KR20160122689A

KR20160122689A - 하이브리드 차량용 개선된 스위치 자기저항 모터 및 스위치 자기저항 장치

Info

Publication number: KR20160122689A
Application number: KR1020167009930A
Authority: KR
Inventors: 찰스 햄프턴 페리
Original assignee: 찰스 햄프턴 페리
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2016-10-24
Also published as: CN105940596A; JP2016536952A; JP6643980B2; WO2015038197A1; EP3047569A1; EP3047569A4

Abstract

스위치 자기저항 허브 모터를 가진 개선된 하이브리드 구동 장치. 상기 스위치 자기저항 모터는 미사용시 자기장을 턴 오프함으로써 종래 기술에서 사용된 모터의 기존 자기장에 의해 발생되는 임의의 항력을 제거한다. 그것은 또한 동작하는 동안 유발되는 임의의 자기 도로 먼지 또는 찌꺼기가 자기장이 턴오프될 때 급감하거나 또는 제거되면서 더 깨끗하고 보다 효율적으로 동작한다. 저 자기저항 플럭스 경로가 회전자 또는 회전자 바의 전체 직경을 통과하지 않도록 설계된 고정자 링과 회전자 링을 가진 개선된 스위치 자기저항 모터가 사용될 수 있다.

Description

하이브리드 차량용 개선된 스위치 자기저항 모터 및 스위치 자기저항 장치{IMPROVED SWITCHED RELUCTANCE MOTOR AND SWITCHED RELUCTANCE APPARATUS FOR HYBRID VEHICLES}

본 출원은 2013년 9월 16일 출원된 미국특허가출원 번호 제61/878,135의 효익 및 우선권을 주장하고, 우선권을 위한 그 출원일을 받을 권리가 있다. 미국특허가출원 번호 제61/878,135의 명세서, 도면 및 완전한 개시물은 모든 목적을 위해 특정한 참조문헌에 의해 본 명세서에 통합된다.

본 발명은 하이브리드 자동차의 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 스위치 자기저항(reluctance) 모터를 사용한 내연-전기 하이브리드 차량용 차량 동력의 증대, 저장, 및 보존을 위한 장치에 관한 것이다.

차량에 기전력(electric motive force)과 파워를 부가하여, 차량을 하이브리드로 변환시키기 위해 내연 동력 차량을 개량하고 그 위에 설치할 수 있는 모터 발전기 장치가 모든 목적을 위해 특정한 참조문헌에 의해 본 명세서에 통합된 US 2012/02153의 Perry, 외의 "차량 동력의 증대, 저장 및 변환을 위한 머신"에 개시된다. 이전의 하이브리드 동력 시스템은 모든 목적을 위해 특정한 참조문헌에 의해 본 명세서에 통합된 Lynch 등의 미국특허번호 제4,165,795 및 Kawakatsu의 미국특허번호 제4,335,429에 개시된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 도면을 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 장치의 도면을 나타낸다.
도 3은 회전자 바를 가진 중심 회전자를 구비한 스위치 자기저항 모터의 도면을 도시한다.
도 4는 회전자 링을 가진 스위치 자기저항 모터의 도면을 도시한다.
도 5는 도 4의 섹션의 확대도를 도시한다.
도 6은 회전자가 제2 위치로 이동한 도 4의 스위치 자기저항 모터의 도면을 도시한다.
도 7은 회전자 링을 가진 스위치 자기저항 모터의 대안의 구성을 도시한다.
도 8은 회전자 링을 가진 스위치 자기저항 모터의 추가적인 대안의 구성을 도시한다.

차량에 기전력(electric motive force)과 파워를 부가하여, 차량을 하이브리드로 변환시키기 위해 내연 동력 차량을 개량하고 그 위에 설치할 수 있는 모터 발전기 장치가 모든 목적을 위해 특정한 참조문헌에 의해 본 명세서에 통합된 US 2012/0215389의 Perry 외의 "차량 동력의 증대, 저장 및 변환을 위한 머신"에 개시된다. 이전의 하이브리드 동력 시스템은 모든 목적을 위해 특정한 참조문헌에 의해 본 명세서에 통합된 Lynch 외의 미국특허번호 제4,165,795 및 Kawakatsu의 미국특허번호 제4,335,429에 개시된다.

본 발명은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 스위치 자기저항(reluctance) 허브 모터를 구비한 개선된 하이브리드 구동 장치이다. 스위치 자기저항 모터를 이용함으로써, 본 발명은, 미사용시 자기장을 턴 오프함으로써 종래 기술에서 사용되는 모터의 기존 자기장에 의해 발생된 임의의 항력(drag)을 제거하는 이점을 가진다. 본 발명은 또한 동작하는 동안 유발된 임의의 자계 도로 먼지 또는 찌꺼기가 자기장이 턴오프될 때 급감하거나 또는 방지되면서, 보다 깨끗하고 보다 효율적으로 동작하는 이점을 가진다.

스위치 자기저항 모터는 일 유형의 자기저항 모터(즉, 자기저항 토크에 의해 작동하는 전기 모터)이다. 일반적인 DC 모터 유형과 달리, 전력이 회전자 보다는 고정자 내의 권선(winding)으로 파워가 전달된다. 이는 파워가 이동 부분에 전달될 필요가 없기 때문에 기계 설계를 현저하게 단순화시킨다. 그러나, 일부 종류의 스위칭 시스템은 파워를 상이한 권선으로 전달하기 위해 사용될 필요가 있다.

다수의 실시예에서, 스위치 자기저항 모터는 계자 코일(field coil)를 권취한다(wind). 그러나, 회전자는 자석 또는 코일을 부착시키지 않는다. 일반적으로, 그것은 연자성체(예를 들면, 라미네이트된 강)로 만들어진 고체 돌극(salient-pole) 회전자(돌출 자극을 가지는)를 포함한다. 파워가 고정자 권선으로 인가될 때, 회전자의 자기 저항(reluctance)은 회전자 극을 가장 인접한 고정자 극과 정렬하도록 하는 힘을 생성한다. 회전을 유지하기 위해, 전자 제어 시스템은 고정자의 자기장이 회전자 극을 "유도하여" 그것을 전방으로 당기도록 순차적으로 연속한 고정자 극의 권선을 스위치 온 한다. 전형적인 모터에서와 같이 권선 전류를 스위칭하도록 기계적 정류자를 이용하는 것 보다는, 스위치 자기저항 모터는 고정자 권선을 스위칭하도록 회전자 샤프트와 솔리드 스테이트 전자기기의 각도를 판정하는 전자 위치 센서를 이용하고, 이는 펄스 타이밍과 성형의 동적 제어를 위한 기회를 제공한다.

스위치 자기저항 모터의 예시가 도 3에 도시된다. 스위치 자기저항 모터는 자기 회로 내의 자기저항 감소의 이점을 취하도록 설계된다. 일반적으로, 복수의 회전자 바(102)를 가진 회전자(100)는 고정자 링(110) 내부에서 회전한다. 고정자의 내부는 복수의 강자성 고정자 극(112)을 포함하고, 이는 극 주위의 자기 코일(114)에 의해 작동되어, 일시적으로 N극 및 단극 자석을 생성한다. 스위치 자기저항 모터에서의 회전자는 고정자 극으로부터 고정자 극으로의 낮은 자기저항 자기 경로를 제공하는 강자성 재료로 만들어진다. 자속 경로는 작동된 N극으로부터 작동된 S극으로 대응하는 회전자 바(102)를 통과하여 이루어진다.

스위치 자기저항 모터 동작의 예시는 하기와 같다. 90 및 270°위치(A1, A2)에서의 고정자 극은 강자성 극 주위의 자기 코일에 의해 작동되어, N극 및 S극 자석을 생성한다. 자속 경로는 N극으로부터 S극으로 회전자 바(B)를 통과하여 고정자 극(A1, A2)과 정렬하여 이루어지고, 이는 저 자기저항 경로이다. 자속의 경로는 고장자 링의 둘레의 하나의 고정자 극으로부터 다른 고정자 극으로, 그리고 대응하는 회전자 바를 통과하여 복귀하는 원형이다.

제어 회로는 고정자 극(A1, A2)으로의 전류를 턴 오프하고 315 및 135°위치(C1, C2)에서 고정자 극을 작동시킨다. 프로그래밍 가능한 제어 회로 및 메커니즘은 종래기술에 공지되고, 용이하게 사용 가능하다. 고정자 극(C1, C2)으로부터 조금 오프셋된 회전자 바(D)는 그런다음 바로 작동된 N 및 S 고정자 극(C1, C2)에 의해 반시계방향으로 회전하며 당겨진다. 회전자 바(D)가 고정자 극(Cl, C2)과 정렬하여 새로운 위치에 도달하면, 제어 회로는 전류를 턴 오프하고, 0 및 180° 고정자 극 위치(E1, E2)에서 전류를 턴 온하여, 회전자 바(F)가 반시계방향으로 당겨지도록 한다. 각각의 경우에, 수평 회전자 바(B) 및 고정자 극(A1, A2)의 경우에서와 같이, 2개의 작동된 고정자 극 사이에서 존재하는 고 자기저항이 고정자 극과 정확하게 정렬하도록 회전자 바에 의해 감소된다. 반시계방향으로 고정자 극을 전기적으로 작동시킴으로써, 회전자 바는 반시계 방향으로 회전하도록 하여, 모터 동작을 생성한다. 물론, 작동 방향(그리고, 그에 따른 회전)은 역이 될 수 있다.

상술한 바와 같이, 스위치 자기저항 모터의 현저한 이점은 모터가 영구 자석을 요구하지 않는 것(DC 브러시리스 모터에서의 경우와 같이)이다. 따라서, 더럽거나 강자성 먼지 입자를 함유한 환경에서 구축 및 작동하기에 간단하고 경제적이다. 그러나, 스위치 자기저항 모터는 제어 회로가 정확한 시간에 고정자 극을 작동시키도록 할 필요가 있고, 이는 복잡하고 광학 센서 또는 기타 적절한 방법과 같은 회전자 위치 피드백을 필요로 한다. 또한, 스위치 자기저항 모터는 반대 고정자 극이 작동 및 작동 중지되면서 소음을 일으키는 경향이 있으며, 이는 고정자 링에 대해 주기적으로 힘을 가하는 것을 교대로 온/오프하는 것에 기인하여 가청 주파수에서 진동한 것이다.

이런 결함들을 처리하기 위해 설계된 개선된 스위치 자기저항 모터가 하기에 기술된다. 다수의 실시예에서, 개선된 모터는 도 4에 도시된 바와 같이 변형된 자속 경로를 포함한다. 회전자는 회전자 링(200)이고, 고정자 링(210) 내부에서 회전한다. 회전자 링은 외주 상에 위치되는 복수의 회전자 극(202)을 포함한다. 고정자 링은 극들 주위에서 자기 코일(214)에 의해 작동되어 일시적으로 N극 및 단극 자석을 생성할 수 있는 복수의 강자성 고정자 극(212)을 포함한다. 반대 고정자 극은 쌍으로서 함께 작동되지 않으며; 대신에, N극 및 S극이 고정자 링의 동일한 면적으로 고정자 극을 작동시킴으로써 생성된다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 자기저항이 감소된 자속 경로는 하나의 작동된 극으로부터 고정자 링 상의 단거리를 통과하여 다른 고정자 극으로, 그리고 회전자 링을 통과하고 2개의 대응하는 회전자 극을 통과하여 이동한다.

개선된 스위치 자기저항 모터의 동작의 예시는 하기와 같다. 고정자 극(H)은 자신의 대응하는 코일에 의해 작동되어 N 전자석을 산출하고, 고정자 극(I)은 유사하게 작동되어 S 전자석을 산출한다. 회전자 극(F 및 G)은 그들 사이에서 자기 회로가 흐르면서 각각 고정자 극(H 및 I)과 정렬한다. 회전자 링(A)에서의 자기저항이 감소된 경로는 화살표(J)에 의해 표시되는 반면, 고정자 링(D)에서의 경로는 화살표(K)에 의해 표시된다. 고정자 쌍의 본 작동은 고정자 링 주위에서 반복되어, 다수의 저 자기저항 자기 회로(본 구성에서는 15)가 모터의 주변에서 생성될 수 있도록 한다. 고정자 극 전자석 쌍은 링 주위에서 N 및 S 방위를 교차하여 배치되도록 한다.

제어 회로는 고정자 극(H, I)(및 링 주위의 기타 작동된 고정자 극 쌍)으로의 전류를 턴 오프하고, 고정자 극(N, O)을 작동시킨다. 이는 도 6에 도시된 바와 같이 회전자 극(L, M)을 고정자 극(N, O)과 정렬하도록 끌어 당기고, 극(L, N, M, O), 및 개재시킨 고정자 링 및 회전자 링 부분을 통과하는 새로운 저 자기저항 경로를 형성하도록 한다. 새로운 저 자기저항 자기 회로가 유사한 고정자 쌍의 작동과 함께 모터의 주변에서 생성된다는 것에 유의하라.

회전자의 이 이동은 회전자 극(P, Q)을 고정자 극들이 재기동될 때 고정자 극(H, I)과 정렬하도록 순차적으로 당겨지는 위치로 회전자 극(P, O)을 끌어당긴다. 이는, 제1 위상을 구비하는 (H, I)의 동작과, 제2 위상을 구비하는 (N, O)의 작동을 하는, 2 위상 스위치 자기저항 모터를 기술한다. 본 구성에서, 한 번에 하나 걸로 다른 고정자 극이 작동된다(즉, 작동된 쌍에서의 각각의 작동된 고정자 극 사이에 미작동 고정자 극이 있다.). 모터는 또한 극의 거리 및 작동 타이밍에 따라서 3 위상 구성 또는 그 이상을 구비할 수 있다는 것에 유의하라.

도 7은 3 위상 스위치 자기저항 모터의 예시를 도시하고, 이 경우 순차적으로 작동되는 3쌍의 고정자 쌍이 있다. 매 3번째 고정자 극이 동시에 작동된다(즉, 작동된 쌍에서 각각의 작동된 고정자 극 사이에 2개의 미작동 고정자 극이 있다).

중심 영역(R)은 회전자 링을 위한 기계적 지지물일 수 있고, 알루미늄, 황동, 탄소 섬유, 또는 기타 적절한 재료와 같은(그러나 이에 한정되지 않는) 비강자성(non-ferromagnetic) 재료를 구비한다. 그것은 회전자를 고정자 극에 대해 정확한 위치에 배치하고, 회전자 어셈블리의 중심을 통과하는 샤프트에 대해 회전을 제공하는 것을 돕는다.

회전자 극과 고정자 극의 수는 변할 수 있다. 도 4에 도시된 실시예에서, 고정자 링의 내부 원주 상에 30개의 고정자 극을 가지고, 회전자 링의 외주 상에 45개의 회전자 극이 위치된다. 도 7에 도시된 바와 같이 각각의 수는 변할 수 있으며, 이 경우 60개의 회전자 극과 36개의 고정자 극이 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 회전자 내에서 원형 자속 경로를 이용하여 작업하도록 구성될 수 있는 다수의 고정자 극과 회전자 극의 조합이 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같이 고정자 극과 회전자 극의 수는 3개의 구성의 예시와 같다.

본 설계는 단상 가변 주파수 AC 신호가 모터를 구동시키는 매우 단순한 구동 시스템을 허용할 것이다. 단상 AC 신호를 가지고 본 모터를 구동하는 기능은 1, 2, 또는 3상 AC를 가진 고정자 극 전자석을 구동시키기 위해 고정자와 회전자 극을 배열하는 선택사항을 한정하지 않는다.

이 구성은 고정자 극을 교대로 작동시킴으로써 사인파, 사각파, 또는 기타 적절한 파 중 어느 하나의 단상 AC 신호에 의해 구동될 수 있다. 고정자 극(H, N, I, O)은 모터의 전기 360° 사이클을 위한 완전한 세트를 구성한다. 모터의 360°전기 사이클은 전체 전기 사이클이 완료되고 전기 동작이 그 자체를 반복하는 회전자 회전 각도이다. 도 4에 도시된 바와 같은 모터 설계에서, 24°의 회전자 링 회전에서 전체 360° 전기 사이클이 있다. 이는 360°의 회전자 링 회전에서 15사이클의 360° 전기 회전이 있다는 것을 의미한다. 4개의 고정자 극은 2 위상의 전체 사이클이 회전자 극 상에서 작동하도록 한다. 모터는 N-S 극성의 고정자 극(H 및 I)의 작동으로 동작하고, 그런다음 N-S 극성의 고정자 극(N 및 O)의 후속 작동으로 동작할 것이다. 적절한 순서로 2개 세트의 고정자 극 사이에서 교차하여 순차적으로 4개의 고정자 극만을 가지고 시계 또는 반시계 방향의 회전으로 회전자 링이 회전하도록 할 것이다. 스위치 자기저항 모터의 본 개선된 설계는 따라서 고정자 링에 대해 극의 부분적인 점유(partial population)를 허용한다. 종래기술에서의 스위치 자기저항 모터는 이러한 기능을 가지지 못한다.

본 설계의 또다른 애플리케이션은 스위치 자기저항 스텝퍼 모터로서 기능하는 것이다. 도 4에서, 상술한 바와 같이, 회전자 극(F 및 G)은 고정자 극(H 및 I)과 정렬하고, 회전자 극(L 및 M)은 고정자 극(N 및 O)과 정렬하도록 끌어당겨지는 위치에 있다. 고정자 극(H 및 I)에서의 전류가 DC라면, 회전자는 하나의 고정된 위치에 유지될 것이다. 고정자 극(H 및 I)에서의 DC 전류가 턴 오프되고, DC 전류가 고정자 극(N 및 O)로 인가되면, 회전자는 4°반 시계방향으로 회전하고 멈출 것이다. 적절한 거리와 회전자 및 고정자 극의 지오메트리, 및 정확하게 타이밍된 전기 전류의 적절한 인가를 가지고, 본 스위치 자기저항 모터는 변속 모터뿐 아니라 스텝퍼 모터로서 기능할 수 있다.

도 4 및 5가 방사형 자속 경로를 도시하지만, 본 발명은 플럭스 경로가 회전자 또는 회전자 바의 전체 경로를 통해 지나가지 않는 기타 가능한 구성을 구비한다. 예를 들면, 도 2는 축방향 플럭스 구성을 가진 스위치 자기저항 모터를 도시한다. 본 실시예에서의 회전자 극은 자석강이고 영구 자석은 아니다(본 명세서 임의의 위치에서 기술된 바와 같은 DC 브러쉬리스 설계에 대한 현저한 이점을 나타냄).

상술한 개선된 스위치 자기저항 모터 설계는 휠 허브 모터를 포함하는(그러나 이에 한정되지 않음) 낮은 rpm(예를 들면, 약 2000rpm 이하), 고 토크 애플리케이션에 특히 잘 들어맞는다. rpm은 모터가 바퀴에 대해 직접 구동하기 때문에 낮다. 높은 기동 토크가 바람직하다.

본 발명에 따른 개선된 스위치 자기저항 모터 설계에 의해 생성된 잡음은 종래의 설계보다 적게 될 것이다. 작동된 고정자 극과 대응하는 회전자 극 사이의 인력 자기력은 모터가 동작하는 방식 때문에 완전히 0으로 되지 않기 때문에 고정자에 작용하는 힘은 항상 일정할 것이다. 이는 고정자 링에서 진동하는 경향을 감소시킬 것이다.

따라서, 본 명세서에 기술된 실시예와 예시는, 본 발명의 원리들과 그의 실제 응용을 최상으로 예시하여 당업자가 고려되는 특정한 사용에 적합한 다양한 실시예 및 다양한 변형으로 본 발명을 최상으로 활용할 수 있도록 하기 위해 선택 및 기술되었다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 특정한 실시예가 기술되었다고 하더라도, 그것들은 배타적인 것으로 간주되어서는 않된다. 당업자에게 명확한 다수의 변형이 있다.

Claims

내부 원주를 가진 고정자 링;
상기 내부 원주에 위치된 복수의 고정자 극으로서, 상기 고정자 극들이 전자석이 되도록 자기 코일에 의해 작동되는 상기 복수의 고정자 극;
상기 고정자 링 내부에 위치되고, 외주를 가진 회전자 링; 및
상기 회전자의 외주 상에 위치되는 복수의 회전자 극으로서, 상기 회전자 극들이 상기 고정자 극에 밀접하게 근접해 있는 상기 복수의 회전자 극;
을 포함하고,
저 자기저항(reluctance) 자속 경로는 고정자 극의 쌍이 작동될 때 상기 고정자 극의 쌍과 인접 회전자 극을 통과하여 형성되고;
상기 저 자기저항 자속 경로는 상기 고정자 극의 쌍 사이의 상기 고정자 링의 부분을 통과하고, 상기 회전자 극의 쌍 사이의 상기 회전자 링의 부분을 통과하여 형성되는 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 상기 저 자기저항 자속 경로는 상기 회전자의 중심을 통과하지 않는 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 상기 저 자기저항 자속 경로는 상기 회전자의 직경을 통과하지 않는 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 상기 모터는 2상 모터인 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 상기 모터는 3상 모터인 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 상기 고정자 극의 쌍의 작동은 상기 회전자 극의 쌍을 상기 고정자 극들과 정렬하도록 당기는 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 상기 고정자 극의 쌍들은 상기 회전자 링이 회전하도록 순차적으로 작동되는 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 상기 모터는 변속 모터인 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 상기 모터는 스텝퍼 모터인 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 상기 모터는 차량 상의 휠 허브 장착 모터인 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 상기 회전자 링은 상기 회전자 링의 중심의 비강자성 기계 지지물 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 45개의 회전자 극과 30개의 고정자 극이 있는 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제12 항에 있어서, 하나 걸러 다른 고정자 극이 특정한 시간에 작동되는 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 60개의 회전자 극과 36개의 고정자 극이 있는 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제14 항에 있어서, 매 3번째 고정자 극이 특정한 시간에 작동되는 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.
제1 항에 있어서, 상기 모터는 단상 가변 주파수 AC 신호에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 스위치 자기저항 모터.