KR102509787B1 - 전기 모터 작동 방법 및 장치 - Google Patents

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에이알엠 리미티드
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Abstract

각각의 고정자 치들에 코일이 장착되는 복수의 고정자 치를 구비하는 고정자의 코일들에 선택적으로 에너지를 공급하는 것을 포함하는 전기 모터를 작동시키기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 상기 고정자 치의 서브 세트의 고정자 코일은 주어진 시간 동안 에너지가 공급되어 대응하는 회전자 치들을 상기 주어진 시간 동안 상기 서브 세트의 고정자 치 각각과 정렬하도록 끌어당긴다. 상기 서브 세트 내의 적어도 하나의 고정자 치들의 고정자 코일은 상기 적어도 하나의 고정자 치가 상기 대응하는 회전자 치들에 중첩하기 전에 상기 주어진 시간의 일부 동안 에너지가 공급된다.

Description

전기 모터 작동 방법 및 장치
본 기술은 일반적으로 전기 모터에 관한 것이다. 특히, 본 기술은 전기 모터를 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
시끄러운 소음 프로파일 또는 큰 피크 공급 전류 요건과 같은 소정의 바람직하지 않은 특성을 갖는 스위칭 릴럭턴스 전기 모터 시스템이 공지되어있다.
본 개시물은 개선된 전기 모터 시스템을 위한 기술을 제공하고자 한다.
제1 기술에 따르면, 전기 모터로서,
각각의 고정자 치(teeth)에 고정자 코일이 장착되는 복수의 고정자 치들을 구비하는 고정자;
복수의 회전자 치를 구비하는 회전자로서, 상기 회전자는 상기 고정자 치들 중 하나 이상과 상기 회전자 치들 중 하나 이상이 주기적으로 중첩되도록 상기 전기 모터의 작동 중에 상기 고정자에 대해 회전하도록 배치되는 상기 회전자; 및
주어진 시간 동안 상기 고정자 치들의 서브 세트의 고정자 코일에 에너지를 공급하여 상기 회전자 치들을 상기 주어진 시간 동안 상기 서브 세트 내의 고정자 치들 각각에 정렬되도록 끌어당기는(attract) 제어 회로;
를 포함하고,
상기 제어 회로는 상기 적어도 하나의 고정자 치가 대응하는 회전자 치들과 중첩되기 전에 상기 주어진 시간의 일부 동안 상기 서브 세트 내의 적어도 하나의 고정자 치의 고정자 코일에 에너지를 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 모터가 제공된다.
제2 기술에 따르면, 전기 모터용 회로로서,
각각의 고정자 치에 고정자 코일이 장착된, 복수의 고정자 치들을 갖는 고정자의 고정자 코일에 선택적으로 에너지를 공급하는 드라이버 회로; 및
주어진 시간 동안 상기 드라이버 회로가 상기 고정자 치들의 서브 세트의 상기 고정자 코일에 에너지를 공급하여 대응하는 회전자 치들을 상기 주어진 시간 동안 상기 서브 세트 내의 상기 고정자 치들 각각에 정렬되도록 끌어당기는 제어 회로;
를 포함하고,
상기 제어 회로는 상기 적어도 하나의 고정자 치가 상기 대응하는 회전자 치들과 중첩하기 전에 상기 드라이버 회로로 하여금 상기 주어진 시간의 일부분 동안 상기 서브 세트 내의 적어도 하나의 고정자 치들의 고정자 코일에 에너지를 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회로가 제공된다.
제3 기술에 따르면, 전기 모터를 작동시키는 방법으로서,
각각의 고정자 치에 코일이 장착된 복수의 고정자 치를 갖는 고정자의 상기 코일들에 선택적으로 에너지를 공급하는 단계; 및
주어진 시간 동안 상기 고정자 치들의 서브 세트의 상기 고정자의 코일들에 에너지를 공급하여 상기 주어진 시간 동안 대응하는 회전자 치들이 상기 서브 세트 내의 상기 고정자 치의 각각에 정렬되도록 끌어당기는 단계;
를 포함하고
상기 서브 세트 내의 적어도 하나의 고정자 치의 상기 고정자 코일은 상기 적어도 하나의 고정자 치들이 상기 대응하는 회전자 치들과 중첩하기 전에 상기 주어진 시간의 일부 동안 에너지가 공급되는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.
본 기술은 첨부된 도면에 도시된 실시 예를 참조하여 예시로서만 기술된다.
도 1은 실시 예에 따른 스위칭 릴럭턴스 전기 모터 시스템을 도시한다.
도 2는 실시 예에 따른 드라이버 회로의 예시적인 부분을 개략적으로 도시한다.
도 3은 실시 예에 따른 드라이버 회로 부분의 예시적인 동작을 도시한다.
도 4는 실시 예에 따른 2개의 드라이버 회로 부분이 쌍으로 배열된 예시적인 배열을 도시한다.
도 5는 실시 예에 따른 회전자 및 고정자의 방사상의 뷰를 도시한다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 예시적인 전기 모터 시스템의 작동 중에 고정자 치들 및 인접한 회전자 치들의 그룹의 근접 확대한 방사상의 뷰를 도시한다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 치 아크(teeth arc)의 상이한 스테이지에서의 고정자 코일 에너지 공급을 위한 회전자 치들상에서의 합력을 예시한다.
도 1은 실시 예에 따른 스위칭 릴럭턴스 전기 모터 시스템(100)을 도시한다. 전기 모터는 회전자(102) 및 고정자(104)를 포함한다. 회전자(102)는 고정자(104)에 대해 회전하도록 배치된다. 회전자(102)는 복수의 회전자 치(106)를 포함한다. 회전자 치(106)는 회전자(102)로부터 방사 상으로 외부를 향해 연장하는 돌출부를 포함한다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 각 회전자 치(106)는 회전자(102)의 길이를 따라서 연장한다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 회전자(102)는 16개의 회전자 치(106)를 갖는다. 다른 실시 예에서, 고정자는 16개의 회전자 치보다 더 많거나 적은 치를 갖는다.
고정자(104)는 복수의 고정자 치(108)를 포함한다. 고정자 치(108)는 고정자(104)로부터 방사상으로 내측을 향해 연장되는 돌출부를 포함한다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 각각의 고정자 치는 고정자(104)의 길이를 따라 연장된다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 고정자(104)는 24개의 고정자 치(108)를 갖는다. 다른 실시 예에서, 고정자는 24개의 고정자 치보다 많거나 또는 더 적은 치를 가질 수 있다. 각 고정자 치는 그에 고정자 코일(110)이 장착되도록 구성된다. 예를 들어, 각 고정자 코일(110)은 각각의 고정자 치(108) 주위로 감겨질 수 있다. 각 고정자 코일은 일반적으로 예를 들어 200과 같은 높은 수의 권선을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 실시 예에서, 명료성을 위해 장착된 고정자 코일(110)을 갖는 단일 고정자 치만이 도시된다. 그러나, 실제에 있어서, 고정자 치들의 다수 또는 전부는 그러한 고정자 코일을 장착할 수 있다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 회전자 치(106)에 장착된 코일은 도시되어 있지 않다. 대안적인 실시 예(도시되지 않음)에서, 회전자 코일은 유사한 방식으로 회전자 치(106)의 각각에 장착될 수 있다.
전기 모터 시스템(100)은 각각의 고정자 코일(110)에 에너지를 공급하는 드라이버 회로(112), 및 드라이버 회로(112)를 제어하여 고정자 코일(110)에 공급되는 전력을 제어하는 제어 회로(114)를 더 포함한다. 일부 실시 예에서, 제어 회로(114)는 드라이버 회로(112)를 포함하는 것으로 간주될 수 있다.
도 2는 실시 예에 따라 주어진 고정자 코일(110)에 전력을 공급하기 위한 드라이버 회로(112)의 예시적인 부분(200)을 개략적으로 도시한다. 주어진 고정자 코일은 도 2에서 인덕턴스(202)로서 개략적으로 도시되어있다. 드라이버 회로(200)는 전압 부스트(voltage boost) 부분 및 전압 벅(voltage buck) 부분을 포함하는 하이브리드 스위칭 인덕턴스 전압 컨버터로 볼 수 있다. 드라이버 회로(200)의 전압 부스트 부분은 부스트 다이오드(204) 및 부스트 스위치(206)를 포함한다. 드라이버 회로(200)의 전압 벅 부분은 벅 스위치(208) 및 벅 다이오드(210)를 포함한다. 드라이버 회로(200)의 전압 부스트 부분 및 전압 벅 부분은 모두 저장 커패시터(212)를 이용한다.
부스트 스위치(206) 및 벅 스위치(208)는 각각 부스트 제어 신호(216) 및 벅 제어 신호(218)를 통해 제어 회로(114)에 의해 전기적으로 제어 가능하다. 실시 예에서, 부스트 스위치(206) 및 벅 스위치(208)는 각각 트랜지스터 기반 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 동작시에, 부스트 제어 신호(216) 및 벅 제어 신호(218)는 상호 배타적으로 어서트되어 고정자 코일(202)이 바이폴라 방식으로 전력이 공급되도록 하고, 여기서 전류는 먼저 고정자 코일을 통해 한 방향으로 흐르게 되고(즉 부스트 동작 동안), 그런 다음 고정자 코일을 통해 반대 방향으로(즉, 벅 동작 동안) 흐르게 한다.
부스트 동작 동안, 드라이버 회로(200)의 전압 부스트 부분이 사용된다. 부스트 제어 신호(216)가 어서팅될 때, 부스트 스위치(206)는 통전되고(즉, 폐쇄되고), 인덕턴스(202)로 표시되는 공급 전압은 고정자 코일을 가로질러 인가된다. 이는 전류가 고정자 코일을 통해 전원 장치로부터 흘러서, 고정자 코일에서 자기장을 발생시키도록 한다. 부스트 제어 신호(216)가 스위치 오프(즉 어서트되지 않음)되면, 부스트 스위치(206)는 통전을 중지한다(즉, 개방됨). 그러나, 전류는 고정자 코일의 인덕턴스(202)로 인해 일정 기간동안 고정자 코일을 통해 계속 흐를 것이다. 이 기간동안 고정자 코일을 통해 흐르는 전류는 부스트 다이오드(204)를 통해 저장 커패시터(212)로 흐른다. 따라서, 이 기간동안 고정자 코일로부터 소산된 에너지는 저장 커패시터(212)에 의해 수집된다. 이것은 저장 커패시터(212)를 고정자 코일에서 전류를 차단하는 전압 레벨로 부스트한다. 저장 커패시터(212)에 저장된 전하는 그런다음 드라이버 회로(200)의 벅 동작 동안 고정자 코일에 역방향으로 전압을 인가하기 위해 이용 가능하다.
벅 동작 동안, 드라이버 회로(200)의 전압 벅 부분이 사용된다. 벅 제어 신호(218)가 어서팅될 때, 벅 스위치(208)는 통전되고(즉, 폐쇄되고), 저장 커패시터(212)의 전압은 고정자 코일에 인가된다. 이는 저장 커패시터(212)로부터 반대 방향으로 고정자 코일을 통해 전류가 흐르게 하여, 반대 극성의 고정자 코일에 자기장을 생성한다. 벅 제어 신호(218)가 스위치 오프되면(즉 어서트되지 않으면), 벅 스위치(208)는 통전을 중지한다(즉, 개방). 다시, 전류는 고정자 코일의 인덕턴스(202)로 인해 일정 기간동안 고정자 코일을 통해 계속 흐를 것이다. 이 기간동안 고정자 코일을 통해 흐르는 전류는 벅 다이오드(210)를 통해 전원장치로 흐른다.
도 3은 각각의 고정자 코일(110)을 통해 생성된 결과적인 전류 및 드라이버 회로부(200)의 예시적인 동작을 도시한다. 그래프(300)는 시간에 따른 전압의 부스트 제어 신호(216)(VBOOST라 표기)를 나타낸다. 그래프(301)는 시간에 따른 전압의 벅 제어 신호(218)(VBUCK로 표기)를 나타낸다. 그래프(304)는 동일한 시간 동안에 걸쳐 대응하는 고정자 코일(110)에서 생성된 결과적인 전류(ICOIL로 표시)를 도시한다. 상술한 바와 같이, 부스트 제어 신호(216) 및 벅 제어 신호(218)는 제어 회로(114)에 의해 상호 배타적으로 어서트된다. 실시 예에서, 제어 회로(114)는 고정자 코일의 전류가 0으로 리턴했을 때(또는 0에 가까울 때)에만 부스트 제어 신호(216) 및 벅 제어 신호(218)를 어서트하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 드라이버 회로부(200)의 전압은 전류가 낮은 경우에만 스위칭되고, 전압이 낮을 때만 고정자 코일의 전류가 스위칭된다. 이는 부스트 스위치(206) 및 벅 스위치(208)의 전력 소실 요건이 작아지도록 보장하는 효과를 가지고, 이는 상대적으로 저비용의 스위칭 소자(예를 들어, MOSFET)가 (예를 들어 더 고비용의 고 전력 IGBT 대신에) 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
이 시간동안 드라이버 회로의 동작은 도 3에 도시된 바와 같이 4개의 위상으로 개념적으로 분할될 수 있다. 위상 1 동안, 부스트 제어 신호(216)가 어서트되어 전류가 고정자 코일을 통해 제1 방향으로 흐르도록 한다(그래프(304)상의 양의 전류로서 도시됨). 위상 2 동안, 부스트 제어 신호(216)는 제거된다. 그러나, 고정자 코일의 인덕턴스로 인해, 전류는 저장 커패시터(212)를 충전하면서 일정 시간동안 코일을 통해 제1 방향으로 계속해서 흐른다. 위상 3 동안, 벅 제어 신호(218)가 어서트되어 전류가 저장 커패시터(212)를 방전하면서 고정자 코일을 통해 제2(반대) 방향으로 흐르게 한다(그래프(304) 상에서 음의 전류로 도시됨). 위상 4 동안, 벅 제어 신호(218)는 제거된다. 그러나, 고정자 코일의 인덕턴스로 인해, 전류는 제2 방향으로 일정 시간동안 코일을 통해 전원 장치로 계속 흐른다.
도 1에서 설명된 바와 같이, 전기 모터 시스템(100)의 고정자(104)는 각각의 고정자 치(108)에 고정자 코일(110)이 장착된 복수의 고정자 치(108)를 포함한다. 실시 예에서, 전기 모터 시스템(100)의 드라이버 회로(112)는 고정자 코일(110) 중 다른 하나 또는 고정자 코일(110)의 서브 세트를 구동하도록 각각 배열된 복수의 드라이버 회로부(200)를 포함한다.
도 4는 2개의 드라이버 회로부(200a, 200b)가 드라이버 고정자 코일(110a, 110b)에 대해 각각 공유 전원장치(302)와 쌍으로 배열되는 예시적인 배열을 도시한다. 이러한 쌍으로 드라이버 회로부(200a, 200b)를 배치함으로써, 제어 회로(114)는 각 드라이버 회로(200)에 공급되는 부스트 제어 신호(216) 및 벅 제어 신호(218)를 스케줄링하여 드라이버 회로부(200a, 200b) 중 하나에 의해 공유 전원장치(302)로부터 유도된 전력이 쌍에서의 다른 드라이버 회로부(200a, 200b)에 의해 전원 장치로 리턴된 전력만큼 오프셋되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(114)는 쌍에서의 하나의 드라이버 회로부(200a, 200b)에 대한 부스트 제어 신호를 어서트하는 반면, 동시에 그 쌍의 다른 드라이버 회로부(200a, 200b)에 대한 벅 제어 신호를 어서트할 수 있다. 이러한 방식으로, 동작 중에 전원장치로부터 2개의 드라이버 회로에 의해 도출되는 순 전력이 현저하게 감소된다.
예를 들어, 드라이버 회로부(200a)가 부스트 동작시, 공유 전원장치(302)로부터 고정자 코일(100a)로 전류가 흐르게 되고 궁극적으로 드라이버 회로부(200a)의 저장 커패시터를 충전시킨다. 동시에, 드라이버 회로부(200b)는 벅 동작하고; 전류는 드라이버 회로부(100b)의 저장 커패시터로부터 방전되고 고정자 코일(100b)을 통해 공유 전원장치(302)로 다시 반대 방향으로 흐르게 된다. 유사하게, 드라이버 회로부(200b)가 부스트 동작시, 공유 전원장치(302)로부터 고정자 코일(100b)로 전류가 흐르게 되고 궁극적으로 드라이버 회로부(200b)의 저장 커패시터를 충전시킨다. 동시에, 드라이버 회로부(200a)는 벅 동작하고; 전류는 드라이버 회로부(100a)의 저장 커패시터로부터 방전되고 고정자 코일(100a)을 통해 공유 전원장치(302)로 반대 방향으로 다시 흐르게 된다. 드라이버 회로부(200a, 200b)의 쌍의 이러한 밸런싱된 동작의 순 효과는 공유 전원장치(302)에 대해 공급 전류 부하가 현저하게 감소하게 한다.
도 5는 예시적인 전기 모터 시스템(100)의 회전자(102) 및 고정자(104)의 방사 상의 뷰를 도시한다. 고정자 치(108)의 수에 대한 회전자 치(106)의 비(이 예에서는 2:3)의 결과로서, 매 3번째 고정자 치가 회전자 치와 동시에 정렬될 수 있는 한편, 매 2번째 회전자 치가 고정자 치와 정렬되는 것을 볼 수 있다. 회전자(102)에서 운동을 유도하기 위해, 전기 모터의 고정자 치(108) 상에 장착된 다양한 고정자 코일(110)은 인접한 또는 근처의 회전자 치(106)를 그 고정자 치의 위치를 향해 끌어당기기 위해 순차적으로 에너지가 공급된다.
도 5에 도시된 예시적인 전기 모터 시스템(100)의 회전 대칭으로 인해, 매 3번째 고정자 치(108)는 자신의 가장 가까운 회전자 치(106)에 대해 동일한 위치에 있음을 알 수 있다. 즉, 도 3에서 "A"라고 표시된 모든 고정자 치(108)가 자신의 가장 가까운 회전자 치(106)에 대해 동일한 위치에 있다. 유사하게, "B"라고 표시된 모든 고정자 치(108)는 자신의 가장 가까운 회전자 치(106)에 대해 동일한 위치에 있고, "C"로 표시된 모든 고정자 치(108)는 자신의 가장 가까운 회전자 치(106)에 대해 동일한 위치에 있다. 따라서, 매 3번째 고정자 치(108)의 고정자 코일(110)은 회전자(102)의 회전을 조장하기 위해 전기 모터 시스템(100)의 정상 작동 중에 대략 동시에 에너지가 공급되어야 함을 알 수 있다.
상기 쌍을 이룬 배열을 제공하기 위해, 이격된 3개의 치의 배수인(즉, 도 5에서 동일한 문자로 표시된) 고정자 치(108) 상에 장착되는 고정자 코일(110)의 쌍들이 선택된다. 고정자 치(108)의 수에 대한 회전자 치(106)의 수의 비가 2:3이 아닌 전기 모터 시스템에 대해, 상이한 치 선택 배열이 요구된다. 고정자 코일(110)의 쌍들은 예를 들어 고정자 치(108)가 인접하도록 선택될 수 있다. 대안적으로, 고정자 치(108)가 대향하거나 또는 다른 배열로 되어 있는 고정자 코일(110)의 쌍이 선택될 수 있다.
또한, 각각의 상대 위치(즉, "A"로 표시된 쌍, "B"로 표시된 쌍 및 "C"로 표시된 쌍)의 고정자 치(108)에 장착된 고정자 코일의 쌍들을 포함하는 고정자 코일 (110)의 그룹들이 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 5에서, 4개의 그룹의 고정자 코일(110)이 배열되고(그룹 1 내지 4로 표시됨), 각 그룹은 각각의 상대 위치의 고정자 치(108)에 대응하는 고정자 코일의 쌍을 포함한다. 각각의 그룹 내의 고정자 코일들은 공유 회로 기판상에 제공되는 제어 회로 및/또는 드라이버 회로로 제어될 수 있고, 또는 공유된 전원장치를 사용할 수 있다. 이 배열을 사용하면 각 그룹에 의해 도출되는 전류가 효율적으로 밸런싱 될 수 있다. 이 배열은 또한 각 그룹에 대한 제어 시퀀스가 다른 그룹에 걸쳐 반복되도록 한다. 도 5에 도시된 실시 예에서, 그룹 1 내지 그룹 4는 인접 고정자 치(108)에 장착된 고정자 코일(110)을 포함한다. 대안적인 실시 예에서, 고정자 코일의 상이한 선택이 사용될 수 있다. 가능한 대안적인 선택은 고정자 코일의 쌍들이 고정자(104) 상에 서로 대향하여 위치된 고정자 치에 장착되는 상술한 배열 또는 각 그룹의 고정자 코일(110)이 고정자(104) 주위에 보다 고르게 분포되는 그룹을 선택하는 것을 포함한다.
도 6a, 6b 및 6c는 예시적인 전기 모터 시스템(100)의 작동 중에 그룹 1에서의 고정자 치(108) 및 인접한 회전자 치(106)의 근접 확대 방사 상의 뷰를 도시한다. 그룹 1의 6개의 고정자 치(108)는 하기의 설명에서 참조의 용이함을 위해 1 내지 6의 수로 표시된다. 회전자(102)의 회전을 일으키기 위해, 전기 모터의 고정자 치(108) 상에 장착된 다양한 고정자 코일(110)의 부스트 및 벅 동작의 타이밍은 하기에서 더 설명되는 바와 같이 서로에 대해 오프셋된다.
도 6a에 도시된 최초 위치에서, 회전자 치(106)는 1 및 4로 표시된 그룹 1의 고정자 치와 정렬된다. 회전자의 반시계 방향 회전을 유도하기 위해, 3 및 6으로 표시된 고정자 치(108)에 장착된 고정자 코일(110)의 쌍은 제어 회로(112) 및 대응 드라이버 회로(114)에 의해 에너지가 공급된다. 이는 도 6a에 도시된 바와 같이 각각의 고정자 코일(110)에 자기장을 설정한다. 3으로 표시된 고정자 치에서 유도된 자기장은 방사방향으로 내측으로 북쪽(N)을 배향하는 반면, 6이라고 표시된 고정자 치에서 유도된 자기장은 방사방향으로 내측으로 남쪽(S)으로 배향된다. 이는 쌍에서의 하나의 코일이 부스트 모드로 구동되는 반면 쌍에서의 다른 코일은 벅 모드로 구동되는 것에 기인한다. 3 및 6으로 표시된 고정자 치(108)에 유도된 자기장의 결과로서, 자기력은 도 6a에 화살표로 도시된 바와 같이, 이들 2개의 고정자 치의 각각에 가장 가까운 회전자 치를 끌어당긴다.
이러한 힘의 결과로서, 고정자 치는 도 6b에 도시된 바와 같이 3 및 6으로 표시된 고정자 치(108)와의 정렬을 향해 끌어 당겨진다. 회전자의 추가 회전을 가져오기 위해, 2 및 5로 표시된 고정자 치(108)에 장착된 고정자 코일(110)의 쌍은 그런 다음 에너지가 공급된다. 도 6b에 도시된 바와 같이 이는 각각의 고정자 코일(110)에서 자기장을 설정한다. 2 및 5로 표시된 고정자 치(108)에서 유도된 자기장의 결과로서, 자기력은 도 6b에 화살표로 도시된 바와 같이 가장 가까운 회전자 치(106)를 이들 2개의 고정자 치의 각각으로 끌어당긴다.
이러한 힘의 결과로서, 고정자 치는 도 6c에 도시된 바와 같이 2 및 5로 표시된 고정자 치(108)와의 정렬을 향해 끌어 당겨진다. 회전자의 추가 회전을 가져오기 위해, 1 및 4로 표시된 고정자 치(108)에 장착된 고정자 코일(110)의 쌍은 그런 다음 에너지가 공급된다. 도 6c에 도시된 바와 같이 이는 각각의 고정자 코일(110)에서 자기장을 설정한다. 1 및 4로 표시된 고정자 치(108)에서 유도된 자기장의 결과로서, 자기력은 도 6c에서 화살표로 도시된 바와 같이 가장 가까운 회전자 치(106)를 이들 2개의 고정자 치의 각각으로 끌어당긴다. 이들 힘의 결과로서, 고정자 치는 1 및 4로 표시된 고정자 치(108)와 정렬되도록 끌어당겨진다.
이는 회전자 치(106) 각각이 하나의 위치만큼 반 시계 방향으로 시프트됨에도 불구하고 회전자(102)를 도 6a에 도시된 것과 등가인 위치로 이동시킨다. 따라서, 고정자 코일(110)의 이러한 에너지 공급 패턴은 회전자(102)의 연속적인 회전을 위해 반복될 수 있다. 유사하게, 전기 모터 시스템의 고정자 코일(110)의 다른 그룹에 걸쳐 동일한 에너지 공급 패턴이 반복될 수 있다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c에서, 고정자 치(108)에서 유도된 자기장은 특정 극성(즉, 남북 방향)으로 도시되었지만, 이는 상이하게 배열될 수 있다. 예를 들어, 어떤 고정자 코일(110)이 부스트 또는 벅 동작으로 전력을 공급할지의 선택은 도 6a, 도 6b 또는 도 6c 중 어느 하나에 도시된 배열에서 반대로 할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 권선 방향은 고정자 코일들(110) 중 일부에서 반전될 수 있고, 그에 따라 동일한 자기 극성이 쌍에서 양측 코일들에 의해 생성될 수 있게 하며, 하나는 벅 동작을 사용하여 생성되고 다른 하나는 부스트 동작을 사용하여 생성된다. 일부 실시 예에서, 각각의 자기장의 극성은 반복적인 에너지공급 시퀀스에서 다양할 수 있다. 예를 들어, 각각의 시퀀스 이후에, 각 자기장의 극성은 다음 시퀀스에 대해 역전될 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 치 아크(arc)의 상이한 스테이지에서의 고정자 코일의 에너지 공급에 대해 회전자 치(106)상의 합력을 도시한다. 치 아크는 하나의 고정자 치(110)와의 정렬로부터 다음 고정자 치(110)에 대한 정렬로 지나갈 때 회전자 치(106)가 차지할 수 있는 위치의 범위를 포함한다. 전기 모터(100)의 작동 중에, 주어진 시간 동안 회전자 치(106)가 치 아크를 횡단하며, 이는 회전자(102)의 속도에 비례할 것이다. 치 아크의 한 지점에서, 고정자 코일(110)은 그 시간동안 회전자 치(106)를 끌어당겨 대응하는 고정자 치와 정렬되도록 에너지가 공급된다.
종래의 전기 모터 시스템에서, 도 7a에 도시된 바와 같이, 대응하는 고정자 치(108)가 가장 가까운 회전자 치(106)와 적어도 부분적으로 중첩될 때, 고정자 코일(110)에 에너지가 공급된다. 이러한 중첩은 회전자 치(106)와 고정자 치(108) 사이의 동축 중첩으로 간주될 수 있다. 그러나, 도 7a에서의 힘 화살표로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 시나리오에서 결과적인 인력의 대다수 성분은 전기 모터에 대해 방사형이다. 중첩 중에 고정자 코일(110)의 인덕턴스가 현저하게 높기 때문에 종래의 전기 모터가 이 영역에서 작동한다. 예를 들어, 구현에 따라 이 차이는 중첩하지 않을 때와 비교할 때 완전히 정렬된 경우 2 내지 4배 더 큰 영역에 있을 수 있다. 이러한 높은 인덕턴스는 전원 장치가 제공해야 하는 전류의 크기를 비례하여 감소시킨다. 따라서, 종래의 전기 모터에서, 중첩 중에만 각각의 고정자 코일에 에너지를 공급하는 것은 회전자 치를 끌어당길 시에 높은 전력 밀도가 달성되는 것을 보장한다.
본 명세서에 기술된 전기 모터 시스템의 속성을 이용하여, 특정 특성을 달성하기 위해 치 아크의 주기 동안 고정자 코일(110)의 에너지 공급의 타이밍을 조절하는 것이 가능하다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 치 아크의 더 이전의 주기 동안 고정자 코일(110)에 에너지를 공급함으로써, 회전자 치(106)와 고정자 치(108) 사이의 결과적인 인력의 방사 방향의 성분이 감소되는 것을 알 수 있다. 이러한 동작은 중첩의 외부에서의 동작이 고정자 코일의 인덕턴스를 현저하게 감소시켜 따라서 전원 장치에 대해 훨씬 더 큰 피크 전력 요구가 발생하고 전원 장치에서의 전력 밀도를 현저하게 감소시키기 때문에 종래의 전기 모터 시스템에서는 회피된다. 그러나, 드라이버 회로 부(200)의 밸런싱된 페어링 및 상술한 에너지 재활용 특성은 실시 가능한 고정자 코일의 에너지 공급의 타이밍을 앞당기고; 중첩되지 않는 동작을 가능하게 하기 위해 고정자 코일(110)에서 공급되는 필요한 더 높은 전류는 피크가 상쇄됨에 따라 비례하여 전원 장치로부터 더 높은 전류를 요구하지 않는다. 즉, 코일에서의 낮은 전력 밀도는 전원 장치에서 더 낮은 전력 밀도로 변환되지 않는다. 방사 방향 토크를 감소시키기 위해 이 기술을 사용하는 것은 또한 힘의 더 큰 성분이 회전자 치(106)의 의도된 운동 방향으로 제공되기 때문에, 작동 중 전기 모터 시스템(100)에 의해 생성된 가청 잡음을 또한 감소시킬 수 있다.
따라서, 일부 실시 예에 따르면, 전기 모터 시스템(100)에서 고정자 코일(110) 중 적어도 하나의 에너지 공급의 타이밍은 고정자 치(108)가 대응하는 회전자 치(106)와 중첩되기 전에 발생하도록 구성된다. 일부 실시 예에서, 이러한 방식으로 고정자 코일의 에너지 공급 타이밍을 진전시킴으로써, 고정자 코일(110)의 에너지 공급은 고정자 치(108)가 대응하는 회전자 치(106)와 중첩되기 전에 시작 및 종료할 수 있다. 즉, 이러한 실시 예에서, 고정자 코일(110)은 고정자 치(108)가 대응하는 회전자 치(106)와 적어도 부분적으로 중첩할 때 주어진 시간기간의 일부 동안 에너지가 공급되지 않는다.
일부 실시 예에서, 전기 모터 시스템의 특정 특성을 추가로 개선하기 위해 이 진전된 타이밍 동작이 후속 시간기간에서 반복될 수 있다. 예를 들어, 후속 시간기간에서, 대응하는 고정자 치(108)가 대응하는 회전자 치(106)와 중첩하기 전에 그 시간기간의 일부 동안 다른 고정자 코일(110)에 에너지가 공급될 수 있다. 일부 실시 예에서, 모든 고정자 코일(110)이 대응하는 고정자 치(108)가 대응하는 회전자 치(106)와 중첩하기 전에 그들의 각각의 치 아크에서의 지점에서 에너지가 공급된다.
도 7c로부터 알 수 있는 바와 같이, 고정자 코일(110)은 시간기간에서 아직 더 이전의 치 아크 내의 한 지점에서 에너지가 공급될 수 있다. 도 7c의 힘 화살표로부터 알 수 있는 바와 같이, 치 아크의 이 지점에서, 결과적인 힘의 방사 방향 성분은 더욱 감소된다. 이 시나리오에서는 인가된 전력의 반대 성분(reactive component)이 추가로 증가하여 전력 밀도가 더욱 감소한다. 그러나, 고정자 코일(110)에 에너지가 공급될 수 있는 치 아크 동안 실시 예들에 의해 실시가능 하게 될 수 있는 다수의 위치가 있음을 알 수 있다.
일부 배열에서, 전기 모터 시스템(100)의 상이한 고정자 코일(110)은 시간기간 동안 상이한 상대 시간에 에너지가 공급될 수 있다. 이러한 방식으로, 전기 모터 시스템(100)의 전원 장치에 의해 경험 되는 피크 부하는 시간 기간에 걸쳐 다소 확산되기 때문에 감소될 수 있다. 일부 실시 예에서, 시간기간 동안 상대적으로 일찍 발생하는 하나의 고정자 코일(110)의 에너지 공급은 시간기간 동안 상대적으로 늦게 발생하는 제2 고정자 코일(110)의 에너지 공급과 중첩되지 않는다. 즉, 그러한 실시 예에서, 2개의 고정자 코일(110)에 에너지가 공급되는 시간기간의 부분은 중첩되지 않는다. 일부 실시 예에서, 시간 기간동안 상대적으로 늦게 발생하는 고정자 코일(110)의 에너지 공급은 고정자 치(108)가 대응하는 회전자 치(106)와 중첩되는 치 아크 내의 지점에서 발생할 수 있다. 대안적인 실시 예에서, 시간기간 동안 상대적으로 늦게 발생하는 고정자 코일(110)의 에너지 공급은 고정자 치(108)가 대응하는 회전자 치(106)와 중첩되지 않는 치 아크 내의 지점에서 발생할 수 있다.
상기에서, 타이밍 동작은 단일한 고정자 코일(110)에 연관하여 기술되었지만, 실제에 있어서 회전자(102) 및 고정자(104)(상술한 바와 같이)에서의 회전 대칭성으로 인해, 이들 기술은 하나 이상의 수의 고정자 코일(110)의 서브 세트에 또한 적용될 수 있다. 이는 제어 회로(114)가 고정자 코일(110)을 그룹으로 제어하게 하여, 제어 회로(114)가 다소 간소화되도록 한다. 중첩이 고정자 치(108)와 회전자 치(106) 사이에 기술되는 일부 실시 예에서, 이는 대응하는 고정자 치(108)의 고정자 코일(110)과 회전자 치(106) 사이의 중첩을 포함할 수 있다. 대안적인 실시 예에서, 중첩은 회전자 치(106)와 고정자 치(108) 자체의 사이의 중첩에만 관련하고, 대응하는 고정자 코일(110)과의 중첩을 포함하지 않는다.
일부 실시 예에서, 제어 회로가 상술한 방법에 따라 전기 모터를 제어하게 하도록 구성된 컴퓨터 소프트웨어가 제공될 수 있다. 이러한 컴퓨터 소프트웨어는 비일시적인 저장 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품의 형태로 제공될 수 있다.

Claims (15)

  1. 전기 모터로서,
    각각의 고정자 치(teeth)에 고정자 코일이 장착된, 복수의 고정자 치를 구비하는 고정자;
    복수의 회전자 치를 구비하고, 상기 회전자 치의 하나 이상이 상기 고정자 치들 중 하나 이상과 주기적으로 중첩하도록 상기 전기 모터의 작동 중에 상기 고정자에 대해 회전하도록 배열된 회전자; 및
    주어진 시간 동안 상기 고정자 치들의 서브 세트의 상기 고정자 코일에 에너지를 공급하여 상기 회전자 치들을 상기 주어진 시간 동안 상기 서브 세트 내의 상기 고정자 치들 각각과 정렬되도록 끌어당기는 구동 회로; 및
    상기 구동 회로로부터 상기 고정자 코일에 공급되는 전력을 제어하는 제어회로를 포함하고,
    상기 제어 회로는 상기 적어도 하나의 고정자 치가 대응하는 회전자 치와 어떤 중첩도 있기 전에 상기 서브 세트 내의 적어도 하나의 고정자 치의 고정자 코일에 에너지의 공급을 개시하고 종료하도록 하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제어 회로는 제2 시간 동안 상기 고정자 치의 제2의 상이한 서브 세트의 고정자 코일들에 추가로 에너지를 공급하는 것을 개시하도록 구성되고, 상기 제어 회로는 상기 제2 서브 세트의 상기 고정자 치들이 대응하는 회전자 치들과 어떤 중첩도 있기 전에 상기 제2 시간의 일부 동안 상기 제2 서브 세트 내의 적어도 하나의 고정자 치의 고정자 코일에 에너지를 공급하는 것을 개시도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 대응하는 회전자 치가 복수로 각각의 고정자 치와 어떤 중첩도 있기 전에 상기 회전자의 회전주기 동안 상기 복수의 고정자 치의 상기 고정자 코일에 에너지를 공급하는 것을 개시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 주어진 시간 동안 상이한 지점에서 상기 서브 세트 내의 적어도 2개의 고정자 치들의 고정자 코일에 에너지를 공급하는 것을 개시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 주어진 시간의 중첩되지 않는 부분 동안 상기 적어도 2개의 고정자 치들의 고정자 코일들에 에너지를 공급하는 것을 개시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 서브 세트 내의 상기 고정자 치들이 대응하는 회전자 치들과 어떤 중첩도 있기 전에 상기 주어진 시간의 일부 동안 상기 적어도 2개의 고정자 치들의 고정자 코일에 에너지를 공급하는 것을 개시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 구동 회로는 상기 고정자 코일들에 에너지를 공급하기 위한 펄스 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 구동 회로는 부스트 발생 회로 및 벅 발생 회로를 포함하고, 상기 서브 세트 내의 상기 고정자 치들 중 적어도 하나의 고정자 코일은 상기 주어진 시간 동안 상기 부스트 발생 회로를 사용하여 에너지가 공급되고, 상기 서브 세트 내의 고정자 치들 중 적어도 하나의 고정자 코일은 상기 주어진 시간 동안 상기 벅 발생 회로를 사용하여 에너지가 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
  9. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 제1 서브 세트내의 상기 고정자 치는 상기 고정자에 대해 원주 방향으로 등 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 제1 서브 세트의 상기 고정자 치는 상기 회전자의 회전 동안 실질적으로 동시에 대응하는 회전자 치를 각각 중첩하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
  11. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 주어진 고정자 치들에 대응하는 상기 회전자 치들은, 상기 회전자의 회전 중에 주어진 지점에서 상기 주어진 고정자 치들에 가장 가까운 상기 복수의 회전자 치들 중에서의 상기 회전자 치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
  12. 전기 모터용 회로로서,
    각각의 고정자 치들에 고정자 코일이 장착된 복수의 고정자 치들을 가지는 고정자의 상기 고정자 코일들에게 선택적으로 에너지를 공급하는 구동 회로; 및
    주어진 시간 동안 상기 구동 회로로 하여금 상기 고정자 치들의 서브 세트의 고정자 코일들에 에너지를 공급하여 대응하는 회전자 치들을 상기 주어진 시간 동안 상기 서브 세트 내의 상기 고정자 치들 각각과 정렬하도록 끌어당기는 제어 회로;
    를 포함하고,
    상기 제어 회로는 상기 적어도 하나의 고정자 치가 대응하는 회전자 치와 어떤 중첩도 있기 전에 상기 서브 세트 내의 적어도 하나의 고정자 치의 고정자 코일에 에너지의 공급을 개시하고 종료하는 것을 특징으로 하는 전기 모터용 회로.
  13. 전기 모터를 작동시키는 방법으로서,
    각각의 고정자 치에 코일이 장착되는 복수의 고정자 치를 갖는 고정자 코일에 선택적으로 에너지를 공급하는 단계로서, 상기 선택적으로 에너지를 공급하는 단계는:
    주어진 시간 동안 상기 고정자 치들의 서브 세트의 적어도 하나의 고정자 치의 고정자 코일에 에너지를 공급하여, 대응하는 회전자 치들을 상기 주어진 시간 동안 서브 세트 내의 각각의 상기 고정자 치와 정렬하도록 끌어당기는 단계;
    를 포함하고,
    상기 서브 세트 내의 적어도 하나의 고정자 치들의 고정자 코일의 에너지 공급은 상기 적어도 하나의 고정자 치들이 상기 대응하는 회전자 치들과 어떤 중첩도 있기 전에 개시하고 종료하는 것을 특징으로 하는 전기 모터를 작동시키는 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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