KR100437189B1 - 자속 장벽을 가진 스위치드 릴럭턴스 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 돌극(Salient)구조를 가진 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 모터의 회전자에 일정 두께와 폭을 가진 홈으로 자속 장벽(flux barrier)을 형성하여 돌극(Salient)구조를 가진 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 리플을 저감시킴으로써 모터의 진동 및 출력 특성을 향상시킨다.

Description

자속 장벽을 가진 스위치드 릴럭턴스 모터{Switched Reluctance Motor with flux barrier}

본 발명은 돌극(Salient)구조를 가진 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서 토크 리플의 저감을 통하여 모터의 진동 및 출력 특성을 향상시킬 수 있도록 하기 위하여 모터의 회전자에 자속 장벽(flux barrier)을 형성한 자속 장벽을 가진 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것이다.

초기에는 비교적 낮은 효율로 인해 상품화를 위한 연구 개발이 이루어지지 못하고 있다가, 근래의 반도체 기술과 전자기 설계 기술의 발달로 인해, 가전 제품 및 산업 기기에 릴럭턴스 전동기를 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

릴럭턴스 전동기는 크게 동기형 릴럭턴스 전동기와 스위치드 릴럭턴스 전동기로 분류할 수 있는데, 동기형 릴럭턴스 전동기가 일반적으로 정현파에 의해 구동되는데 비해, 펄스 신호에 의해 구동되는 스위치드 릴럭턴스 전동기는 고정자와 회전자가 모두 돌극 형상이다.

특히, 스위치드 릴럭턴스 모터는 구조가 간단하고 견고하여 유지, 보수가 거의 불필요하며, 생산비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있음에도 불구하고, 공극 표면의 돌극 형상에 의해 체적당 출력이 감소하고, 비교적 큰 토크리플을 가짐에 따라 고속회전을 요하는 분야로 그 응용범위가 제한되는데, 도 1은 8/6구조의 스위치드 릴럭턴스 모터를 도시한 도면이다.

상기 도 1에 도시된 바와 같이, 스위치드 릴럭턴스 모터는 중앙영역의 회전축을 기준으로 방사상으로 6개의 돌극을 가진 회전자(100)와, 8개의 돌극을 가지며 상기 회전자(100)를 수용하는 원통형의 고정자(101)로 이루어지는데, 이러한 고정자와 회전자의 구조를 도 2를 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래 스위치드 릴럭턱스 모터는, 중앙 영역에 회전축(도시하지 않음)이 관통되도록 회전축공(110)이 형성되어 있는 회전자(111)와, 이 회전자(111)를 수용하도록 회전자수용공간이 형성되어 있는 고정자(112)를 갖는다.

그리고, 회전자(111)는 반경반향외측으로 돌출한 6개의 회전자 돌극(113)을 가지며, 이들 회전자돌극(113)은 상호 대향하도록 쌍을 이루고 있고, 고정자(112)는 회전자(111)를 향해 내측으로 돌출되어 있는 8개의 돌극(114)과, 이들 각각의 돌극(114)을 상호 연결하는 요크부(115)가 마련된 다수의 코어판이 적층 형성되어 있으며, 이러한 고정자(112)의 외표면에는 스틸로 이루어진 하우징이 마련되어 있다.

또한, 고정자(112)의 돌극(114)에만 권선(도시하지 않음)이 감겨져 있으며 회전자 부분에는 어떠한 영구자석이나 권선도 존재하지 않는다.

하지만, 이와 같은 스위치드 릴럭턴스 모터는 기본적으로 돌극 구조를 가지기 때문에 동기형 모터와 같은 다른 종류의 모터에 비해 비교적 큰 토크 리플을 발생시키고, 이렇게 발생된 토크 리플은 모터의 속도변경을 유발시켜 구동 시 진동유발, 소음 증대, 및 출력 저하의 특성 악화를 초래하는 문제점이 있어 왔다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위하여 개발된 것으로, 모터의 회전자에 자속 장벽(flux barrier)을 형성하여 돌극(Salient)구조를 가진 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 리플을 저감시킴으로써 모터의 진동 및 출력 특성을 향상시킬 수 있도록 하는 자속 장벽을 가진 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a는 종래의 스위치드 릴럭턴스 모터의 분해 사시도이고,

도 1b는 종래의 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면도이고,

도 2a는 본 발명의 자속 장벽을 가진 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면도이고,

도 2b는 본 발명에 사용되는 회전자의 자속 장벽을 상세하게 도시한 단면도이고,

도 3a내지 도 3c는 본 발명에 사용되는 자속 장벽의 폭에 따른 토크 리플 특성을 도시한 도면이고,

도 4a내지 도 4b는 단위 스트로크 구간(돌극과 돌극 사이 구간)에 발생하는 상 전류와 그 때의 토크를 측정하여 이를 종래의 프로토 타입(prototype)과 본 발명의 배리어 타입(barrier)을 도식적으로 비교한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

200 : 회전축공 201 : 회전자

202 : 고정자 203 : 회전자 돌극

204 : 고정자 돌극 205 : 요크부

206, 213, 215 : 홈 210 : 제 1 회전자 돌극

211 : 제 2 회전자 돌극 212 : 제 1 외주면

214 : 제 3 회전자 돌극

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 스위치드 릴럭턴스 모터는, 원주방향을 따라 방사상으로 돌출된 복수의 돌극과, 상기 복수의 돌극을 원주방향을 따라 상호 연결하는 요크부가 구비된 고정자와, 중심에 회전축공이 형성되어 있으며, 상호 대향하며 반경 반향 외측으로 복수개의 돌극이 구비된 회전자로 이루어지되, 상기 회전자에는 인접한 돌극들을 연결하는 외주면을 원주 방향으로 감싸는 자속 장벽(flux barrier)이 형성된다.

그리고, 상기 회전자에 형성된 자속 장벽은, 홈으로 형성하는 방법과, 철판을 겹겹이 쌓고 이렇게 쌓은 철판을 볼트 등으로 축 방향에 따라 고정시켜 철판의 배열로 구현하는 ALA(Axially Laminated Anisotropic)방법이 있으나, 본 발명에서는 일정 두께와 폭을 가진 홈을 형성하여 구현하는 것이 바람직하다.

즉, 회전자에 상호 인접한 회전자 돌극들을 연결하는 외주면을 원주 방향으로 각기 감싸면서 일정 두께와 폭을 가지는 홈을 뚫어 자속 장벽(flux barrier)을 형성하는 것이 바람직한데, 형성하는 홈의 두께(T)는 0.5mm, 폭(W)은 1mm 내지 3 mm정도로 하는 것이 가장 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 8/6구조를 가진 스위치드 릴럭턴스 모터를 예로 들어 설명한다.

도 2a는 본 발명이 적용된 8/6구조를 가진 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면도로서, 이에 도시된 바와 같이, 도시 않은 회전축과, 중앙영역에 회전축이 관통되도록 형성된 회전축공(200)을 갖는 회전자(201)와, 이 회전자(201)를 수용하도록 회전자수용공간이 형성되어 있는 고정자(202)를 갖는다.

그리고, 상기 회전자(201)는 반경 방향 외측으로 돌출하여 상호 대향하도록 형성되어 쌍을 이루는 6개의 회전자돌극(203)을 갖으며, 고정자(202)는 회전자(201)를 향해 내측으로 돌출된 8개의 돌극(204)과, 이들 각각의 돌극을 상호 연결하는 요크부(205)가 마련된 원통형상의 코어판이 적층 형성되어 있다.

특히, 상기 회전자(201)에는 상호 인접한 회전자 돌극들을 연결하는 외주면을 감싸도록 원주 방향으로 일정 두께와 폭을 가진 자속 장벽(flux barrier)인 홈(206)이 형성되어 있다.

도 2b는 이러한 회전자를 확대한 부분 단면도로서, 이에 도시된 바와 같이, 회전자의 제 1 회전자 돌극(210)과 제 2 회전자 돌극(211)을 연결하는 제 1 외주면(212)을 원주 방향으로 감싸는 홈(213)이 형성되어 있고, 이와 동일한 방식으로 제 2 회전자 돌극(211)과 제 3 회전자 돌극(214)을 연결하는 제 2외주면(215)을 원주방향으로 감싸는 홈(215)이 형성되어 있다.

그리고, 자속 장벽인 홈의 폭(W1)과, 회전자 극 너비(W2), 브리지(bridge)너비(W3), 중간 치 너비(W4)는 반응 표면법(RSM : Response Surface methodology)을 이용하여 자속 장벽이 형성된 회전자에 대해 형상 최적화를 수행할 결과는 다음과 같다.

자속 장벽인 홈의 폭(W1)은 1.45mm, 회전자 극 너비(W2)는 20mm, 브리지(bridge)너비(W3)는 0.3mm, 중간 치 너비(W4)는 1.2mm일 때가 가장 바람직하며, 평균 토크 1.49N.m, 토크 리플 1.11N.m가 산출된다.

그리고, 상기 산출 방식은,

Vs = Rmim + Lmdim/dt + Em : 한 상에 대한 전압 방정식(Rm은 권선 저항, Lm은 코일 끝단 부의 누설 인덕턴스, Em은 권선에 유기되는 역기전력)과,

∇ ×∇ ×A벡터 = uJ벡터 : 지배 방정식(u는 투자율, J는 외부인가 전류)을 이용하여 시스템 행렬을 구한 뒤, 시간 미분항을 처리하기 위해 해석하고자 하는 현상의 미분 방정식을 시간에 대해 이산화시켜 계산하는 시간 차분법을 이용하며, 발생 토크는 매 시간 간격으로 자계 해석 수행 후 맥스웰 응력법을 이용하여 회전자가 받는 힘으로부터 산출한다.

도 3a 내지 도 3c는 상기에서 결정된 자속 장벽인 홈의 폭을 기준으로 자속 장벽 폭에 따른 토크 리플 특성을 도시한 도면으로, 여기서 도 3a와 도 3b, 도 3c는 자속 장벽인 홈의 폭이 각기, 1mm, 2mm, 3mm일 때의 토크 리플 특성을 도시한 도면이다.

이에 도시한 바와 같이, 자속 장벽 폭이 넓어질수록 그에 비례하여 최대/최소/평균 토크와, 토크 리플은 증가하는데, 이는 회전자의 극이 보다 심하게 포화되어 입력 전류가 급격히 증가하기 때문이며, 도면에 도시된 Cmax는 최대 토크 크기, Cmin는 최소 토크 크기, Cave는 평균 토크 크기를 각기 나타낸다.

그리고, 도 4a와 도 4b는 상기 측정한 값을 바탕으로 FEM을 이용한 동특성 해석을 통해 모터에서 단위 스트로크 구간(돌극과 돌극 사이 구간)에 발생하는 상 전류와 그 때의 토크를 측정하여 이를 종래의 프로토 타입(prototype)과 본 발명의 배리어 타입(barrier)을 도식적으로 비교한 도면이다.

여기서, 도 4a는 단위 스트로크 구간 동안에 발생하는 토크의 특성이 도시된 도면으로서 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 자속 장벽을 가진 배리어 타입의 스위치드 릴럭턴스 모터가 종래의 프로토 타입의 모터보다 평균 토크가 증가함을 알 수 있으며, 특성 해석 결과는 본 발명의 배리어 타입은 1.42이고, 프토코 타입은 1.37로, 평균 토크는 증가한 반면 토크 리플은 본 발명이 적용된 배리어 타입이 낮아짐을 알 수 있다.

그리고, 도 4b는 단위 스트로크 구간 동안에 발생하는 상 전류의 특성이 도시된 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배리어 타입은 평균 상전류가 2A 정도이고, 프로토 타입은 1.5A 정도로 발생하는 평균 상전류는 본 발명의 배리어 타입이 종래의 프로토 타입보다 평균토크는 증가함을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 자속 장벽을 가진 스위치드릴럭턴스 모터는 회전자에 자속 장벽(flux barrier) 예컨대, 일정 두께와 폭을 가진 홈을 형성하여 종래 프로토 타입(prototype)의 스위치드 릴럭턴스 모터보다 토크 리플을 감소시킬 수 있는 반면 평균 토크는 증가시킬 수 있어 모터의 진동 및 출력 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 원주방향을 따라 방사상으로 돌출된 복수의 돌극과, 상기 복수의 돌극들을 원주방향을 따라 상호 연결하는 요크부가 구비되며 중앙에 수용 영역이 형성된 고정자와;

   상기 고정자의 수용 영역에 수용되며, 중심에 회전축공이 형성되어 있고, 상호 대향하며 반경 반향 외측으로 복수개의 돌극이 구비된 회전자로 이루어지되;

   상기 회전자에는 인접한 돌극들을 연결하는 외주면을 원주 방향으로 감싸는 자속 장벽(flux barrier)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자속 장벽을 가진 스위치드 릴럭턴스 모터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 자속 장벽은;

   두께(T)와 폭(W)를 가진 홈인 것을 특징으로 하는 자속 장벽을 가진 스위치드 릴럭턴스 모터.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 홈은;

   두께(T)가 0.5mm이고,

   폭(W)이 1mm 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 자속 장벽을 가진 스위치드 릴럭턴스 모터.