 소정 간격 이격된 제1 권선 배열(2610)과 제2 권선 배열(2620)로 구현한다. 또한, 제1 권선 배열(2610)과 제2 권선 배열(2620) 사이인 일 측 방향으로 자속 밀도가 강화되고, 제1 권선 배열(2610)과 제2 권선 배열(2620) 내부의 서로 마주보는 방향 이외는 자속 밀도가 상쇄되고, 외부에서는 누설 자계를 최소화할 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열을 적층형 권선을 가지고 입체적 구조로 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열(2700)은 적층형 권선을 가지고 원형으로 구현한다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열(2700)은 방사(radial) 방향으로 소정 간격 이격되고, 제1 권선 배열(2710)과 제2 권선 배열(2720)은 접선 방향을 따라 공간적 주기마다 동일 구조를 반복한다. 또한, 제1 권선 배열(2710)과 제2 권선 배열(2720)은 서로 상보적으로 구현된다. 즉, 제1 권선 배열(2710)은 접선 방향을 기준으로 제2 권선 배열(2720)과 전류 분포는 미러 이미지를 갖는 것으로 볼 수 있다. 또한, 원형으로 배치한 제1 권선 배열(2710)과 제2 권선 배열(2720)은 방사 방향으로 이들 사이의 일 측으로 자속 밀도가 강화되고, 이들 외부의 타 측으로 자속 밀도가 상쇄된다.
한편, 여기서는 제1 권선 배열(2710)과 제2 권선 배열(2720)은 원주상에 배치되고 크기가 짧아 거의 동일한 크기로 예시적으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 본 발명의 사상을 해치지 않는 범위에서 필요에 따라 안쪽 원주상의 권선 배열의 크기를 줄이거나 바깥쪽 원주상의 권선 배열의 크기를 증가시킬 수도 있다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열을 입체적 구조 적용한 구조에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
본 시뮬레이션 결과도는 python 프로그램을 이용하고, Biot-Savart 법칙을 기본으로 계산하였다. 도 17을 참조하면, 도 16에 도시된 권선 배열(2700)의 제1 권선 배열(2710)과 제2 권선 배열(2720)에 대한 에어갭 중간 부근에서 얻는 결과를 나타낸다. 따라서, 제1 권선 배열(2710)과 제2 권선 배열(2720) 사이에 있는 에어갭 중심에서 방사(radial) 방향으로 자속이 강화되고, 축(axial) 방향이나 접선(tangential) 방향으로는 자속이 상대적으로 거의 없다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열을 입체적 구조 적용한 구조에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
도 18을 참조하면, 도 16에 도시된 권선 배열(2700)의 제1 권선 배열(2710)과 제2 권선 배열(2720)로부터 에어갭 절반의 크기의 관심 영역 바깥 부근에서 얻는 결과를 나타낸다. 따라서, 모든 방향에서 누설 자속이 거의 없는 것으로 확인된다. 한편, 관심 영역이라 함은 제1 권선 배열(2710)과 제2 권선 배열(2720)을 포함한 그 내부를 의미한다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열을 평면 권선 구조를 가지고 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열(2800)은 평면 권선 구조를 x 축과 z 축 방향으로 주기적으로 구현한다. 이때, 권선 배열(2800)은 z 축의 + 방향으로 자기장은 강화되고, - 방향으로 자기장은 상대적으로 약해진다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열을 평면 권선 구조를 가지고 입체적 구조로 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열(2900)은 평면 권선 구조를 가지고 원형으로 구현한다. 이때 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열(2900)은 방사 방향으로 소정 간격 이격되고, 서로 상보적인 제1 권선 배열(2910)과 제2 권선 배열(2920)로 구현된다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 권선 배열을 평면 권선 구조를 가지고 입체적으로 적용한 구조에 대한 시뮬레이션 결과도이다. 도 19를 참조하면, 관심 영역 중 에어갭 중심 부근에서의 방사 방향으로 강한 자기장을 나타내고, 축 방향이나 접선 방향으로는 자기장은 무시할 수 있을 정도로 상쇄된다. 도시되지는 않았지만, 도 16과의 결과와 같이 관심 영역 밖에서는 누설 자기장이 거의 없는 것을 확인하였다.
본 발명의 실시예에 따른 권선 배열을 이용한 이동 전자기 기계는 관심 영역 내의 일 측 자장을 강화시키고 관심 영역 밖의 누설 자장을 거의 없게 한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 전자기 기계는 철심을 사용하지 않거나 최소로 사용함으로써 그 크기와 무게를 최소화하고, 코어 손실을 줄이고, 성능 한계 등을 극복할 수 있다.

Claims (17)

  1. 다상 권선을 포함하는 고정자;
    다상 권선을 포함하고, 상기 고정자와 소정 간격으로 이격되는 이동자; 및
    상기 고정자의 제1 자기장 및 상기 이동자의 제2 자기장을 독립적으로 제어하는 제어부를 포함하는 전자기 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고정자의 다상 권선에 인가되는 제1 전류 및 상기 이동자의 다상 권선에 인가되는 제2 전류를 제어함으로써 상기 제1 자기장 및 상기 제2 자기장을 제어하는 것을 특징으로 하는 전자기 기계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전류 및 상기 제2 전류의 위상 및 진폭을 개별 제어하는 것을 특징으로 하는 전자기 기계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    직접 와이어링 방식, 슬립링(1slip-ring) 방식, 및 무선 유도 결합 방식 중 적어도 하나의 방식으로 상기 고정자의 다상 권선에 상기 제1 전류를 인가하거나 상기 이동자의 다상 권선에 상기 제2 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 전자기 기계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전자기 기계를 구동 초기, 상기 고정자의 제1 자기장 및 상기 이동자의 제2 자기장이 서로 결속되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전자기 기계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 자기장 및 상기 제2 자기장의 이동 방향을 동일 방향 또는 반대 방향으로 제어하는 것을 특징으로 하는 전자기 기계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이동자는,
    회전축에 연결되어 상기 회전축을 중심으로 회전하는 회전자인 것을 특징으로 하는 전자기 기계.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고정자의 제1 자기장 및 상기 이동자의 제2 자기장이 서로 결속을 유지하며 상기 제1 자기장 및 상기 제2 자기장을 개별 제어함으로써, 상기 회전축의 토크 및 속도를 생성하는 것을 특징으로 하는 전자기 기계.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전자기 기계는 선형 전자기 기계 또는 회전 전자기 기계인 것을 특징으로 하는 전자기 기계.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고정자는 제1 권선 배열을 포함하고,
    상기 이동자는 상기 제1 권선 배열과 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 이격된 방향에서 미러 이미지를 가지는 제2 권선 배열을 포함하며,
    상기 제1 권선 배열은 서로 이웃하여 형성되는 적어도 하나의 제1 반주기 및 적어도 하나의 제2 반주기를 포함하고,
    상기 제1 반주기는 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하되,
    상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향에서 미러 이미지를 가지는 것을 특징으로 하는 전자기 기계.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 반주기를 형성하는 두 개의 권선 사이에서 형성되는 자기장의 방향과 상기 제2 반주기를 형성하는 두 개의 권선 사이에서 형성되는 자기장의 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 전자기 기계.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 반주기는,
    전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하고, 상기 제2 권선 배열과 인접하는 제1층;
    상기 제1층의 권선구조와 동일한 전류 방향을 가지나 상기 제1층 권선구조보다 바깥쪽에 위치한 제2층 권선 구조를 포함하고, 상기 제1층 상부에 위치하는 제2층; 및
    상기 제2층 권선구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지나 상기 제2층 권선구조보다 안쪽에 위치한 제3층 권선 구조를 포함하고, 상기 제2층 상부에 위치하는 제3층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 기계.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3층의 권선구조와 동일한 전류 방향을 가지나 상기 제3층 권선구조보다 바깥쪽에 위치한 제4층 권선 구조를 포함하고, 상기 제3층 상부에 위치하는 제4층을 더 포함하는 전자기 기계.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1 반주기는,
    전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하고, 상기 제2 권선 배열과 인접하는 하층;
    상기 하층 권선구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지는 상층 권선 구조를 포함하고, 상기 하층 상부에 위치하는 상층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 전자기 기계.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 권선 배열은 복수의 제1 반주기 및 복수의 제2 반주기를 포함하되,
    상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향으로 주기적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자기 기계.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제1 권선 배열 또는 상기 제2 권선 배열은,
    상기 전류가 흐르는 방향에 따라 길이가 연장되고, 분절된 토로이드(1Toroid)나 분절된 솔레노이드(1Solenoid) 전류 분포를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 전자기 기계.
  17. 제 1 항의 전자기 기계를 포함하는 자기장 동기 결합(1Field Lock) 이중여자 전자기 기계 시스템.
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