KR100465708B1 - 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법 - Google Patents

스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제어하고자 하는 방향의 역방향으로 회전되는 경우를 방지하기 위해 정렬 펄스를 인가하여 회전자가 안정한 평형 위치(SEP)에서 구동 대기하도록 하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법에 관한 것으로서,
단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자가 구동 대기하는 위치를 감지하여, 상기 회전자의 구동 대기 위치가 회전하고자 하는 방향에 대해 역방향 토크를 발생시키는 불안정 평형 위치이면 상기 고정자의 돌극에 정렬 펄스를 인가하여 상기 회전자의 돌극이 고정자의 돌극과 정합되도록 하며, 상기 정합 후 정렬 펄스의 인가를 일정시간 정지하여 상기 링 마그넷과 상기 파킹 마그넷 간의 자력에 의해 상기 회전자가 안정 평형 위치로 릴리즈(Release)되도록 함으로써, 상기 회전자가 제어하고자 하는 방향으로 구동되도록 하여 상기 모터 제어의 안정성 및 신뢰성을 확보하며, 아울러 상기 모터가 내장된 기기의 내구성 및 정확성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법{Switched Reluctance Motor's Initial Activating Method}
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법에 관한 것으로서, 특히 역방향으로 회전되는 경우를 방지하기 위해 정렬 펄스를 인가하여 회전자가 안정한 평형 위치(SEP)에서 구동 대기하도록 하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법에 관한 것이다.
도 1 은 일반적인 스위치드 릴럭턴스 모터의 구조를 도시한 단면도이고, 도 2 는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 회로를 도시한 도면이고, 도 3 은 스위치드 릴럭턴스 모터의 링 마그넷과 파킹 마그넷이 도시된 평면도이다.
단상 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor, SRM)는 구동부(미도시)와, 상기 구동부로부터 전류를 공급받는 계자 코일(W1내지 W3)이 권선된 고정자(Stator,20)와, 상기 고정자(20)의 내측에서 상기 계자 코일에 전류가 흐르면 상기 고정자(20)와의 사이에서 발생되는 릴럭턴스 토크에 의해 단일 방향으로 회전되는 회전자(Rotor,10)로 구성된다.
상기 고정자(20)는 상하가 개방된 원통형으로 형성된 요크와, 상기 요크의 내벽에서 원 중앙에 위치하는 상기 회전자(10)를 향해 일정 간격을 두고 돌출 형성된 다수개의 돌극(21)과, 상기 돌극(21)에 권선된 계자 코일(W1내지 W3)로 구성된다. 본 명세서의 도면에서는 상기 돌극의 개수가 6개로 도시되었으나, 이는 모터의 종류에 따라 상이하다.
상기 회전자(10)는 원주의 외측으로 일정 간격을 두고 6개의 돌극(11)이 돌출 형성된 코어가 적층되어 회전자 코어(18)가 형성되며, 상기 회전자(10)의 중앙에는 모터의 구동력을 전달하는 회전축(17)이 상기 회전자(10)와 함께 회전 구동된다. 상기 고정자(20) 및 회전자(10)의 하부지지 및 회전을 위해 상부와 하부에 베어링(19)이 있으며, 상기 회전자의 코어(18)는 상하 베어링(19) 사이에 위치한다.
상기 구동부는 상기 회전자(10)의 위치나 속도를 감지하는 광센서 또는 홀센서 등의 센서(30)로부터 감지 신호를 전달받아 순차적으로 마주보는 한 쌍의 계자 코일과 연결된 스위치를 온/오프하는 구동 펄스를 생성함에 따라 전류가 도통되게 한다.
단상 스위치드 릴럭턴스 모터는 2개의 스위치(SW1,SW2)를 가지는데, 상기 스위치는 온/오프가 동시에 이루어져서 마주보는 두 개의 돌극을 연결하는 동시에, 상기 돌극 둘레를 감싸는 계자 코일(W1내지 W3)과 연결되어 상기 구동부에서 인가한 전류가 상기 계자 코일에 흐르도록 한다.
상기 계자 코일에 전류가 흐르면 상기 고정자(20)와 회전자(10) 사이에 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque)가 발생되어 자기저항이 최소가 되는 방향으로 회전 구동된다.
또한 상기 스위치드 릴럭턴스 모터는 단일의 방향으로 회전 구동될 수 있도록 특정 위치에서 상기 회전자(10)가 구동 대기하도록 자력을 이용하는데, 상기 자력을 유발하는 두 개의 자석은 상기 회전자(10)의 둘레면에 링형으로 형성된 링 마그넷(15)과, 상기 링 마그넷(15)과 상호 자력이 형성되는 파킹 마그넷(16)이 상기 링 마그넷(15)과 마그네틱 토크가 평형인 위치에 고정되어 상기 회전자(10)가 정지 상태일 때 상기 두 마그넷에 작용하는 상호 인력에 의해 상기 회전자(10)가 특정 위치에 고정되도록 한다.
이때 모터에 형성된 돌극의 수에 따라 링 마그넷(15)의 극수가 정해지는데, 상기 돌극의 수가 n이면 상기 링 마그넷(15)은 n개의 N극과 n개의 S극으로 구성되고, 상기 파킹 마그넷(16)은 상기 모터의 돌극 수와 무관하게 1개의 N극과 1개의 S극을 가진다.
상기 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동이 정지되면 안정한 평형 위치(Stable Equilibrium Position, 이하 SEP)또는 불안정한 평형 위치(Unstable Equilibrium Position, 이하 UEP)로 고정될 수 있는데, 이를 도 4 및 도 5 에 도시하였다. 도 4 및 도 5에서 도시된 단상 스위치드 릴럭턴스 모터는 6개의 돌극(11)을 가지는 회전자(10) 및 6개의 돌극(21)을 가지는 고정자(20)로 구성된다.
도 4의 경우 제어하고자 하는 방향을 반시계 방향이라고 가정할 때, 상기 SEP에서 고정된 모터가 재구동되면 전류가 인가된 고정자(20)의 돌극(A)에 가까운 회전자(10)의 돌극(A')이 정합하려는 방향, 즉 반시계 방향으로 회전되지만, 도 5와 같이 상기 UEP에서 고정된 모터가 재구동되면 시계 방향으로 역회전하여 이로 인해 상기 모터가 내장된 기기의 제어 이상이 발생되며, 아울러 모터의 내구성이 저하되는 등의 기기의 고장이 유발되는 단점이 있다. 이러한 UEP는 상기 링 마그넷(15)과 상기 파킹 마그넷(16)의 동일극이 마주침에 따라 상기 동일극 사이에 척력만 생성되어, 상호 인력에 의한 상기 회전자(10)의 좌우 이동이 불가한 경우에 발생되는 위치이다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 모터의 구동 정지시 회전자의 돌극이 불안정한 평형 위치에 고정되는 경우, 상기 모터의 재구동시 회전자가 역회전함으로써 모터가 내장된 기기의 제어 이상이 발생되거나 모터의 내구성이 저하되는 등의 문제점을 개선할 수 있는 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법을 제공하는데 있다.
도 1 은 일반적인 스위치드 릴럭턴스 모터의 구조를 도시한 단면도,
도 2 는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 회로를 도시한 도면,
도 3 은 스위치드 릴럭턴스 모터의 링 마그넷과 파킹 마그넷이 도시된 평면도,
도 4 는 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자가 구동 대기하는 안정 평형 위치가 도시된 도면,
도 5 는 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자가 구동 대기하는 불안정 평형 위치가 도시된 도면,
도 6 은 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법의 단계가 도시된 도면,
도 7 은 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법의 흐름이 도시된 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
10: 회전자 11, A': 회전자의 돌극
20: 고정자 21, A : 고정자의 돌극
15: 링 마그넷(Ring Magnet) 16: 파킹 마그넷(Parking Magnet)
17: 회전축 18: 회전자 코어
19: 베어링 30: 센서
W1,W2,W3: 계자코일 SW1,SW2: 스위치
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법의 특징에 따르면, n개의 돌극수를 가지는 회전자 및 고정자와, 상기 회전자의 둘레에 n개의 N극 및 S극을 가지는 링 마그넷과, 상기 링 마그넷과 상호 자력이 형성되는 파킹 마그넷을 포함하여 구성되는 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 구동 대기하는 회전자의 위치를 감지하는 제 1 단계와; 상기 회전자의 구동 대기 위치가 회전하고자 하는 방향에 대해 역방향 토크를 발생시키는 불안정 평형 위치인지 판단하는 제 2 단계와; 상기 판단 결과 상기 회전자가 불안정 평형 위치이면 상기 고정자의 돌극에 정렬 펄스를 인가하여 회전자의 돌극이 고정자의 돌극과 정합되도록 하는 제 3 단계와; 상기 정합 후 정렬 펄스의 인가를 일정시간 정지하여 상기 링 마그넷과 상기 파킹 마그넷 간의 자력에 의해 상기 회전자가 안정 평형 위치로 릴리즈(Release)되도록 하는 제 4 단계와; 상기 고정자로 구동 펄스를 인가하여 상기 안정 평형 위치의 회전자가 정방향으로 회전하도록 하는 제 5 단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6 은 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법의 단계가 도시된 도면이고, 도 7 은 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법의 흐름이 도시된 순서도이며, 본 실시예에서 모터를 회전하고자 하는 방향(정방향)을 반시계 방향으로, 역방향을 시계 방향으로 한다.
본 발명의 스위치드 릴럭턴스 모터의 구조는 종래 발명의 설명란에서와 동일하므로 구조에 대한 설명은 생략한다.
상기 고정자에 전류의 인가가 차단되어 상기 링 마그넷(15)과 파킹 마그넷(16)의 동일극이 서로 마주보는 위치에서 상기 회전자(10)가 고정된 경우 이러한 위치를 UEP라 하고, 이 위치에서 상기 고정자의 돌극(A)에 전류가 인가되면 상기 회전자는 시계 방향으로 회전하게 된다. 따라서 이러한 UEP에서 구동 대기하는 경우 역방향 회전을 방지하기 위해 본 발명의 초기 구동 방법에서는 상기 고정자에 정렬 펄스를 인가하게 된다.
도 6과 같이 6개의 돌극(11)을 가지는 회전자(10) 및 6개의 돌극(21)을 가지는 고정자(20)로 구성된 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 경우 각 돌극간 각도는 60도이며, 전류가 인가된 고정자의 돌극(A)의 중심을 0도라 할 때, 상기 회전자의 돌극(A')의 위치는 우측으로 30도, 좌측으로 30도의 변위를 가지게 된다. 편의상 상기 중심으로부터 우측을 +로, 좌측을 -로 표기한다.
이때 상기 회전자(10)의 돌극(A')가 -30도~0도의 범위 내에 있을 때 상기 고정자의 돌극(A)에 전류가 인가되면 상기 회전자의 돌극(A')는 우측으로, 즉 시계 방향으로 회전하게 되어 역방향의 토크를 발생시킨다. 이러한 위치를 불안정 평형 위치(UEP)라 한다.
먼저 모터의 센서(30)에 의해 구동 대기중인 회전자(10)의 위치가 감지(S1)된다.
모터 구동부에 의해 상기 감지된 회전자의 위치가 UEP인지 판단(S2)되는데, 상기 회전자의 위치가 SEP이면 구동 펄스를 인가하여 상기 모터를 구동시키며, 상기 회전자의 위치가 UEP이면 상기 고정자의 돌극(A)에 정렬 펄스(Align Pulse)를인가(S3)한다. 이러한 UEP에서 구동 대기하는 회전자 및 고정자의 위치는 도 6의 첫 번째 단계에서 도시된 바와 같다.
상기 정렬 펄스로 인해 상기 회전자의 돌극(A')는 상기 고정자의 돌극(A)와 완전 정합(S4)하게 된다. 이러한 과정을 얼라인(Align)이라 하며, 도 6 의 두 번째 단계에서 도시된 바와 같다.
상기 얼라인 후 상기 정렬 펄스는 일정시간 차단(S5)되어 상기 고정자의 돌극(A)에 흐르는 전류가 차단됨에 따라 상기 회전자와 상기 고정자 사이에는 링 마그넷과 파킹 마그넷에 의한 인력에 의해 상기 회전자의 돌극(A')은 0도~30도 사이에 위치하게 되는데 이러한 과정을 릴리즈(Release)라 하며(S6). 상기 0도~30도 사이의 위치를 상기한 바와 같이 안정 평형 위치(SEP)라 한다. 상기 SEP에서 구동 대기하는 회전자 및 고정자가 도 6 의 세 번째 단계에 도시되었다.
이 때, 구동 펄스를 인가(S7)하면 상기 회전자는 정방향, 즉 반시계 방향으로 회전됨에 따라 상기 모터의 정확한 제어를 수행할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법은 정렬 펄스를 인가하여 얼라인-릴리즈의 과정에 의해 회전자의 구동 대기 위치를 안정 평형 위치(SEP)로 고정시킨 후 구동 펄스를 인가함에 따라 상기 회전자의 역방향 회전을 방지하고, 상기 모터 제어의 안정성 및 신뢰성을 확보하며, 아울러 상기 모터가 내장된 기기의 내구성 및 정확성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. n개의 돌극수를 가지는 회전자 및 고정자와, 상기 회전자의 둘레에 n개의 N극 및 S극을 가지는 링 마그넷과, 상기 링 마그넷과 상호 자력이 형성되는 파킹 마그넷을 포함하여 구성되는 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서,
    구동 대기하는 회전자의 위치를 감지하는 제 1 단계와,
    상기 회전자의 구동 대기 위치가 회전하고자 하는 방향에 대해 역방향 토크를 발생시키는 불안정 평형 위치인지 판단하는 제 2 단계와,
    상기 판단 결과 상기 회전자가 불안정 평형 위치이면 상기 고정자의 돌극에 정렬 펄스를 인가하여 회전자의 돌극이 고정자의 돌극과 정합되도록 하는 제 3 단계와,
    상기 정합 후 정렬 펄스의 인가를 일정시간 정지하여 상기 링 마그넷과 상기 파킹 마그넷 간의 자력에 의해 상기 회전자가 안정 평형 위치로 릴리즈(Release)되도록 하는 제 4 단계와,
    상기 고정자로 구동 펄스를 인가하여 상기 안정 평형 위치의 회전자가 정방향으로 회전하도록 하는 제 5 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 방법.
  2. 삭제
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