KR0158748B1 - 초기 회전력을 갖는 스위치드 릴럭턴스 모터 - Google Patents

Abstract

4n극 스테이터 2n극 로터를 구비하는 스위치드 릴럭턴스 모터가 스테이터와 로터가 일치되어 정지한 경우 그후의 기동시에 기동력을 제공하기 위해 회전방향을 향하는 로터의 면에 돌기를 형성하여 비대칭으로 만들어 기동토크가 발생되게 한다.

Description

초기 회전력을 갖는 스위치드 릴럭턴스(Switched Reluctance : SR)모터

제1도는 (a) 및 (b)는 종래의 4극 스테이터 2극 로터의 구조를 보이는 상태도.

제2도 4극 스테이터에 감긴 권선과 전원과의 결선도.

제3도 (a) 및 (b)는 로터의 각도가 평행인 때와 평행이 아닌때 B상 여자에 의한 자속경로를 보이는 상태도.

제4도 (a) 및 (b)는 4극 스테이터 2극 로터의 모터에 토크의 상태를 보이는 설명도.

제5도 (a) 및 (b)는 본 발명에 의한 스테이터와 로터의 결합상태 및 로터의 구조를 보이는 상태도.

제6도 (a) 및 (b)는 본 발명에 의한 SR 모터의 자속경로를 보이는 상태도.

제7도 (a) 및 (b)는 본 발명에 의한 SR 모터의 자속경로를 보이는 상태도.

제8도 (a) 및 (b)는 8극 스테이터에 감긴 권선의 결선도 및 8극 스테이터 4극 로터의 결합 상태도.

제9도 8극 스테이터 4극 로터의 SR 모터의 A상 여자시에 자속경로를 보이는 설명도.

제10도 8극 스테이터 4극 로터의 SR 모터의 B상 여자시에 자속경로를 보이는 설명도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

ST : 스테이터 RT : 로터

RP₁,PR₂: 돌기

본 발명은 스위치드 릴럭턴스(SR : Switched Reluctance) 모터에 관한 것으로, 특히 로터(rotor)의 한쪽면에 돌기를 달아 로터의 위치가 완전 수평일 때에도 자기적으로 불평형을 이루어 순방향 회전력이 생기도록 한 초기 탄성력을 갖는 로터를 구비한 스위치드 릴럭턴스(SR) 모터에 관한 것이다.

4/2극 SR모터는 4개의 스테이터(stator)극과 2개의 로터(rotor)극으로써 구성된다. 제1도에 그 구조가 도시되며 (a)는 스테이터이고, (b)는 로터의 구조이다.

4개의 스테이터 그(A₁,A₂,B₁,B₂)에는 각각 권선이 감기고, 이것은 2상 전원과 연결되어 구동되도록 결선된다.

그 결선도가 제2도(a)에 도시된다.

이와 같은 종래의 SR모터는 제3도(a)에 도시된 바와 같이 로터와 완전 수평상태에서 B상을 여자(勵滋)시키면 제3도(a)의 점선과 같이 자기회로가 형성되어 B상으로의 흡인력이 발생하게 된다. 이러한 흡인력과 로터가 회전함으로써 생기는 관성력에 의해 로터의 위치가 제3도(b)와 같이 되면 A상을 여자시킨다. 그러면 제3도(b)의 점선과 같이 자기회로가 형성되어 A상으로의 흡인력이 생긴다. 그후의 동작은 제3도(a)와 같고 이후 이러한 동작이 반복된다. 이때 제4도(a)와 같은 상태를 가정하면, 이때 로터의 두극점 P₁과 P₂에 작용하는 각각의 토크는

(Ti는 관성토크)

이 된다. 이러한 두개의 토크는 서로 짝힘으로 작용하고 있으므로 로터 중심에 작용하는 회전력은

이 된다.

제4도(b)와 같이 로터가 스테이터 A상과 일치해 있다면, Tp₁,Tp₂,Te₃,Te₄의 스칼라(Scalar)크기는 같고, 식(3)에서 서로 상쇄된다. 따라서, 관성력 성분만이 남게된다.

로터(RT)가 회전하고 있는 상태라면 관성력 성분에 의해 회전은 계속되고 이점을 벗어난 위치에서는 계속 정상적으로 전기적 회전력이 발생한다. 그러나, 초기에 모터가 정지되어 있다면 이 관성력은 0이 되어 결국 회전력은 존재하지 않게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 발명의 목적은 로터가 완전수평일때에도 자기적으로 불평형을 이루어 회전력이 발행하는 초기 회전력을 갖는 스위치드 릴럭턴스(SR)모터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 로터의 한쪽면에 돌기를 형성하여 로터가 완전수평일 때에도 자기적으로 불평형을 이루는 로터를 구비한 초기회전력을 갖는 스위치드 릴럭턴스(SR)모터를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 로터의 회전축을 중심으로 회전하는 방향으로 향하는 면에 상, 하로 한쌍의 돌기를 형성한다.

이하 본 발명을 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.

제5도(a) 및 (b)는 본 발명에 의한 로터의 일실시예의 구조 및 그 장착상태를 보이는 도면이다.

제5도에 도시된 모터는 4/2극 SR모터이다. 4/2극 SR모터는 4개의 스테이터 극(A₁,A₂,B₁,B₂)(A₁,A₂,B₁,B₂)에는 권선이 감기고, 제2도에 설명된 바와 같이 2상 전원과 연결되어 구동된다. 로터(RT)는 두극(R₁R₂)을 구비하며, 그 극들은 로터(RT)가 회전하는 방향을 향한면에 돌기(RP₁,RP₂)를 각각 구비한다.

돌기(PR₁,PR₂)외에, 보조적으로 홈(RD₁RD₂)가 형성된다.

로터(RT)의 돌기(PR₁,PR₂)의 높이 D는 제4도(b)에 도시된 바와같이 로터가 수평상태일 때, 순방향 자기회로를 형성하여 회전력이 발생하도록 하기 위함이다. 로터(RT)의 홈(RD₁RD₂)은 홈으로 인한 로터(RT)의 두 대칭면에서 발생하는 자기 저항의 차이를 보상해주고, 로터(RT)의 치(齒)부분에서의 자기회로와 돌기(RP₁,PR₂)부분에서의 자기회로를 서로 구분해 주기 위해 형성된다.

상기와 같이 형성된 로터(RT)가 관성력을 갖고 회전중에 있다든가, 기동시의 각도가 순방향 회전력을 발생할 수 있는 위치일 경우는 종래의 로터 구조에서와 같은 방법으로 회전력이 발생한다.

그러나, 로터(RT)상태가 수평일때, 즉 각도가 0도인 경우의 기동회전력은 다음과 같다.

1) 모드 1: 제6도(a)에서의 경우와 같이 B1극에서 볼때 로터(RT)의 p1극에 있어서 로터치에 대한 거리보다 돌기(RP₁RP₂)의 거리가 훨씬 더 짧아, 자기회로는 제6도(a)에 점선으로 표시된 바와 같이 이루어진다.

따라서 식(3)의 값은 관성력 성분이 0이라 하여도 양(陽)의 값이 되어 회전력을 발생하게 된다.

2) 모드 2: 로터(RT)가 회전하여 제6도(b)에서와 같이 된 경우, 스테이터 자속의 일부는 로터(RT)에서의 미소면(R₁,A)로 흘러 들어가서 자기회로는 제6도(b)에서와 같다. 그러나, 돌기(RP₁)에서의 거리가 아직은 미소면 (R₁,A)보다 짧아, 자속의 많은 부분은 돌기(RP₁)로 흐르게 된다.

3) 모드 3: 로터(RT)가 회전하여 제7도(a)에서와 같은 각도에 있는 경우, 로터치의 일부는 이미 스테이터 B1 극 영역속으로 들어와 있다. 따라서 이 부분에서의 플럭스 누설거리는 공극이 된다. 그러나 돌기(RP₁)와 스테이터 극(B₁)과의 거리는 (A+B)이므로 자속은 전부 로터(RT)의 치(齒)를 통하여 흐르게 되며 돌기(RP₁)는 로터극(P₁)에서의 자기저항 감소에 다소 기여할뿐, 거의 역활을 하지 않게 된다.

4) 모드 4: 로터(RT)가 회전하여 제7도(b)에서와 같이 되면, 로터치의 거의 전부가 스테이터치(B₁)에 중첩되어지고 자속은 모두 이면을 통하여 흐르게 된다. 이 정도의 각에서 스테이터 극(B1-B2)의 전류는 차단되고 덤프(dump)전류가 흐르게 된다. 이때부터 로터(RT)가 스테이터극(B1-B2)과 나란히 정렬될때 까지 로터(RT)는 스테이터(ST)의 다음 상(相)(A1-A2)에 의해 여자될 준비를 하게 된다. 상(A1-A2)이 여자되면 이상의 모드 1에서 모드 4까지의 과정이 상(A1-A2)을 중심으로 진행되며 이러한 과정이 반복되면서 회전을 계속하게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본원의 목적은 돌기를 구비한 로터(RT)의 구조에 의해 달성되며, 그 로터 구조의 상세한 사항이 다음에 설명된다.

1) 돌기: 돌기는 본 건에서 제안하는 가장 중요한 부분이다. 돌기 높이의 결정은 다음 2개의 조건을 만족하는 치수로 정해진다.

조건1) 제5도(a)의 위치에서 스테이터 극 B1에 대한 로터의 위쪽 절반의 자기저항이 좌측부분과 우측부분에 대해 일정차이가 생기도록 한다.

조건2) 로터가 제5도(a)의 위치에 있을때 스테이터 A1,A2면 (치(齒))와의 거리 (A+B)는 공극 보다 훨씬 커야 한다.

이상의 조건을 만족하는 로터의 치수 A,B,C,D는 다음과 같다.

σ=공극(m), Dr=로터외경

A=(0.8∼1.0)*E, B=(0.2∼0.4)*0.5*Dr

C=(1.2∼1.5)*B,

D=(0.2∼0.4)*Sso, Sso:스테이터 극의 간격 (m)

E=(0.3∼0.4)*D

여기서 돌기높이(D)가 스테이터 극의 간격(Sso)의 0.2∼0.4로 놓은 것은 공기저항 같은 기계적 저항 및 로터 중량을 극복하고 회전 토크를 발생시키기 위하여 경험적으로 산출된 량이며, 정확한 파라메터의 값은 모터의 크기, 출력등에 의해 최종결정한다.

2) 홈: 로터치 면에서 A거리에 홈을 설치한다. 전항에서 설명한 바와 같이 홈의 목적은 a)로터치 자속경로와 돌기 자속경로의 구분

b)돌기에 의하여 생기는 로터의 2개 분활면 Sa, Sb의 자기저항 비균형을 위한 것이다.

따라서 홈의 깊이 E와 돌기 높이 D와는 일정비율이 되도록 한다.

[다른 실시예]

본 발명에 의한 로터의 구조를 4n/2n의 구조를 갖는 모든 SR 모터에 공통적으로 사용할 수 있다. 즉, 8-스테이터 4-로터극, 12-스테이터 6-로터극, 16-스테이터 8-로터극 ... 등

(4n/2n, n=1,2,3...)의 구조를 갖는 모든 SR모터를 포함한다.

하나의 예로서, 8/4극 SR모터에 대한 응용에 대해 설명한다.

스테이터가 8극 이상인 모터에서 단 2개의 전원스위치 소자로 구동시키기 위해서는 결선을 전기적으로 적절히 조합시킬 필요가 있다.

제8도(a) 및 (b)는 이에 대해 도시하고 있는데, 본 도면에서는 직렬결선의 상태를 보여주고 있다. 그러나, 임피던스 정합(matching)을 위하여 필요시에는 병렬 결선을 할 수도 있다.

그림에서와 같이 2개의 상(相)에 대한 결선을 한개의 군으로 하면 구동회로의 상수(相數)를 2상으로 간략화 시킬 수 있다. 만일, 스테이터 극이 12극이면 6개의 극, 즉 6개의 상에 대한 결선을 한개의 군으로 하고, 만일 16극이면 8개의 극, 20극이면 10개의 극 ...... 등과 같이 군으로 한다. 이러한 방법의 효과는, 어떠한 복수의 극을 가진(4n/2n)SR 모터라 하더라도, 구동회로의 상수(相數)를 단 2개로 단순화 시켜 경제적이고도 간단한 시스템을 이룰수 있다.

제8도(b)는 8극 스테이터와 4극 로터가 결합되어 있는 모터의 상태도이다. 81은 스테이터극이며, 8극 스테이터인 경우 8개로 구성된다. 82는 로터측 구멍이며, 이 구멍에 삽입되는 축에 의해 로터(RT)가 모터의 외부 케이스에 지지되어 회전한다.

83은 로터극이며, 4극 로터인 경우 4개로 구성된다.

84는 스테이터 요크이며, 자로(磁路)를 제공한다.

85는 스테이터 고정구멍이다.

제9도에 본 발명에 의한 일 실시예의 8극 스테이터 4극 로터구조의 SR모터에서 A상이 여자(勵磁)될때의 기동 토크가 발생하는 상태가 도시된다. 제6도(a)에서와 같이 자기회로(磁氣回路)가 형성되어 회전토크가 발생하여 회전하게 되며 그 동작은 앞서와 같으므로 설명을 생략한다.

제10도에 제9도와 같이 기동토크가 발생한 후에 본 발명에 의한 8극 스테이터 4극 로터 SR모터의 작동상태가 도시되며, 그 동작은 앞서와 같으므로 설명을 생략한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 로터의 구조를 변형시켜 종래의 (4n/2n)극 SR모터에서 발생하던 초기 기동이 불능한 상태가 안 생기도록 했으며, 따라서 (4n/2n)극 SR모터가 갖는 구조 및 구동회로의 단순성을 그대로 이용하면서 초기 기동이 가능한 값싼 SR모터를 제작할 수 있다.

Claims (4)

1. 복수의 극(Pole)에 상(相)코일이 권선된 스테이터와 상기 스테이터내에 설치되는 로터로 구성되는 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상기로터의 회전축을 중심으로 회전방향을 향하는 면에 소정높이의 돌기를 형성하고, 그 돌기와 상기 회전방향을 향하는 면이 만나는 바깥쪽 부분에 소정깊이의 홈을 형성한 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
2. 제1항에 있어서, 기동시에 상기 로터의 극과 일치하는 스테이터극에 권선된 코일에는 전원이 인가되지 않고 상기 로터의 돌기가 바라보는 스테이터극에 권선된 코일에 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
3. 제1항에 있어서, 상기 돌기의 높이는 상기 스테이터극의 간격의 0.2∼0.4배인것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
4. 제1항에 있어서, 상기 홈의 깊이는 상기 돌기 높이의 0.3∼0.4배인것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.