KR0179407B1 - 전자석식 교류 모터 - Google Patents

Abstract

전자석식 교류 모터에서, 길이 방향으로 소치를 이루는 요철이 외주면에 형성된 봉상의 회전자와; 상기 회전자의 요철과 대응하는 내측소치를 가지며, 고정자용 교류코일과 별도의 직류코일이 함께 수장된 고정자를 포함하여 이루어지며 고정자의 직류코일이 로터에 자로를 형성케 한 것을 특징으로 하는 전자석식 교류 모터이며, 고정자에 교류코일과 직류코일을 함께 설치하고 회전자는 철심만으로 구성하므로 회전자의 구조가 단순해지고 직류코일의 권선 수에 따라 자계세기가 달라지므로 원하는 회전이나 토크를 쉽게 변형 설계 가능하다.

Description

전자석식 교류 모터

제1도는 일반적인 스텝모터 구성도.

제2도는 일반적인 스텝모터 제어블록도.

제3도는 일반적인 하이브리드형 스텝모터 단면도.

제4도는 제3도의 종단면도.

제5a도는 제3도 A-A선 단면상태자로 설명도.

제5b도는 제3도 B-B선 단면상태자로 설명도.

제6도는 본 발명의 단면도.

제7도는 본 발명의 고정자에 감기는 직교류 코일 배선구조도.

제8도는 본 발명의 직류코일 결선을 보인 결선도이다.

본 발명은 전자석식 교류 모터에 관한 것으로, 특히 고정자에 교류코일 외에 직류코일을 부가하고 회전자는 철심으로만 구현하되 외주양측의 요철이 상호 반 피치차를 갖는 방사상의 요철을 형성하며, 고정자의 직류코일이 회전자 영구자석 기능을 하여 회전하는 방식의 전자석식 교류 모터에 관한 것이다.

모터는 그 종류를 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, 동기모어는 릴럭턴스 모터, 영구자석 모터 및 히스테리시스 모터로 구분된다.

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

상기 릴럭턴스 동기모터는 로터가 돌극(salient-poled-rotor)를 가지며 돌극의 수가 모터의 극수이고 스테이터가 만드는 자극의 수와 같으며, 전원주파수에 동기하여 일정한 속도를 가질 수 있다.

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

이러한 스텝 모터는 직류전원을 상별로 선택 공급하여 원하는 회전을 제공하는 것으로 이는 제1도와 같이 스텝모터(4)의 고정자코일(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 온(ON)되는 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 콘덴서이다.

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 양측의 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) 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 바이파이러권으로 이루어짐을 예시할 수 있다.

이는 제3도의 N극측 단면 A-A와 S극측 단면 B-B의 양쪽을 펼친 상태로 제5a도 및 5b도에 도시하여 동작을 설명하면, 4상 코일에서 임의의 대치(6-1)(제4도는 I상 부분과 Ⅲ상 기준)가 S극으로 코일(6-3)에 의해 자화되었다면, 대응대치(6-1)의 I상을 S극을, Ⅲ상은 N극을 이루고, 이에 따라 I상 부위의 소치(6-2)는 S극이 되므로 N극측 회전자(5)의 소치(5-4)로부터의 자로가 형성되고, Ⅲ상 부위의 소치(6-2)에 유도되는 N극은 회전자(5)의 영구자석(5극)으로 자로를 형성함으로써 회전자(5)의 자로를 이루고, 이어 상이 Ⅱ상으로 변해 가면 회전자(5)는 1/4 피치만큼 엇갈리고, 이런 원리로 I-Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ의 순서로 전류(轉流)가 행해질 때마다 1/4 피치씩 오른쪽으로 엇갈려 회전하게 된다.

이 경우 상기 Ⅰ상은 예를 들어 제1도의 코일(L1)이라 할 때 제2도에 보인 분배회로(2) 및 스위칭 회로(3)가 제어단(B1)을 온시켜 대응 트랜지스터(01)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(스텝 각 Step angle)만큼의 회전을 하고, 펄스를 연속적으로 분배제공함으로써 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 큰 각도이다.

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

따라서 독특한 기동 및 정지 특성을 가지는바, 토크 대 관성모멘트의 비가 크게되고 일정한 주파수(고주파)범위의 펄수열(pulse traun)을 제공하여야 기동되어 동기 구동하고, 펄스열을 정지하면 회전자는 급히 정지 가능한 특성을 가진다.

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

그러나 이러한 전자석식 모터는 단순히 영구자석 대응 부위에 직류코일을 설치하는 균등물적인 구조변경이므로 회전자에 직류를, 공급하는 선로를 이루도록 하기 위한 설계상의 문제점이 대두될 뿐 아니라 그로 인한 내구성의 저하 등의 문제점이 있다.

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

본 발명은 이를 해결코자 하는 것으로 고정자에 고정자동 코일 외에 직류코일을 부가하여 회전자에 영구자석이 없어도 고정자 자체의 복수코일 방식에 의해 회전을 가능케 함을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 회전자에 영구자석이 직경방향으로 고정된 모터에서, 길이 방향으로 소치를 이루는 요철이 외주면에 형성된 봉상의 회전자와; 상기 회전자의 요철과 대응하는 내측소치를 가지며, 고정자용 교류코일과 별도의 직류코일이 함께 수장된 고정자를 포함하여 이루어지며; 고정자의 직류코일이 로터에 자로를 형성케 한 것을 특징으로 하는 전자석식 교류 모터를 제공하려는 것이다.

이하 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제6도는 본 발명의 단면도, 제7도는 본 발명의 고정자 대치에 감겨진 교류 및 직류코일의 일예도로, 길이중심을 경계선으로 서로 1/2 피치차로 어긋나게 배열된 요철의 소치(111,113)가 외주면에 길이방향으로 방사상으로 형성된 봉상의 회전자(110)와; 상기 회전자(110)의 소치(111,)와 대응하는 내측 소치(131)를 이루며, 고정자용 교류코일(140)과 별도의 직류코일(150)이 함께 수장된 고정자(130)를 포함하여 이루어진다.

상기 직류코일(150)은 고정자(130) 길이방향 중간의 외주면에 제7도와 같이 원주방향으로 설치함을 예시할 수 있는 바, 직류코일(150)은 대치(132)를 지나치고 대치(132)사이의 슬롯(133)에 교류코일(140)이 감긴다.

상기 직류코일(150)일단은 XYZ이 공통인 Y결선 교류코일(140)의 각상(U,V,W)마다 다이오드(D1∼D3)를 통해 공통으로 연결 구성됨을 제8도와 같이 예시할 수 있다.

상기 회전자(110)는 규소강판이나 연자강으로 구성함이 바람직하고, 철심은 서로 반피치 각도로 어긋나게 소치(111,113)를 배열하였다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 교류코일(140)과 직류코일(150)이 고정자(130)에 함께 있고 회전자(110)는 규소강판으로만 이루어지지만, 직류코일(150)에 의한 자계가 회전자(110)의 양측에 N극과 S극으로 분리되어 유도되므로, 실제로는 영구자석이 회전자(110)에 있는 것과 같은 역할을 하여 저속회전을 가능케 하는 것이다.

이러한 저속회전의 이론 및 원리는 동일하므로 그 설명을 생략한다. 상기 직류코일(150)은 제7도와 같이 교류코일(140)의 각상에서 다이오드(D1∼D3)를 통해 정류되므로 별도의 직류 단자를 구비할 필요가 없어 제작이 용이하다.

본 발명은 교류모터를 중심으로 설명하였으나, 종래기술로 언급한 스텝모터에도 적용가능하고 교류동기모터에도 적용가능하며, 회전자의 구조는 하이브리드형 스텝모터의 회전차(영구자석이 없는 형태)구조가 바람직하다.

이상과 같이 본 발명은 고정자에 교류코일과 직류코일을 함께 설치하고 회전자는 철심만으로 구성하므로 회전자의 구조가 단순해지고 직류코일의 권선 수에 따라 자계세기가 달라지므로 원하는 회전이나 토크를 쉽게 변형설계 가능하다.

Claims (3)

1. 전자석식 모터에서, 길이 방향으로 소치를 이루는 요철이 외주면에 형성된 봉상의회전자와; 상기 회전자의 요철과 대응하는 내측소치를 이루며, 고정자용 교류코일과 별도의 직류코일이 함께 수장된 고정자를 포함하여 이루어지며 고정자의 직류코일이 로터에 자로(磁路-Magnetic path)를 형성케 한 것을 특징으로 하는 전자석식 교류모터.
2. 제1항에 있어서, 교류코일은 고정자의 길이 방향으로, 직류코일은 고정자의 원주방향으로 교차 배열되고, 직류코일은 고정자 길이의 중앙부분에 설치된 것을 특징으로 하는 전자석식 교류모터.
3. 제1항에 있어서, 직류코일 일단은 교류코일의 각상과 다이오드를 통해 공통 접속된 것을 특징으로 하는 전자석식 교류모터.