KR0179408B1 - 릴럭턴스 및 자석식 교류저속동기모터 - Google Patents

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KR0179408B1 KR1019950012647A KR19950012647A KR0179408B1 KR 0179408 B1 KR0179408 B1 KR 0179408B1 KR 1019950012647 A KR1019950012647 A KR 1019950012647A KR 19950012647 A KR19950012647 A KR 19950012647A KR 0179408 B1 KR0179408 B1 KR 0179408B1
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Abstract

본발명은 대치 사이의 슬롯에 코일을 감고 대치에는 소치가 있는 동기모터구조의 고정자와, 릴럭턴스 돌극구조의 소치가 길이방향의 방사상으로 있는 회전자로 이루어지고 교류전원을 인가받으며 하기 식(I∼III)을 만족하는 릴럭턴스 교류저속동기모터와; 축중앙부에 자석부 및 철심이 있고 철심 외면에 축 방향으로 돌극이 배열된 스텝모터 구조의 회전자와, 대치 사이의 슬롯에 코일을 감고 대치에는 설정 개수의 소치가 있는 동기모터 구조의 고정자로 이루어지며, 고정자 소치수(Zs)와 회전자 소치수(Zr)는 하기식(I, II',III')을 만족하는 자석식 교류 저속 동기 모터이며; 회전수는 회전자 소치에 반비례하고 전원 주파수에 비례하는 원리로 구동되어 정속 저속 및 일정토크를 제공 가능케한다.

Description

릴럭턴스 및 자석식 교류저속동기모터
제1도는 일반적인 스텝모터 구성도.
제2도는 일반적인 스텝모터 제어블럭도.
제3도는 일반적인 하이브리드형 스텝모터 단면도.
제4도는 제3도의 종단면도.
제5도(a)는 제3도 A-A선 단면상태의 자로 설명도.
제5도(b)는 제3도 B-B선 단면상태의 자로 설명도.
제6도는 일반적인 릴럭턴스 교류 저속 동기 모터의 회전자 구성도.
제7도는 본발명의 릴럭턴스 교류 저속 동기 모터 단면도.
제8도는 제7도 모터의 회전원리도.
제9도는 제8도에 보인 단상용 고정자 철심의 일예를 나타낸 부분 확대도.
제10도는 제8도에 보인 단상용 고정자 철심의 일예를 나타낸 부분 확대도.
제11도는 제8도에 보인 상상용 고정자 철심이 일예를 나타낸 부분 확대도.
제12도는 본발명의 자석식 교류저속동기모터의 반단면도.
제13도(a)는 제12도의 A'-A' 단면예시도.
제13도(b)는 제12도의 B'-B' 단면예시도.
제14도는 제12도 모터의 작동을 설명하는 일부절결산시도.
제15도(a)는 제14도의 고정자와 회전자를 펼친상태의 자극 특성 예시도.
제15(b)는 제15도(a)에 인가되는 임의시점(T1)의 전원 파형도.
제16도는 본발명의 코일 분해 결선도의 일예시도이다.
본발명은 릴럭턴스 및 자석식 교류저속동기모터에 관한 것으로, 특히 회전자는 릴럭턴스모터 및 스텝모터와 유사하고 고정자는 동기 모터 구성을 이루며 교류전원을 제공받아 고정자와 회전자의 소치수와 전원주파수에 따라 특정 감속비 및 회전수를 갖는 릴럭턴스(반응식)및 자석식 교류 저속 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 회전자에 따라 분류하면 비동기모터와 동기모터로 구분되고, 동기 모터는 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 돌극(salient-poled-rotor)를 가지며 돌극의 수가 모터의 극수이고 스테이터가 만드는 자극의 수와 같으며, 전원주파수에 동기하여 일정한 속도를 가질수있다.
상기 스텝모터는 로터의 구조에 따라 VR형(가변릴럭턴스형 ; Variable Reluctance), PM형(영구자석식 스텝모터 ; Permament Meaner) 및 혼성형(하이브리드형 ; Hybrid type)으로 구분된다.
이러한 스텝 모터는 직류전원을 상별로 선택 공급하여 원하는 회전을 제공하는것으로 이는 제1도와 같이 스텝모터(4)의 고정자 코일(Ll∼L4)에는 직류전원(V)을 다이오드(D) 및 저항(R)을 통해 제공하고, 각 코일(Ll∼L4)은 제어부에서 제어하는 제어단(B1∼B4)펄스에 따라 일정주기동안 은(NO)되는 스위칭 트랜지스터(Q1∼Q4)를 통해 선택 공급토록 이루어진다. (Cl), (C2),(C3)는 콘텐서이다.
제2도는 제1도의 제어구성도로, 입력회로(1)에 입력펄스를 공급하여 분배회로(2)에 제공하고, 분배회로(2)는 분배된 펄스를 스위칭회로(3)를 통하여 스텝모터(4)의 원하는 코일을 선택 구동토록 이루어진다.
하이브리드형 스텝모터는 스텝모터의 대표적인 형태로써 영구자석과 돌극형 회전자가 합한 구조의 회전자로 이루어지며 제3도 및 4도와 같이 예시할수있다.
즉, 중앙의 영구자석(5-1)과, 그 양축에 성층강판(5-2)이 함께 회전축(5-3)에 고정되고, 양 성층강판(5-2) 외주의 소치(5-4)는 상호 반대치의 대치차를 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 접속되고 1개의 극치인 대치(6-1)에 감겨진 코일은 2조를 이루며, 내측에 나타낸 코일은 21외측의것에 대해서 반대극을 형성하며, 주로 2조의 코일은 바이파이리권으로 이루어짐을 예시할수있다.
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 (6-3)에 의해 자화 되었다면, 대응대치(6-1)의 I상은 S극을, III은 N극을 이루고, 이에따라 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(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 행해질 때마다 1/4 피치씩 오른쪽으로 엇갈려 회전하게 된다
이경우 상기 I상은 예를들어 제1도의 코일(Ll)이라할때 제2도에 보인 분배회로(2) 및 스위칭 회로(3)가 제어단(Bl)을 은시켜 대응 트랜지스터(Q1)가 구동함으로써 구현되는것 이고, II상은 코일(L2) 및 트랜지스터(Q2), III상은 코일(L3) 및 트랜지스터(Q3), IV상은 코일(L4) 및 트랜지스터(Q4)를 온시켜 구현되는것으로, 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 모터일때 60도, 4극3상 모터일때 30도임을 감안하면 대체로 큰각도이다.
스텝모터는 펄스가 가해지지 않을때에는 또한 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.
그러나 이러한 스텝모터는 스텝각만큼의 회전에 의해 구동되므로 스텝각을 제공하기 위한 고가의 제어회로가 별도로 필요한 단점이 있다.
한편 동기모터의 대표적인 릴럭턴스 모터는 제6도와 같이 회전자(7) 외주에 돌극(7-1)을 길이방향으로 돌출 봉상의 도체(7-2)를 끼운 구조를 이룬다. 이때의 돌극(7-1)수는 모터의 극수와 일치하여야하고 고정자가 만드는 자극의 수와 같도륵 설계한다.
릴럭턴스 모터에서 회전자(7)에 돌극(7-1)을 형성하는 이유는 돌극이 없을 경우 자기(self) 기동능력이 없기 때문이다. 즉 스위치를 넣어 회전자계가 급속히 회전을 시작하더라도 회전자(7)는 관성모멘트때문에 급속하게 입상되지 않기에, 자기기동능력을 구비하기 위하여 돌극(7-1)을 이용한다.
이와 같은 릴럭턴스 모터는 교류전원의 주파수(f)에 비례하고 극수(p)에 비례하는 120f/p(rpm)의 동기속도에 의해 구동되는것으로 일반적으로 수백∼수천 rpm으로 회전한다.
따라서 이를 사용하여 저속을 구현함에 있어서는 감속장치를 사용하여 저속을 구현하거나, 감속기어가 일체로된 기어드모터(gerard motor)형태로 사용하여야 하는 불편함이 있다.
본발명은 이를 해결코자 하는것으로, 고정자 코일은 일반동기모터와 같은 구조를 이루고, 회전자는 일반 스텝모터 또는 반응식(Reluctance) 돌극구조를 이루며, 고정자코일에 교류전원을 인가하여 회전자의 자계와 혼합 자계를 이루어 정속성이 양호하고 저속회전하는 동기모터를 제공함을 특징으로 한다.
즉, 본발명은 대치사이의 슬롯에 코일을 감고 대치에는 소치가 있는 동기모터구조의 고정자와; 릴럭턴스 돌극 구조의 소치가 길이방향의 방사상으로 있는 회전자로 이루어지고; 상기 고정자 코일에는 교류전원을 인가하며, 고정자 소치수(Zs)와 회전자 소치수(Zr)는 하기식을 만족하는 구조로 이루어짐을 특징으로하는 릴럭턴스 교류저속동기모터를 제공하려는 것이다.
또한 본발명은 축 중앙부에 자석부가 있고, 자석부양측에는 철심이 있으며, 철심 외면에는 축방향으로 방사상의 돌극이 상호 1/2피치씩 엇갈리게 배열된 회전자와 ; 대치 사이의 슬릇에 코일을 감고 대치에는 설정개수의 소치가 있는 동기모터 구조의 고정자로 이루어지고;
상기 고정자 코일에는 교류전원을 인가하며, 고정자 소치수(Zs)와 회전자 소치수(Zr)는 하기식을 만족하는 구조로 이루어짐을 특징으로하는 자석식 교류저속동기 모터를 제공하려는 것이다.
이하도면을 참조하여 상세히 설명한다.
1. 릴럭턴스 교류 저속 동기 모터
본발명의 릴럭턴스 교류 저속 동기 모터의 기본 구조는 제7도내지 11도와 같이 예시할수 있으며 회전축(11)은 회전자(12)를 축착 시키고, 베어링(13)(14)을 개재하여 전후면 커버(15,16)에 유착된다. 고정자(17)는 케이스(18)에 밀쓱 삽입되어져 있다.
코일(19)은 고정자 (17)에 설치되어 있다, 고정자(17)는 규소강판으로 제작하는데 고정자(17) 내경에는 극이 될 (즉 코일의 전류로 인해 형성될 극) 대치(17-1)와 대치(17-1)에 형성된 소치(17-2) (대치와 소치의 개수는 설계에 따라 변한다. )들이 축 방향으로 나열되어 있다. 고정자(17)의 대치(17-1)와 대치(17-1)사이에 슬롯(10)이 있는데 슬롯(10)에는 원리 및 설계에 따라 2상, 3상의 코일(19)을 넣을 수 있다. 이때 분발명에서 실시하는 코일(19)의 일예로는 3상일때 제16도와 같이 구성 가능한바, S1∼S12는 슬롯(10)의 위치를 나타내고, 각상(U.V.W)의 권선 배열은 예를들어 제1단위 루프를 이루는 슬릇(S1,S4)의 U상 권선과, 제2단위 루프를 이루는 슬롯(S4,S7)의 U상은 상호 반대로 순차반복 길이되는 파형(wave type)방식을 이루고, 나머지 상(V,W)도 같은 원리로 구현되는 구성을 이룬다. 상기 슬릇(10)의 각위치(S1∼S12) 갯수는 한정되지 않으며 대치수에 따라 가변되므로 S1∼Sn으로 범용성있게 표현할수 있다. 회전자(12)는 도너츠형의 규소강판을 적층하여 제작하거나 또는 연자강으로 제작한다. 회전자(12)의 외경에는 소치를 설치하는데 형태와 간격 및 갯수는 설계에 따라 다양하게 변형시켜 구성 가능하다.
릴럭턴스 교류 저속 동기 모터의 고정자(17)와 회전자(12)의 간극에는 아주 복잡한 자기장을 형성한다. 이러한 자기장을 이론적으로 분석하기 위하여 다음과 같이 실시하였다.
우선 고정자(17)에만 요철을 형성하고, 회전자(12)의 외면엔 요철이 없는 원형 형태이고, 코일(19)에는 단상 전류만 통했다면, 회전자(12)와 고정자(17) 사이의 등가간극에는 자기장이 생기는데 다음식으로 표시할 수 있다. 즉,
(식에서는 코일이 등가 간극에 형성한 자 자기장의 자기강도이고,는 고정자 자기력층 자도(磁導), Fmν는 자기장에 형성된 제ν차 자기파의 자기강도의 폭치(幅値)를 표시하고, λn는 치홈(요철)으로 인해 제n차로 표시되는 자도의 폭치를 표시하며, P는 코일로 이루어진 자극의 쌍수, τ는 소치의 피치, Z1는 고정자에 설치된 슬롯수, α는 상각의 각도를 표시하는데 상각크기는 자극중심과 치름의 위치와 관계된다.)
만약 회전자(12) 외경에만 치.홈(요철)을 설치하고 고정자(17)내면은 광활하다면 역시 유사한 자장 형식으로 된다. 즉 ;
(식에서 λk는 회전자의 치.홈으로 인해 제K차로 표시되는 자도(磁導)의 폭치(幅値)이고, Z2는 회전자 외면에 설치된 소치수, ω2는 회전자가 회전할때의 각속도, α각은 회전자의 첫 위치를 밝히는 위치각이다.)
만약 고정자(17) 내면과 회전자(12)의 외경에 치.흠(요철(17-2)(12-1)이 모두 설치되어 있다면 간극에 형성되는 자기 파장은 더욱 복잡해진다. 즉
(식에서 μ· 는 공기의 자도율이고 δ는 간극을 표시한다.)
상기한 수많은 자기장의(파의 형식)순차와 회전속도는 다음식으로 표시된다. 즉:
상기한 식 BZ(X) 외부조건의 수치를 주어 풀면
여기에서 알수있는 바 회전속도가이면 슬립된다. 즉, 자도의 K차파가 결정한 상응되는 로터의 발생되는 무수한 파들은 상대적으로 스테이터에 대해 움직이지 않는다.
다시 말하면 모터는 동기 속도로 회전한다.
이 조건은 바로 회전자(12) 치.홈(소치(12-1))의 자기장파의 순차수와 고정자(17) 치.홈(소치(17-2))의 자기장파의 순차수가 같을때이다.
이조건을 맞추려면 고정자(17)의 소치수(17-2)수 Zs, 회전자(12)의 소치(12-1)수 Zr과 코일의 극수 간에는 다음의 관계식이 성립됨을 본발명자는 실험에 의해 확인하였다.
상기한 식들에서 2P = Zr은 일반적인 릴럭턴스 동기 모터의 관계식인데 회전자의 돌극수와 코일의 극수가 같다는 말이다.
또한 식는 고주파 수치이기 때문에 토크가 작다.
결과적으로가 바로 본발명의 릴럭턴스 교류저속동기모터에 적용되는 것이다.
제8도는 제7도에 보인 릴럭턴스 교류 저속 동기 전동기의 회전원리도인데, 만약 고정자(17)의 회전자계축이 A점 상태에 있다고 한다면, 즉 고정자(17)의 소치 ①과 ⑨는 회전자의 소치 ①과 ⑩과 같은 선상에 있고, 이때 고정자(17)의 소치②와 ⑩는 회전자(12)의 소치 ②와 ⑪과는 α각의 차이가 나타남을 알수 있다. 고정자(17) 코일(19)에 흐르는 교류 전류의 작용으로 회전자계의 자속 중심이 B의 위치로 갔다면, 회전자(12)는 α각 만큼 움직여 고정자(17)의 소치②와 ⑩이 회전자(12)는 소치 ②와 ⑪과 똑바로 맞서게 된다. 다시 말하면 회전자계는 2π/Zs 각도를 돌았는데 회전자(12)는
각도로 돌았다 (Zs는 고정자(17) 소치(17-2)의 수, Zr는 회전자의 소치의 수)
그러므로 회전자계와 회전자(12)의 회전속도의 비례를 감속비Kp로 표시하면 다음식이 성립됨을 알았다.
즉
또한 본 릴럭턴스 교류 저속 동기 모터의 고정자(17)와 회전자(12)의 간극에는 아주 복잡한 자장이 형성되는데 이 자장을 이론적으로 분석에 의거 요약하면 다음의 몇가지로 나타낼수 있다.
첫째 : 코일에 흐르는 전류가 등가간극에서 형성하는 자장 (Bδ)
둘째 : 고정자(17)에 설치된 소치(12-1) 즉 요철로 인해 형성하는 자장 (Bzs)
셋째 : 회전자(12)에 설치된 소치(12-1) 즉 요철로 인해 형성하는 자장 (Bzr)
네째 : 둘째와 셋째에서 형성된 자장들이 서로 몬합변화되어 발생되는 새로운 형태의 자장등
이 자장들의 외부조건을 주어 다음의 관계식을 얻을수 있음은
이미 설명한바와 같다.
즉 Zr - Zs = ±2P ---(2) (이공식에서 p는 자극의 쌍수 (2극 일때는 p=1, 4극일때는 p=2)를 표시하는데, 이는 코일(19)의 극수를 말하고, Zr과 Zs는 각각 회전자(12)의 소치(12-1)의 수와 고정자(17)의 전체 소치(17-2)의 수를 말한다.)
따라서 회전자계의 회전수{단, (f)는 전원 주파수}으로 표시할 수 있다.
그리므로 본발명 릴럭턴스 교류저속 동기 모터(제8도)의 회전수N은 다음 공식으로 표시할수있다.
이상의 (1), (2), (3)세개의 식을 주합하여 볼때 본발명의 릴럭턴스(반응식) 저속 동기 모터의 감속비Kp는 회전자(12) 소치의 수(Zr)와 정비례하고, 회전자(12) 소치의 수와 고정자(L7) 소치치수차(Zr-Zs)와 반비례한다. 또한 회전자(12) 소치의 수 와 고정자(17) 소치 수와의 차이는 코일(19)을 형성하는 자극의 수(±2P)와 같다. 특히 공식(3)에서 나타낸바 릴럭턴스 교류 저속 동기 모터의 회전수(N)는 전원 주파수와 정비례하고, 회전자 소치의 수(Zr)와 반비례한다. 코일(19)에 형성되는 고정자(17)의 극수와는 관계되지 않는다. 이러한 점은 전통적인 교류모터기와는 완전히 다른 새로운 방식의 저속 동기 모터임을 알수있다.
본발명의 교류 저속 전동기의 설계에 있어서 가장 중요한 문제는 주파수가 50HZ 또는 60HZ인 전원을 직접 모터에 연결하여 원하는 저속을 얻는 것이므로 예를 들어 주어진 조건에서의 원하는 사양이 다음과 같을때
위의 조건을 공식 (1), (2), (3)의 연립 방정식으로 풀면 다음 수치를 얻는다.
Zs=48, Zr=50, Zp=2
이 수치로 본 발명에 의한 단상형 모터와 3상 모터를 각각 제조할수있는바, 제9도는 본발명에 따른 단상 릴럭턴스 교류 저속 동기 모터의 고정자(17) 철심의 직경방향 부분 확대도 (단상모터의 부분 단면도)이고, 제11도는 본발명에 따른 3상 릴럭턴스 교류 저속 동기 모터의 고정자(17) 철심의 직경방향단면도이다. 제10도는 회전자(12) 단면도인데 단상과 상삼의 회전자(12) 구조는 같다. 제9도와 제11도를 비교하여 보면, 대치(17-1)의 수는 같지 않지만 소치(17-2)의 총수는 같고, 코일(19)의 극수 또한 같도록 하여야 하는바, 이는 상기(1)∼(3)식을 만족토록 하기 위함이다.
그리고 제3도에서와 같이 단상일 때엔 대개 대치(17-1)에 설치된 소치(17-2)들의 피치가 회전자(12)의 피치(각도)와 같지만 인접한 대치는 서로 차이가 나는데 차이는 0.5피치이어야 한다. 그러나 제11도를 보면 3상일때 대치(17-1)에 설치된 소치(17-2)들의 피치는 같지만 인접된 대치는 서로 차이가 나는데 차이는 1/3피치이어야 한다. 여기서 또 하나의 법칙을 찾을 수 있는데 인접한 두대치(17-1)는 단상일 때엔 0.5 (회전자 소치(7-2))의 피치각이 차이가 나고 삼상일때는 1/3피치각이 차이가 나도록 구성하여야 함을 알수 있다.
본발명의 저속 회전가능모터는 릴럭턴스모터 타입외에 다음의 자석식 모터 형태로도 구현가능하다.
2. 자석식 교류 저속 동기 모터
본발명의 자석식 교류 저속 동기 모터는 영구 자석식과 전자식 두가지로 구성할수 있다. 먼저 영구자석식을 설명하기로 한다.
(1) 영구자석식 교류 저속 동기 전동기
본발명의 영구자석식 교류 저속 동기 모터는 제12도 내지 14도와 같이 회전자(22)의 철심(22-1,22-2) 및 염구자석(21)이 회전축(23)에 고정되어 있으며, 참조번호(27)은 고정자인데 코일(24)에 흐르는 전류로 인해 자극으로 될 대치(27-2)에는 설계에 따라 n(n=1,2,3‥‥ )개의 소치(27-1)들을 규칙적으로 설치하고 회전자 (22)의 철심(22-1,22-2) 표면에는 요철(소치(22-3))을 설치하며 참조번호 (21)은 환형 영구자석인데 축 방향으로 자화시킨다. 본 전동기의 기본 구조에 대해 중요한 것은, 고정자(27)의 기본 구조는 릴럭턴스타입과 비슷하지만 영구 자석식에 있어서는 회전자(22)의 철심(22-1,22-2)은 영구 자석(21)의 양면에 설치되어 있는데 철심(22-2)과 철심(22-1)의 요철은 서로 1/2피치 어긋나 있다(단, 코일(24)권선방식은 릴럭턴스 타입에 의한 제16도와 같기에 이에 대한 설명은 생략한다.). 즉, 철심(22-2)의 치 중심이 철심(22-1)의 홈 중심과 일직선상에 놓여 있다. 그외 만약 영구자석(21)의 한쪽에 있는 철심(22-2)의 소치(22-3)와 홈이 전부 N극이면 다른 한쪽의 철심(22-1)은 전부 S극을 가진다.
본발명의 자석식 교류 저속 동기 모터는 상기 릴럭턴스에서의 유도식과 유사한데 회전자(22)의 회전각속도는 다음과 같이 나타낼 수있다.
(단, ω2는 회전자(22)의 회전 각속도, Z2는 회전자(22)의 소치수, ω는 자기장의 회전각속도이다)
이때 회전자(22)의 소치(22-3)에 의한 자계파는 고정자(27)에 대해 상대적으로 움직이지 않으므로 회전자(22)는 동기 회전할수 있다.
또한 모터의 간극(고정자와 회전자 사이의 간극)에는 자기장이 있어야 한다.
만약 고정자(27) 슬롯에 극수가 P2인 단상 코일(24)를 설치하면 이 코일(24)에 의한 자계기본파는 자기장을 건립하고 이 자기장을 고정자(27)와 회전자(22)의 자계혼합파의 형식으로 나타난다. 그의 서수와 회전 속도는 다음과 같음을 알수 있었다.
1. 자기장 기본파일때 공간에서 움직이지않는다.
2. 고정자에 의한 소치 혼합파 일때도 공간에서움직이지 않는다.
3. 회전자의 소치 흔합파 ν'zr
로 공간에서 회전가능 하였다.
회전자(22)의 동기 회전을 위하여, 임의의 코일 P1에 의한, 회전자(22) 소치로의 혼합자기파의 차수는 다른 코일 P2의 고정자 소치로의 혼합자기파의 차수와 꼭 같아야 한다. 다시 말하면 ;
로 나타낼수 있다. 또한 상기 ω2=±ω/Z2에 따라 임의의 코일 P2에 의해 유도되는 혼합파가 회전자에 제공되어 발생하는 회전수는, 다른 코일 P1에 의해 유도되는 혼합파가 고정자에 제공되어 발생하는 회전수와 같게 되는데, 그들의 서수는
따라서 상기식(a) 및 (b)에 따라 다음과 같은 관계를 유도할수 있다.
단, Z1은 고정자 소치수, Z2는 회전자 소치수)
이것이 바로 본발명의 저속을 됫받침하는 관계식이다. 또한 모터를 전자석식으로 설계하였을때 교류코일을 P1이라하고 직류코일을 P2라 한다면, 코일 P1과 코일 P2간에 변압 현상이 생길 수 있다.
만약 P2의 저항이 아주 작을때 코일 P2는 단로(short)상태에 처하게 된다. 이런 현상을 피하기 위하여 코일의 극 짝수는 2의 배수로 되게함이 바람직하다.
(단, K는 양의 정수이다. )
개별적인 정황하에서 변압기 현상은 유익하게 이용할수가 있는데 코일회로에는 순간적 직류전류가 흐르기에 회전자는 동기 회전을 하게 된다.
이렇게 직류 전류를 얻기 위한 에너지는 전원(교류전원)에서 제공하게 되는데 이런 정황일 때면 코일 P1와 P2의 극짝수의 비례는 홀수로 되게 한다. 즉 ;
(단, n: 1. 3. 5등의 홀수이다.)
상기한 본발명의 자석식 동기 모터와 릴럭턴스 동기 모터를 비교해 보면 두가지 모터의 회전자 소치수가 같을때엔, 자석식 저속동기 모터의 회전수가 릴럭턴스 동기 모터의 회전수의 1/2이 됨을 알수있을 것이다.
또한 영구 자석으로 회전자를 여자시키면, 코일 P2를 장치한 모터의 특성을 얻을 수 있을 뿐 아니라 모터의 구성이 간단해지고 효율도 높아지고 회전자 자체의 관성 모멘트도 커진다.
또한 제13도는 본발명의 영구자석식 교류 저속 동기 전동기의 회전 원리도인데 A)는 제12도의 A'-A ' 면의 단면도이고, B)는 B '-B ' 단면도이다.
제13도에서 밝혀진바 고정자(27)의 권선은 4극이다. 제13도A)에 나타나는 것은 회전자계의 축선이 바로 고정자(27) 철심(26)의 소치(27-1)의 해당 부위 ①,⑤,⑨,의 중심과 일치된 순간의 형태를 나타내었는데 바로 이순간 A)에서 고정자(27) 소치 ①,⑨가 회전자(22) 소치 ①,와 똑바로 대치되고 있다. 대응되는 B)에서 회전자(22) 치 ①과 은 회전자(22) 중심에 대치되어 있다. 만약 회전자계가 시계방향으로 고정자(27) 소치의 한 간격을 옮기었다면, 즉 회전자계 축선이 고정자(27)의 ②와 과 일치 A)에서되면 회전자(22)도 따라 돌아 회전자(22)의 ②와 이 고정자(7')의 ②와 과 대치된다. 회전자계가 2π/ZS로 회전하면 회전자(22)는 a=(1/Zs - l/Zr)2π 각도로 회전한다. 그러므로 자계의 회전속도와 회전자의 회전속도의 비례는 다음식과 같다.
(이때 Zs는 고정자 소치의 수 , Zr은 회전자 소치의 수, Kp는 감속비이다.)
그리고 코일(24)의 극수를 2p라 하면 Zr-Zs=±P ---(2')
위의 (1).(2'),(3') 식에서 다음의 결론을 얻을 수 있다. 즉, 식 (1)에서 감속비 Kp는 모터 회전자(22) 소치(22-3)의 수와 정비례하고, 회전자 소치(22-3)의 수와 고정자(27) 소치의 수의 차이와 반비례한다. 식(2')에서 회전자(22) 소치(22-3)의 수와 고정자(27) 소치(22-3) 수의 차는 바로 코일극수의 절반과 일치한다.
식(3')에서 모터의 회전수는 전원 주파수와 정비례하고 회전자 소치의 수와 반비례한다. 그리고 영구 자석식 교류 저속 모터와 릴럭턴스 교류 저속 동기 모터를 비교해 보면 이런 모터의 회전수는 모두 일반적인 교류 모터처럼 회전수가 전선 극수에 관계되는 것이 아니라 회전자의 소치의 수와 관계되는데, 회전자 소치의 수가 같을때, 영구자석식 모터는 릴럭턴스식(반응식) 모터의 1/2 횟수로 회전함은 이미 언급한바와 같다.
한편 본발명은 제14도 및 15도와 같이 정성적으로 회전원리를 개략 설명할수도 있는바 예를 들어 회전자(22)의 극성이 영구자석(21) 좌측을 N극 우측을 S극이라 하고 임의의 삼상 코일(24)이 감긴 ①위치의 대치(27-2)에 코일(24)에 의해 유도되는 자극을 S라하고, 2상건너 대응 3상 코일(24)이 감긴 ②위치의 대치(27-2)의 자극을 N라 하면, 회전자(22) 좌측의 자극 (예를들어 N)이 화살표방향으로 ①위치의 대치(27-2)의 자극(S)으로 자로를 이룬다.
그런데 회전자(22)의 우측은 S극 이므로 ① 위치의 대치(27-2)를 통한 자로는 우측으로 이동치 못하고, ②위치의 대치(27-2)가 N극이므로 ①위치의 S극이 ②위치로 자로(magentic path)를 이루게된다. (이는 제16도에서 예를들어 슬롯(S1)과 슬롯(S4)이 루프를 이루어 순시자극을 생성시킴에 의한것임을 알수있을것이다.
이러한 원리는 전술한 본발명의 릴럭턴스식 모터 에서도 동일하게 적용된다)
따라서 회전자(22) 우측의 자극(S)과 ②위치의 고정자 대치(27-2)로 유도되는 S극이 척력으로 작용하고, 아울러 회전자(22)좌측의 자극(N)과 ②위치의 고정자 대치(27-2)에 유기되는 N극은 척력이 작용하여 회전자(22)가 시계방향으로 회전한다.
상기에서의 고정자(27)는 삼상을 기초로 도시 및 설명하였는바, 동일상은 고정자(20)에서 S-N-S-N(그 역순도 가능)을 이루도록 제16도와 같이 각상(U,V,W)별로 순차 파형 권취 방식을 만족시키는 코일(24)상태로 감아야 한다.
이러한 대치(22)에서의 코일(24)이 극성을 갖는것은 렌츠법칙에 의하여 입증정은 알수있을 것이다.
구체적으로, 본발명은 제15도와 같이 고정자(27)의 ①위치(제15도의 A①위치)의 대치(27-2)가 코일(24)에 의해 S극이 유도된다고 할때, 회전자(22) 소치(22-3)는 N극이 된다. 이는 제15도 (b)의 시점(T1)에서 볼때 B①상 및 C①상의 코일(24)은 N극이 유도되므로 B① 상 및 C①상에 의해 척력이 발생하므로 회전자(22)는 우측으로 회전력이 작용한다.
즉, 일반스텝모터는 대치에 감긴 코일이 펄스에 따라 직류전원이 선택인가 되므로 토크가 작지만 본발명은 15도(a) 및 제15도(b)와 같이 각상별로 유기적으로 자로가 형성되도, 각 자로는 상호 고조파를 이루어 가감되므로 토크가 큰 저속회전을 가능케한다.
한편 상기한 식(1), (2'),(3')들을 이용하여 모터의 회전수에 관한 수치들을 주어진 조건으로 계산하면 다음 실시예와 같다.
[실시예]
1). 전원 주파수 f=60Hz
2). 전원 상수 m=3
3). 모터 회전수 n=72 rpm 이라 할때 다음과 같이 계산할수 있다.
1. 회전자계 동기속도 Ns;
Ns = 60f/p : 60×60/2 = 3600/2 = 1800 단, (P=2, 2P=4이다)
2. 회전자 소치수 Zr;
Zr = 60f/n = 60×60/72 = 50
3. 대치에 설치할 소치수 Zs;
Zs = Zr±P = 50±2 = 52, 48
4. 권선을 설치할 슬롯수(대치수와 같음) S;
S=m·2P=3×4=12
5. 매개 대치에 설치할 소치수 Z';
Z' = Zs/s =48/12=4
6. 감속비 Kp;
Kp = Zr(Zr-Zs) = 50/(50-48) = 25
7. 전동기 회전속도
n = Ns/Kp = 1800/25 = 72rpm
[실시예 2]
1). 전원 주파수 f=50
2). 전원 상수 m=2
3). 전동기 회전수 n=60 rpm이라 할때 다음과 같이 계산할수 있다.
1. 회전자 동기 속도 Ns;
Ns = 60f/p = 60×50/2 = 1500
2. 회전자 소치수 Zr;
Zr = 60f/n = 60×50/60 = 50
3. 대치에 설치할 소치수 Zs;
Zs = Zr±2 = 48(52)
4. 권선을 설치할 슬롯수 S;
S =m·2p=2×4=8
5. 매개 대치에 설치할 소치수 Z'
Z' = Zs/s = 48/8 = 6
6. 감속비 Kp
Kp = Zr/Zr-Zs = 50/(50-48) = 25
7. n = Ns/Kp = 1500/25 = 60
이상의 계산을 보면 본발명에서의 회전수에 관련한 항목등을 구체적으로 모두 수득 가능함을 알수있다.
또한 회전자 외경에 설치된 소치의 피치를 α각이라 하고, 고정자의 대치가 회전자에 대해 상대적으로 어긋난 각을 β라면, β=α/2m 인데, 이각들을 찾아보면 α=360° /50=7.2° , β=α/2m=7.2° /2×3=1.2° (3상)β=7.2°/2×2=1.8°(단상)이다. 영구자석식 저속 모터에 있어서 영구자석 재료의 선택도 중요한 문제인데, 알니코 자석 재료를 쓰면 전동기의 길이가 길어지고, 폐라이트 재료를 쓰면 같은 용량에서 체적이 커지고, 사마륨, 코발트 재료를 쓰게되면 가격이 상승된다.
2) 전자석식 교류 저속 동기 전동기
용량이 크고 출력이 큰 전동기를 설계하려면 영구자석보다 전자석식으로 설계하는 것이 용이하며, 상기 영구자석식 교류 저속등기 전동기의 회전자(22)의 영구자석 대응부위에 전자석을 설치하면 된다.
이상과 같이 본발명은, 회전자는 교류 릴럭턴스 타입및 하이브리드 스텝모터 형태를 이루고, 고정자는 교류동기 모터 구조를 이루고, 회전자와 고정자는 상호 혼성자계에 의해 저속회전을 하며 회전수는 회전자 소치에 반비레하고 전원 주파수에 비래하는 원리에 의해 정속저속회전함으로써, 별도의 감속수단이 없어도 저속상태에서 일정토크를 제공 가능케 한다.

Claims (4)

  1. 대치사이의 슬릇에 코일을 감고 대치에는 소치가 있는 동기 모터 구조의 고정자와; 릴럭턴스 돌극 구조의 소치가 길이 방향의 방사상으로 있는 회전자로 이루어지고; 상기 고정자 코일에는 교류전원을 인가하며, 고정자 소치수(Zs)와 회전자 소치수(Zr)는 하기식을 만족하는 구조로 이루어짐을 특징으로하는 릴럭턴스 교류저속동기모터.
    (단, kp는 감속비, p는 쌍극수, n은 회전수(rpm)이다)
  2. 제1항에 있어서, 상기 코일은 각 대치 사이의 슬롯(S1∼Sn)에 각상(U,V,W)의 권선이 파형방식으로 순차 반복 권취되고, 제1단위 루프를 형성하는 슬롯 (S1 ,S4)의 U상 코일과, 제2단위루프를 형성하는 인접슬롯(S4,S7)의 U상 코일이 상호 반대로 순차반복 권취되는 구조를 이루는, 나머지 상(V,W)도 같은 원리로 권취도는 것으로 특징으로 하는 릴렉턴스 교류저속 동기 모터.
  3. 축 중앙부에 자석부가 있고, 자석부중앙측에는 철심이 있으며 철심외면에는 축방향으로 방사상의 돌극이 상호 1/2 피치씨 엇갈리게 배열된 회전자와; 대치 상이의 슬롯에 코일을 감고 대치에는 설정개수의 소치가 있는 동기모터 구조의 고정자로 이루어지고; 상기 고정자 코일에는 교류전원을 인가하며, 고정자 소치수(Zs)와 회전자 소치수(Zr)는 하기식을 만족하는 구조로 이루어짐을 특징으로 하는 자석식 교류저속동기모터.
    (단, Kp는 감속비, p는 쌍극수, n은 회전수(rpm)이다)
  4. 제3항에 있어서, 상기 코일은 각 대치 사이의 슬릇(S1∼Sn)에 각상(U,V,W)의 권선이 파형방식으로 순차 반복 권취되고, 제1단위 루프를 형성하는 슬롯(S1,S4)의 U상 코일과, 제2단위루프를 형성하는 인접슬롯(S4,S7)의 U상 코일이 상호 반대로 순차반복 권취되는 구조를 이루며, 나머지 상(V,W)도 같은 원리로 권취되는 것을 특징으로하는 자석식 교류저속 동기 모터
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