KR0152363B1 - 철편식 교류 동기 모터 - Google Patents

Abstract

자석식 교류 동기 모터에서, 고정자 코일을 고정자의 원주 방향으로 상별로 권취하고, 고정자를 이루는 코일 하우징에는 방사상으로 길이방향의 철편을 끼워 자로를 형성케하고, 고정자 상(phase)수에 대응하는 회전자의 각 영구자석은 인접하는 영구자석의 극성이 같도록 배열된 것을 특징으로하는 철편식 교류 동기 모터이며, 고정자 코일을 고정자 원주방향으로 상별로 구분 배설하고, 회전자의 영구자석도 상별로 대응배열 시키되 인접하는 영구자석은 같은 극성을 갖도록 하여 각상별로 자기장의 고조파가 가감되므로 상전류 입력에도 불구하고 힘이 좋은 모터를 구현 가능하다.

Description

철편식 교류 동기 모터

제1도는 일반적인 스텝모터 구성도.

제2도는 일반적인 스텝모터 제어블럭도.

제3도는 일반적인 하이브리형 스텝모터 단면도.

제4도는 제3도의 종단면도.

제5도(a)는 제3도 A-A선 단면상태자로 설명도.

제5도(b)는 제3도 B-B선 단면상태자로 설명도.

제6도는 본 발명의 단면도.

제7도(a)는 본 발명의 고정자 1개를 확대한 단면도.

(b)는 제7도(a)에서 철편 및 코일을 생략한 보빈상의 하우징만을 나타낸 반단면도.

(c)는 제7도(b)의 철면홈에 끼워지는 단위 철편 정면도.

제8도는 본 발명의 고정자 1개를 확대하여 철편이 끼워지는 것을 보여주는 분해사시도이다.

본 발명은 자석식 교류 동기 모터에 관한 것으로, 특히 고정자 코일을 고정자의 원주방향으로 위상수에 따라 권취하고 고정자 코일을 감는 하우징에는 방사상으로 다수의 철편을 끼워 고정자 코일의 자로(磁路-Magenetic path)를 이루게하며, 대응하는 회전자의 영구자석은 인접 영구자석과 극성이 같도록 배열시키는 방식으로 이루어진 철편식 교류 동기 모터에 관한 것이다.

모터는 그종류를 불문하고 반드시 로터(회전자)와 스테이터(고정자)로 구성되며, 구동하는 전원에 따라 직류 모터와 교류 모터로 구분된다.

또한 교류모터를 회전수에 따라 분류하면 비동기모터와 동기모터로 구분되고, 동기모터는 릴럭턴스 모터, 영구자석 모터 및 히스테리시스 모터로 구분된다.

또한 직류전원을 인가받으나 별도의 제어회로에 의해 일정각도를 회전하는 스텝모터가 최근에는 급속히 사용되고 있다.(성안당 발행 소형 모터제어(94.1.5발행)).

상기 릴럭턴스동기모터는 로터가 돌극형 회전(salient-poled-rotor)을 가지며 돌극의 수가 모터의 극수이고 스테이터가 만드는 자극의 수와 같으며, 전원주파수에 동기하여 일정한 속도를 가질수 있다.

상기 스텝모터는 로터의 구조에 따라 VR형(가변릴럭턴스형 ; Variable Reluctance), PM형(영구자석식 스텝모터 ; Permanent Magnet) 및 혼성형(하이브리드형 ; Hybrid type)으로 구분된다.

이러한 스텝 모터는 직류전원을 상(phase)별로 선택 공급하여 원하는 회전을 제공하는 것으로 이는 제1도와 같이 스텝모터(4)의 고정자 코일(L1~L4)에는 직류전원(V)을 다이오드(D) 및 저항(R)을 통해 제공하고, 각 코일(L1~L4)은 제어부에서 제어하는 제어단(B1~B4) 펄스에 따라 일정주기동안 온되는 스위칭 트랜지스터(Q1~Q4)를 통해 선택 공급토록 이루어진다.

제2도는 제1도의 제어구성도로, 입력회로(1)에 입력펄스를 공급하여 분배회로(2)에 제공하고, 분배회로(2)에서 분배된 펄스는 스위칭회로(3)를 통하여 스텝모터(4)의 원하는 코일을 선택 구동토록 이루어진다. (C1)(C2)(C3)는 콘텐서이다.

이중 하이브리드형 스텝모터는 스텝모터의 대표적인 형태로써 영구자석과 돌극형 회전자가 합한 구조의 회전자로 이루어지며 제3도 및 4도와 같이 예시할 수 있다.

즉, 중앙의 영구자석(5-1)과, 그 양축의 성층강판(5-2)이 함께 회전축(5-3)에 고정되고, 양 성층강판(5-2) 외주의 소치(5-4)는 상호 반피치의 피치차를 두고 이루어진 회전자(5)와; 상수(phase)에 대응하는 대치(6-1)와, 회전자(5)의 소치(5-4)에 대응하는 소치(6-2)를 가지며 코일(6-3)이 대치(6-1)사이의 슬롯(6-4)에 권취되는 고정자(6)로 이루어진다.

상기 권선(6-3)은 각상의 코일이 4개의 극치에 코일을 지니고 이러한 4개 코일이 직렬로 접속된다. 즉, 1개의 극치에 감겨진 코일은 2조를 이루며, 내측에 나타낸 코일은 외측의 것에 대해서 반대극을 형성하며, 주로 2조의 코일은 바이파일러권으로 이루어짐을 예시할 수 있다.

이는 제3도의 N극측 단면 A-A와 S극측 단면 B-B의 양쪽을 펼친 상태로 제5도(a) 및 (B)에 도시하여 동작을 설명하면, 4상 코일에서 임의의 대치(6-1) (제4도는 Ⅰ상 부분과 Ⅲ상 기준)가 S극으로 코일(6-3)에 의해 자화 되었다면, 대응대치(6-1)의 Ⅰ상은 S극을, Ⅲ상은 N극을 이루고, 이에따라 Ⅰ상 부위에 소치(6-2)는 S극이 되므로 N극측 회전자(5)의 소치(5-4)로 부터의 자로가 형성되고, Ⅲ상 부위의 소치(6-2)에 유도되는 N극은 회전자(5)의 영구자석(S극)으로 자로를 형성함으로써 회전자(5)의 자로를 이루고, 이어 상이 Ⅱ상으로 변해가면 회전자(5)는 1/4 피치만큼 엇갈리고, 이런원리로 Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ의 순서로 전류(轉流)가 행해질때마다 1/4 피치씩 오른쪽으로 엇갈려 회전하게 된다.

이 경우 상기 Ⅰ상은 예를들어 제1도의 코일(L1)이라할 때 제2도에 보인 분배회로(2) 및 스위칭 회로(3)가 제어단(B1)을 온시켜 대응 트랜지스터(Q1)가 구동함으로써 구현되는 것이고, Ⅱ상은 코일(L2) 및 트랜지스터(Q2), Ⅲ상은 코일(L3) 및 트랜지스터(Q3), Ⅳ상은 코일(L4) 및 트랜지스터(Q4)를 온시켜 구현되는 것으로, 이는 입력회로(1)에서의 입력펄스에 따라 각상을 분배하여 구현가능케 한다.

결국 제2도에 보인 입력펄스에 따라 스텝모터는 일정한 각도(스텝각 : Step angle)만큼의 회전을 하고, 펄스를 연속적으로 분배제공 함으로써 모터의 속도는 펄스주파수에 비례한다. 상기 예를 보인 스텝모터는 스텝각이 1.8도 또는 0.9도가 보편화되어 있다. 이는 동기모터의 인버터 구동시 스텝각에 해당하는 각도가 2극3상 모터일 때 60도, 4극3상 모터일 때 30도임을 감안하면 대체로 큰각도이다.

또한 스텝모터는 펄스가 가해지지 않을 때에는 회전자가 일정한 위치를 유지하여 계속 정지하며 회전하려는 외력에 큰저항을 가진다.

따라서 독특한 기동 및 정지특성을 가지는바, 토크 대 관성모멘트의 비가 크게되고 일정한 주파수(고주파)범위의 펄스열(pulse train)을 제공하여야 기동되어 동기 구동하고, 펄스열을 정지하면 회전자는 급히 정지가능한 특성을 가진다.

한편 용량이 크고 출력이 큰 모터를 설계하려면 상기 스텝모터(하이브리드형)등을 포함하여 회전자에 영구자석을 가지는 영구자석식보다 전자석식으로 설계하는 것이 용이하며, 상기 영구자석식 모터 회전자 영구자석 대응부위에 전자석을 설치하면 된다.

그러나 이러한 전자석식 모터는 단순히 영구자석대응 부위에 직류코일을 설치하는 균등물적인 구조변경이므로 회전자에 직류를 공급하는 선로를 이루도록 하기위한 설계상의 문제점이 대두될뿐 아니라 그로인한 내구성의 저하등의 문제점이 있다.

즉, 직류코일을 회전자에 영구자석 대용으로 설치하면, 회전자와 함께, 코일도 회전하기 때문에 회전자 축에다 집전링(commutator)을 설치하고 브러쉬를 사용하여 직류전류를 공급해야 하므로 구조도 복잡해지고 사용도 불편할 뿐만 아니라 수명도 문제가 된다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 철편식 교류 전동기의 기본구조도는 제6도와 같이 예시할 수 있는바, 번호(113)은 회전축인데 회전자(120)의 일 철심(115, 115')사이에 영구자석(114)이 상별로 제1상 내지 제3상 회전자(121~123)로된 회전자(120)을 이루도록 고정되어 있다. 고정자(170)는 각상별로 된 제1 내지 제3상 고정자(171~173)로 이루어지며, 각 고정자(171~173)는 공히 철편식 고정자 철편(130)을 가진다.

또한 각 고정자(171~173)는 각각 A.B.C상을 이루는 원주방향으로 권취된 코일(140)을 갖는다. 번호(119')(119)는 A상(제1상)의 회전자 철심이고, (117')(117)은 B상(제2상)의 회전자 철심이고, (115')(115)은 C상(제3상)의 회전자 철심인데 각 회전자(121~123)의 외경에는 요철이 길이 방향으로 설치되어 있다. 각상에 대응하는 두 개의 철심은 영구자석(114, 116, 118)의 양쪽에 설치되지만 같은상에 해당하는 회전자는 치와 치, 홈과 홈은 똑바로 맞대고 있다. 그러나, B상의 회전자 철심(117', 117)은 A상의 회전자 철심(119', 119)과 1/3피치 각도로 어긋나 있으며, C상은 B상에 대하여도 1/3피치 각도로 어긋나 있으나, C상이 A상에 대하여는 2/3피치 각도로 어긋나 있다.

상기 제1 내지 제3상의 회전자(121~123)를 이루는 각각의 영구자석(118, 116, 114)을 착자 시킬 때 예를들어 번호(119')이 N극이고(119)가 S극이라면, (117')은 S극, (117)은 N극, (115')는 N극, (115)는 S극으로 착자시켜야 한다.

9각상에 대응하는 코일(140)들은 기계강도가 큰 절연재료로 만든 실폐형 하우징의 홈안에다 절연도선을 설계대로 감아 넣으면 되는데 예를들어 A상(1상)의 첫머리를 U로 하면 끝단은 X가 되고, B상(제2상)의 끝단이 V가 되면 첫머리는, Y가 되며, C상(제3상)에서 첫머리가 W가 되고, 끝단이 Z가 된다.

제7도의(b)는 하우징(150)의 반단면도이고 (a)는 철편(130)이 하우징(150)에 조립된 단위 고정자(170)의 반단면도이며, (c)는 단위 철편(130) 정면도이고, 제8도는 단위고정자(170)에서 철편(130) 및 코일(140)을 생략한 상태의 사시도로, 실폐 형상의 하우징(150)은 외주 중앙에 코일홈(151)이 형성되고, 코일홈(151)을 이루는 측벽(152)의 바깥쪽 부분은 방사상으로 철편홈(153)이 형성되며, 하우징(150)의 내부는 회전자(120)가 회전가능한 공간이 회전자 홈(154)을 이루고, 상기 철편홈(153)은 회전자홈(154)과 관통되도록 형성되며 코일홈(151)에는 코일(140)이 권취되고, 제7도(c)에 보인 철편(130)은 각 철편홈(153)에 끼움 고정시켜 제7도(a) 상태를 이루게함이 바람직하다.

이러한 방식의 코일(140)은 전류흐름방향에 직각으로 자계가 형성되므로 철편(130)을 따라 자로가 용이하게 형성되고, 철편(130)을 부도체 하우징(150)에 끼우는 용도로만 사용하므로 그만큼 무게가 가벼워진다.

본 발명에서의 회전자(120) 및 고정자(170)의 소치는 동수로 되어야하고, 회전자(120)의 영구자석(118, 116, 114)극성은 같은 극끼리 인접하도록 하여 독립적인 여자 기능을 하도록 하여야 한다.

이는 코일(140)이 원주방향으로 각 상별로 배설되어 있고, 대응하는 회전자(120)도 제1 내지 제3상 회전자(121~123)로 순차 배설되며, 아울러 각 회전자(121~123)의 영구자석(118, 116, 114)은 동일극성과 인접토록 극성을 갖게하였기에, 각상의 코일(140)이 60Hz로 전압값을 인가받아 철편(130)을 통해 극성이 60Hz에 연동하여 바뀌지만, 인접한 부위의 영구자석(118, 16, 114) 극성이 동일하므로, 전체 회전자(120)는 고정자(170)에 의한 자기장의 고조파가 이산되어 가감 됨으로써 (동기) 회전을 가능케 하는 것이다.

상기에서는 삼상을 기초로 설명하였으나 단상도 가능하고 다상 방식으로도 가능한바, 다상일때는 고정자(170)의 코일(140)수와 회전자(120)의 영구자석(118, 116, 114)수를 일치하게 대응시키면 된다.

따라서 원하는 회전수를 맞추려면 소치수만 결정하면 되므로 설계도 용이하고, 회전 토크도 세게된다.

상기에서는 고정자의 소치를 특별히 언급하지 않았으나 철편(130)이 철편홈(153)에 끼워져서 회전자홈(154)으로 하단이 노출되는 그 자체가 소치를 이루게됨은 알수 있을 것이다.

아울러 본 발명은 하우징(150)에 상별로 코일(140)을 구분시키고, 각상별 코일(140)의 임피던스값이 높아지도록 권취시켜 사용하면, 힘이세어 별도의 감속장치가 필요없어도 저속회전이 가능하고, 설사 과부하에 의해 회전이 멈추더라도 내부 임피던스가 충분히 높아 전동기가 과열되지 않게 된다.

또한 일반적인 전동기에서는 철심 밖에 있는 코일은 힘을 발생시키는데 활용이 않되지만 본방법으로 설치한 코일(140)은 철편(130)을 따라 자로가 형성되므로 전부분이 힘을 발생시키는데 활용되고, 또한 와전류도 작아져서 모터의 발열도 적어진다.

이상과 같이 본 발명은 영구 자석식 교류 모터에서 고정자 코일을 고정자 원주방향으로 상별로 구분 배설하고, 회전자의 영구자석도 상별로 대응배열 시키되 인접하는 영구자석은 같은 극성을 갖도록 하여 각상별로 자기장의 고조파가 가감되므로 상전류 입력에도 불구하고 힘이 좋은 모터를 구현 가능하다.

Claims (1)

1. 자석식 교류 모터에서, 고정자 코일을 고정자의 원주 방향으로 상별로 권취하고, 고정자를 이루는 코일 하우징에는 방사상으로 길이방향의 철편을 끼워 자로를 형성케하고, 고정자 상(phase)수에 대응하는 회전자의 각 영구자석은 인접하는 영구자석의 극성이 같도록 배열된 것을 특징으로하는 철편식 교류 동기 모터.