KR100465709B1 - 단상 스위치드 릴럭턴스 모터 - Google Patents

단상 스위치드 릴럭턴스 모터 Download PDF

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KR100465709B1
KR100465709B1 KR10-2002-0050157A KR20020050157A KR100465709B1 KR 100465709 B1 KR100465709 B1 KR 100465709B1 KR 20020050157 A KR20020050157 A KR 20020050157A KR 100465709 B1 KR100465709 B1 KR 100465709B1
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이요한
최용원
임준영
김상영
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 단상 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것으로서, n개의 돌극이 형성된 고정자 및 회전자와, n/2개의 N극과 n/S극이 상기 회전자의 둘레면에 링(ring) 형으로 배치되는 링 마그넷과, 상기 링 마그넷과 대향되게 배치되고, 상기 링 마그넷 사이에서 작용하는 인력에 의해 상기 회전자를 정방향 토크 발생 영역에 제동시키는 파킹 마그넷과, 상기 링 마그넷의 타측에 수평 정렬되어 배치되어 상기 회전자의 위치 및 속도 정보를 검출하는 제 1 내지 제 3 센서로 이루어지는 센서수단과, 상기 센서수단에 의해 감지된 상기 회전자의 위치 및 속도 정보에 따라 구동 펄스를 인가하는 구동 제어부를 포함하여 구성되어, 회전자가 불평형 안정 위치에서 제동되더라도 상기 회전자의 위치를 인위적으로 정렬할 필요없이 상기 회전자가 정방향으로 회전되도록 함으로써 모터제어의 신뢰성 및 안정성이 보장되고 상기 모터를 보다 신속하게 구동할 수 있는 효과가 있다.

Description

단상 스위치드 릴럭턴스 모터{Single Phase Motor}
본 발명은 단상 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것으로서, 특히 모터 회전자가 불안정 평형 위치에서 제동되어 구동 대기시 상기 회전자가 역방향 회전되지 않도록 상기 회전자의 위치를 인위적으로 정렬하는 단계가 불필요한 단상 스위치드릴럭턴스 모터에 관한 것이다.
이하, 종래 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구성 및 동작에 관해 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 은 일반적인 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 회로도이고, 도 2 는 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제동을 위한 회전자의 구조 단면도이다.
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 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 돌극과, 상기 돌극에 권선된 계자 코일(W1내지 W3)로 구성된다.
상기 회전자(10)는 원주의 외측으로 일정 간격을 두고 6개의 돌극이 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 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 다수개의 광센서또는 홀센서 등의 센서수단(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, 상기 스위치는 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 제어하고자 하는 방향(정방향)으로 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 마그넷과 평행하는 위치에 고정되어 상기 링 마그넷(15)과 상호 자력이 형성되는 파킹 마그넷(16)으로 구성되어, 상기 회전자(10)가 제동될 때 상기 두 마그넷에 작용하는 상호 인력에 의해 상기 회전자(10)가 특정 위치에 고정되도록 하는데, 이를 도 2 및 도 3 에 도시하였다.
도 3 은 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 링 마그넷 및 파킹 마그넷의 구성도인데, 도시된 바와 같이 N극 및 S극의 개수는 각각 돌극수(6개)와 같다. 또한 파킹 마그넷은 상기 링 마그넷의 극과 너비가 동일한 단일개의 N극 및 S극이 상기 링 마그넷과 대향하여 위치한다.
회전자의 돌극 당 회전주기는 360도/6개와 같고, 상기 N극의 자성 변화에 따른 회전 주기 역시 360도/6과 같다. 따라서 상기 회전자 및 고정자의 각 돌극간 형성되는 인덕턴스(자기유도) 파형의 주기는 60도이다. 이를 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 센서수단에서 생성된 펄스 파형 및 인덕턴스 프로파일을 도 4 에 도시하였다.
상기 센서수단은 제 1 센서 및 제 2 센서로 구성되는데, 상기 링 마그넷의 자기력선의 변화를 감지하여 펄스 신호를 생성한다. 상기 제 1 센서 및 제 2 센서로부터 각각 생성된 펄스 신호를 제 1 펄스 신호 및 제 2 펄스 신호라 하고, 각각의 신호는 감지 위치에 따른 시간차가 존재하며, 신호의 주기는 60도이다.
상기 구동부는 상기 센서수단으로부터 출력된 상기 제 1 센서의 상승 신호, 상기 제 2 센서의 상승 신호, 상기 제 1 센서의 하강 신호의 논리적 공통 구간에서 구동 펄스를 상기 고정자에 인가하여 모터의 회전을 유도하는데, 상기 공통구간을 도 4의 인덕턴스 프로파일 상에 볼드선 처리하였으며 이는 인덕턴스 파형의 기울기가 양인 구간으로써, 상기 회전자가 정방향 회전할 수 있도록 유도하는 정방향 토크 발생 영역임을 의미한다. 이와 같은 정방향 토크 발생 영역에서 상기 구동부는 구동 펄스의 폭을 조절하여 모터의 회전 속도를 제어할 수 있다.
도 5 는 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자의 불안정 평형 위치(UEP)를 도시한 도면이고, 도 6 는 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자의 정렬(Align) 단계를 도시한 도면이다.
상기 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 대기시 링 마그넷과 파킹 마그넷 사이의 위치 관계를 안정한 평형 위치(Stable Equilibrium Position, 이하 SEP)또는 불안정한 평형 위치(Unstable Equilibrium Position, 이하 UEP)로 구분할 수 있는데, 제어하고자 하는 방향(정방향)을 반시계 방향이라고 가정할 때, 0~+30도 사이에서 고정된 회전자가 재구동되면 전류가 인가된 고정자(20)의 돌극(A)에 가까운 회전자(10)의 돌극(A')이 정합하려는 방향, 즉 반시계 방향으로 회전되고, 이때 상기 링 마그넷과 상기 파킹 마그넷은 상이한 극이 대향되어 서로 인력이 작용하게 되며, 이러한 위치를 안정 평형 위치라 한다.
그러나 도 5와 같이 상기 -30~0도에서 회전자(10)가 고정된 채 구동 펄스가 인가되면 시계 방향으로 역회전하여 이로 인해 상기 모터가 내장된 기기의 제어 이상이 발생되며, 이때 상기 링 마그넷(15)과 상기 파킹 마그넷(16)은 동일극이 대향됨에 따라 상기 동일극 사이에 척력만 생성되어, 상호 인력에 의한 상기 회전자(10)의 좌우 정렬이 불가한 위치로써, 이를 불안정 평형 위치(UEP)라 한다. 이렇게 상기 링 마그넷과 파킹 마그넷이 UEP의 관계를 이루면, 상기 회전자(10)가 역방향으로 회전되어 모터의 내구성이 저하되는 등의 기기의 고장이 유발되는 단점이 있다.
따라서 상기 UEP에서 상기 회전자가 제동되는 경우, 도 6 과 같이 상기 모터 구동부는 구동 펄스의 인가 전 일정 시간동안 정렬 펄스를 인가하여 회전자의 돌극(A')과 고정자의 돌극(A)이 완전 정합되도록 한 후, 상기 정렬 펄스를 차단하여 상기 회전자(10)의 돌극(A')이 0~+30도 사이에 고정되도록 하는 보정 단계를 별도로 수행하여야 하는 불편함이 있었다. 이로 인해 모터 제어의 신속성이 저하되어, 상기 모터가 내장된 기기 사용의 불편함을 야기하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 모터의 회전자가 불안정 평형 위치에서 제동되는 경우 구동 대기시 상기 회전자가 역방향 회전되지 않도록 상기 회전자의 위치를 인위적으로 정렬하는 보정단계를 필요로 하지 않아 모터 제어의 신속성을 높일 수 있는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하는 데 있다.
도 1 은 일반적인 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 회로도,
도 2 는 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제동을 위한 회전자의 구조 단면도,
도 3 은 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 링 마그넷 및 파킹 마그넷의 구성도,
도 4 는 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 센서수단에서 생성된 펄스 파형을 도시한 도면,
도 5 는 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자의 불안정 평형 위치(UEP)를 도시한 도면,
도 6 는 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자의 정렬(Align) 단계를 도시한 도면,
도 7 은 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제동을 위한 회전자의 구조 단면도,
도 8 은 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 링 마그넷 및 파킹 마그넷의 구성도,
도 9 는 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자의 안정 평형 위치(SEP)를 도시한 도면,
도 10 은 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자의 불안정 평형 위치(UEP)를 도시한 도면,
도 11 은 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 센서수단에서 생성된 펄스 파형을 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
10: 회전자 A': 회전자의 돌극
20: 고정자 A : 고정자의 돌극
15, 150: 링 마그넷(Ring Magnet) 16, 160: 파킹 마그넷(Parking Magnet)
17: 회전축 18: 회전자 코어
19: 베어링 30, 300: 센서
W1,W2,W3: 계자코일 SW1,SW2: 스위치
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 단상 스위치드 릴럭턴스 모터는 내측으로 n개의 돌극이 형성되고, 상기 돌극에 계자 코일이 권선된 고정자와, 외측으로 n개의 돌극이 형성되고, 상기 고정자 사이에서 발생되는 전자기력에 의해 회전되는 회전자와, n/2개의 N극과 n/2개의 S극이 상기 회전자의 둘레면에 링(ring) 형으로 배치되는 링 마그넷과, 상기 링 마그넷과 대향되게 배치되고, 상기 링 마그넷 사이에서 작용하는 인력에 의해 상기 회전자를 정방향 토크 발생 영역에 제동시키는 파킹 마그넷과, 상기 링 마그넷의 타측에 수평 정렬되어 배치되어 상기 회전자의 위치 및 속도 정보를 검출하는 제 1 내지 제 3 센서로 이루어지는 센서수단과, 상기 센서수단에 의해 감지된 상기 회전자의 위치 및 속도 정보에 따라 구동 펄스를 인가하는 구동 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 방법은 도 1 과 동일하며, 도 7 은 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제동을 위한 회전자의 구조 단면도이고, 도 8 은 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 링 마그넷 및 파킹 마그넷의 구성도이다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 회전자는 원주의 외측으로 일정 간격을 두고 6개의 돌극이 돌출 형성된 코어가 적층되어 회전자 코어(180)가 형성되며, 중앙에는 모터의 구동력을 전달하는 회전축(170)이 상기 회전자와 함께 회전 구동된다. 상기 회전자의 하부지지 및 회전을 위해 상부와 하부에 베어링(190)이 있으며, 상기 회전자의 코어(180)는 상하 베어링(190) 사이에 위치한다.
링 마그넷(150)은 회전자의 내외면 중 어느 하나에 회전축과의 사이에 몰드재에 의해 몰드 성형되어 상기 회전축에 고정되거나, 상기 회전축의 단부에 끼워져 고정되어 상기 회전자와 일체 회전된다. 이에 따라 상기 회전자가 회전되도록 하는 구동 펄스가 차단되면, 상기 링 마그넷(150)은 파킹 마그넷(160) 사이에 작용하는 전자기력에 의해 제동되므로, 상기 파킹 마그넷은 상기 링 마그넷과 수평 대향되는 것이 바람직하다.
도 7 및 도 8 과 같이 상기 링 마그넷(150)은 N극과 S극이 좌우 교대로 배치되며, 상기 N극 및 S극은 각각 돌극수/2 만큼 존재한다. 따라서 N극의 회전 주기는 120도이고, S극의 회전 주기 역시 120도로써, 돌극 회전각의 2배가 된다. 또한 상기 파킹 마그넷은 상기 링 마그넷의 N극 및 S극과 동일한 간격을 가지는 단일개의 N극 및 S극으로 구성된다.
센서수단(300)은 링 마그넷의 N극 및 S극이 각각 (돌극수/2)로 감소됨에 따라 구동부(미도시)가 상기 모터의 운전 제어를 위해 필요로 하는 3 개의 신호를 출력하는 제 1 내지 제 3 센서(S1 내지 S3)로 구성된다.
도 9 는 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자의 안정 평형 위치(SEP)를, 도 10 은 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자의 불안정 평형 위치(UEP)를 도시한 도면이다.
6개의 돌극을 가지는 회전자(10) 및 6개의 돌극을 가지는 고정자(20)로 구성된 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 경우 각 돌극간 각도는 60도이므로 돌극의 회전 주기는 60도이고, 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.
안정 평형 위치(SEP)란 링 마그넷과 파킹 마그넷 사이에 인력이 작용하도록 서로 다른 극이 대향되는 위치로서, 회전자의 돌극(A)은 0~30도 사이에 위치하여 상기 모터 구동부가 구동 펄스를 인가하면, 상기 회전자는 반시계 방향으로 회전하게 된다. 상기 0~30도는 정방향 회전 토크가 발생되는 영역이다.
도 10 와 같은 불안정 평형 위치(UEP)란 링 마그넷(150)과 파킹 마그넷(160) 사이에 척력이 작용하도록 동일극이 대향되는 위치로서, 도 9과 그 위치를 비교하면, 상기 링 마그넷과 파킹 마그넷의 극 간격이 2배로 넓어짐에 따라 회전자가 60도만큼 회전되었을 경우에 형성되는 위치 관계이다. 돌극(A')의 회전 주기는 60도이므로, 상기 돌극(A')은 도 9 에서처럼 0~30도 사이의 동일한 영역, 즉 정방향 회전 토크가 발생되는 영역에 구동 대기된다.
즉, 상기 링 마그넷(150)의 N극->N극의 주기가 120도이고, 상기 N->S극의 주기가 60도가 됨에 따라 상기 돌극(A')의 회전 주기 60도와 동일하도록 상기 링 마그넷(150)의 극 수를 변화시킴에 따라 상기 링 마그넷과 파킹 마그넷의 위치 관계가 안정 평형 위치 또는 불안정 평형 위치에 무관하게 언제나 정방향 회전 토크를 발생시키는 영역에 회전자의 돌극이 위치되도록 하는 것이다.
도 11 은 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 센서수단(300)에서 생성된 펄스 파형을 도시한 도면으로써, 상기 센서수단은 링 마그넷(150)의 N극 및 S극이 각각 (돌극수/2)로 감소됨에 따라 상기 구동부가 상기 모터의 운전 제어를 위해 필요로 하는 3 개의 신호를 출력하는 제 1 내지 제 3 센서(S1 내지 S3)로 구성된다. 종래 발명의 제 1 및 제 2 센서 외에 제 3 센서가 보조적으로 부착되어 3개의 신호를 출력하게 된다.
상기 다수개의 센서는 링 마그넷의 타측에 수평 정렬되어 배치되어 상기 회전자와 일체 회전하는 링 마그넷의 N극 및 S극의 극성이 주기적인 변화를 감지하여, 제 1 내지 제 3 펄스 신호를 생성한다.
따라서 상기 제 1 내지 제 3 펄스 신호는 360도를 (돌극수/2)로 나눈 각도, 즉 120도의 주기를 가지게 되며, 각각의 센서의 배치에 따른 각도차만큼 각각의 펄스 신호가 딜레이되어 생성된다.
또한 회전자의 인덕턴스 프로파일을 보면, 돌극의 회전 주기는 60도를 가지며, 양의 기울기를 가지는 영역은 정방향 회전 토크가 발생되는 영역(0~30도)이고, 반대로 음의 기울기를 가지는 영역은 역방향 회전 토크가 발생되는 영역(-30~0도)이다.
모터 구동부는 상기 센서수단에 의해 감지된 제 1 펄스 신호의 상승 신호 및 상기 제 2 펄스 신호의 상승 신호, 그리고 상기 제 3 펄스 신호의 하강 신호의 논리적 공통 구간(AND)에서 상기 회전자가 회전되도록 구동 펄스를 인가한다. 따라서 상기 공통 구간에 해당하는 인덕턴스 프로파일(볼드선 처리)은 항상 양의 기울기를 가지는 구간으로서, 이때 인가된 구동 펄스에 의해 상기 회전자는 상기 링 마그넷과 파킹 마그넷의 위치 관계에 무관하게 항시 정방향으로 회전되는 것이다.
이상과 같이 상기 고정자 및 회전자의 돌극의 개수가 6개씩 형성된 단상 스위치드 릴럭턴스 모터를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 돌극수 및 마그넷의 위치는 모터가 적용되는 시스템에 따라 변경될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터는 회전자가 불평형 안정 위치에서 제동되더라도 상기 회전자의 위치를 인위적으로 정렬할 필요없이 상기 회전자가 정방향으로 회전되도록 함으로써 모터제어의 신뢰성 및 안정성이 보장되고 상기 모터를 보다 신속하게 구동할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 내측으로 n개의 돌극이 형성되고, 상기 돌극에 계자 코일이 권선된 고정자와; 외측으로 n개의 돌극이 형성되고, 상기 고정자 사이에서 발생되는 전자기력에 의해 회전되는 회전자와; n/2개의 N극과 n/2개의 S극이 상기 회전자의 둘레면에 링(ring) 형으로 배치되는 링 마그넷과; 상기 링 마그넷과 대향되게 배치되고, 상기 링 마그넷 사이에서 작용하는 인력에 의해 상기 회전자를 정방향 토크 발생 영역에 제동시키는 파킹 마그넷과; 상기 링 마그넷의 타측에 수평 정렬되어 배치되어 상기 회전자의 위치 및 속도 정보를 검출하는 제 1 내지 제 3 센서로 이루어지는 센서수단과; 상기 센서수단에 의해 감지된 상기 회전자의 위치 및 속도 정보에 따라 구동 펄스를 인가하는 구동 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 마그넷은 회전자의 내외면 중 어느 하나에 고정된 것을 특징으로 하는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 마그넷은 N극과 S극이 좌우 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 마그넷은 상기 회전자와 일체로 회전되도록 회전축의 단부에 끼워져 고정되는 것을 특징으로 하는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 파킹 마그넷은 상기 링 마그넷의 N극 및 S극과 동일한 간격을 가지는 단일개의 N극 및 S극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서수단은 상기 링 마그넷의 자석의 극성이 주기적으로 변화함에 따라 각각 제 1 내지 제 3 펄스 신호를 생성하고, 상기 제 1 내지 제 3 펄스 신호는 360도를 n/2로 나눈 각도의 주기를 가지는 것을 특징으로 하는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3 센서의 배치에 따른 각도차만큼 펄스 신호가 딜레이되어 생성되는 것을 특징으로 하는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 모터 구동부는 상기 센서수단에 의해 감지된 제 1 펄스 신호의 상승 신호 및 상기 제 2 펄스 신호의 상승 신호, 그리고 상기 제 3 펄스 신호의 하강 신호의 논리적 공통 구간(AND)에서 상기 회전자의 회전을 유도하는 구동 펄스를 인가하는 것을 특징으로 하는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터.
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