KR100316761B1 - 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기 - Google Patents

직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기 Download PDF

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Abstract

직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기가 개시된다.본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기는, 그 몸체의 내주면에 코일의 권취를 위한 복수의 권취부가 각각 중심을 향해 돌출 형성되어 있는 원통형의 1차측 코어; 상기 1차측 코어의 내부에 회전 가능하게 삽입되는 원기둥형의 2차측 코어; 상기 1차측 코어의 권취부에 각각 권취되며, 자계 형성을 위한 복수의 상권선; 및 상기 2차측 코어 몸체의 일정 영역의 둘레에 감겨지며, 주자속 생성을 위한 직류 여자 권선을 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 영구자석 대신 직류여자 권선에 의해 주자속을 생성하는 구조로 되어 있어, 영구자석의 경우보다 더 높은 주자속 밀도를 얻을 수 있으며, 그에 따라 전동기의 출력을 한층 높일 수 있다. 따라서, 여름 및 겨울과 같은 온도 변화가 심한 열악한 운전 조건 및 충격이 심한 곳에도 적용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 영구자석을 DC 여자권선으로 대체함으로써, 제작 원가가 현저히 줄게 되며, 제작도 쉬워진다. 그밖에 영구자석이 없음으로 해서 고속전철 등에 사용되는 트랙션 모터와 같은 대형기에 적용도 가능하다.

Description

직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기{DC excited hybrid Switched reluctance motor}
본 발명은 직류여자 전동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 영구자석형 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기에 대응하는 전동기로서 영구자석 대신 직류 여자권선으로 주자속을 생성하는 구조로 되어 있으며, 영구자석형 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기보다 더 고출력이며, 종래의 유도 전동기보다 매우 높은 효율을 가지도록 한 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기에 관한 것이다.
일반적으로, 전동기는 자계속에 코일을 놓고 이 코일에 전류를 흐르게 했을 때 코일이 전자력을 받아 회전 또는 직선운동 하도록 하여 구동력을 얻는 장치로서 크게 선형 전동기(linear motor)와 회전형 전동기(rotary motor)로 대별할 수 있다.
여기에서 선형 전동기는 도선을 보빈에 감은 가동코일을 센터 요크 위의 이동부재에 장착하고, 이 가동코일과 대향하는 스테이터 요크의 내면에 영구자석을 배치한 구조로 이루어져 있으며, 가동코일에 정/역방향 전류를 흘려주면, 플레밍의 왼손법칙에 따라 구동추진력이 발생하는 작동원리를 가지고 있다.
이러한 선형전동기는 직선운동을 안내하는데 사용하는 기구의 종류에 따라 가동코일형 선형 전동기, 유압베어링 선형전동기, 공기베어링 선형전동기, 마그네틱베어링 선형전동기로 구분된다.
구동거리가 짧은 경우에 사용하는 가동코일형 선형전동기로는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 것이 있다. 이 선형전동기(101)는 대체로 길이방향으로 뻗어 있는 센터 요크(103), 이 센터 요크(103)의 둘레에 끼워져 있는 가동코일(105), 가동코일(105)과 마주보는 쪽으로 N극이 오도록 길이방향으로 배열되어 사이드 요크(107)에 고착되어 있는 영구자석(109)으로 구성되어 있다.
선형 전동기의 또 다른 예로서 도 2에 도시된 바와 같은 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기가 제안된 바 있다. 이 선형 전동기(201)는 1차측 코어(205)와 2차측 코어(207), 1차측 코어(205)의 제1 및 제2 요크(211,213)에 권취된 제1상권선 (phase winding)(209), 1차측 코어(205)의 제3 및 제4 요크(215,217)에 권취된 제2상권선(210), 그리고 제1상권선(209) 위쪽에 삽입된 영구자석(203)으로 구성되어 있다. 여기서, 각 요크의 치들은 제1 요크(211)의 치가 2차측 코어(207)의 치(208)와 정렬될 때 제2 요크(213)의 치는 완전 비정렬 상태가 되도록, 제3 요크(215)의 치는 우측으로 1/4 피치만큼, 제4 요크(217)의 치는 좌측으로 1/4 피치만큼 비정렬 상태가 되도록 각각의 요크 하부면에 돌출 형성되어 있다.
이상과 같은 구성의 선형 전동기(201)는 도 3a 내지 도 3d에 도시된 작동원리도에 따라 1차측 코어(205)가 좌우로 이동하게 되는 바, 영구자석(203)에 의해 화살표(A) 방향으로 형성되는 주자속이 1차측 코어(205)에 작용한 상태에서 도 4에 도시된 바와 같은 구동 회로도의 온/오프 스위치(SW1 내지 SW8)가 예컨대, 아래의 표 1에서와 같이 상태 1에서 상태 4까지를 1사이클로 하여 순차적으로 온/오프됨에 따라 도 3a의 위치에서 도 3d의 위치까지 1/4 피치씩 우측으로 이동하게 된다.
스위치온/오프 리세트 상태 1 상태 2 상태 3 상태 4 상태 5
SW1 온 오프 오프 오프 온 오프
SW2 오프 오프 온 오프 오프 오프
SW3 오프 오프 온 오프 오프 오프
SW4 온 오프 오프 오프 온 오프
SW5 오프 온 오프 오프 오프 온
SW6 오프 오프 오프 온 오프 오프
SW7 오프 오프 오프 온 오프 오프
SW8 오프 온 오프 오프 오프 온
또한, 회전형 전동기의 예로서 도 5에 도시된 영구자석형 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기가 제안된 바 있다. 이 회전형 전동기(301)는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 스테이터인 1차측 코어(303)와 로터인 2차측 코어(305), 상기 1차측 코어(303) 내주면으로부터 반경방향 안쪽으로 돌출 형성된 제1 내지 제4 폴 (311,313,315,317)에 각각 권취되어 있는 상권선(331,333), 그리고 2차측 코어 (305) 내부에 삽입된 영구자석(309)으로 구성되어 있다.
상기 4개의 폴(311,313,315,317)에 각각 권취되어 있는 권선에 있어서, 폴(311)과 폴(315)의 권선은 직렬로 접속되어 상권선(331)을 형성하고, 전원 인가 시 동시에 여자(勵磁)된다. 그리고, 폴(313)과 폴(317)의 권선은 마찬가지로 직렬 접속되어 상권선(333)을 형성한다. 연장축의 적당한 위치에서 2차측을 보면 2차측 코어(305) 내부에 삽입된 영구자석(309)은 도 5a에 도시된 것처럼 N극과 S극이 축을 따라 배치되어 있다.
따라서, 도 7에 도시된 바와 같은 전동기의 구동회로에 의해 위의 표 1의 1상 여자시의 스위치 온/오프 순서에 따라 권선이 여자되었을 때, 2차측의 회전작용은 도 6의 (a)∼(d)에 도시된 것처럼 1상 여자 운전 상태로 나타내어 진다. 도 6의 (a)상태에서는 상권선(333)에 대응하는 폴(311,315)이 여자되어 있고, 폴(311)의 치(319)들은 2차측 N극의 치(305-1)에 몇 개가 일치되어 있다. 또, 폴(315)의 치(321)들은 2차측 S극의 치(305-2)와 일치하고 있다(표 1의 리세트). 도 6의 b 상태에서는 상권선(331)에 대응하는 폴(313)과 폴(317)이 여자되어 있다. 이때 1/4 치 피치만큼 이동하여 이들 폴의 치(323,325)들이 2차측 치(305-1,305-2)와 일치한다(표 1의 상태 1).
다음에는 앞에서와는 반대의 극성으로 상권선(333)을 다시 여자시킨다. 이렇게 하면 2차측은 다시 1/4 치 피치만큼 이동하여 도 6의 (c)상태가 된다(표 1의 상태 2). 즉, 도 6의 (a)상태와는 역 극성으로 치가 일치한다. 이와 동일하게 앞에서와는 반대의 극성으로 상권선(331)을 여자시키면 2차측은 다시 1/4 치 피치만큼 이동하여 도 6의 (d)에 도시한 상태가 된다(표 1의 상태 3).
한편, 아래의 표 2의 2상 여자시의 스위치 온/오프 순서에 따라 권선이 여자되었을 때, 2차측의 회전작용도 상기 표 1의 1상 여자시와 마찬가지로 도 6의 (a)∼(d)로 나타내어 진다.
스위치온/오프 리세트 상태 1 상태 2 상태 3 상태 4 상태 5
SW1 온 오프 오프 온 온 오프
SW2 오프 온 온 오프 오프 온
SW3 오프 온 온 오프 오프 온
SW4 온 오프 오프 온 온 오프
SW5 온 온 오프 오프 온 온
SW6 오프 오프 온 온 오프 오프
SW7 오프 오프 온 온 오프 오프
SW8 온 온 오프 오프 온 온
이상의 설명에서와 같이, 종래 선형 및 회전형 영구자석형 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기(201,301)는 영구자석의 사용으로 인해 제작 원가가 높아지게 되고, 온도에 대한 열악한 운전 조건 예컨대, 여름 및 겨울과 같은 온도 변화가 심하게 나는 곳에서는 저온 감자 등으로 특성 변화가 심하고, 충격이 심한 곳에는 영구자석의 파괴 등으로 인해 적용이 곤란하며, 또한 대형기의 적용은 착자 및 제작의 어려움과 원가상승으로 인해 적용이 사실상 불가능한 문제점이 있었으며, 2차측에 영구자석이 있음으로 해서 고속 회전기에의 적용이 불가능한 문제점도 있었다.
본 발명은 위에서 언급한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 영구자석 대신 DC 여자 권선을 채용함으로써 종래의 전동기에 비해 효율 및 출력 밀도를 향상시킬 수 있는 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기를 제공함에 그 목적이 있다.
더 상세하게는 DC여자 권선을 배치하기에 알맞은 특이한 형태의 스테이터 구조를 제작해 코일 창을 만들고, 여기에 적용 가능한 직선형 전동기의 1차측 코어나 회전형 전동기의 1차측 구조를 갖는 직선형 및 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.
도 1a는 종래의 가동코일형 선형 전동기의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도.도 1b는 도 1a의 선형 전동기를 화살표 방향에서 바라본 정면도.
도 2는 종래의 직선형 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도.
도 3a 내지 도 3d는 도 2에 도시된 직선형 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기의 작동 원리를 설명하는 도면.
도 4는 도 2에 도시된 직선형 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기에 적용되는 구동 회로도.
도 5a는 종래의 회전형 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기의 측단면도.도 5b는 종래의 회전형 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기의 정면도.
도 6의 (a) 내지 (d)는 도 5에 도시된 전동기의 1상 또는 2상 운전시의 작동상태를 설명하는 도면.
도 7은 도 5에 도시된 회전형 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기에 적용되는 구동 회로도.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 직선형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도.
도 9는 도 8에 도시된 직선형 전동기에 있어서의 2차측 코어의 발췌 사시도.
도 10은 도 8에 도시된 직선형 전동기에 있어서의 1차측 코어의 발췌 사시도.
도 11은 도 8에 도시된 직선형 전동기에 있어서의 상권선의 발췌 사시도.
도 12는 도 8에 도시된 직선형 전동기에 있어서, 직류 여자 권선이 비조립된 상태에서의 사시도.
도 13은 도 8에 도시된 직선형 전동기에 있어서의 직류 여자 권선의 발췌 사시도.
도 14는 도 8에 도시된 직선형 전동기에 있어서, 슬라이더(가동부)의 저면 사시도.
도 15는 도 8에 도시된 직선형 전동기의 정면 사시도.
도 16은 도 8에 도시된 직선형 전동기의 배면 사시도.
도 17은 본 발명에 따른 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기에 적용되는 자여자 방식의 구동회로도.
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기에 있어서, 2차측 코어가 비조립된 상태에서의 사시도.
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기에 있어서의 2차측 코어의 발췌 사시도.
도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기에 있어서의 1차측 코어의 부분 절제 사시도.
도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기에 있어서의 전후방 상권선과 직류여자 권선의 발췌 사시도.
도 22는 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기의 전체 구성을 보여주는 부분 절제 사시도.
도 23은 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기에 있어서, 전방측 횡단면도.
도 24는 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기에 있어서, 후방측 횡단면도.
도 25는 본 발명의 제3 실시예에 따른 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기의 전체 구성을 보여주는 부분 절제 사시도.
도 26a 내지 도 26d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 직선형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기의 작동 원리를 설명하는 도면.
도 27은 본 발명에 따른 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기에 적용되는 타여자 방식의 구동 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 직선형 직류여자 전동기 3 : 직류여자 권선
5 : 1차측 코어 7 : 2차측 코어
9, 10 : 상권선 11,17,19,21,23 : 치
15 : 권취부 25 : 구동회로
51 : 회전형 직류여자 전동기 53 : 권취부
55 : 1차측 코어 57 : 2차측 코어
59, 60 : 상권선 61 : 직류여자 권선
63,65,66,67,69,71 : 치
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제1 실시예에 따른 직선형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기는,고정부로서, 그 몸체의 상면에는 복수의 치가 상호 소정의 간격으로 평행하게 형성되어 있는 2차측 코어;가동부로서 상기 2차측 코어 위에 설치되며, 그 몸체에는 코일의 권취를 위한 복수의 권취부가 돌출 형성되고, 각 권취부의 하단에는 상기 2차측 코어의 치와 대응하는 복수의 치가 평행하게 형성되어 있는 1차측 코어;상기 1차측 코어의 권취부에 감겨지며, 자계 형성을 위한 상권선; 및상기 권취부 사이의 1차측 코어의 몸체에 감겨지며, 주자속 생성을 위한 직류여자 권선을 포함하는 점에 그 특징이 있다.여기서, 상기 권취부는 상기 1차측 코어 몸체의 전후방에 각각 한 쌍씩 돌출 형성되며, 상기 직류 여자 권선은 상기 1차측 코어의 몸체에 감겨지되, 1차측 코어의 직선 이동방향으로 감겨진다.또한, 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기는,스테이터로서, 그 몸체의 내주면에 코일의 권취를 위한 복수의 권취부가 각각 중심을 향해 돌출 형성되어 있는 원통형의 1차측 코어;로터로서, 상기 1차측 코어의 내부에 회전 가능하게 삽입되는 원기둥형의 2차측 코어;상기 1차측 코어의 권취부에 각각 권취되며, 자계 형성을 위한 복수의 상권선; 및상기 2차측 코어 몸체의 일정 영역의 둘레에 감겨지며, 주자속 생성을 위한 직류 여자 권선을 포함하는 점에 그 특징이 있다.여기서, 상기 복수의 권취부는 상기 1차측 코어의 내주면 양단에 원주 방향으로 상호 90°간격으로 각각 4개가 배치되고, 그 몸체의 단부에는 복수의 치가 상호 소정 간격으로 축선방향으로 나란히 형성되며, 상기 2차측 코어의 상기 직류 여자 권선이 감겨지는 부분을 제외한 양측 외주면에는 상기 1차측 코어의 치에 대응하여 복수의 치가 각각 형성되고, 상기 직류 여자 권선은 상기 복수의 권취부에 감긴 양단의 상권선 사이에 위치하도록 상기 2차측 코어의 몸체에 감겨진다.또한, 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제3 실시예에 따른 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기는,로터로서, 그 몸체의 내주면에 복수의 치가 상호 소정 간격으로 축선방향으로 돌출 형성되어 있는 원통형의 2차측 코어;스테이터로서, 상기 2차측 코어의 내부에 삽입되며, 중심축의 양단에 각각 끼워져 고정되는 코어 허브 및 상기 각 코어 허브의 외주면에 방사상으로 돌출 형성된 복수의 권취부로 이루어진 1차측 코어;상기 1차측 코어의 양측 권취부에 각각 감겨지며, 자계 형성을 위한 상권선; 및상기 양측 상권선 사이에 감겨지며, 주자속 생성을 위한 직류 여자 권선을 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명해 보기로 한다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 직선형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 직선형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기(1)는 일반적인 직선형 전동기와 마찬가지로 그 구조에 있어서, 크게 슬라이더(가동부)(2)와 스테이터(고정부)(4)로 구성된다.
상기 스테이터(4)는 전동기 전체의 베이스에 해당하는 부분으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 그 몸체의 상면에는 복수의 치(11)가 횡방향으로 연장된 배열상태로 상향 돌출 형성되며, 2차측 코어(7)를 구성한다.상기 슬라이더(2)는 1차측 코어(5), 전후방 상권선(9,10) 및 직류여자 권선 (3)으로 구성된다. 1차측 코어(5)는 2차측 코어(7) 위에 위치하며, 도 10에 도시된 것처럼, 그 몸체(13)에는 복수의 귄취부(15)가 좌우 2개씩 전후로 쌍을 이루어 몸돌출 형성된다. 또한, 권취부(15)의 하단면에는 2차측 코어(7)의 복수의 치(11)와 대응하는 복수의 치(17,19,21,23)가 각각 돌출 형성된다.
또한, 상기 권취부(15) 둘레에는 도 12에 도시된 바와 같이, 각각의 전후방 상권선(9,10)이 감겨지는데, 각각의 상권선(9,10)은 도 11에 도시된 바와 같은 형상 및 위치관계를 갖는다. 또한, 상기 권취부(15) 사이 즉, 일측 상권선(9)과 타측상권선(10) 사이의 2차측 코어(5)의 몸체에는 도 13에 도시된 바와 같은 형태를 갖는 직류여자 권선(3)이 도 14에 도시된 바와 같이, 코어(5)의 직선 이동방향(도 14의 사시도 상에서는 좌상측 방향 또는 우하측 방향의 사선방향)으로 권취된다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 직선형 직류여자 전동기(1)는 도 15에 도시된 바와 같이, 상권선(9)에 의해 여자되는 1차측 코어(5)의 전방측 전자석(31)의 1번째 치(17)가 2차측 코어(7)의 치(11)와 정렬될 경우 전자석(31)의 2번째 치(19)는 2차측 코어(7)의 치(11)와 비정렬되고, 도 16에 도시된 것처럼 후방측 전자석(33)의 1번째 치(21)는 1/4 피치(p)만큼 전진한 부분 정렬 상태로, 전자석(33)의 2번째 치(23)는 1/4피치만큼 후퇴한 부분 정렬 상태로 되는 치(17,19,21,23)의 배열을 가지게 된다.
한편, 도 18 내지 도 24는 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기를 보여주는 도면이다.도 18 및 도 19를 참조하면, 이 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환전동기(51)는 상기 도 5a에 도시된 일반적인 회전형 전동기(301)와 마찬가지로, 크게 로터(52)와 스테이터(54)로 구성된다.상기 스테이터(54)는 도 19에 도시된 바와 같이, 원기둥형의 구조체로서 몸체의 중간 부분을 제외한 양단측 외주면에는 복수의 치(63,66)가 축선 방향으로 각각 형성되며, 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같은 직류여자 권선(61)이 몸체의 중간부분 둘레에 환형으로 권취된다. 이와 같은 스테이터(54)는 2차측 코어(57)의 역할을 하게 된다.
또한, 로터(52)는 도 20에 도시된 바와 같이, 상기 스테이터(54) 즉, 2차측 코어(57)를 감싸도록 외체를 형성하는 원통형의 중공체인 1차측 코어(55)로서, 중공부의 내주면에는 복수의 권취부(53)가 반경방향 안쪽으로 돌출 형성되는 바, 상하좌우 4개가 90°간격으로 배열된다. 그리고, 각 권취부(53)에는 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이, 복수개의 상권선(59,60)이 직류여자 권선(61)을 가운데 두고 양쪽에 4개씩 8개가 감겨진다. 또한, 권취부(53) 내측단에는 도 23 및 도 24에 도시된 바와 같이, 2차측 코어(57)의 외형과 대응하는 원호형태의 만곡면부가 각각 마련되며, 각 만곡면부에는 복수의 치(65,67,69,71)가 축선방향으로 배열되어 돌출 형성된다.
여기서, 특히 이상과 같은 치들(65,67,69,71)은 도 23에 도시된 바와 같이, 1차측 코어(55)의 전방측 상하 권취부(53)의 만곡면부에 돌출 형성된 치(67)가 2차측 코어(57)의 전방측 치(63)와 정렬된 상태에서, 전방측 좌우 권취부(53)의 만곡면부에 돌출 형성된 치(65)는 상기 2차측 코어(57)의 전방측 치(63)와 비정렬 상태로 되는 배치 관계를 갖도록 형성된다. 또한, 도 24에서와 같이 후방측 상하 권취부(53)의 만곡면부에 돌출 형성된 1차측 코어(55)의 치(69)는 1차측 코어(55)가 화살표 방향(반시계 방향)으로 1/4 피치(p)만큼 회전할 때 2차측 코어(57)의 후방측 치(66)와 비정렬 상태로 되고, 후방측 좌우 권취부(53)의 치(71)는 1차측 코어(55)의 1/4피치(p) 회전시 2차측 코어(57)의 치(66)와 정렬 상태로 되는 배치 관계를 갖도록 형성된다.
이상과 같은 이너(inner) 로터 타입 회전형 직류여자 전동기는 도 25에 도시된 바와 같이, 아우터(outer) 로터 타입 회전형 직류여자 전동기(451)에도 적용될 수 있다. 도 25는 본 발명의 제3 실시예에 따른 직류 여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기를 나타낸 것으로서, 이 경우에는 외체를 이루며 베어링에 의해 중심축 (452)에 회전 가능하게 장착되어 있는 2차측 코어(455)가 로터의 역할을 하게 되며, 2차측 코어(455)의 내주면에는 축방향으로 배열된 복수의 치(463)가 돌출 형성된다.
그리고, 스테이터의 역할을 하는 1차측 코어(457)는 상기 중심축(452)의 양단에 끼워져 고정되는 코어 허브(456), 이 허브(456)의 외주면에 방사상으로 돌출형성된 4개의 권취부(453)에 감기는 전후방 상권선(459,460), 그리고 귄취부(453)의 상단면에 축방향으로 배열되어 돌출 형성된 복수의 전방측 상하좌우 치(467, 465)와 후방측 상하좌우 치(471,469)로 이루어지며, 중심축(452)의 중간부분 즉, 전방측 상권선(459)과 후방측 상권선(460) 사이에는 직류여자 권선(431)이 감겨진 다.
위와 같은 구조를 갖는 본 발명의 직선형 및 회전형 직류여자 전동기 (1,51,451)는 도 17에 도시된 바와 같은 별도의 구동회로(25)에 의해 구동되어 직선 및 회전 운동하게 된다.
이 구동회로(25)는 상권선(9 및 10)을 온/오프하기 위한 스위치(SW1 내지 SW8)를 포함한 대부분의 구성이 종래의 구동회로와 유사하나, 예컨대 직선형 직류여자 전동기(1)의 경우에 도시된 것처럼, 직류여자 권선(3)을 온/오프하기 위한 스위치(SW0)가 추가로 구성되는 점에 약간의 차이가 있다. 이를 보다 구체적으로 살펴 보면, 상호간에 직렬 연결되어 있는 스위치 SW1과 스위치 SW2, 스위치 SW3과 스위치 SW4, 스위치 SW5와 스위치 SW6, 스위치 SW7과 스위치 SW8이 다시 서로 간에 병렬 연결되어 전체적으로 하나의 폐회로(25)를 구성한다. 그리고, 스위치 SW1의 에미터 단과 스위치 SW3의 에미터 단 사이에 하나의 상권선(9)이, 스위치 SW5의 에미터 단과 스위치 SW7의 에미터 단 사이에 또 다른 상권선(10)이 각각 연결된다. 또한, 폐회로(25)상의 일측에는 다른 스위치 쌍들과 폐회로(25)에 의해 병렬로 연결되는 직류여자 권선(3)과, 그 직류여자 권선(3)의 온/오프용 스위치(SW0)가 직류여자 권선(3)과 직렬로 연결된다.
이제, 본 발명의 실시예에 따른 직선형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기의 동작에 대해 도 8, 도 15, 도 16 및 도 26a∼도 26d를 참조하여 설명해 보기로 한다.먼저, 직류 여자에 의한 자력선은 일측 상권선(9)의 1차측 전자석용 코어(5)의 치(17,19)를 통해 유출되어 2차측 코어(7)의 치(11)를 통해 2차측 코어(7)로 유입된다. 그런 후, 자력선은 2차측 코어(7)로부터 다시 타측 상권선(10)의 1차측 전자석용 코어(5)의 치(21,23)를 통해 1차측 전자석용 코어(5)로 유입되는 자로(磁路)를 형성한다. 코일이 여자되지 않을 때는 자력선은 전자석(33)에 속하는 양쪽의 코어 치(21,23)를 통해 유출되어 도 26a 또는 도 26c에 도시된 바와 같은 자로를 형성하게 된다. 그러나, 코일이 여자되어 있을 때는 도 26a와 같이 상권선(9)의 한쪽 치(17)에 자속이 집중한다. 이 치(17)로 유입하는 자속이 최대가 될 때 다른 쪽의 치(19,21,23)에는 자속이 거의 흐르지 않는다.
도 26a에서는 일측 상권선(9)의 1번째 치(17)가 스테이터(4)(도 8 참조)의 치(11)와 일치한다(표 3(발명의 효과란 앞에 위치)의 리셋상태). 도 26a와 같은 극성을 갖는 상태에서 타측 상권선(10)이 여자되면 슬라이더(2)(도 8 참조)는 1/4 치피치만큼 오른쪽으로 움직이고, 전자석(33)의 치(23)는 도 26b에 도시된 것처럼 가장 가까운 스테이터(4)의 치(11)와 일치한다(표 3의 상태 1). 다음에 타측 상권선(10)의 여자를 해제하고, 일측 상권선(9)을 앞에서와는 반대 극성으로 여자시키면 일측 상권선(9)의 2번째 치(19)가 가장 가까운 스테이터(4)의 치(11)와 정렬하여 도 26c와 같이 된다(표 3의 상태 2). 일측 상권선(9)의 여자가 해제되고, 타측 상권선(10)을 앞에서와는 반대 극성으로 여자시키면, 2차측은 다시 같은 방향으로 진행한다. 이렇게 하면 도 26d의 상태가 된다(표 3의 상태 3).
또한, 도 22 내지 도 24에 도시된 본 발명의 회전형 직류여자 전동기(51)는 도 26a∼도 26d의 작동원리 및 도 17의 구동회로도에 따라 1상 여자 운전시 다음과 같이 회전 구동되는데, 이때 도 17에서 일측 상권선 9는 상권선 59와, 타측 상권선 10은 상권선 60과, 직류여자 권선(3)은 직류여자 권선(61)과 각각 대체된다.
먼저, 표 3의 리셋상태에서는 도 23에 도시된 것처럼, 상하 권취부(53)의 만곡면부에 돌출 형성된 1차측 코어(55)의 치(67)가 2차측 코어(57)의 치(63)와 일치하며, 좌우 권취부(53)의 치(65)는 상기 2차측 코어(57)의 치(63)와 비정렬 상태로 된다. 그리고, 도 24에서와 같이 후방측 상하좌우 권취부(53)의 치(69,71)는 상기 2차측 코어(57)의 치(63)와 1/4 피치씩 정역회전 방향으로 비정렬된 상태로 된다.
이 상태에서 후방측 상권선(60)이 여자되면 후방측 좌우 권취부(53)의 만곡면부에 돌출 형성된 치(71)가 2차측 코어(57)의 치(66)와 일치하도록 로터인 1차측 코어(55)가 도 24에서 화살표 방향으로 1/4 피치(p)만큼 회전한다. 다음에 후방측상권선(60)의 여자가 해제되고, 전방측 상권선(59)을 앞 상태와 반대 극성으로 여자시키면, 전방측 좌우 권취부(53)의 치(65)가 가장 가까운 2차측 코어(57)의 치 (66)와 정렬되면서 화살표 방향으로 다시 1/4 피치(p) 회전하게 된다. 그리고, 전방측 상권선(59)의 여자가 해제되고, 후방측 상권선(60)을 다시 앞 상태와 반대 극성으로 여자시키면 2차측 코어(57)는 다시 같은 방향으로 회전하여 1차측 코어(55)의 후방측 상하 귄취부(53)의 치(69)가 2차측 코어(57)의 치(66)와 정렬된다.
또한, 도 25에 도시된 아우터 로터 타입 회전형 직류여자 전동기(451)의 경우에도, 로터인 1차측 코어(455) 내주면에 형성된 치(463)와 스테이터인 2차측 코어(457)의 전후방 상하좌우 귄취부(453)의 외주면에 각각 형성되어 있는 치 (465,467,469,471)가 위에서 설명한 바와 같은 인너 로터 타입 전동기(51)와 마찬가지로 도 26a 내지 도 26d에 도시된 작동원리에 의해 상호 정렬 혹은 비정렬 관계를 가지면서 회전력을 발생시킴으로써 회전 구동하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 전동기에는 직선형과, 인너 로터 및 아우터 로터 방식 회전형을 불문하고, 도 17에 도시된 바와 같은 자여자 방식의 구동회로가 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 도 27에 도시된 바와 같은 타여자 방식의 구동 회로가 적용될 수도 있다. 예컨대, 직선형 직류여자 전동기(1)에 적용될 경우 도 27에 도시된 것처럼 구동전압을 Vdc1과 Vdc2로 구분하여 전압(Vdc2)에 의해서는 온오프 스위치(SW1 내지 SW8)와 연결된 상권선(9,10)을 여자하고, 전압(Vdc1)에 의해서는 스위치(SW0)와 연결된 직류여자 권선(3)만을 별도로 여자할 수도 있다.
스위치온/오프 리세트 상태 1 상태 2 상태 3 상태 4 상태 5
SW0 온 온 온 온 온 온
SW1 온 오프 오프 오프 온 오프
SW2 오프 오프 온 오프 오프 오프
SW3 오프 오프 온 오프 오프 오프
SW4 온 오프 오프 오프 온 오프
SW5 오프 온 오프 오프 오프 온
SW6 오프 오프 오프 온 오프 오프
SW7 오프 오프 오프 온 오프 오프
SW8 오프 온 오프 오프 오프 온
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기는 영구자석 대신 직류여자 권선에 의해 주자속을 생성하는 구조로 되어 있어, 영구자석의 경우보다 더 높은 주자속 밀도를 얻을 수 있으며, 그에 따라 전동기의 출력을 한층 높일 수 있다. 따라서, 여름 및 겨울과 같은 온도 변화가 심한 열악한 운전 조건 및 충격이 심한 곳에도 적용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 영구자석을 DC 여자권선으로 대체함으로써, 제작 원가가 현저히 줄게 되며, 제작도 쉬워진다. 그밖에 영구자석이 없음으로 해서 예컨대, 고속전철 등에 사용되는 트랙션 모터(traction motor)와 같은 대형기에 적용도 가능하다. 또한, 선형 전동기의 경우는 반도체 웨이퍼 이송장비 등과 같은 무인 반송 시스템이나 자동문 또는 공장 자동화 설비 등의 직선 운동이 요구되는 모든 분야에 적용이 가능할 뿐만 아니라, 고효율 전동기이므로 전기자동차의 구동모터, 고속 전철 또는 지하철 견인 전동기, 엘리베이터 구동 모터, 지게차와 같은 특장차용 구동 전동기, 원자력 제어봉 구동장치 등과 같은 기존의 산업용 전동기를 대체할 수 있을 것이다. 또한, 제어 시스템이 간단하고 입력 주파수에 동기 속도로 운전됨으로써 개루프 제어가 가능하다.
본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구의 범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 고정부로서, 그 몸체의 상면에는 복수의 치(11)가 상호 소정의 간격으로 평행하게 형성되어 있는 2차측 코어(7);
    가동부로서 상기 2차측 코어(7) 위에 설치되며, 그 몸체에는 코일의 권취를 위한 복수의 권취부(15)가 돌출 형성되고, 각 권취부(15)의 하단에는 상기 2차측 코어(7)의 치(11)와 대응하는 복수의 치(17,19,21,23)가 평행하게 형성되어 있는 1차측 코어(5);
    상기 1차측 코어(5)의 권취부(15)에 감겨지며, 자계 형성을 위한 상권선 (9,10); 및
    상기 권취부(15) 사이의 1차측 코어(5)의 몸체에 감겨지며, 주자속 생성을 위한 직류여자 권선(3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 직선형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 권취부(15)는 상기 1차측 코어(5)의 몸체의 전후방에 각 한 쌍씩 돌출 형성되며, 상기 직류여자 권선(3)은 상기 1차측 코어(5)의 몸체에 감겨지되, 1차측 코어(5)의 직선 이동방향으로 상기 몸체(13)에 감겨 있는 것을 특징으로 하는 직선형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기.
  3. 스테이터로서, 그 몸체의 내주면에 코일의 권취를 위한 복수의 권취부(53)가 각각 중심을 향해 돌출 형성되어 있는 원통형의 1차측 코어(55);
    로터로서, 상기 1차측 코어(55)의 내부에 회전 가능하게 삽입되는 원기둥형의 2차측 코어(57);
    상기 1차측 코어(55)의 권취부(53)에 각각 권취되며, 자계 형성을 위한 복수의 상권선(59,60); 및
    상기 2차측 코어(57) 몸체의 일정 영역의 둘레에 감겨지며, 주자속 생성을 위한 직류 여자 권선(61)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 복수의 권취부(53)는 상기 1차측 코어(55)의 내주면 양단에 원주방향으로 상호 90°간격으로 각각 4개가 배치되고, 그 몸체의 단부에는 복수의 치(65,67,69,71)가 상호 소정 간격으로 축선방향으로 나란히 형성되며, 상기 2차측 코어(57)의 상기 직류 여자 권선(61)이 감겨지는 부분을 제외한 양측 외주면에는 상기 1차측 코어(55)의 치(65,67,69,71)에 대응하여 복수의 치(63,66)가 각각 형성되고, 상기 직류여자 권선(61)은 상기 복수의 권취부(53)에 감긴 양단의 상권선(59,60) 사이에 위치하도록 상기 2차측 코어(57)의 몸체에 감겨 있는 것을 특징으로 하는 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기.
  5. 로터로서, 그 몸체의 내주면에 복수의 치(463)가 상호 소정 간격으로 축선방향으로 돌출 형성되어 있는 원통형의 2차측 코어(455);
    스테이터로서, 상기 2차측 코어(455)의 내부에 삽입되며, 중심축(452)의 양단에 각각 끼워져 고정되는 코어 허브(456) 및 상기 각 코어 허브(456)의 외주면에 방사상으로 돌출 형성된 복수의 권취부(453)로 이루어진 1차측 코어(457);
    상기 1차측 코어(457)의 양측 권취부(453)에 각각 감겨지며, 자계 형성을 위한 상권선(459,460); 및
    상기 양측 상권선(459,460) 사이에 감겨지며, 주자속 생성을 위한 직류 여자 권선(431)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 직류여자 하이브리드 릴럭턴스 절환 전동기.
  6. (삭제)
  7. (삭제)
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