KR0121122B1 - 선형 자기저항 모터 - Google Patents

Abstract

대구경 원통 구동체의 구동에 필요한 큰 토크를 발생하며 가변속이 가능한 자기저항 모터는 로터 샤프트를 가지는 로터 프레임의 둘레에 긴밀히 고정되며 방사형으로 복수개의 치가 마련된 로터 요크를 포함하는 로터와, 상기 로터의 둘레에 일정한 갭을 가지고 근접 배치되며 로터요크의 방사형 치에 대해 일정한 비율로 어긋나게 폴이 배치된 스테이터 요크를 포함하는 스테이터 및, 상기 스테이터 요크상의 복수개의 폴마다 와인딩되며 전기적으로 180°위상각을 갖는 것끼리 직렬로 연결되는 상전류코일을 포함한다.

Description

선형 자기저항 모터

제1도는 본 발명에 적용되는 로터의 평면구조도.

제2도는 본 발명에 적용되는 스테이터의 개략적인 평면구조도.

제3도는 본 발명에 적용되는 스테이터의 조립구조도.

제4도는 본 발명에 적용되는 스테이터의 다른 조립구조도.

제5도는 본 발명에 따른 로터 치(티쓰)각과 스테이터 폴 각의 상관관계 설명도.

제6도는 본 발명에 따른 3스테이터 3상 모터의 예시 구조도.

제7도는 본 발명 모터의 스테이터 와인딩 코일 구동회로도로써 (a)는 비대칭형 구동회로도, (b)는 q+1 구동회로도.

제8도는 제7도의 파워스위칭 수단 제어회로도.

제9도는 (a)-(c)는 3스테이터 3상 모터의 각상 별자속경로 설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 로터 11 : 로터 샤프트

12 : 로터 프레임 13 : 로터 요크

14 : 치 20 : 스테이터

21 : 스테이터 요크 22 : 폴

23 : 상전류코일 24 : 사다리꼴 요홈

25 : 역사다리꼴 돌기 26 : 몸통부

28 : 보빈

본 발명은 우수한 토크 특성을 발휘하는 선형 자기저항(Linear Reluctance) 모터에 관한 것이다.

세탁기와 같이 원통이 큰 구동체를 구동하는 경우 지금까지는 유도모터와 감속기어를 병용하여 사용해 왔다.

일반적인 세탁기는 회전형 유도모터의 동력을 기어세트 또는 벨트를 통하여 세탁통에 전달하는 방식을 사용하고 있는데, 대부분 세탁통의 샤프트 축을 기어 박스의 축과 연결하고 한쪽 가장자리에는 단상 유도모터를 설치하여 벨트로써 동력이 기어세트에 전달되게 함으로써 세탁통을 회전시키고 있다.

이러한 구조의 세탁기 구동방식은 기어에 의한 동력의 손실, 소음발생 그리고 구동체의 무게중심이 모터의 샤프트축과 어긋나 있음으로 해서 생기는 진동문제가 나타나게 되고, 또한 고가의 기어세트를 요구함으로써 비용증가를 초래한다.

이에 대한 대책으로서 다양한 구동방식이 연구되고 있으며 그 연구 방향은 직접 구동방식, 즉 모터의 출력으로 직접 세탁기의 세탁봉(pulsator)이나 탈수조를 구동하게 하는 방식에 촛점이 맞추어져 있다.

본 발명의 목적은 대구경 구동체의 직접 구동방식에 적용하기 위한 선형 자기저항 모터를 제공하는데 있다.

이러한 구조의 선형 자기저항 모터는 앞에서 예로든 세탁기에의 응용뿐만이 아니라 큰 토크와 큰 반경을 가지고 원운동을 하며 속도가변이 필요한 어떠한 대형구동체에도 적용가능하게 될 것이다.

이하 첨부한 도면에 기초하여 본 발명을 설명한다.

제1도는 본 발명에 적용되는 로터(10)의 평면구조도로써, 로터 샤프트(11)를 가지는 원통형 플래스틱 디스크형태의 로터프레임(12)에 복수개의 로터치(Rotor Core Teeth)(14)가 방사형으로 형성된 로터요크(13)를 긴밀히 결합고정시킨 구조를 보이고 있다.

상기 로터치(14)들 사이의 각은 이후에 설명하게 될 스테이터 폴들사이의 각과 밀접한 상관관계로 설계된다.

제2도는 본 발명에 적용되는 스테이터(20)의 개략적인 평면구조도로써, 스테이터 요크(21)에는 복수개의 스테이터 폴(22)이 마련되고, 상기 스테이터 폴(22)마다 상전류코일(23)이 와인딩되어 마련된 구조를 보이고 있다.

제3도는 본 발명에 적용되는 스테이터(20)의 상세한 조립 구조 설명도로써, 제3도(a)는 스테이터 요크(21)와 스테이터 폴(22)이 분리된 상태를, 그리고 제3도(b)는 스테이터 요크(21)와 상전류코일(23)이 형성된 스테이터 폴(22)의 결합상태를 보이고 있다.

여기에서 스테이터 요크에는 그 내측으로 사다리꼴 요홈(24)을 마련하고 상기 스테이터 폴(22)에는 상기 사다리꼴 요홈(24)에 결합될 역사다리꼴 돌기(25)와 상전류코일(23)의 와인딩이 형성될 몸통부(26)와 헤드부(27)를 마련하고 있음을 알 수 있다.

제4도는 상기 스테이터(20)의 다른 조립구조 설명도로써, 제4도(a)는 스테이터 요크(21)와 스테이터 폴(22)과 상전류코일(23)이 감겨진 보빈(28)이 분리된 상태를, 그리고 제4도(b)는 이들의 결합상태를 보이고 있다.

상기 보빈(28)에는 상전류코일(23)이 사전에 와인딩되며, 이를 스테이터 폴(22)의 몸통부(26)에 삽입 결착시키는 구조를 가진다.

제5도는 본 발명에 따른 로터 치간 각도와 스테이터 폴간 각도의 상관관계 설명도로써 3상의 경우를 예를들고 있으며, 인접로터 폴들 사이의 각도에 대해 1.5개의 스테이터 폴이 놓여지는 각도로 설계하고 있다. 즉 인접로터 치들사이의 각 θ₁과 스테이터 인접 폴들 사이의 각 θ₂사이에는배의 상관관계가 존재하도록 설계된 예를 보이고 있다.

제6도는 본 발명에 따른 선형 자기저항 모터의 스테이터 및 로터의 배치구조도로서, 3상 3 스테이터에 의한 자기저항 모터 시스템의 실예를 나타내고 있다.

여기에서 각 스테이터(20)는 6개의 스테이터 폴을 가지며, 제1폴과 제4폴에 감긴 상전류코일에는 A상의 전류가 직렬로 공급되게 배선하고, 제2폴과 제5폴에 각각 감긴 상전류코일에는 B상의 전류가 직렬로 공급되게 배선하고, 제3폴과 제6폴에 각각 감긴 상전류코일에는 C상의 전류가 직렬로 공급되게 배선한다.

제7도는 상기 제6도에 나타낸 3상 3스테이터 선형 자기저항 모터의 구동회로로서, 제7도(a)는 비대칭형 구동회로를 보이고 있고 제7도(b)는 q+1 구동회로를 보이고 있다.

상기 비대칭형 구동회로는 회로동작 전압(V)에 대해 제1와인딩 코일(L₁)을 사이에 두고 직렬회로를 형성하는 제1,4파워스위치수단(Q₁,Q₄)과, 제2와인딩 코일(L₂)을 사이에 두고 직렬회로를 형성하는 제2,5파워스위치수단(Q₂,Q₅)과 제3와인딩 코일(L₃)을 사이에 두고 직렬회로를 형성하는 제3,6파워스위치수단(Q₃.Q₆)을 포함하며, 상기 제1-제6파워스위치수단(Q₁-Q₆)은 외부로부터 입력되는 펄스신호에 의해 스위칭 제어되게 구성하고 있다. 상기 각각의 와인딩 코일은 한쌍의 상전류코일을 의미한다.

또한 상기 제1-제3와인딩 코일(L₁-L₃)의 각각의 양단에는 역기전압을 그라운드 또는 +전압쪽으로 바이패스시켜주기 위한 프리휘일 다이오드(D₁,D₄),(D₂,D₅),(D₃,D₆)가 마련되고 있다.

상기 구동회로에서 제1-제3파워스위치수단(Q₁,Q₃)은 전류공급용이고, 제4-제6파워스위치수단(Q₄-Q₆)은 전류쵸핑(Chopping)용이다. 이를 통하여 단위 시간에 흐르는 전류의 평균량을 조절함으로써 출력의 양을 조절하게 된다.

한편 상기 q+1 구동회로는 한개의 전류공급용 파워스위치수단(Q₁)과, 상기 전류공급용 파워스위치수단(Q₁)과, 상기 전류공급용 파워스위치수단(Q₁)에 대해 제1-제3와인딩 코일(L₁-L₃)을 사이에 두고 각각 직렬회로를 형성하는 전류쵸핑용 제4-제6파워스위치수단(Q₄-Q₆)을 포함한다.

여기에서 q+1의 q는 위상을, 그리고 1은 전류공급용 파워스위치소자(1개)를 나타낸다.

제8도는 제7도에 보인 비대칭형 또는 q+1 구동회로의 전류공급용 파워스위치수단과 전류쵸핑용 파워스위치수단의 구동회로로서, 전류공급용 파워스위치수단(θ ₁)은 단안정회로(M₁)의 출력에 의해 구동하게 연결하고, 전류쵸핑용 파워스위치수단(Q₄)은 위치센서(S₁)의 출력에 의해 구동하게 연결한다.

상기 위치센서(S₁)은 홀소자를 이용할 수 있으며, 일예로 본 발명 모터의 하우징에 홀소자를 부착하고 로터에는 영구자석을 부착하는 것으로 로터 치(티쓰)의 위치를 센싱할 수 있게 할 수 있다.

이와같이 구성된 본 발명 모터의 작용 및 그 특유의 효과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 선형 자기저항 모터는 제2도에서 참조되는 바와같이 스테이터(20)의 폴, 즉 와인딩(23)을 가지는 스테이터 폴(22)의 갯수에 따라 그 상이 결정된다.

예를들어 스테이터 폴(22)이 6개일 경우 전기적으로 180°위상을 갖는 두개의 폴의 상전류코일(23)을 직렬로 연결하여 1개의 상을 만드는 것으로 3상이 된다.

상번호는 맨위측으로부터 아래측으로 A, C, B, -A, -C, -B상으로 정의할 수 있다(제6도 참조). 따라서 스테이터 폴이 4개이면 2상, 8개이면 4상이 될 것이다.

또한 하나의 로터에서 희망하는 필요한 토크에 따라 2개, 3개, 4개 또는 그 이상의 스테이터를 붙여 사용 할 수 있다.

제6도는 3스테이터 구조의 3상 자기저항 모터의 구조를 예시적으로 나타낸 것으로, 스테이터(20)와 로터(10)가 제6도와 같이 위치하고 있는 경우 A상의 와인딩 코일과 -A상의 와인딩 코일이 여자된다.

제7도 내지 제9도를 참고로 3스테이터 3상 자기저항 모터의 동작 과정을 상세히 설명하면 아래와 같다.

먼저 제8도의 제1단안정회로(M₁)의 펄스 출력과 제1위치센서(S₁)의 위치검출 출력에 의해 제1 및 제4파워스위치수단(Q₁,Q₄)이 온되면 제7도에 보인 A상 및 -A상의 직렬 와인딩 코일(L₁)에 전류가 흘러서, 제9도(a)같이 A상 및 -A상이 여자됨에 따른 자속경로가 형성된다.

이에 따라 로터(10)는 제5도에 보인θ ₁-θ ₂의 각도만큼 회전하게 된다.

다음 제2단안정회로(도시생략)에서 펄스가 발생되고 또한 제2위치센서(도시생략)에서 위치검출신호가 나타나면 제7도의 제2 및 제5파워스위치수단(Q₂,Q₅)이 온된다.

이에 따라 B상 및 -B상의 직렬 와인딩 코일(L₂)에 전류가 흐르게 되므로 제9도(b)와 같은 자속경로가 형성되어 로터(10)는θ ₁-θ ₂각만큼 회전하게 된다.

마찬가지로 제3단안정회로(도시생략)와 제3위치센서(도시생략)에서 제3 및 제6파워스위치수단(Q₃,Q₆)에 대한 구동신호가 발생되면 C상 및 -C상의 직렬 와인딩 코일(L₃)에 전류가 흘러 제9도(c)와 같은 자속경로가 형성된다.

이상은 비대칭형 구동회로(제7도(a)를 이용한 3스테이터 3상 구동모터의 동작설명이지만, q+1 구동회로(제7도(b))를 이용하더라도 동일하게 모터의 로터를 회전시킬 수 있게 된다.

그 차이점은 비대칭형의 경우 파워스위치수단 갯수증가에 따른 경제적인 불이익이 따르는 반면 회로동작의 안정성을 확보할 수 있다는 점이다.

한편 이러한 스테이터 와인딩 코일의 스위칭 제어에 따라 로터에서 얻어지는 토크를 이론적으로 전개시켜 보면 다음과 같다.

모터관련 전기회로는 R, L, C로 나타낼 수 있고, 코일이 와인딩된 스테이터 회로는 RL 직렬회로로 나타낼 수 있다. 회로의 외부단자에 전압을 가하여 전류를 흘리면 회로의 에너지는이 된다. 일반적으로 전기저항은 스테이터 코일의 임피던스 보다 매우 적다. 힘과 일량은, 힘에 이동거리를 x라 할때, W=Fx의 관계로 나타나고, 토크와 각과의 관계에서는로 표시된다.

따라서, 토크를 구하기 위하여서는의 관계식을 사용한다.

인덕턴스의 에너지는이므로의 최종식이 구해진다. 본 발명에 따른 선형 자기저항 모터는 스테이터와 로터사이의 인덕턴스의 각도 변화분에 의해 회전력이 발생한다.

각각의 경우에 형성된 자기회로는 자기저항을 가지게 되는데 이를 리럭턴스(reluctance)라고 한다. 기자력과 자기저항의 사이에는라는 관계가 있고, 인덕턴스와 플럭스 사이에는라는 관계식이 있다. 따라서 두개의 식에서의 인덕턴스 식이 구해진다. R은 자기저항, 즉 리럭턴스이며 결국 인덕턴스의 회전각에 대한 변화율은 리럭턴스의 회전각에 대한 변화를 의미한다. 리럭턴스는의 공식으로 표시된다. 여기에서 A는 자기회로의 각 구분마다의 단면적을 의미하고, L은 해당 자기회로의 길이를 의미한다.μ _r은 재질의 비투자율을 의미하고 μ₀공기의 비투자율을 나타낸다. 공극부분의 리럭턴스의 경우 비투자율μ _r은 1이 된다.

이상과 같은 본 발명은 큰 토크의 발생과 가변속을 가능하게 함으로, 큰 반경을 가지고 원운동을 하는 대형 구동체에 적합하다.

특히 세탁기에 적용시킬 경우 한개의 로터에 의한 회전력으로 세탁 및 탈수시 각각의 구동체를 널리 알려져 있는 기계적 클러치를 통하여 직접 구동방식으로 스위칭 회전시킬 수 있게 됨에 따라 기존의 기어에 의한 동력전달시의 구동력 손실을 방지할 수 있고 무게중심과 구동축을 어긋남에 따른 소음 및 진동을 방지할 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 로터 샤프트를 가지는 로터프레임의 둘레에 긴밀히 고정되며 방사형으로 복수개의 치가 마련된 로터요크를 포함하는 로터 ; 상기 로터의 둘레에 일정한 갭을 가지고 근접 배치되며 로터요크의 방사형 치에 대해 일정한 비율로 어긋나게 폴이 배치된 스테이터 요크를 포함하는 스테이터 ; 및 상기 스테이터 요크상의 복수개의 폴마다 와인딩되며 전기적으로 180°위상각을 갖는 것끼리 직렬로 연결되는 상전류코일로 구성된 것을 특징으로 하는 선형 자기저항 모터.
2. 제1항에 있어서, 상기 스테이터 요크에 마련되는 폴의 수는 4개 이상이며 2의 정수배를 만족하는 갯수인 것을 특징으로 하는 선형 자기저항 모터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 로터 둘레에 일정한 갭을 가지고 근접 배치되는 스테이터는 1이상의 복수개인 것을 특징으로 하는 선형 자기저항 모터.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 로터요크의 방사형 치간 각도와 스테이터 요크의 폴간 각도의 비율은 2:3인 것을 특징으로 하는 선형 자기저항 모터.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스테이터는 사다리꼴 요홈이 형성된 스테이터 요크와 역사다리꼴 돌기가 형성된 폴의 조립구조를 갖는 것을 특징으로 하는 선형 자기저항 모터.
6. 제5항에 있어서, 상기 폴의 몸통부에는 코일이 와인딩된 보빈이 결합되는 것을 특징으로 하는 선형 자기저항 모터.