KR20230043953A

KR20230043953A - 정류된 회전자 권선을 갖는 전기 기계 내의 전력 분배

Info

Publication number: KR20230043953A
Application number: KR1020237006572A
Authority: KR
Inventors: 월터 웨슬리 페닝턴; 매튜 제이. 루빈; 그레고리 고든 스티븐슨; 마이클 파커 오웬; 에단 바게트 스윈트; 마티아스 프레인들
Original assignee: 타우 모터스, 인크.
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2021-08-02
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2041-08-02
Also published as: EP4189807A4; US20230231444A1; CA3229662A1; CN119865005A; JP2023532143A; AU2023251443A1; JP2024045404A; ZA202310511B; WO2022026957A1; CA3190431A1; KR20250005548A; EP4189807A1; MX2024010262A; JP7432060B2; US20240204622A1; KR102636787B1; US12003144B2; CA3190431C; US11637481B1; CN116114154A

Abstract

전기 기계는 고정자 전류를 수신하도록 구성된 연관 고정자 권선을 갖는 다수의 고정자 극들을 정의하는 고정자를 포함한다. 전기 기계는 또한, 연관 회전자 권선을 갖는 다수의 고정된 회전자 극들을 정의하는 회전자를 포함하며, 회전자는 회전자와 고정자 사이의 상대 운동을 생성하기 위해 고정자 전류를 수신할 때 고정자 권선에 의해 생성되는 자기장에 의해 에너지 공급가능한 필드를 정의하고, 회전자는 전기 기계의 동작 동안 고정자에 의해 생성되는 자기장과 동기하여 유지된다. 전기 기계는 또한, 고정자 전류를 수신할 때 고정자 권선에 의해 생성되는 자기장에 의해 필드에 에너지 공급됨에 따라 회전자 극에 교류가 유도되는 것에 대하여 제어하도록 구성된 정류 시스템을 포함한다.

Description

정류된 회전자 권선을 갖는 전기 기계 내의 전력 분배

본 출원은 2020년 7월 31일 출원된 미국 특허 출원 번호 제63/059930호에 대한 35 USC §119(e) 하의 우선권을 주장하며, 이 출원의 전체 내용은 참조에 의해 여기에 포함된다.

기술분야

본 발명은 전기 모터 및 발전기에 관한 것이다

전기 모터는 일반적으로, 종종 고정자(stator)로 지칭되는 고정 컴포넌트 및 회전자(rotor)로 지칭되는 회전 컴포넌트를 포함한다. 전류가, 작업을 행하는 데 사용될 수 있는, 고정자와 회전자 사이의 기계적 힘 또는 토크를 가하는 전자기장으로 변환된다. 발전기는 기계적 힘이 전류로 변환되는 유사한 원리로 작동한다. 주로 회전력 또는 토크 측면에서 기재되지만, 여기에 기재된 원리는 선형 모터에도 적용 가능하다. 선형 모터의 경우, 일부 구현에서, 회전자가 고정 컴포넌트로서 작용하는 반면, 고정자는 변환 컴포넌트로서 작용한다.

본 개시는 전기 기계 내에서 전력을 무선으로 전달하는 것에 관련된 기술을 기재한다.

본 개시 내에 기재된 주제의 예시적인 구현은 다음의 특징을 갖는 전기 기계이다. 고정자는 연관 고정자 권선을 갖는 다수의 고정자 극들을 정의한다. 회전자는, 정류기를 포함하며 고정자에 의해서만 에너지 공급되도록(energized) 구성되는 연관 회전자 권선을 갖는 다수의 고정된 회전자 극들을 정의한다. 회전자는 회전자와 고정자 사이의 상대 운동을 생성하기 위해 고정자 권선에 의해 생성되는 자기장에 의해 에너지 공급가능한(energizable) 회전자 필드를 정의한다. 컨트롤러는, 회전자 극들 중 가장 가까운 것에 대해 측정된 전류 각도로 고정자 권선을 통해 전류를 보내도록 구성된다. 컨트롤러는 동작 조건에 응답하여 전류 각도를 조정하도록 구성된다. 컨트롤러는 동작 조건에 응답하여 보낸 전류의 전류 크기를 조정하도록 구성된다. 회전자는 동작 동안 고정자 권선에 의해 생성되는 자기장과 동기하여(in synchronicity) 유지된다.

일부 구현에서, 고정자 권선은 집중 권선(concentrated windings)을 포함한다.

일부 구현에서, 고정자 권선은 분포 권선(distributed windings)을 포함한다.

일부 구현에서, 고정자 권선은 돌출 권선(salient windings)을 포함한다.

일부 구현에서, 회전자 권선은 집중 권선을 포함한다.

일부 구현에서, 회전자 권선은 돌출 권선을 포함한다.

일부 구현에서, 회전자 권선은 비중첩 권선(non-overlapping windings)을 포함한다.

일부 구현에서, 정류기는 다이오드를 포함한다.

일부 구현에서, 정류 방향은 회전자 극들 사이에 교번한다.

일부 구현에서, 회전자는 영구 자석을 포함한다.

일부 구현에서, 영구 자석은 회전자 극과 실질적으로 정렬된다.

본 개시에 기재된 주제의 예시적인 구현은 전기 기계를 제어하는 방법이다. 방법은 다음 특징을 포함한다. 고정자 내의 고정자 자기장을 생성하기 위해 고정자의 고정자 권선에 에너지 공급된다. 회전자 극 내의 강자성체 내의 대응하는 회전자 자기장이 자속을 확립함으로써 고정자 자기장에 의해 수정된다. 고정자 자기장의 시프트에 의해 회전자에 대해 접선 방향의 힘이 발생된다. 발생된 접선력에 의해 회전자가 움직인다. 에어 갭에서의 플럭스의 에너지화(energization)의 지연이 정류기에 의해 감소된다. 에어 갭은 고정자의 내부 표면과 회전자의 외부 표면 사이에 정의된다. 자기장 시프트에 응답하여 회전자 권선 내의 전류에 의해 회전자 내의 자속의 감쇠가 저항된다. 고정자 자기장 및 회전자는 동작 동안 서로 동기성(synchronicity)을 유지한다. 회전자 극들 중 가장 가까운 것에 대해 측정된 전류 각도로 고정자 권선을 통해 전류가 보내진다. 동작 조건에 응답하여 보낸 전류의 전류 크기가 조정된다. 동작 조건에 응답하여 전류 각도가 조정된다.

일부 구현에서, 플럭스를 유지하는 것은, 제1 전류가 0으로 감소할 때까지 회전자 권선 내에서 제1 방향으로 제1 전류를 유도함으로써 제1 플럭스 변화에 저항하는 것을 포함하고, 플럭스를 유지하는 것은 회전자 권선 내에서 제2 방향으로 전류를 유도하기 위해 제2 플럭스 변화를 허용하는 것을 포함한다.

일부 구현에서, 역 접선력(reverse tangential force)이 정류기에 의해 감소된다.

일부 구현에서, 정류기는 다이오드를 포함한다.

본 개시에 기재된 주제의 예시적인 구현은 다음의 특징을 갖는 권선 계자 회전자 동기 기계이다. 고정자는 연관 고정자 권선을 갖는 다수의 고정자 극들을 정의한다. 회전자는 다수의 회전자 극들을 정의한다. 회전자는 고정자와 동기하여 회전하도록 구성된다. 회전자는 회전자 극들 각각과 연관된 회전자 권선을 포함한다. 회전자 권선은 회전자 필드를 생성하기 위해 고정자 권선에 의해 생성되는 자기장에 의해 에너지 공급되도록 구성된다. 회전자 권선은 정류기를 포함한다. 영구 자석이 회전자 내에 내장된다. 컨트롤러는 고정자 권선에 에너지 공급하도록 구성된다. 컨트롤러는 회전자 극들 중 가장 가까운 것에 대해 측정된 전류 각도로 고정자 권선을 통해 전류를 보냄으로써 고정자 권선에 제어 신호를 보내는 것에 의해 고정자 내에 고정자 자기장을 생성하도록 구성된다. 컨트롤러는 동작 조건에 응답하여 전류 각도를 조정하도록 구성된다. 컨트롤러는 동작 조건에 응답하여 보낸 전류의 전류 크기를 조정하도록 구성된다.

일부 구현에서, 영구 자석은 회전자 극으로부터 오정렬된다(miss-aligned).

일부 구현에서, 정류기는 쇼트키(Schottky) 다이오드를 포함한다.

일부 구현에서, 정류기는 동작 동안 토크 리플을 감소시키도록 구성된다.

일부 구현에서, 포지션 센서는 고정자에 대한 회전자의 포지션을 검출하도록 구성된다. 이러한 예에서, 컨트롤러는 또한 포지션 센서로부터 포지션 스트림을 수신하도록 구성된다. 포지션 스트림은 회전자 포지션을 나타낸다. 컨트롤러는 또한, 포지션 스트림을 수신하는 것에 응답하여, 토크 리플이 존재하는지 결정하도록 구성된다. 컨트롤러는 또한, 토크 리플이 존재한다고 결정하는 것에 응답하여 회전자 극에 대한 전류 각도를 조정하도록 구성된다. 컨트롤러는 또한, 토크 리플이 존재한다고 결정하는 것에 응답하여 전류의 전류 크기를 조정하도록 구성된다.

본 개시에 기재된 주제의 하나 이상의 구현의 세부 사항은 첨부 도면 및 아래의 설명에 서술되어 있다. 본 주제의 다른 특징, 양상 및 이점이 설명, 도면 및 청구항으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 전기 구동 시스템의 예의 개략도이다.
도 2는 전기 권선에 대한 예시적인 전력 스위치의 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 전기 기계의 사시도 및 측면도이다.
도 3c 및 도 3d는 예시적인 전기 기계의 사시도 및 측면도이다.
도 4는 예시적인 전기 기계의 측면도이다.
도 5a는 예시적인 회전자 코일의 정면도이다.
도 5b는 도 5a의 회전자 코일의 사시도이다.
도 5c는 도 5a 및 도 5b의 회전자 코일의 측면도이다.
도 5d는 잠금된 회전자 조건(예컨대, 시동) 하에 생성되는 다양한 대전 상태 및 토크 그리고 상이한 페이저 각도를 예시한 그래프이다.
도 6은 본 개시에 따른 제어를 위해 구성된 전기 모터의 개략도이다.
도 7은 본 개시의 양상과 함께 사용될 수 있는 예시적인 컨트롤러의 블록도이다.
도 8은 본 개시의 양상과 함께 사용될 수 있는 방법의 흐름도이다.
도 9a는 본 개시의 양상에 따라 토크 증가 요청에 응답하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 9b는 본 개시의 양상에 따라 토크 증가 요청에 응답하기 위한 방법의 또다른 흐름도이다.
도 9c는 본 개시의 양상에 따라 모터를 시동하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 9d는 본 개시의 양상에 따라 토크 증가 요청에 응답하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 10은 다양한 기계 구성에 대한 평균 자기장 강도의 그래프이다.
다양한 도면에서의 유사한 참조 번호 및 지정은 유사한 요소를 나타낸다.

본 개시는 전자기적으로 직접 결합된 회전자와 고정자를 갖는 계자 권선 동기 모터에 관한 것이다. 회전자 코일은 다이오드와 같은 정류기를 포함할 수 있다. 정류기의 추가는 동작 동안 모터에서의 토크 리플을 감소시키도록 돕는다. 회전자의 회전자 극은 회전자 표면에 위상적으로(topologically) 그리고 전기적으로 고정된다. 회전자는 고정자 권선을 제외하고 고정자 컴포넌트로부터 실질적으로 에너지적으로 격리된다. 즉, 회전자 필드는 고정자 권선에 의해 생성된 자기장에 의해 에너지 공급되도록(energized) 구성된다. 고정자 자기장과 회전자는 동작 동안 서로 동기성을 유지한다. 동작 동안, 컨트롤러는 고정자를 통해 전류를 보내고 현재 또는 변하는 동작 조건에 응답하여 전류 크기 및 각도를 능동적으로 조정하도록 구성된다. 이러한 모터는, 값비싼 희토류 자석의 필요 없이 그리고 회전자 내의 권선에 에너지 공급하기 위한 별도의 브러시 또는 여자 회로의 필요 없이, 동기 기계의 효율성으로 동작할 수 있다.

여기에 기재된 전기 기계는 회전자 극을 정의하는 단락된 집중 권선을 특징으로 한다. 과도 감쇠(transient dampening)에 대하여 회전자 내에서 단락된 댐퍼 바가 제안되었지만, 이는 한정된 주파수 응답을 갖는 경향이 있다. 대조적으로, 단락된 집중 권선은 광범위한 주파수에 걸쳐 동작 동안 효과적인 과도 감쇠를 제공할 수 있다. 또한, 본 개시 내에 기재된 다양한 전기 기계는 회전자 백-아이언(back-iron)의 포화 동안 발생하는 고유의 비선형성 및 비대칭성을 이용할 수 있다. 즉, 코일 내의 인덕턴스가 비대칭이 되고 결과적으로 순 토크(net torque)를 생성한다. 코일에 정류기의 추가는 이 비대칭성을 더하며 토크 리플을 감소시킨다.

따라서, 본 개시는 다양한 상이한 목표를 달성하기 위해 모터 전기 기계 또는 모터를 제어하기 위한 주제를 제공한다. 예를 들어, 본 개시는, 희토류 원소 또는 브러시나 여자 회로와 같은 마모 요소에 대한 의존도가 감소되거나 이들의 필요 없이 원하는 동작 목표를 달성하기 위한, 또는 원치 않는 토크 리플을 제어하도록 설계된 순 토크를 생성하는 것과 같이 시스템의 다른 동작 양상을 개선하기 위한 주제를 제공한다.

도 1은 전기 모터(102) 및 전기 모터(102)에 결합된 모터 컨트롤러(104)를 포함하는 전기 구동 시스템(100)을 예시한다. 도 1은 전기 모터(102) 및 전기 모터(102)에 결합된 모터 컨트롤러(104)를 포함하는 전기 구동 시스템(100)을 예시한다. 부하(110)는 기어 세트, 차량 휠, 펌프, 컴프레서, 또는 다수의 모터들이 연결되어 병렬로 동작될 수 있는 또다른 모터와 같은 추가적인 기어 트레인일 수 있다.

전기 모터(102)는, 모터 컴포넌트의 회전 및 기타 운동에 관련한 기준(datum)으로 간주되는, 모터 하우징(105)에 관련하여 회전 가능한 출력 샤프트(107)를 갖는다. 사용시, 출력 샤프트(107)는 부하(110)에 결합될 수 있으며, 전기 모터(102)는 적절한 전력 및 모터 컨트롤러(104)로부터의 신호에 의해 전기적으로 활성화될 때 부하(110)에 회전 동력을 전할 수 있다. 출력 샤프트(107)는 모터를 통해 연장되고 양단이 노출될 수 있으며, 이는 모터의 양단에서 회전 동력이 전달될 수 있음을 의미한다. 모터 하우징(105)은 출력 샤프트(107)의 회전축에 대해 회전 대칭일 수 있지만, 임의의 외부 형상으로 이루어질 수 있고, 일반적으로 모터 동작 동안 하우징 회전을 방지하기 위해 다른 구조물에 모터 하우징(105)을 고정하기 위한 수단을 포함할 수 있다.

전기 모터(102)는 고정자와 같은 능동 자기 컴포넌트(106) 및 회전자와 같은 수동 자기 컴포넌트(108)를 포함한다. 예시 목적을 위해, 이하에서는, 고정자가 능동 자기 컴포넌트의 대표적인 예로서 사용되고 회전자가 수동 자기 컴포넌트의 대표적인 예로서 사용된다.

회전자(108)는 고정자(106)와 연관되고, 고정자(106) 내에, 예컨대 내부 회전자 방사상-갭 모터에 배치되거나, 또는 고정자에 평행하게, 예컨대 축방향-갭 모터에 또는 선형 모터에 배치될 수 있다. 아래에 더 충분히 기재되는 바와 같이, 적절하게 제어되는 고정자(106)에서의 전기 활동은 회전자(108)의 운동을 구동한다. 회전자(108)는 출력 샤프트(107)에 회전 가능하게 결합되며, 그리하여 결과적인 회전자 운동의 임의의 회전 성분이 출력 샤프트(107)로 전달되며, 출력 샤프트(107)가 회전하게 한다. 고정자(106)는, 동작 동안 회전자(108)가 고정자(106) 주위로 또는 고정자(106)에 평행하게 움직이도록, 전기 모터(102)에 고정된다.

본 개시 전반에 걸쳐 기재된 바와 같이, 정류 시스템(112)이 포함될 수 있고 다양한 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 정류 시스템은 수동 또는 능동으로 동작하도록 구성될 수 있다. 일부 구현에서, 수동 정류는 하나 이상의 다이오드를 사용할 수 있다. 일부 구현에서, 능동 시스템의 경우, 능동 정류는 하나 이상의 MOSFET과 같은 트랜지스터를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 정류 시스템(112)은 하나 이상의 다이오드와 같은 수동 컴포넌트를 사용할 때 반파(half-wave) 정류기로서 구성될 수 있다. 일부 구현에서, 정류 시스템(112)은 예를 들어 능동 정류를 사용할 때 전파(full wave) 정류기로서 구성될 수 있다.

능동이든 수동이든, 정류 시스템(112)의 포함은 에너지화 조건 하에 존재할 수 있는 회전자 코일 또는 권선에서의 AC 성분(구체적으로, 음의 전류 성분)을 제어함으로써 토크 리플을 더 완화할 수 있다. AC 성분은 종종 대전(charge) 단계(낮은 전류 각도) 동안 발생하며 시트 전류 밀도의 감소를 초래한다. 정류는 이 성분을 실질적으로 제거하고, 코일이 더 높은 전류 페이저 각도(current phasor angle)에서만 전류를 흐르는 시스템을 생성한다. 일부 구현에서, 더 높은 전류 페이저 각도는 45도, 65도 또는 75도보다 더 크다.

정류 시스템의 비대칭 전기 저항은 회전자 토폴로지에서 전류의 더 빠른 감쇠를 가능하게 한다(정류되지 않은 시스템과 비교할 때). 예를 들어, 돌출 극을 가질 수 있는 분할 슬롯 고정자에서, 대전 또는 플럭싱(fluxing) 사이클의 이점을 얻고 토크 리플을 한정하기 위해 더 빠른 감쇠가 바람직할 수 있다. 예를 들어 단일 다이오드를 구비한 단방향 수동 회로를 갖는 정류된 회전자가 있는 기계에서, 권선에서의 전류는 회전자에 볼트-초를 주입하기 위하여 무효화(nulled-out)되어야 한다. 낮은 전류 각도(예를 들어, 45도 미만, 35도 미만 또는 15도 미만)로 진동하는 것은, 시스템을 더 플럭싱하기 위하여 또는 특정 동작 조건(예컨대, 고속 또는 낮은 토크 동작)에 대하여 회전자를 효과적으로 필드 약화시키기 위하여, 회전자 전류를 신속하게 감쇠할 수 있다.

본 개시는 또한, 대전 전에 회전자 전류 감쇠를 가속화하고 과전압 방전에 의해 야기되는 손상을 제한하기 위해, 전기 저항기와 같은, 정류 시스템과 병렬로 선형 전기 부하(114), 또는 애벌랜치 다이오드 또는 전압 어레스터 가스 방전관과 같은 비선형 전기 부하에 대해 기재한다. 일부 구현에서, 하나 이상의 선형 부하(114)는 100옴, 150옴, 300옴, 또는 1,000옴보다 더 큰 저항을 갖는 전기 저항기를 포함한다. 일부 구현에서, 가스 방전관 또는 애벌랜치 다이오드는 50볼트, 100볼트, 200볼트, 400볼트, 600볼트, 또는 800볼트보다 큰 역 항복 전압 및 10ms, 5ms, 2ms, 0.5ms 또는 0.1ms 미만의 응답 시간을 갖는다.

전기 와이어의 루프를 통해 흐르는 전류는 실질적으로 균일한 기자력(MMF; magnetomotive force)을 일으킬 것이며, 그 결과 권선 영역 또는 둘러싸인 영역 내에 모터 극을 생성한다. 통상의 모터에서, 이러한 루프는 원하는 전류 부하를 운반하기에 충분한 직경을 갖지만, 구동 주파수의 표피 깊이가 루프를 완전히 관통할 만큼 충분히 얇다. 극 자기장 강도를 증가시키기 위해 와이어의 많은 턴 또는 중첩 루프가 사용될 수 있다. 이 토폴로지는 통상적으로 권선 계자 극으로 지칭된다. 이러한 중첩 루프 세트는 코일로 지칭된다. 본 개시의 목적을 위해, 고정자 또는 회전자 내에서 함께 작용하는 다수의 코일은 권선으로 지칭된다. 일부 경우에, 코일은 회전자 또는 고정자 상에 다수의 톱니(teeth)와 중첩되며 둘러쌀 수 있다. 이러한 중첩 코일은 전기자(armature) 또는 분포 권선으로 지칭될 수 있다. 극은 이 분포 권선의 자기 중심이고, 그리하여 극은 권선을 통과하는 구동 전류에 따라 이러한 분포 권선 내의 개별 코일에 대해 움직일 수 있다.

본 개시 전반에 걸쳐 더 상세하게 예시된 예와 같이, 고정자(106)는 연관 전기 권선을 갖는 다수의 고정자 극들을 정의하고, 회전자(108)는 다수의 회전자 극들을 포함한다. 회전자(108)는 고정자(106)와 함께, 본 개시 전반에 걸쳐 더 상세하게 예시된 예와 같이, 고정자 극과 회전자 극 사이의 공칭 에어 갭을 정의한다. 회전자(108)는 운동 방향을 따라 고정자(106)에 관련하여 움직임 가능하다.

도 2는 개별 전기 권선(132)에 대한 또다른 예시적인 전력 스위치(200)를 도시한다. 전력 스위치(200)는, 4개의 스위칭 요소(202a, 202b, 202c, 202d)를 포함하며 중앙에 전기 권선(132)을 H형 구성으로 갖는 H-브리지 회로를 가질 수 있다. 스위칭 요소(202a, 202b, 202c, 202d)는 바이폴라 또는 FET 트랜지스터일 수 있다. 각각의 스위칭 요소(202a, 202b, 202c, 202d)는 각자의 다이오드(D1, D2, D3, D4)와 결합될 수 있다. 다이오드는 캐치 다이오드라 불리며 쇼트키 유형일 수 있다. 브리지의 상단은 전원 공급장치, 예컨대 배터리 Vbat에 접속되고, 하단은 접지된다. 스위칭 요소(202a, 202b, 202c, 202d)의 게이트는, 각자의 제어 전압 신호를 각각의 스위칭 요소(202a, 202b, 202c, 202d)에 보내도록 동작가능한 권선 컨트롤러(130)에 결합될 수 있다. 제어 전압 신호는 DC 전압 신호 또는 AC(교류) 전압 신호일 수 있다.

스위칭 요소(202a, 202b, 202c, 202d)는 모터 컨트롤러(104)에 의해 개별적으로 제어될 수 있고 독립적으로 턴온 및 턴오프될 수 있다. 일부 경우에, 스위칭 요소(202a 및 202d)가 턴온되는 경우, 고정자의 왼쪽 리드는 전원 공급장치에 접속되며, 오른쪽 리드는 접지에 접속된다. 전류는 고정자를 통해 흐르기 시작하며, 순방향으로 전기 권선(132)에 에너지 공급한다. 일부 경우에, 스위칭 요소(202b, 202c)가 턴온되는 경우, 고정자의 오른쪽 리드는 전원 공급장치에 접속되며, 왼쪽 리드는 접지에 접속된다. 전류는 고정자를 통해 흐르기 시작하며, 반대인 역방향으로 전기 권선(132)에 에너지 공급한다. 즉, 스위칭 요소를 제어함으로써, 전기 권선(132)은 두 방향 중 어느 하나로 에너지 공급/활성화될 수 있다. 주로 단상 H-브리지 구성을 사용하는 것으로서 예시 및 기재되어 있지만, 본 개시에서 벗어나지 않고서 통상의 6스위치 인버터 시스템이 다상 기계에 사용될 수 있다.

모터 컨트롤러(104)는, 본 개시 전반에 걸쳐 더 상세하게 기재되는 바와 같이, 고정자 극과 회전자 극 사이의 에어 갭을 가로질러 자속을 발생시키기 위해 각자의 극 에너지화(energization) 듀티 사이클 동안 스위치(134 또는 200)를 순차적으로 동작시키도록 구성될 수 있다. 스위치는 회전자에 대해 당기는 국지적 인력을 생성하기 위해 고정자 극에 순차적으로 에너지 공급하도록 제어될 수 있다. 이러한 순차적 에너지화(또는 활성화)는 회전자(108), 출력 샤프트(107) 및 부하(110)의 회전을 야기할 수 있다.

모터 컴포넌트 및 제어는 때때로 모터 회전자 및/또는 고정자의 D축(312)(도 3에 예시된 예) 및 Q축을 참조하여 논의된다. 모터의 직축 또는 D축(312)은 에어 갭(314)에 수직인 극(308)의 중심선으로서 정의될 수 있고, 고정자 극(411)(도 4 참조) 또는 회전자 극(408)에 적용될 수 있다. 회전자는 동기 기준 프레임에서 볼 때 각각의 극에 대한 D축(312)으로 특성화될 수 있다. 와이어 권선 회전자에서, D축(312)은, 계자 권선이 단일의 큰 슬롯에 집중되는지 아니면 다수의 더 작은 슬롯들에 걸쳐 퍼져 있는지에 관계없이, 코일 또는 계자 권선의 결과적인 자기 중심의 중심점이다. 고정자 극도 마찬가지로 특성화될 수 있다.

Q축은 자기 기준 프레임 내에서 D축에 수직(즉, 전기적으로 90°)이다. 일반적으로, Q축을 따른 힘은 토크와 같은 기전력을 발생시킨다. 위상적으로, 회전자 또는 고정자의 Q축은 통상적으로 두 극 사이에 직접 위치된다.

제어 신호가 D-Q축 성분으로 변환될 수 있는 이러한 시스템에서, 세 번째 z축 컴포넌트도 존재하며 D축 또는 Q축에 직접 매핑되지 않는 신호 또는 자기량으로서 기재될 수 있다. 예를 들어, Q 및 D 성분이 발견될 수 있는 평면에 직교하는 성분이다.

전류 페이저 각도(current phasor angle)(318)는 고정자의 자기 중심에 대한 회전자 극 D축(312)의 상대 각도이다(도 3a 및 도 3b에 예시된 예). 양의(positive) 전류 페이저 각도는, 고정자의 자기 중심이 운동 방향에서 회전자 극보다 앞서 있음을 나타낸다. 이러한 상황은, 고정자의 자기 중심이 회전자 극을 고정자의 자기 중심을 향해 "당기는(pull)" 것을 초래한다. 유사하게, 음의(negative) 전류 각도는, 고정자의 자기 중심이 회전자 극 뒤에 있음을 나타낸다. 이러한 상황은 회전자 극을 반대 방향으로 "당긴다". 이러한 음의 전류 페이저 각도(318)는 제동 상황에서 사용될 수 있다. 일부 구현에서, 90°보다 큰 전류 페이저 각도(318)가 사용될 수 있다. 이러한 큰 페이저 전류 각도(318)는 인접 극을 운동 방향으로 "밀어낼(push)" 수 있다. 유사하게, -90°보다 작은 전류 페이저 각도(318)는, 예컨대 제동 동작 동안, 인접 극을 반대 방향으로 "밀어내기" 위해 사용될 수 있다. 고정 기준 프레임과 동기 기준 프레임 사이에 전류 페이저 각도(318)를 변환하는 것은 다음 방정식을 사용하여 행해질 수 있다:

(1)

여기서

는 동기 기준 프레임에서의 전류 페이저 각도이고, P는 고정자 극의 수이며,

은 고정 기준 프레임에서의 전류 페이저 각도이다. 전류 페이저 각도에 관계없이, D축 성분과 Q축 성분으로 분해될 수 있다. 일반적으로, 여기에 기재된 모터 및 발전기에 대하여, D축 성분은 회전자 극 내의 필드를 "대전(charge)"하거나 변조하도록 작용하는 반면, Q축 성분은 회전자 극에 힘 또는 토크를 부여하도록 작용한다. 본 개시 전반에 걸쳐, 동작 조건에 기초하여, 전류 페이저 각도(318) 및 전류 진폭 둘 다를 조정하는 것이 상세하게 기재된다.

예를 들어 전류 각도, 듀티 사이클, 및 D축에서 Q축으로의 전류 주입이 전부 변경될 수 있다. 일부 경우에, D축 주입 기간 동안 Q축 전류에 비해 적어도 5%, 10%, 20%, 또는 30% 만큼 순간적인 D축 전류 증가가 달성될 수 있다. 일부 경우에, 주입 사이클 동안 예를 들어 5-60도, 10-50도, 15-45도, 또는 22.5-67.5도 만큼 결과적인 전류 각도의 감소가 달성될 수 있다. 일부 경우에, 2-70ms, 5-50ms, 또는 10-25ms 사이의 주입 펄스 폭이 사용될 수 있다. 일부 경우에, 총 동작 시간의 5%, 10%, 15%, 또는 25%의 대전 듀티 사이클이 사용될 수 있다. 일부 경우에, D축 주입에서 정상 동작으로의 전류 각도 전환 기간은, 0으로의 회전자 전류 감소에 의해 결정되는 대로, 500㎲ 내지 15ms, 2ms-12ms, 또는 4ms-10ms이다. 일부 경우에, 전류 각도는 15도, 10도, 또는 5도 미만 만큼 변경된다. 일부 경우에, D축 및 Q축 크기는 D축 주입 기간 동안 적어도 5%, 10%, 20%, 또는 30% 만큼 동시에 변한다. 시스템은 전류 제어 또는 전압 제어로 동작될 수 있다. 예를 들어, 특정 동작 파라미터에 관계없이, 원하는 허용 오차 내에 있도록 제어되는 전류 주입 리플 크기 변동으로 전류 소스 인버터를 통해 신호가 주입될 수 있다.

본 개시 전반에 걸쳐 기재되는 바와 같이, 회전자 상의 코일 구조는 회전자 극 주위의 적어도 하나의 루프를 포함하는 유도 결합을 통해 고정자로부터 전력/신호를 수신한다. 일부 구현에서, 전도성 루프를 위한 회전자 코일은 커패시턴스를 형성하며, 일부 구현에서, 커패시턴스는 회전자 코일 또는 전도성 루프의 특정 부분에 의해 형성, 삽입 또는 정의된다. 일부 구현에서, 회전자 코일 또는 전도성 루프는 공진 주파수를 포함한다. 일부 구현에서, 회전자 코일의 공진 주파수는 자기 투과성 극 또는 회전자 코일 재료의 전도가능 범위 내에 있다.

동작 시, 회전자 극이 고정자 상의 D축 신호를 통해 플럭싱될 수 있으며, 코일 구조가 극의 플럭스 변화에 저항하며 전류를 흘린다. 회전자 상의 Q축 신호가 플럭싱된 기계에 토크를 생성한다. 일부 토폴로지에서, 예를 들어 돌출 극 권선 동기 기계에서, 60-90도 사이의 전류 각도에서 암페어당 최대 토크(MTPA; maximum torque per ampere)가 발생한다. 주어진 동작 조건(예컨대, 토크 및 속도)에 대해, 컨트롤러는 전류 페이저 각도를 확립하는 D축 및 Q축 전류(주 제어 성분)의 조합을 포함하는 MTPA를 확립한다(예컨대, 룩업 테이블 또는 모델 기반 추정기를 통해). 이 전류 페이저 각도는 원하는 레벨의 회전자 플럭스를 주기적으로 유지하기 위해 변조 또는 진동될 수 있으며, 이는 관찰자 또는 추정기에 의해 모니터링되거나 모델 기반 접근을 통해 확립될 수 있다. 회전자 플럭스를 증가시키도록 D축이 변조됨에 따라, 토크 리플을 제한하고 전류 페이저 각도 변경으로 인한 임의의 역효과를 감소시키기 위해 또는 전류 페이저 각도의 변경을 제한하기 위해 Q축 전류의 크기가 비례적으로 변조될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 예시적인 전기 기계(300)의 사시도 및 측면도이다. 전기 기계(300)는 연관 고정자 권선(304)을 갖는 다수의 고정자 극들을 정의하는 고정자(302)를 포함한다. "모터 극"은 주어진 시점에서 에어 갭을 가로질러 단일 극성의 자속을 방출하는 고정자 또는 회전자 상의 위상(topological) 섹션으로서 기재될 수 있다. 전기 모터에서의 극 개수 또는 위치를 결정할 때 고정자 또는 회전자의 백-아이언에 운반된 플럭스가 고려된다. 극은 통상적으로 5,000 가우스를 초과할 수 있는 높은 필드 영역을 특징으로 한다. 극은 영구 자석으로부터 또는 전자기장으로부터 생길 수 있다. 고정자 또는 회전자 상의 극의 개수는 종종 제조 동안 고정되지만, 여기에 기재된 일부 구현에서, 회전자, 고정자 또는 둘 다에 대한 극의 개수는 동작 동안 변경될 수 있다.

본 예시된 고정자(302)는 분포 권선(304)을 갖는 것으로서 현재 예시되어 있지만, 본 개시에서 벗어나지 않고서 돌출, 집중, 및/또는 비중첩 고정자가 유사하게 사용될 수 있다. 회전자(306)는 연관 회전자 코일(310)을 갖는 다수의 회전자 극(308)을 정의한다. 예시된 구현은 고정자 톱니에 비교하여 1/3의 회전자 톱니를 포함하지만, 본 개시에서 벗어나지 않고서 다른 비율이 사용될 수 있으며, 예를 들어 회전자는 고정자에 존재하는 톱니의 1/2을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 회전자는 고정자에 존재하는 톱니의 1/4을 포함할 수 있다. 돌출, 집중 고정자 권선이 사용되는지 아니면 분포 고정자 권선이 사용되는지 관계없이 본 개시에서 벗어나지 않고서 다른 비율의 회전자 톱니 대 고정자 톱니가 사용될 수 있다.

예시된 바와 같이, 회전자 코일(310)의 각각은 정류기(311)에 단락된다. 각각의 코일(310)에 대한 정류기를 갖는 것으로 예시되어 있지만, 본 개시에서 벗어나지 않고서 다른 배열이 사용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 회전자 코일이 직렬로 또는 병렬로 단일 정류기에 전기적으로 결합될 수 있다. 일부 구현에서, 정류기(311)는 다이오드를 포함할 수 있다. 예를 들어 p-n 접합 다이오드, 가스 다이오드, 제너 또는 쇼트키 다이오드와 같은 여러 유형의 다이오드가 사용될 수 있다. 일부 구현에서, 쇼트키 다이오드가 사용될 때, 쇼트키 다이오드는 실리콘 카바이드 다이오드일 수 있다. 다이오드 선택은 전압 강하, 역 전압 항복 및 복구 시간을 포함하는 다양한 요인의 함수이다. 원하는 동작 조건에 따라 상이한 다이오드가 사용될 수 있다. 여러 유형의 다이오드가 나열되었지만, 본 개시에서 벗어나지 않고서 다른 다이오드가 사용될 수 있다. 정류기는 전류가 회전자 코일(310)의 각각을 통해 단일 방향으로만 흐르게 할 수 있다.

회전자 극(308)은 회전자 표면에 위상적으로 그리고 전기적으로 고정된다. 고정 극 회전자는, 극이 동기 기준 프레임에 대해 고정 유지되거나 위상적으로 그리고 전자기적으로 고정되는 회전자이며, 예를 들어 회전자(306)는 고정 극 회전자이다. 즉, 회전자(306)는 항상 고정자에 의해 제공되는 구동 주파수와 실질적으로 동일한 속도로 또는 그와 동기하여 회전할 것이다(고유 레벨의 토크 리플을 허용함). 동기 기준 프레임은 자기 기준 프레임과 동일하다. 이러한 이유로 고정 극 모터는 종종 "동기" 모터로 지칭된다. 계자 권선 회전자, 표면 PM 회전자, 자기저항 모터 및 내부 PM 회전자는 전부 고정 극 회전자의 예이다. 고정 극 회전자 설계는 회전자 D축(312) 영역(회전자 극의 중심)에서 강자성체의 이용을 최대화하며, 권선 계자 회전자의 경우, 유효 자기 중심이 D축(312)과 정렬됨을 보장한다. 그 결과, 고정 극 회전자는 주어진 크기 및 전력 정격에 대하여 시프팅 극 회전자보다 더 효율적인 것으로 간주되지만, 동적 부하 조건 및 동적 실행 속도 하에 일정한 전류 페이저 각도로 고정 극 회전자를 유지하는 것이 어렵다는 점에서 고정 극 회전자는 제어하기가 어렵다. 예를 들어, 부하의 변경 동안 속도를 유지하거나 모터를 가속하는 것은, 포지션 센서(316)로부터의 입력에 기초하여 전류 페이저 각도(318), 전류 크기, 및/또는 구동 주파수를 능동적으로 조정하는 것을 수반한다. 여기에 기재된 개념은 고정자 자기장과 회전자, 예를 들어 회전자(306)가 동작 동안 서로 동기성을 유지하기 때문에 주로 동기 기계에 적용가능하다.

대조적으로, 시프팅 극 회전자의 극은 위상적으로 또는 전자기적으로 고정되지 않고, 고정 기준 프레임에 대해 동작 중에 움직일 것이다. 즉, 회전자는 항상 "슬립(slip)"되고 고정자에 의해 제공되는 구동 주파수보다 뒤처지거나 동기화되지 않을 것이다. 그리하여 이 모터는 종종 "비동기" 모터로 지칭된다. 시프팅 극 회전자의 예는 와이어 권선 및 농형 유도 회전자, 전기자 와이어 권선 회전자, 브러시 모터 및 기타 유사한 모터를 포함한다. 시프팅 극 회전자는 동작 동안 전류 페이저 각도(318)를 자체 조절할 수 있지만, 극이 회전자 표면을 가로질러 균일하게 움직일 수 있도록 D축 강자성체와 Q축 계자 권선 사이의 설계 양보(design concessions)가 이루어져야 한다. 그 결과, 이러한 모터의 전기 저항은 더 높고, 더 많은 시동 전류가 필요하며, 주어진 크기 및 전력 정격의 시프팅 극 회전자에서 필드 강도가 더 낮다.

회전자(306)의 필드는 고정자 권선(304)에 의해 생성된 자기장에 의해 에너지 공급되도록 구성된다. 회전자(306) 및 고정자(302)는 에너지 공급된 회전자 필드에 응답하여 서로에 대해 움직이도록 구성된다. 회전자(306)는 고정자 권선(304)을 제외하고 고정자(302)의 컴포넌트로부터 실질적으로 에너지적으로 격리된다.

전기 기계 내에서, 고정자와 회전자는 동작 동안 전력 전달, 신호 전달, 및/또는 필드 변조를 가능하게 하도록 결합될 수 있다. 결합은 직접 결합 또는 간접 결합으로서 분류될 수 있다. 직접 결합은 에어 갭(314)과 같은 일차(primary) 동작 에어 갭을 따라 고정자와 회전자 사이에 발생한다. 간접 결합은 일차 동작 에어 갭에서 떨어진 이차(secondary) 인터페이스를 따라 발생한다.

직접 결합은 통상적으로 유도 결합된 것으로서 특성화되며, 예를 들어 농형 유도 회전자는 고정자에 직접 결합되는 것으로 간주된다. 직접 결합은 비동기 기계에서 일반적이고 쉽게 제어되지만, 본 개시 전반에 걸쳐 기재된 이유로, 동기식 기계와의 직접 결합은 제어하기가 어렵다. 예를 들어, 전류 크기 및/또는 주파수가 적절하게 유지됨을 보장하기 위해 회전자 포지션을 종종 알아야 할 필요가 있다.

간접 결합은 이차 결합을 따라 동작하며 방사상 배향되거나 축상 배향될 수 있고, 전기 접점, 별도의 에어 갭을 따른 유도 결합, 용량 결합 또는 광학 결합을 통해 통신할 수 있다. 이차 결합은 전기 기계의 효율성 및/또는 전체 제어 능력을 개선하기 위해 다양한 기능에 사용될 수 있지만, 추가 검토넌트가 종종 요구되며, 이는 이러한 시스템을 이용하는 기계의 무게, 복잡성, 고장 빈도 및 비용(운영 및 자본 비용 둘 다)을 증가시킬 수 있다.

결합은 전력 결합 또는 신호 결합으로 더 분류될 수 있다. 전력 결합은 일차 동작 에어 갭을 따라 기자력을 직접 구동하는 데 사용되도록 고정자로부터 회전자로 동력을 전달하며, 그에 의해 토크를 발생시킨다. 신호 결합은 회전자 내의 전기 회로를 개별적으로 조정하거나 회전자 조건, 예컨대 고정 기준 프레임에 대한 온도 또는 포지션을 모니터링하는 데 사용될 수 있는 신호를 고정자와 회전자 사이에 전달한다. 신호 결합은 모터의 정격 전력에 비해 매우 낮은 전력 레벨, 예를 들어 모터의 전력 정격의 5% 미만에서 전달한다. 일부 구현에서 또는 일부 동작 파라미터 하에, 신호 결합이, 예를 들어 7.5%, 5%, 3%, 또는 2.5%의, 모터의 정격 전력에 대한 레벨에서 전력을 전달하는 것이 바람직할 수 있다.

본 개시 전반에 걸쳐 기재된 바와 같은 에너지적으로 격리된 모터 및 발전기는, 주로(표준 전자기 차폐 허용 오차 내에서) 간접 또는 이차 결합의 사용 없이 고정자와 회전자 사이에 전력 및 신호를 전달하기 위해 직접 결합을 사용한다. 여기에 기재된 전기 기계는 전력 결합 및 신호 결합 둘 다에 대하여 회전자(306)와 고정자(302) 사이의 직접 결합을 포함한다.

일부 구현에서, 권선 회전자는, 도 3b에 예시된 바와 같이 포지션 D에 위치되거나 전류 페이저 각도의 변조를 통해 포지션 D로부터 포지션 Q로 전환할 때, 대전될 필요가 있거나 그로부터 이익을 얻을 수 있다. 대전은 회전자 권선 또는 권선에서 전류를 발생시키거나 회전자에 자속을 전달, 증가 또는 저장하는 것을 의미할 수 있으며, 이들의 각각은 고정자로부터 회전자로 일부 전력 전달을 수반할 수 있다. 이러한 작업은 다양한 방식으로, 예를 들어 고정자 여기의 전류 페이저 각도를 앞당겨 변조하는 것(예컨대, 고정자 여기의 전류 각도를 적절하게 앞당기거나 지연시킴), 고정자 여기 전류 페이저 각도의 변경 빈도를 증가시키는 것, 고정자에서의 여기 전류(또는 임의의 그의 결과적인 신호 성분)의 크기를 증가시키는 것, 또는 이들의 조합에 의해, 달성될 수 있다. 일부 경우에, 예를 들어 포지션 D'에서 또는 그 근처에서 동작할 때(예컨대, 포지션 Q로부터 포지션 D'로 또는 포지션 D'로부터 Q'로 전환함으로써), 회전자 필드가 약화될 필요가 있을 수 있다(예컨대, 회전자 및/또는 회전자 필드 권선에 존재하는 자속 또는 전류의 레벨을 감소시킴). 이러한 작업은, 전류 페이저 각도를 변조하는 것(예컨대, 고정자 여기의 전류 각도를 적절하게 앞당기거나 지연시킴), 고정자 여기 전류 각도 페이저 변경의 빈도를 감소시키는 것, 고정자에서의 여기 전류(또는 임의의 그의 결과적인 신호 성분)의 크기를 감소시키는 것, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 필드 약화는 오믹 손실을 통한 회전자 계자 권선 전류의 수동 손실을 통해 달성될 수 있다. 동작 시, 일부 구현에서 고정자에 의해 방출되는 신호와 회전자 속도를 결정하는 기본 동작 주파수 사이에 주파수 및 고조파 독립이 관찰될 수 있다. 기재되는 바와 같이, 본 개시는, 시스템의 효율성을 증가시키는 것, 시스템 손실을 제어하는 것, 또는 시스템의 효과비를 손상시키거나 감소시킬 수 있는 운영 상황에 대한 가능성을 완화시키는 것과 같은, 회전자를 단지 움직이는 것 이상의 추가 목표를 우선시하는 방식으로 모터의 제어가 달성될 수 있음을 인식한다. 이러한 시스템에 대한 부가의 세부사항이 본 개시 전반에 걸쳐, 예를 들어 도 6 및 연관된 설명에 기재된다.

도 3c 및 도 3d는 예시적인 전기 기계(350)의 사시도 및 측면도이다. 전기 기계(350)는 여기에 기재된 임의의 차이점을 제외하고는 전기 기계(300)와 실질적으로 유사하다. 회전자(356)는 6개의 회전자 극(358)을 포함한다. 고정자(352)는 분포 권선(354)을 포함한다. 전기 기계(350)는 6개의 회전자 톱니(극(358)) 및 36개의 고정자 톱니(370)를 가지며, 결과적으로 회전자 톱니 대 고정자 톱니 비율이 1:6이 된다. 이는, 4개의 회전자 톱니(극(308)) 및 12개의 고정자 톱니(320)를 포함하며 결과적으로 1:3의 회전자 톱니 대 고정자 톱니 비율이 되는 전기 모터(300)와는 상이하다. 본 개시에서 벗어나지 않고서 다른 회전자 톱니 대 고정자 톱니 비율이 사용될 수 있으며, 예를 들어 1:2 또는 1:4의 비율도 사용될 수 있다. 돌출, 집중 고정자 권선이 사용되는지 아니면 분포 고정자 권선이 사용되는지 관계없이 본 개시에서 벗어나지 않고서 다른 비율의 회전자 톱니 대 고정자 톱니가 사용될 수 있다.

도 4는 예시적인 전기 기계(400)의 측면도이다. 전기 기계(400)는 여기에 기재된 임의의 차이점을 제외하고 앞서 기재된 전기 기계(300)와 실질적으로 유사하다. 회전자(406)는 외부 회전자인 반면, 고정자(402)는 내부 고정자이다. 다르게 말하자면, 회전자(406)는 고정자(402)를 둘러싸고 고정 고정자(402) 주위를 회전한다. 고정자(402)는, 집중, 돌출, 비중첩 고정자 코일(404)을 갖는 고정자 극(411)을 정의한다. 회전자(406)는 회전자(406) 내에 내장된 영구 자성 재료(416)를 포함한다. 예시된 바와 같이, 각각의 회전자 극(408)은 실질적인 "M” 또는 “W” 구성으로 배열된 영구 자성 재료(416)의 4개 채널을 포함하지만, 본 개시에서 벗어나지 않고서 다른 배열이 사용될 수 있다. 영구 자성 재료(416)는 페라이트, SmFeN, N35, N45를 포함하는 다양한 재료를 포함할 수 있다. 더 낮은 전력의 영구 자성 재료가 통상적으로 사용되지만, 본 개시에서 벗어나지 않고서 더 적은 양의 더 높은 전력의 자성 재료가 사용될 수 있다. 영구 자성 재료(416)는 각각의 회전자 극(408)의 전체 종방향 길이를 가로질러 또는 각각의 회전자 극(408)을 부분적으로 가로질러 연장될 수 있다. 일부 구현에서, 영구 자성 재료(416)는 다중 층 또는 라미네이션으로 구성될 수 있다.

예시된 바와 같이, 영구 자성 재료(416)는 각각의 회전자 극(408)과 실질적으로 정렬되는 순(net) 자력을 초래한다. 일부 구현에서, 영구 자성 재료는 영구 자성 재료(416)로부터의 순 자력이 회전자 극(408)으로부터 오정렬되도록(miss-aligned) 배열될 수 있다. 일반적으로, 영구 자성 재료의 배열은 회전자 내의 자성 재료의 원하는 단면 자속 밀도에 따라 달라진다. 영구 자성 재료(416)가 회전자 코일(310) 내에 위치되는 구현에서, 영구 자성 재료(416)의 각 세트에 대한 플럭스는 주변 회전자 코일(310)의 전하를 조정함으로써 개별적으로 조정 및/또는 변조될 수 있다. 이러한 구현은 또한, 강한 고정자 필드로 인해 야기될 수 있는 자기소거(demagnetization)로부터 자석을 보호한다. 영구 자성 재료(416)가 회전자 코일에 의해 둘러싸이지 않는 구현에서, 고정자 필드에 의해 야기되는 플럭스의 조정은 회전자(406) 내의 다수 세트의 영구 자성 재료(416)에 영향을 미칠 수 있다.

도 5a 내지 도 5c는 예시적인 회전자 코일(310)의 정면도, 측면도 및 사시도이다. 도 3a, 도 3b 및 도 4에 예시된 바와 같이, 각각의 회전자 코일(310)은 회전자 극(308 또는 408)과 같은 각각의 극 주위에 단일 코일을 갖는 자체 권선으로서 작용한다. 그리하여, 회전자는 집중, 돌출, 및/또는 비중첩 권선을 포함하는 것으로서 기재될 수 있다. 일부 구현에서, 각각의 코일의 권선 방향은 각각의 인접한 회전자 극(308 또는 408)과 교번할 수 있다. 예를 들어, 돌출, 집중, 및/또는 비중첩 권선을 갖는 고정자를 사용하는 구현에서, 이러한 배열이 사용될 수 있다. 대안으로서, 정류기(311)의 정류 방향은 유사한 결과로써 각각의 인접한 극과 교번할 수 있다. 일부 구현에서, 권선 방향은 인접한 회전자 극 사이에 교번할 필요가 없다. 예를 들어, 분포 권선을 갖는 고정자를 사용하는 구현에서, 이러한 배열이 사용될 수 있다. 회전자 코일(310)이 자체적으로 단락된 단일 와이어 코일로서 예시되어 있지만, 각각의 코일이 자체적으로 단락되고 인접한 코일과 중첩되지 않는 한 다른 기하학적 구조가 사용될 수 있다. 일부 구현에서, 예를 들어 정류기를 공유하기 위해 유사한 극성을 가진 극이 서로 단락될 수 있다. 마찬가지로, 반대 극성을 갖는 극은 각 극의 권선 방향에 따라 서로 단락될 수 있다. 일반적으로, 회전자 코일은 종종 전력 전달 주파수의 전류 표피 깊이가 코일의 도체를 완전히 관통하도록 구성된다. 본 개시의 맥락에서 "전류 표피 깊이"는 전류, 특히 주어진 주파수에서 변화하는 자기장으로부터 유도된 와전류가 주로 흐르는 도체의 표면으로부터의 깊이를 지칭한다. 주어진 재료에 대하여, 표피 깊이는 다음과 같이 계산될 수 있다:

(2)

여기서 'f'는 자기 스위칭 주파수이고, μ는 재료의 투자율(H/mm)이고, σ는 재료의 전기 전도도이다. 회전자 코일(310) 내의 완전한 표피 깊이 관통을 달성함으로써 회전자 코일(310) 내의 균일한 인덕턴스를 허용한다. 일부 구현에서, 구동 주파수는 0Hz와 20Hz 사이에 연장될 수 있다. 일부 구현에서, 구동 주파수는 100Hz 내지 2000Hz의 범위일 수 있다. 일반적으로, 회전자 코일은 회전자 내의 자속의 감쇠가 고정자로부터의 자기장 시프트에 응답하여 회전자 코일 내의 전류에 의해 저항되도록 배열된다.

전통적으로 동기 모터는 재료를 자화시킬 자화 전류를 갖지 않으므로 공장에서 또는 설치 전에 자석이 자화되어야 한다. 그리하여, 동작 중에 자성 재료가 자기소거되는 경우(예컨대, 고정자가 너무 많은 부하를 가하기 때문에), 자석이 손상될 수 있거나 모터가 완전히 동작 불가능하게 될 수 있다. 회전자 코일(310)은 고정자의 잠재적인 자기소거 효과로부터 영구 자석을 보호하도록 돕는다.

회전자 코일(310) 각각 내의 정류기(311)는 동작 동안 모터의 토크 리플을 감소시키도록 돕는다. 정류기는 에어 갭(314)에서 플럭스의 에너지화 지연을 감소시킴으로써 이를 행한다. 회전자 코일(310)이 자기장 시프트에 응답하여 회전자 권선 내의 전류에 의해 회전자 내의 자속의 감쇠에 저항하는 동안, 회전자 코일(310)이 노출되는 구동 사이클의 부분에 관계없이 회전자 코일(310)은 정류 없이 이 기능을 수행한다. 즉, 정류되지 않은 회전자 코일은 구동 주파수의 양의 부분과 구동 주파수의 음의 부분 둘 다에 대해 대칭이다. 이러한 배열은 측정 가능한 양의 토크 리플을 생성할 수 있다. 정류기(311)를 포함하는 회전자 코일(310)에 대하여, 회전자 코일(310)은 제1 전류가 0으로 감소할 때까지 회전자 권선 내에서 제1 방향으로 제1 전류를 유도함으로써 제1 플럭스 변화를 허용하고, 회전자 권선 내에서 제2 방향으로 전류를 유도하도록 제2 플럭스 변화를 허용한다. 즉, 회전자 권선 내의 전류는 단방향이며, 동작 동안 비대칭 응답을 생성하고 토크 리플을 감소시킨다.

동작 시, 코일(310, 410) 및 정류기를 통해 흐르는 전류는 0으로 감소되도록 허용된다. 이러한 동작은 전류 페이저 각도(318)를 90° 미만으로 감소시킴으로써 수행된다(즉, 다음 인접한 극을 "밀어내기"보다는 극을 "당김"). 코일(310, 410) 및 정류기(311) 내의 전류는 전류 페이저 각도가 90° 미만인 지속 시간 내에서 감쇠하도록 허용된다. 이러한 지속 시간은 회전자(306, 406)의 속도 및 포화에 따라 수 밀리초에서 2초까지의 범위일 수 있다. 그 다음, 코일(310, 410)의 전류가 증가함에 따라 전류 페이저 각도가 증가된다. 이 프로세스 전반에 걸쳐, 페이저 각도(318)를 조정할 때 리플 전류에 대응하기 위해 전류 크기는 현재 페이저 각도(318)와 함께 변조될 수 있다.

도 5d는 잠금된(locked) 회전자 조건(예컨대, 시동) 하에 생성되는 다양한 대전 상태(552) 및 토크(554) 그리고 상이한 페이저 각도(556)를 예시한 그래프(550)이다. 높은 전류 각도(좌측)에서 회전자 전류(558)는 순간적인 고정자 전류 여기에 매우 반응성이 있는 것으로 나타난다. Q축(90°)과 D축(0°) 사이에서 동작할 때 상당한 유도 감쇠와 함께 높은 레벨의 대전을 볼 수 있다(예컨대, 필드 유지).

토크(554)는 고정자 Q축 전류의 낮은 집중으로 인해 비교적 높은 전류 각도(556)에 있는 것으로 도시되어 있다. 감쇠는 플럭스 변화에 저항하기 위해 회전자 코일(310, 410)을 통과하는 전류(558)에 의해 관찰될 수 있다. 이러한 제어 방식(코일(310 또는 410)과 조합됨) 하에, 회전자 필드는 전류 페이저 각도(556)에 기초하여 변조될 수 있다. 이는 동작 동안 넓은 동작 범위로 변환될 수 있다. 그래프(550)에서 알 수 있는 바와 같이, D축(312)에서 Q축으로의 동작은 자성 재료를 보호할 차폐 효과를 입증하며, 이는 더 적은 자성 재료, 더 낮은 보자력 재료 또는 둘 다를 허용한다. 고정자 Q축 전류가 증가함에 따라, 회전자 전류는 토크 생성에 더 큰 기여를 하는 것으로 나타난다(130-120도). 90도에서, 전류는 회전자 D축을 가로지르며 어떠한 순 전류도 생성되지 않는다.

또 다른 이점은, D축 주입에 의한 필드 약화는 영구 자석 모터의 경우에 비교하여 일정하지 않다는 것이다. 마찬가지로, 회전자 필드는 고정자를 통과하는 전류 크기에 의해 변조될 수 있다. 많은 경우에, 원하는 회전자 필드 변조를 위해 전류 크기 및 전류 페이저 각도(556) 둘 다 동시에 조정될 수 있다. 90도 미만의 페이저 각도에서 회전자 전류는 정류 회로의 존재로 인해 여기 전류에 대해 반순환적인(countercyclical) 것으로 나타난다. 고정자 여기 사이의 반응적 필드 감쇠 및 순 D축 주입으로 인해 이 기간 동안 회전자 필드가 증가한다.

원하는 회전자 필드 변조를 위해 전류 페이저 각도를 변조함으로써 토크 리플을 더 제한하기 위해 제어가 사용될 수 있다. 회전자 플럭스는 동기 기준 프레임에서 기계의 D축 상의 변조를 통해 고정자로부터 회전자로 전달될 수 있다. 이 전류 크기 또는 진폭 변조는 변조 주파수에서 변조의 지속기간 동안 전류 페이저 각도를 변경(감소)할 수 있다. 더 높은 변조 주파수는 토크 리플, 특히 파워트레인 또는 차량 부하의 관성 질량, 또는 심지어 회전자 자체를 포함할 수 있는 시스템에 의해 더 높은 주파수 고조파가 감쇠 및/또는 필터링되는 시스템의 토크 리플을 더 감소시킬 수 있다.

일부 경우에, 동기 기준 프레임에서 기계의 D축 상의 전류 크기 또는 진폭을 변조하면서 최대 토크 생성에 적합한 원하는 전류 각도를 고려함으로써 토크 리플도 또한 제한되거나 실질적으로 감소된다. 이러한 경우, 컨트롤러는 D축 상의 변조에 관련하여 동기 기준 프레임에서 Q축 상의 전류 크기 또는 진폭을 비례적으로 변조한다. 일부 경우에, Q축 크기의 이러한 비례 변조는 D축 변조의 5-10%, 10-20%, 20-40%, 또는 50-100%이다. 일부 경우에, 최대 토크 생성을 위해 설정된 또는 원하는 전류 각도에 대한 진동의 허용 오차를 허용한다. 일부 경우에, 이러한 허용 오차는 설정된 전류 각도로부터 0-1%, 0-5%, 5-10%, 10-30% 또는 30-60% 편차이다. 진동 허용 오차가 작을수록 회전자 필드를 적절한 레벨의 자속으로 유지하기 위해 컨트롤러에 의해 충분한 우선 순위가 제공되었다고 가정하여 컨트롤러는 토크 리플을 더 타이트하게 제어할 수 있다. 이 진동 허용 오차는 또한, 고정자 에너지화의 듀티 사이클로도 기재될 수 있다.

이러한 제어 방식을 더 기재하기 위해, 도 6은 회전자(602)와 고정자(604) 사이의 정렬을 갖는 전기 모터(600)의 개략도를 예시한다. 포지션 D는 반대인 고정자(604) 및 회전자(602) 극이 정렬되는 것으로서 정의된다(즉, N-S 및 S-N). 포지션 Q 및 Q'는, 완전히 정렬되지 않은 극으로서(즉, 각자 유사 극 및 반대 극에 접근함) 또는 유사한 고정자(604) 및 회전자(602) 극이 정렬됨(즉, N-N 및 S-S)에 따라 D 및 D'에 전기적으로 직교하는 것으로서 정의된다. 일부 구현에서, 특히 높은 돌출을 갖는 회전자에서, 동기 기준 프레임에서 D 및 Q 포지션 사이에 피크 토크가 발생한다(예컨대, 그의 자기 저항 성분으로 인해). 원형 회전자와 같은 다른 구현(예컨대, 적은 돌출을 갖는 기계)에서, 피크 토크는 Q 및 D' 포지션 사이에 발생한다. 영구 자석 모터가 사용되는 경우, 피크 토크 동작은 고부하에서 자기소거를 야기할 수 있으며 고속으로 필드 약화를 필요로 할 수 있다. 더 약한 자석은 크기/무게 및/또는 토크 생성에 해를 끼치는 데 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 영구 자석이 사용될 수 있다. 자기소거의 위험 없이 자기 전류 능력을 증가시키기 위해, 여기에 기재된 회전자 권선이 사용된다. 더 낮은 토크에서 회전자 권선 전류는 코깅(저항) 토크 낮춤을 줄이고 더 강력한 영구 자석의 능동 플럭스 약화에 대한 필요를 없애는 것이 가능할 수 있다. 여기에서 전류 페이저 각도의 변조를 사용하여, 권선 회전자는 제어 메커니즘을 통해 플럭스 약화 또는 강화될 수 있다(예컨대, 회전자 계자 권선 내의 전류 감소 또는 증가 및 회전자 극 자체 내의 플럭스). 하나의 비제한적 예로서, 고정자로부터의 동기 여기의 전류 페이저 각도가 변조될 수 있다. 적어도 일부 구성에서, 예를 들어 고정자 필드를 제어하기 위해 권선 회전자 동기 모터에서와 같은 추가 정류 하드웨어 또는 이차 제어 시스템이 필요하지 않다.

여기에 기재된 바와 같이, 본 개시에 따른 권선 회전자 구성은 추가적인 고정자-회전자 결합 요소를 필요로 하지 않는다. 대신, 신호는 회전자 라미네이션과 함께 고정자 권선 및 회전자 권선을 사용하여 전달된다. 이는, 고정자로부터 회전자로 신호를 전달하기 위해 특수 감지기, 센서, 유선 또는 무선 접속, 또는 브러시를 통합한 방식에 비교하여, 비용 및 구성요소를 감소시키고, 성능을 증가시키며(예컨대, 브러시의 옴 손실 제거), 물리적 접촉 및 마모 구성요소를 제거하거나 제어하고, 패키지 크기를 감소시키고, 제어 유연성을 제공한다.

본 개시 전반에 걸쳐 기재된 바와 같이, 제어 신호가 도 6에 예시된 바와 같이 D-Q축 성분으로 변환될 수 있는 시스템에서, 세 번째 z축 성분도 또한 존재하며, D축 또는 Q축에 직접 매핑되지 않는 신호 또는 자기량으로서 기재될 수 있다. 예를 들어, 예시된 바와 같이 Q 및 D 성분이 정의될 수 있는 평면에 직교하는 성분이다.

동작 시, 특정 변조(예컨대, 신호 또는 신호 파라미터 변조)를 이용한 필드 지향 또는 벡터 제어가 회전자 필드의 다양한 측면을 제어하는 데 사용될 수 있다. 이 변조는 고정자와 회전자 사이에 결합하는 신호 여기를 조정하는 데 사용될 수 있으며, 그 뿐 아니라 회전자에 대한 고정자 여기 파동(예컨대, 상대 포지션 및 크기)을 제어하는 데 사용될 수 있다. 따라서 회전자 응답의 직접 상관 또는 회전자 권선에 유도된 전류는 고정자 및 인버터에 의해 효과적으로 "조향될(steered)" 수 있다. 다르게 말하자면, 이러한 제어는 컨트롤러(104) 또는 컨트롤러(700)(도 7)와 같은 컨트롤러에 의해 조정된 대로 D축 및 Q축 필드에서 전류의 함수인 기계의 동적 거동을 생성할 수 있다. 다른 전략(예컨대, 토크 생성) 중에서, 벡터 변조는 전류 페이저 각도의 변조를 정의하도록 돕는 데 사용될 수 있다.

본 개시는 벡터 제어 변조가 부과되는 고정자 신호를 통해 회전자 반응에 직접 영향을 미치는 데 사용될 수 있음을 인식한다. 또한, 이 회전자 반응은 D축 또는 Q축에서 변조될 수 있으며 전류 페이저 각도 변조를 사용하여 실현될 수 있다. 전류 페이저 각도 변조의 상대적 효과비는 변조의 크기 및 퍼센트 변화 둘 다에 비례할 수 있다(예컨대, 기간 동안). 전류 페이저 각도를 조정하는 속도는 컨트롤러에 따라 다를 수 있으며, 회전자 재료의 의도된 응답 또는 회전자 응답에 따라 선택될 수 있다. 일부 경우에, 기계의 속도에 기초하여 주파수가 선택될 수 있고, 다른 경우에 고정 변조가 선택될 수 있다. 변조 주파수는 다양한 고려 사항에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 구성에서, 주파수는 기계의 기본 주파수보다 적어도 2-4배 더 높을 수 있다. 다른 상황에서, 변조는 기계의 기본 주파수보다 5-10배 더 높을 수 있다. 또 부가의 구성에서, 주파수는 기계의 기본 주파수보다 10-30배 더 높을 수 있다. 예를 들어, 주파수는 일부 구성에서 토크 발생과의 상호 작용을 방지하기 위해(예컨대, 토크 리플을 감소시키기 위해) 선택될 수 있다.

전류 페이저 각도는 벡터 성분 제어를 사용하여 제어될 수 있으며,

,

, 및

를 도 6에 예시된 D-Q 기준 프레임에 표현된 기본 주파수에서의 전류(예컨대, 전류 페이저 각도를 포함하는 주 제어 성분)라고 함으로써 기재될 수 있다. 이 신호는 직접 변조될 수 있으며, 또는 대안으로서, 총 고정자 전류가 되도록 기본 전류에 추가되는 임의의 D/Q 축에 독립적인 여기 변조를 추가하는 것이 가능하다:

(3)

(4)

(5)

여기서

,

, 및

는 각각의 축을 따른 정상 여기 전류이고,

,

및

는 더 기재되는 바와 같이 모터 컨트롤러 또는 다른 컨트롤러에 의해 선택 및 제어될 수 있는 독립 변조 신호이다. 변조는 정현파이거나 임의의 형태를 취하도록 선택될 수 있으며, 예를 들어 이러한 변조는 다음과 같이 더 기재될 수 있다:

(6)

(7)

(8)

변조 크기 및 주파수는, 전류 페이저 각도를 변경하기 위해 성분 및 벡터 합계 별로 독립적으로, 또는 주 성분을 변경하기 위해 전류 페이저 각도(

)를 직접 제어함으로써 선택될 수 있다:

(9)

(10)

(11)

마찬가지로, 다음과 같이 설정된 전류 페이저 각도에 대해 변조가 행해질 수 있다:

(12)

(13)

(12)

여기서

는 예를 들어 고정된 전류 각도에 대한 사인형 진동으로서 기재될 수 있다:

(13)

(14)

(15)

각각의 경우, 단일 축에 변조가 적용될 수 있으며, 그에 의해 다른 두 축에는 어떠한 변조도 적용되지 않고 회전자 응답을 발생시키는 데 사용되지 않는다. 대안으로서 또는 추가적으로, 토크 리플을 제어하거나 최소화하기 위한 목적으로, D축 전류 변조가 사용되거나 Q축 전류 변조와 함께 변경될 수 있다. D축 변조가 충분하지 않은 경우 Q축 변조가 사용될 수 있다. 일부 구현에서, Q축 변조는 회전 벡터 주입을 형성하기 위해 D축 변조와 조합하여 사용된다. Z축 변조는 본질적으로 토크 리플에 영향을 미치지 않으며 D-Q 기준 시스템에 대한 지식이 필요하지 않다. 그러나, Z축 변조는 종종 회전자에 미치는 영향이 제한되지만, 전력 또는 부수적인 정보 결합(예컨대, 속도 및/또는 위치)을 위해 고정자를 회전자에 결합하는 데 사용될 수 있다.

전류 변조 또는 전류 페이저 진동의 주파수는 듀티 사이클에 의해 기재될 수 있다. 이 듀티 사이클은 플럭싱(예컨대, D축) 및 토크 생성(예컨대, Q축) 주 성분 간에 나누어진 동작을 기재할 수 있다. 시동 조건에서, 듀티 사이클은, 토크 생성을 위해 D축과 Q축 사이 분할 동작 전에 회전자의 하드 플럭싱을 위해 D축에서 100% 또는 75-100% 또는 40-100%일 수 있으며, 여기서 50%-50% 분할, 30%-70%, 20-80%, 10-90% 분할(D축:Q축)이 있을 수 있다. 이는 또한 전류 페이저 각도에 대한 진동으로 나타날 수 있으며, 여기서 전류 페이저 각도 및 결과적인 자기장은 정상 상태 또는 준-정상 상태 동작 동안 약 5도, 10도, 20도, 또는 일부 경우에 30-45도 만큼 각도 변한다. 일부 구현에서, 진동 주파수 또는 진폭 변조는 회전자 응답을 도출하고/하거나 동작 시 토크 리플을 제한하기 위해 변경될 수 있다.

또한, 제어 전략은 회전자 코일에서 시간이 지남에 따라 감쇠하는 플럭스의 양을 제한하기 위해 더 높은 주파수 동작 또는 펄스를 이용할 수 있다. 즉, 회전자의 MMF 사이클 사이의 시간 스텝을 단축함으로써(시간이 지남에 따라 감쇠), 회전자 코일을 가로지르는 플럭스의 변동을 감소시켜 플럭스를 강화하고 임의의 음의 토크 모멘트 또는 연관된 토크 리플을 감소시키는 것이 가능하다. 회전자를 플럭싱하고 토크 리플을 제한하며 동작시 전류 페이저 각도 간의 전환을 원활하게 하도록 돕기 위해, 왜곡된 신호, 사다리꼴 또는 펄스 폭 변조(PWM; pulse width modulation) 기술과 같은 추가의 신호 수정이 사용될 수 있다.

고정자 측 전류는 고정자 측 전압에 대응할 수 있기 때문에, 전류에 내장된 신호를 포함하는 방식은 전압에 내장된 신호를 포함하는 등가 방식에 대응할 수 있다. 고정자 측 전압의 신호를 참조하여 본 개시 전반에 걸쳐 기재된 구현은 고정자 측 전류의 신호와 등가일 수 있고 또한 고정자 측 전류의 신호로도 기재할 수 있으며, 그 반대일 수도 있다.

앞서 기재된 바와 같이, 회전자 필드의 제어는 전류 페이저 각도 변조를 사용하여 고정자 권선을 통해 컨트롤러에 의해 조작될 수 있다. 이 변조는 크기 및 주파수에 의해 정의될 수 있고, 기계의 자기장, 고정자 여기, 및 주 제어 성분에 의해 관찰될 수 있다. 전류 페이저 각도 변조는 AC 코일에 전력을 전달하는 데 사용할 수 있으며, 여기서 전류 각도의 진동은 D-Q 기준 프레임에 의해 정의된 전류 각도의 설정 동작 포인트에 대해 정의된다(예컨대, 암페어당 목표 토크, MTPA를 달성하기 위해 전류 각도가 변조될 수 있음). 전류 페이저 각도 변조 섭동은 여기 필드의 진동, 크기 및 주파수에 의해 정의될 수 있다. 주어진 전류 페이저 각도에서의 전류 크기 변조는 회전자에 전력을 전달하거나 회전자 내에서 반응을 유도하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 가장 큰 응답은 회전자에의 최대 결합의 전류 각도에서(주어진 극의 D-Q 기준 프레임에서) 볼 수 있다. 예를 들어, 동기 기준 프레임 축에 관련하여 D축과 정렬되어 있는 권선 회전자의 경우, 가장 큰 전력 전달은 전기 0°의 페이저 전류 각도에서 발생할 것이다(여기서, 전기 0°는 동기 기준 프레임의 D축으로서 정의됨).

일부 구현에서, 정류의 교번 방향은 각각의 회전자 극의 극성이 그 이웃으로부터 반전된다는 것을 유효하게 의미한다. 다르게 말하자면, 4극 기계는 N-S-N-S를 갖는다. 대안으로서, 이러한 교번 극 배열을 달성하기 위해, 권선의 방향은 적절한 극성을 확립하도록 극별로 반전될 수 있다(예컨대, 단일 코일 및 정류기가 사용될 때). 대안으로서, 정류기 자체가 회전자에 적절한 극성을 제공하기 위해 극별로 방향이 전환되는 단방향 권선이 사용될 수 있다.

일부 구현에서, 개별 또는 병렬 회전자 코일 권선이 기계 내의 로컬 플럭스 조건을 확립하는 데 사용된다. 일부 구현에서, 그룹화된 또는 직렬 코일 회전자 코일 권선(들)이 기계 전체에 걸쳐 회전자 전류와 플럭스의 균형을 맞추는 데 사용된다. 이는 기계 주기성 또는 대칭의 함수로서 행해질 수 있다. 로컬 제어 영역을 달성하고 회전자 또는 기계 전체에 걸쳐 분산 균형을 이루기 위해 개별 및 그룹, 병렬 및 직렬 권선의 조합이 사용될 수 있다.

도 7은 본 개시의 양상과 함께 사용될 수 있는 예시적인 컨트롤러(700)의 블록도이다. 컨트롤러(700)는 앞서 기재된 모터 컨트롤러(104)에 추가로 또는 대신에 사용될 수 있다. 전자의 경우, 컨트롤러(700) 및 모터 컨트롤러(104)는 단일 통합 컨트롤러로 조합될 수 있거나, 또는 컨트롤러(700) 및 모터 컨트롤러(104)는 별개의 개별 컨트롤러일 수 있다. 컨트롤러(700)는 무엇보다도 전기 기계(300, 400)의 파라미터를 모니터링하고 전기 기계(300, 400)의 다양한 동작 파라미터를 작동 및/또는 조정하기 위한 신호를 보낼 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(700)는 특정 경우에 프로세서(750)(예컨대, 하나의 프로세서 또는 다수의 프로세서로서 구현됨) 및 프로세서(750)로 하여금 여기에 기재된 동작을 수행하게 하는 명령어가 들어있는 메모리(752)(예컨대, 하나의 메모리 또는 다수의 메모리로서 구현됨)를 포함한다. 프로세서(750)는, 예를 들어 회전자 포지션 센서 또는 전류 센서를 포함하는, 전기 기계(300, 400)의 컴포넌트와의 통신을 송수신하기 위해 입력/출력(I/O) 인터페이스(754)에 결합된다. 특정 경우에, 컨트롤러(700)는 추가적으로, 전기 기계(300, 400)의 다양한 전기 기계 컴포넌트(고정자에 대한 전력 또는 구동 신호를 포함함) 중 하나 이상, 그리고 그 뿐 아니라 전기 기계(300, 400)에 제공된 다른 센서(예컨대, 온도 센서, 진동 센서, 및 다른 유형의 센서)와 상태를 통신하고 작동 및/또는 제어 신호를 보낼 수 있다. 통신은 유선, 무선 또는 유선과 무선의 조합일 수 있다. 일부 구현에서, 컨트롤러(700)는 예를 들어 차량의 상이한 부품과 같이 상이한 위치 내에 위치된 상이한 부분을 가진 분산형 컨트롤러일 수 있다. 본 개시에서 벗어나지 않고서 추가의 컨트롤러가 독립형 컨트롤러 또는 네트워크 컨트롤러로서 컨트롤러(700)와 함께 사용될 수 있다.

컨트롤러(700)는 전기 기계(300, 400)를 제어하기 위한 다양한 레벨의 자율성을 가질 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(700)는 부하 및/또는 속도의 변화를 감지하기 시작할 수 있고, 오퍼레이터는 전력 주파수, 전류 크기 및/또는 전류 각도를 조정한다. 대안으로서, 컨트롤러(700)는 부하 및/또는 속도의 변화를 감지하기 시작하고, 오퍼레이터로부터 추가 입력을 수신하며, 오퍼레이터로부터의 다른 입력 없이 주파수, 전류 크기 및/또는 전류 각도를 조정할 수 있다. 대안으로서, 컨트롤러(700)는 부하 및/또는 속도의 변화를 감지하기 시작하고, 오퍼레이터로부터의 입력 없이 주파수, 전류 크기 및/또는 전류 각도를 조정할 수 있다.

예를 들어, 동작 시, 컨트롤러는 고정자 권선에 제어 신호를 보냄으로써 고정자 권선에 에너지 공급하고 고정자 내에 고정자 자기장을 생성하도록 구성된 컨트롤러일 수 있다. 컨트롤러는, 전류 각도 및 크기로 고정자를 통해 전류를 보내고 전기 기계(300, 400)의 동작 조건에 따라 전류 각도 및 크기를 능동적으로 조정함으로써 고정자 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 컨트롤러는 포지션 센서(316)로부터 포지션 스트림을 수신할 수 있다. 포지션 스트림은 회전자 포지션을 나타낸다. 포지션 스트림은 아날로그 또는 디지털 전기 또는 전자기 신호일 수 있다. 포지션 스트림을 수신하는 것에 응답하여, 컨트롤러는 존재하는 임의의 토크 리플의 존재, 부재 또는 심각도를 결정할 수 있다. 그러면 컨트롤러는 토크 리플이 존재한다고 결정하는 것에 응답하여 전류 각도 및/또는 전류 크기를 조정할 수 있다.

일부 구현에서, 페이저 전류 각도(318)는 높은 토크 조건 동안 운동 방향으로 회전자 극(308, 408)보다 앞서 증가된다. 즉, 토크 단위당 더 큰 전류가 필요한 경우에는 페이저 전류 각도(318)가 증가할 수 있다. 일반적으로, 전류 페이저 각도(318)가 증가함에 따라, 회전자 코일(310, 410)은 감소된 D축 성분(312)으로 인해 더 활성화된다(코일을 통해 더 많은 전류가 흐름). 다르게 말하자면, 각각의 회전자 권선의 필드는 전류 페이저 각도(318)가 증가함에 따라 더 빠르게 감쇠한다. 코일 내의 활동이 클수록 완화 없이 토크 리플 증가를 초래할 수 있지만, 각각의 극에 의해 경험되는 D축 성분의 증가 동안 전류 진폭이 증가될 수 있으며, 증가된 전류 각도(318)에 의해 생성된 잠재적인 음의 토크에 대항할 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 페이저 전류 각도(318)는 고속의 낮은 토크 동작 동안 감소된다. 대안으로서 또는 추가적으로, 제동 동작 동안 전류 각도는 음이 될 수 있다. 사용된 동작 모드에 관계없이, 컨트롤러(700)는 주어진 상황에서 전기 기계(300, 400)의 현재 요구를 충족시키기 위해 전류 각도 및/또는 전류 진폭을 조정할 수 있다.

특히, 전류 페이저 각도 또는 기계의 주요 컴포넌트의 전류 진폭이 토크를 발생시키기 위해 동작에 걸쳐 조정될 수 있다. 일부 경우에, 예를 들어, 회전자가 충분한 필드 강도를 가질 때, 이전의 시간 스텝과 비교할 때 어떠한 자화 전류도(또는 적게) 인가되지 않을 수 있다. 고속 동작과 같은 다른 경우에, 역기전력(EMF)을 감소시키고 전압 헤드룸을 제공하며 토크 리플을 제한하기 위해 코깅 토크를 줄이고 활성 필드 약화 동작을 피하기 위해, 회전자 필드는 저하되도록 허용될 수 있다. 컨트롤러는 예를 들어 50 내지 1000 헤르츠(Hz) 사이의 넓은 범위의 주파수에서 고정자를 통해 회전자와 통신할 수 있다. 일부 구현에서, 통신은 100Hz와 1000Hz 사이에서 발생한다. 결국 시스템은 종래의 시스템보다 빠르게 변화를 통신할 수 있다. 예를 들어, 종래의 농형 유도 기계는 실질적으로 7Hz에서 통신한다. 더 높은 주파수 전송을 위한 능력은 컨트롤러(700)가 동작 조건에 관계없이 토크 리플을 능동적으로 감소시키고 동작 조건의 변화에 신속하게 적응할 수 있게 해준다.

도 8은 본 개시의 양상과 함께 사용될 수 있는 방법(800)의 흐름도이다. 방법(800)의 전부 또는 일부는 컨트롤러(800) 및/또는 모터 컨트롤러(104)에 의해 수행될 수 있다. 802에서, 고정자 내의 고정자 자기장을 생성하기 위해 고정자의 고정자 권선에 에너지 공급된다. 804에서, 회전자 내의 강자성체 내의 대응하는 회전자 자기장이 고정자 자기장에 의해 수정된다. 806에서, 고정자 자기장의 시프트에 의해 회전자에 대해 접선 방향의 힘이 발생된다. 808에서, 발생된 접선력에 의해 회전자가 움직인다. 고정자 자기장 및 회전자는 동작 동안 서로 동기성을 유지한다. 810에서, 에어 갭에서 플럭스의 에너지화의 지연이 정류기에 의해 감소된다. 에어 갭은 고정자의 내부 표면과 회전자의 외부 표면에 의해 정의된다.

812에서, 자기장 시프트에 응답하여 회전자 코일 내의 전류에 의해 회전자 내의 자속의 감쇠가 저항된다. 플럭스 감쇠의 저항은 개별 회전자 코일(310) 상의 정류기(311)의 포함으로 인해 대칭적이지 않다. 그리하여, 제1 전류가 0으로 감소할 때까지 회전자 권선 내에서 제1 방향으로 제1 전류를 유도함으로써 제1 플럭스 변화가 저항되고, 제2 플럭스 변화는 회전자 권선 내에서 제2 방향으로 전류를 유도하도록 허용된다.

일부 경우에, 814에서 전류가 전류 각도로 고정자를 통해 보내진다. 통상적으로, 전류 각도는 운동 방향에서 회전자 극보다 앞서 있다. 일부 경우에, 816에서, 변하는 동작 조건에 응답하여 전류의 전류 크기가 조정된다. 818에서, 변하는 동작 조건에 응답하여 회전자 극(D축)에 대한 전류 각도가 조정된다. 특히, 814 및 816은, 두 단계가 모두 필요하지 않거나 해당 순서로 요구되지 않기 때문에, 점선 형태로 도시되어 있다. 즉, 전류 크기 및 전류 각도는 독립적으로 조정될 수 있다.

그 후, 현재 시점에서의 전기 기계의 동작 출력이 전기 기계의 원하는 동작 출력과 비교된다. 현재 시점에서의 전기 기계의 동작 출력이 전기 기계의 원하는 동작 출력에 있는 경우, 기계는 고정자 전류의 가장 최근에 조정된 파라미터를 사용하여 계속 동작한다. 그렇지 않은 경우, 프로세스는 현재 시점에서의 전기 기계의 동작 출력이 전기 기계의 원하는 동작 출력에 있을 때까지 고정자 전류의 전류 크기 또는 전류 각도 중 적어도 하나를 조정하도록 다시 반복한다.

이제 도 9a를 참조하면, 본 개시에 따른 프로세스 제어의 하나의 비한정적인 예가 제공된다. 특히, 도 9a는 증가된 토크(900)를 전달하기 위해 본 개시에 따라 모터 시스템을 제어하기 위한 예시적인 흐름도를 제공한다. 프로세스(900)는 902에서, 증가된 토크에 대한 요구 또는 요청으로 시작한다. 본 개시에 따라, 이 요청을 충족시키는 것은 2개의 병렬 워크플로우를 수행하는 것으로 개념화될 수 있다. 그러나 실제로 컨트롤러가 독립적, 병렬 또는 별개의 플로우들로 동작하도록 프로그래밍되거나 설계되어야 하는 것은 아니다. 증가된 토크에 대한 요청(902)을 충족시키기 위해, 컨트롤러는 904에서 회전자 플럭스를 증가시킴으로써 증가된 토크를 달성하는 것이 행해질 수 있다고 결정한다. 그리 하기 위해 906에서 Id가 증가되며, 이는 908에서 회전자 플럭스를 증가시킨다. 이는 원하는 회전자 토크가 달성될 때까지 계속되고, 그 다음 910에서 Id가 감소된다. 그러나, 회전자 플럭스를 증가시키려고 하는 동안, 컨트롤러는 토크 리플을 제어하거나 최소화하는 것을 목표로 Q축 전류 변조가 사용될 수 있거나 D축 전류 변조와 함께 변경될 수 있음을 인식한다. 따라서, 컨트롤러는 912에서 토크 성능을 유지하도록 작동하기도 한다. 이를 위해, 컨트롤러는 또한, 914에서 Iq를 변조하며, 그에 의해 916에서 원하는 토크 증가를 산출하지만, 토크 리플에 의해 야기될 수 있는 것과 같은 불안정한 토크 성능의 악영향 없이 일어난다.

이제 도 9b를 참조하면, 920에서 증가된 토크에 대한 요청에 응답하기 위한 제어 프로세스(918)의 또다른 비한정적인 예가 제공된다. 920에서의 요청에 응답하여, 컨트롤러는 922에서 회전자 플럭스의 증가를 요구함으로써 증가된 토크를 달성하는 것이 달성될 수 있다고 결정한다. 이를 달성하기 위해, 컨트롤러는 924에서 D축을 향해 전류 각도를 변조시키려고 하는데, 이것이 924에서 회전자 플럭스를 쉽게 증가시킬 것이기 때문이며, 이는 928에서 Q축을 향해 전류 각도를 변조함으로써 더 제어된다. 병렬로, 컨트롤러는 상기에 기재된 바와 같이 Iq를 변조함으로써 930에서 토크 성능을 유지하도록 작동한다. 따라서, 그 결과, 934에서 요청된 토크 증가가 전달된다.

이제 도 9c를 참조하면, 936에서, 원하는 토크 형태 시동에 도달하기 위한 제어 프로세스의 또다른 비한정적인 예가 제공된다. 938에서, 시동 시, 회전자는 잠금된다. 회전을 시작하기 위해, 940에서, 전류 각도는 D축을 향해 변조되고, 942에서 회전자가 D축을 향해 움직임에 따라 회전자 플럭스가 확립되거나 증가된다. 944에서, 전류 각도는 Q축을 향해 변조되고, 이 프로세스는 946에서 원하는 토크가 생성될 때까지 계속된다.

도 9d는 948에서 원하는 토크에 도달하기 위한 제어 프로세스의 또 다른 비한정적인 예를 제공한다. 이 경우, 프로세스는 모터가 이미 고속 동작 중인 상태에서 시작한다(950). 952에서, 전류 각도 변조의 듀티 사이클이 감소되고, 954에서 전류 변조의 진폭이 감소된다. 그 결과, 956에서 회전자 플럭스가 감소된다. 958에서, 회전자 플럭스가 감소함에 따라 역기전력이 떨어지고 960에서 코깅 토크가 감소한다. 950에서 모터의 고속 동작이 주어지면, 이 제어는 궁극적으로 962에서 토크 증가를 가져온다.

따라서, 기재된 시스템 및 방법은 고정자 D축을 따른 회전자 필드 라인의 비대칭 플럭스 벡터링이 순 회전자 필드 D축 전류 주입을 초래하는 것으로 인해 사인파 여기를 통해 토크의 순 증가를 전개시키는 것으로 나타났다. 그 결과, 아날로그 회로가 있는 종래의 회로에서 순 D축 전류 주입이 가능하였다. 회전자 코일 구조를 갖는 기계는 덜 포화될 것이며, 평균 토크 발생 측면에서 단락된 코일의 순 이점을 제시한다. 순 D축 전류 주입은 반응 회전자 코일 전류로 인해 등가 고정자 여기 하에 더 큰 시트 전류 밀도를 가능하게 한다.

따라서 본 주제의 특정 구현이 기재되었다. 다른 구현들은 다음 청구항의 범위 내에 있다. 일부 경우에, 청구항에 인용된 동작들은 상이한 순서로 수행될 수 있고 여전히 바람직한 결과를 달성할 수 있다. 또한, 첨부 도면에 도시된 프로세스는 바람직한 결과를 달성하기 위해, 도시된 특정 순서 또는 순차적 순서를 반드시 요구하는 것은 아니다.

Claims

전기 기계에 있어서,
고정자 전류를 수신하도록 구성된 연관 고정자 권선을 갖는 다수의 고정자 극들을 정의하는 고정자;
연관 회전자 권선을 갖는 다수의 고정된 회전자 극들을 정의하는 회전자 - 상기 회전자는 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 상대 운동을 생성하기 위해 상기 고정자 권선이 상기 고정자 전류를 수신하는 것에 응답하여 상기 고정자 권선에 의해 생성되는 자기장에 의해 에너지 공급가능한(energizable) 필드를 정의하고, 상기 회전자는 상기 전기 기계의 동작 동안 상기 고정자에 의해 생성되는 자기장과 동기하여(in synchronicity) 유지됨 - ; 및
상기 고정자 전류를 수신할 때 상기 고정자 권선에 의해 생성되는 자기장에 의해 상기 필드에 에너지 공급됨에 따라 상기 회전자 극에 교류가 유도되는 것에 대하여 제어하도록 구성된 정류 시스템
을 포함하는, 전기 기계.
청구항 1에 있어서,
상기 정류 시스템은 상기 다수의 고정된 회전자 극들 각각을 가로질러 단락하는 정류 컴포넌트를 포함하는 것인, 전기 기계.
청구항 2에 있어서,
상기 정류 컴포넌트는 상기 고정자와 회전자 사이의 에어 갭에서 플럭스의 에너지화(energization)의 지연을 감소시키도록 구성되는 것인, 전기 기계.
청구항 1에 있어서,
상기 정류 시스템은 회전자 토크 리플을 제어하기 위해 상기 고정자 전류를 수신할 때 상기 고정자 권선에 의해 발생된 전기장에 대한 비대칭 응답을 생성하도록 구성되는 것인, 전기 기계.
청구항 1에 있어서,
상기 정류 시스템은 상기 다수의 고정된 회전자 극들 각각을 가로질러 배열된 각자의 정류기를 포함하는 것인, 전기 기계.
청구항 1에 있어서,
상기 정류 시스템은 수동 정류 시스템 또는 능동 정류 시스템을 포함하는 것인, 전기 기계.
청구항 1에 있어서,
컨트롤러를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는:
상기 회전자 극들 중 가장 가까운 회전자 극에 대해 측정된 전류 각도로 상기 고정자 권선을 통해 고정자 전류를 보내고;
상기 전기 기계의 원하는 동작 출력을 결정하고;
상기 전기 기계의 상기 원하는 동작 출력에 대응하는 원하는 회전자 운동을 결정하고;
상기 원하는 회전자 운동을 유도하는, 상기 고정자에 적용되는 벡터 제어 변조를 계산하고;
상기 회전자가 상기 원하는 회전자 운동을 수행하게 하기 위해 상기 벡터 제어 변조에 기초하여 상기 고정자 전류의 전류 각도를 조정하고;
상기 전기 기계의 상기 원하는 동작 출력을 달성하도록
구성되는 것인, 전기 기계.
청구항 7에 있어서,
상기 컨트롤러는 또한, 상기 벡터 제어 변조에 기초하여 상기 고정자 전류의 크기 또는 주파수를 변조하도록 구성되는 것인, 전기 기계.
청구항 7에 있어서,
상기 컨트롤러는 또한:
상기 회전자가 상기 원하는 회전자 운동을 수행하게 하기 위해 상기 고정자 전류의 주파수 또는 진폭을 조정하고;
상기 전기 기계의 상기 원하는 동작 출력을 달성하도록
구성되는 것인, 전기 기계.
청구항 7에 있어서,
상기 컨트롤러는 또한:
상기 회전자가 상기 원하는 회전자 운동을 수행하게 하기 위해 상기 고정자 전류의 주파수 또는 진폭을 조정하고;
상기 회전자가 상기 원하는 회전자 운동을 수행하고 있으며 상기 전기 기계의 상기 원하는 동작 출력을 달성하는 중일 때 회전자 토크 리플을 제어하도록
구성되는 것인, 전기 기계.
청구항 7에 있어서,
상기 컨트롤러는 증가된 토크를 전달하기 위해 회전자의 극에 앞서 상기 고정자의 권선을 따라 상기 고정자 전류의 전류 각도를 증가시키도록 구성되는 것인, 전기 기계.
청구항 10에 있어서,
상기 컨트롤러는 회전자 토크 리플을 제어하기 위해 상기 고정자 전류의 전류 각도를 증가시키면서 상기 고정자 전류의 크기를 증가시키도록 구성되는 것인, 전기 기계.
청구항 7에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 회전자의 제동 기능을 전달하기 위해 상기 고정자의 전류 각도가 음이 되게 하도록 구성되는 것인, 전기 기계.
청구항 1에 있어서,
상기 고정자 권선은 분포 권선을 포함하고, 상기 회전자는:
집중 권선;
돌출 권선;
비중첩 권선; 또는
영구 자석
을 포함하는 것인, 전기 기계.
청구항 14에 있어서,
상기 회전자는 영구 자석을 포함하고, 상기 영구 자석은 상기 회전자 극과 실질적으로 정렬되는 것인, 전기 기계.
권선 계자 회전자 동기 기계에 있어서,
연관 고정자 권선을 갖는 다수의 고정자 극들을 정의하는 고정자;
다수의 회전자 극들을 정의하는 회전자 - 상기 회전자는 상기 고정자와 동기하여 회전하도록 구성되고, 상기 회전자는 상기 회전자 극들 각각과 연관된 회전자 권선을 포함하며, 상기 회전자 권선은 상기 고정자 권선에 의해 생성되는 자기장에 의해 에너지 공급되도록 구성되고, 상기 에너지 공급된 회전자 권선은 회전자 필드를 생성함 - ; 및
상기 고정자 권선에 의해 생성되는 자기장에 응답하여 상기 회전자 권선에 에너지 공급하는 것의 지연을 감소시키고, 상기 고정자 전류의 위상 각도 또는 상기 고정자 전류의 크기 중의 적어도 하나가 변함에 따라 회전자 토크 리플을 제어하기 위해 상기 회전자 권선에서 비대칭 전류 응답을 생성하도록 구성된 정류 시스템
을 포함하는, 권선 계자 회전자 동기 기계.
청구항 16에 있어서,
상기 정류 시스템은 상기 다수의 회전자 극들 각각을 가로질러 단락하는 정류 컴포넌트를 포함하는 것인, 권선 계자 회전자 동기 기계.
청구항 16에 있어서,
상기 정류 시스템은 상기 다수의 고정된 회전자 극들 각각을 가로질러 배열된 각자의 정류기를 포함하는 것인, 권선 계자 회전자 동기 기계.
청구항 16에 있어서,
상기 정류 시스템은 수동 정류 시스템 또는 능동 정류 시스템을 포함하는 것인, 권선 계자 회전자 동기 기계.
청구항 15에 있어서,
컨트롤러를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는:
상기 회전자 극들 중 가장 가까운 회전자 극에 대해 측정되는 위상 각도 및 크기를 갖는 고정자 전류로 상기 고정자 권선에 에너지 공급하고;
상기 권선 계자 회전자 동기 기계의 원하는 동작 출력을 달성하는 회전자 성능을 결정하는 것,
상기 권선 계자 회전자 동기 기계의 상기 원하는 동작 출력을 달성하기 위해 상기 고정자 전류의 위상 각도 또는 크기의 첫 번째 것을 조정하는 것,
상기 권선 계자 회전자 동기 기계의 현재 동작 출력을 나타내는 신호를 수신하는 것,
상기 권선 계자 회전자 동기 기계의 현재 동작 출력을 상기 권선 계자 회전자 동기 기계의 상기 원하는 동작 출력과 비교하는 것, 및
상기 권선 계자 회전자 동기 기계의 상기 원하는 동작 출력을 달성하기 위해 상기 고정자 전류의 위상 각도 또는 크기의 두 번째 것을 조정하는 것
에 의해, 상기 권선 계자 회전자 동기 기계의 상기 원하는 동작 출력을 달성하도록
구성되는 것인, 권선 계자 회전자 동기 기계.
청구항 20에 있어서,
상기 컨트롤러는 또한, 상기 권선 계자 회전자 동기 전기 기계의 상기 원하는 동작 출력에 응답하여 상기 고정자 전류의 주파수를 변조하도록 구성되는 것인, 권선 계자 회전자 동기 기계.
청구항 20에 있어서,
전류 각도를 조정하기 위해 상기 컨트롤러는 또한, 상기 권선 계자 회전자 동기 전기 기계의 단 하나의 축 상에서만 전류 각도를 조정하도록 구성되는 것인, 권선 계자 회전자 동기 기계.
청구항 20에 있어서,
상기 컨트롤러는 또한, 상기 권선 계자 회전자 동기 전기 기계의 상기 원하는 동작 출력을 달성하면서 회전자 토크 리플을 제어하기 위해 전류 각도 또는 전류 크기 중의 적어도 하나에 대한 조정을 선택하도록 구성되는 것인, 권선 계자 회전자 동기 기계.