KR100539152B1 - 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자에 관한 것으로서, 특히 코어의 외주면과 바 삽입구 및/또는 바 간의 간격을 상이하게 함으로써 고조파를 제거하여 기동 특성을 향상시킨 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자에 관한 것이다.
본 발명인 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자는 샤프트가 결합되는 방향으로 형성된 축 결합구와, 코어의 주변부를 따라 형성되되, 상기 코어의 외주면과 서로 상이한 간격을 지닌 다수의 바 삽입구가 형성된 코어와, 상기 바 삽입구에 삽입되는 다수의 바와, 일단부와 타단부는 상기 결합 방향에 수직인 코어 평면 상의 제1축을 향하도록 배열된 다수의 자속장벽으로 이루어진다.

Description

단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자{ROTOR FOR LINE-START RELUCTANCE MOTOR}
본 발명은 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자에 관한 것으로서, 특히 코어의 외주면과 바 삽입구 및/또는 바 간의 간격을 상이하게 함으로써 고조파를 제거하여 기동 특성을 향상시킨 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자에 관한 것이다.
이러한 단상 기동형 릴럭턴스 모터는 정속 운전을 하는 단상 전원용 교류 모터로서, 유도 모터와 릴럭턴스 모터의 혼합 형태이다. 단상 기동형 릴럭턴스 모터는 권선에 인가된 교류전원에 의해 회전자계를 형성하는 고정자와, 이 고정자 내부에 위치되어 고정자에 의해 형성된 회전자계에 의해 회전하는 회전자로 이루어진다. 이때, 이 단상 기동형 릴럭턴스 모터는 고정자의 자속이 회전자를 통과할 때 릴럭턴스(자기저항)가 작아지는 방향으로 회전자가 이동할 때의 회전력을 이용한 것이다. 즉, 기동시에는 유도 전동기와 같이 고정자 자속 변화와 이에 의해 바에 유기되는 전류와의 상호작용에 의해 기동 토오크가 생성되어, 회전되기 시작하고, 기동후에는 고정자의 자속이 회전자 내부의 코어 부분으로만 흐르려고 하는 릴럭턴스 토오크를 활용하여 정속으로 회전한다.
종래 기술로서, 미국 특허공보 제3,862,446호에 개시된 2극 동기 릴럭턴스 모터용 회전자는 릴럭턴스 모터의 초기기동특성을 개선하기 위하여, 반대로 위치된 한 쌍의 극들을 지닌 코어와, 주요 극 권선을 형성하며 주변부에 인접하는 각 극 부분 내에서 주위와 일정 간격으로 연결되고, 코어 각각의 90도를 둘러싸는 다수의 주요 도체들과, 극 권선 주위와 일정 간격을 지닌 단부들을 지니면서 코어 내에 형성되고 극 권선들 사이의 코어로 확장하는 자속장벽 및, 코어의 주변부에 인접한 자속장벽의 각 단부와 극의 각 단부 사이의 공간에 위치한 제2도체를 지니고, 극 권선들의 단부들과 가장 인접한 제2도체 사이의 공간은 어느 2개의 인접한 주요 도체들 간의 공간보다 크고, 도체는 서로 연결되어 농형 권선을 형성한다.
또한, 미국 특허공보 제6,064,134호에 개시된 동기 릴럭턴스 모터용 회전자 어셈블리는 샤프트와, 샤프트에 설치되고 다수의 채널들을 한정하도록 구성되고 위치된 다수의 지지부들을 포함하는 코어와, 코어의 각 채널 내에 각각 고정된 다수의 활모양의 로터 섹션들 및, 코어에 로터 섹션들을 고정시키기 위해 로터 섹션들 주위를 둘러싸여 놓여진 다수의 밴드들을 포함한다.
도 1은 종래 기술에 따른 릴럭턴스 모터의 회전자의 평면도이다. 도 1은 미국 특허공보 제6,066,904호에 개시된 회전자를 도시하며, 도시된 회전자(1)는 가장 높은 자기 투과율의 방향을 지닌 방향성 자기 물질로 이루어지고 축(3)방향으로 쌓인 코어(2)와, 이 코어(1) 주위에 일정한 간격을 두고 다수의 바 삽입구(4)와 이에 삽입된 바(5)와, 이 코어 상에 적어도 한 쌍의 내부 슬롯(6)을 지니고, 이 내부 슬롯(6)은 평면에 적어도 평행한 방향으로 정렬되고, 적어도 한 쌍의 내부 슬롯은 평면에 대칭이며, 이 내부 슬롯(6) 사이의 통로(7)를 통하여 고정자로부터의 자속이 흐른다.
상술된 바와 같이, 릴럭턴스 모터는 기동시에 유도 전동기의 원리로 동작하며, 이때, 바(5)에 전류가 유기됨으로써 기동시 유도 전동기의 역할을 수행하게 된다. 이어서 동기속도(즉, 정격속도)에 도달하면 내부 슬롯(6)이 돌극의 역할을 수행하고 그에 따른 토오크 발생의 원리로 동작하여 동기속도를 유지하게 된다.
도시된 바와 같이, 이러한 회전자(1)의 기동시에 고정자(도시되지 않음)로부터의 자속이 유입될 때, 자속(8a)은 회전자(1)를 기동시키는 토오크를 생성하나, 자속(8b)은 영역(9)에서 내부 슬롯(6)으로 인해 자속밀도가 급격하게 증가하게 된다.
도 2는 도 1의 회전자의 공극 각 위치에 따른 자속밀도를 나타내는 그래프이다. 여기서, 공극은 회전자(1)와 고정자 사이의 간격으로서, 도시된 바와 같이, 도 1의 4개의 영역(9)에 해당하는 그래프 상의 4개의 영역(9a)은 바(5)에서 모터에 인가되는 전류가 증가할수록 자속밀도가 급격히 증가되어 공극 자속밀도의 왜곡이 심각하게 발생되고 있음을 나타낸다. 즉, 영역(9)에 대응하는 공극각 위치에 있는 영역(9a)에서, 전류(i)가 8(A)에서의 공극 자속밀도의 왜곡보다 전류(i)가 15(A)일때, 30(A)일때, 더 심각하여 짐이 도시된다.
도 3은 종래 기술에 따른 회전자의 속도-토오크 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 영역(9)의 바(5) 부근에서 야기된 공극 자속밀도 왜곡은 기자력에 고조파 성분(제1, 제3, 제5, ... 제n고조파)(단, 제1, 제3, 제5고조파만 도시됨)을 부가하여, 회전자(1)로부터 생성되는 토오크의 실제곡선은 고조파 토오크 특성을 지니게 되어 회전자(1)의 기동특성을 저하시키게 된다.
또한, 이러한 종래 기술에 따른 회전자는 상술된 바와 같이 복잡한 다수의 구성요소들을 포함하여, 회전자의 제작에 상당한 시간과 비용이 요구되는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따른 회전자는 특수한 성질(예를 들면, 자기물질을 지닌 도체 등)을 지닌 구성요소를 요구하고 있다.
또한, 종래 기술은 고투과 방향(예를 들면, d축)에서의 자속밀도와 저투과 방향(예를 들면, q축)에서의 자속밀도 사이의 차이를 활용한 회전자의 최대의 출력과 효율을 제공하고 있지 못하다.
또한, 종래 기술은 회전자가 효율적인 출력 특성을 지니도록 하는 바의 배치 형태를 제공하고 있지 못하다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 회전자의 공극 부근에서 발생하는 고조파 성분을 제거하여 회전자의 기동특성을 향상시키는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 단순한 구성요소로 이루어져서, 회전자의 제작에 시간과 비용을 절감할 수 있도록 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일반적인 코어를 적층하여 사용하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고투과 방향에서의 자속밀도와 저투과 방향에서의 자속밀도 사이의 차이를 최대화하여 회전자의 뛰어난 출력과 효율을 제공하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 바의 형상과 이원적인 배치를 사용하여 회전자가 효율적인 기동 특성을 지니도록 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명인 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자는 샤프트가 결합되는 방향으로 형성된 축 결합구와, 코어의 주변부를 따라 형성되되, 상기 코어의 외주면과 서로 상이한 간격을 지닌 다수의 바 삽입구가 형성된 코어와, 상기 바 삽입구에 삽입되는 다수의 바와, 일단부와 타단부는 상기 결합 방향에 수직인 코어 평면 상의 제1축을 향하도록 배열된 다수의 자속장벽으로 이루어진다.
이때, 상기 자속장벽은 상기 제1축을 중심선으로 하여 제1각도를 지닌 서로 마주하는 제1영역 및 제2영역 내에 형성된 바 삽입구에 각각 근접하되, 중앙부는 적어도 일부분이 상기 축 결합구를 일정한 간격으로 감싸면서 상기 제1영역과 제2영역 사이의 제3영역 또는 제4영역을 통과한다.
또한, 상기 자속장벽은 상기 제1축에 수직인 코어 평면 상의 제2축에 대해서 대칭인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 및 제2영역 내의 적어도 일부의 바 삽입구가 상기 제1 및 제2영역 내의 나머지 바 삽입구보다 상기 코어의 외주면에 더 근접하도록 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 나머지 바 삽입구는 서로 인접하지 않는 것이 바람직하다.
또한, 상기 일부의 바 삽입구 중의 적어도 일부의 바 삽입구에 상기 바가 삽입되지 않는 것이 바람직하다.
또한, 상기 나머지 바 삽입구는 상기 제1축 및/또는 제2축에 대해서 대칭인 것이 바람직하다.
또한, 상기 자속장벽이 상기 나머지 바 삽입구에 근접하지 않는 것이 바람직하다.
또한, 상기 나머지 바 삽입구의 길이는 상기 나머지 바 삽입구의 외주면과 상기 코어의 외주면 간의 간격보다 더 큰 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3 및 제4영역 내의 바들 사이에 자속장벽이 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3 및 제4영역 내의 바의 면적은 상기 제1 및 제2 영역 내의 바의 면적보다 더 작은 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3 및 제4영역 내의 바 간의 간격은 상기 제1 및 제2영역 내의 바 간의 간격보다 더 작은 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3 및 제4영역 내의 바의 외주면의 폭은 상기 제1 및 제2영역 내의 바의 외주면의 폭보다 더 긴 것이 바람직하다.
또한, 본 발명인 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자는 샤프트가 결합되는 방향으로 형성된 축 결합구와, 코어의 주변부를 따라 형성되되, 상기 코어의 외주면과 서로 상이한 간격을 지닌 다수의 바 삽입구가 형성된 코어와, 상기 바 삽입구에 삽입되는 다수의 바와, 양단부가 상기 바들과 각각 근접하도록 일방향으로 배열되어 형성된 다수의 자속장벽으로 이루어지고, 상기 바의 상기 코어의 중심부를 향하는 중심선과 상기 자속장벽의 양단부의 중심선이 동일방향이다.
또한, 본 발명인 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자는 샤프트가 결합되는 방향으로 형성된 축 결합구와, 코어의 주변부를 따라 형성되되, 상기 코어의 외주면과 서로 상이한 간격을 지닌 다수의 바 삽입구가 형성된 코어와, 상기 바 삽입구에 삽입되는 다수의 바와, 양단부가 상기 바들과 각각 근접하도록 일방향으로 배열되어 형성된 다수의 자속장벽으로 이루어지고, 상기 자속장벽의 폭은 상기 자속장벽의 양단부가 근접한 바의 폭보다 작거나 같다.
또한, 본 발명인 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자는 샤프트가 결합되는 방향으로 형성된 축 결합구와, 코어의 주변부를 따라 형성되되, 상기 코어의 외주면과 서로 상이한 간격을 지닌 다수의 바 삽입구가 형성된 코어와, 상기 바 삽입구에 삽입되는 다수의 바와, 일방향으로 배열된 다수의 자속장벽으로 이루어지고, 상기 자속장벽의 배열방향에 있는 바들의 길이는 상기 자속장벽의 배열방향에 대해 수직방향에 있는 바들의 길이보다 더 길다.
이하에서, 본 발명을 본 발명의 일실시예 및 첨부 도면에 기초하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자의 평면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 회전자(40)는 샤프트(도시되지 않음)가 결합되는 방향으로 형성된 축 결합구(42)와, 주변부를 따라 형성되되, 코어(41)의 외주면과 서로 상이한 간격을 지닌 다수의 바 삽입구(43a, 43b, 43c)가 형성된 코어(41)와, 일부의 바 삽입구(43a, 43b, 43c)에 삽입되는 다수의 바(44a, 44b, 44c)와, 일단부와 타단부는 결합 방향에 수직인 코어(41) 평면 상의 제1축을 향하되, 제1축에 수직인 코어(41) 평면 상의 제2축에 서로 대칭적으로 위치되는 다수의 자속장벽(45)으로 이루어진다. 또한, 다수의 자속장벽(45) 사이에 있는 자속이 흐르는 코어(41) 부분이 자속통로(46)가 된다.
자세하게는, 이 회전자(40)는 다수의 적층된 코어(41) 평판으로 구성되며, 이 코어(41)는 특정의 자기 물질을 포함할 필요가 없다.
또한, 코어(41) 주변부에 형성된 바 삽입구(43a, 43b, 43c)는 축 결합구(42) 및 코어(41)의 외주면과 서로 상이한 간격을 지니도록 되며, 이들 바 삽입구(43a, 43b, 43c)에 바(44a, 44b, 44c)가 삽입된다. 이 바 삽입구(43a, 43b, 43c)와 바(44a, 44b, 44c)의 작용에 대해서는 하기에서 개시된다.
또한, 바(44a, 44b, 44c)는 이 코어(41)의 바 삽입구(43a, 43b, 43c)에 삽입되되, 이 적층된 코어(41) 평판의 동일한 위치로 확장하며, 일반적으로 알루미늄 성분을 포함한다.
또한, 자속장벽(45)은 코어(41)의 일부분이 제거되어 공기로 채워지는 부분으로서, 그 일단부와 타단부는 제1축 방향으로 배열되어 확장하되, 그 중앙부의 적어도 일부분이 축 결합구(42)를 일정한 간격으로 감싸면서 확장하여, 이 제1축 방향으로 자속을 용이하게 통과시키고, 제2축 방향으로는 자속이 통과되는 밀도를 최소화하는 일종의 장벽(barrier) 역할을 하는 형태를 지닌다. 즉, 이 자속장벽(45)은 제1축 방향으로는 최대의 자속밀도를, 이 제1축 방향과 수직인 제2축 방향으로는 최소의 자속밀도를 야기함으로써, 회전자(40)의 기동력을 현저하게 향상시킨다.
또한, 이 자속장벽(45)은 축 결합구(42)를 원호형으로 감싸면서 진행하도록 되어, 고정자(도시되지 않음)로부터 유입되는 자속의 흐름을 방해하지 않도록 하면서, 회전자(40)의 회전력을 향상시켜 회전자(40)의 기동성을 개선한다.
또한, 상술된 종래 기술에서는 자속장벽이 도시된 바와 같이 연속적이지 않고, 그 중간에 브리지(bridge)가 형성되어 단속적인 형태를 지님으로써, 이 브리지가 형성된 부분에서 자기포화현상이 발생하여, 자속의 흐름을 방해하였다. 이러한, 자기포화현상을 해결하기 위해, 본 발명은 도시된 바와 같이, 코어(41)가 연속적인 형태의 자속장벽(45)을 포함하도록 된다. 이러한 연속적인 자속장벽(45)은 자기포화현상을 방지하여, 자속의 흐름을 원활하도록 하여, 회전자(40)의 기동성을 향상시키게 된다. 또한, 이러한 연속적인 자속장벽(45)은 회전자(40)의 제작 상에서 그 시간과 비용을 감소시킬 수 있도록 한다.
이러한 자속장벽(45)이 회전자(40)의 코어(41) 면적 중에서 차지하는 면적이 많아지면, 제1축 방향으로 자속이 흐를 수 있는 코어(41)의 면적이 감소되는 것을 의미하므로, 코어(11)에서 자기포화가 야기될 수 있게 된다. 이러한 점에서, 자속장벽(45)의 면적과 코어(41)의 면적(또는 자속통로(46)의 면적)의 비를 조절할 필요가 있게 된다. 또한, 이 면적비와 함께, 자속의 원활한 흐름을 위해서는 자속장벽의 폭도 중요한 인자가 된다. 즉, 자속장벽의 폭이 과도하게 넓으면, 자속이 흐를 수 있는 코어의 폭이 감소되는 것이고, 자속장벽의 폭이 과도하게 좁으면, 제1축 방향과 제2축 방향에서의 자속밀도의 차이를 최대화시키는 점에서 문제가 야기될 수도 있다. 이러한 점에서, 축 결합구(42)와 코어(41)의 외주면 간의 폭에 대한 자속장벽(45)의 전체 폭의 비를 조절할 필요가 있게 된다.
또한, 바 삽입구(43b)와 바(44b)에 바는 자속장벽(45)이 근접하지 않도록 형성될 수 있다. 이것은 상술된 자속장벽(45)의 면적을 고려한 것이기도 하며, 도시된 바와 같이, 자속장벽(45)이 제1축 방향에 대해서 서로 대칭적으로 형성될 때, 이를 위해서 일부의 바에 자속장벽(45)이 근접하지 않을 수 있다.
도 5a 내지 5d는 도 4의 회전자의 영역이 구분된 평면도이다.
도 5a는 도 4의 회전자의 영역이 구분된 평면도이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 회전자(40)는 결합 방향에 수직인 코어(41) 평면 상의 제1축을 중심선으로 하여 소정의 각도를 지닌 서로 마주하는 제1영역 및 제2영역으로 구분되고, 제1영역과 제2영역 사이의 제3영역 및 제4영역으로 구분될 수 있다. 또한, 도 4에서 제1축으로 기재된 축인 d축은 자속의 고투과 방향을 나타내는 축이고, 제2축으로 기재된 축인 q축은 자속의 저투과 방향을 나타내는 축이다. 여기서, 제1영역 및 제2영역을 구분하는 각도는 도 5a에 도시된 바와 같이, 약77°정도이다. 이러한 각도는 자속이 많이 투과영역을 구분하는 상술된 고투과 방향에 대응하는 것으로서, 도 1 및 2에 도시된 그래프 상의 4개의 영역(9) 또는 (9a)를 적어도 포함하는 정도의 크기를 지닌다.
자세하게는, 이 제1 및 제2영역 내의 바 삽입구(43a)는 자속장벽(45)의 일단부와 타단부에 근접하도록 형성되어, 바 삽입구(43a, 43b) 사이 및 그로부터 확장되는 코어(41)의 자속통로(46)로 자속(굵은 실선)이 용이하게 흐를 수 있도록 하므로, 제1축인 d축은 자속의 고투과 방향의 축이 된다. 또한, 자속장벽(45)의 중앙부는 축 결합구(42)를 일정한 간격으로 감싸면서 제3영역 또는 제4영역을 통과하므로, 제3 및 제4영역 내의 바(44c) 및 바 삽입구(43c)는 자속장벽(45)에 의해 자속의 흐름이 없게 되므로, 제2축인 q축은 자속의 저투과 방향의 축이 된다.
도 5b는 도 4의 회전자의 기동시의 자속 흐름을 나타낸 평면도이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 기동시에 고정자로부터의 자속에 의해 바(44a)에 의한 자속 발생분이 코어(41) 및 자속통로(46)를 통하여 기동 토오크를 발생시키지만, 공극 자속밀도 왜곡 성분은 바(44b)와 코어(41)의 외주면 사이의 간격을 통해 누설된다. 자세하게는 영역(47) 내에 있는 바(44a)는 유도 작용에 의해 공극자속밀도 왜곡 성분이 되는 자속을 발생시키나, 도시된 바와 같이, 그 자속이 바(44b)와 코어(41)의 외주면 사이의 코어(41) 주변부를 따라 자속을 유도하여 누설시킴으로써, 영역(47) 내의 바(44a)에서의 왜곡 성분이 회전자(40)의 기동 토오크에 영향을 끼치지 않도록 한다. 즉, 이렇게 왜곡 자속을 누설시킴으로써, 이 영역(47)에서 발생했던 공극 자속밀도의 왜곡에 의한 고조파 증가가 회전자(40)의 토오크로 작용하지 않도록 함으로써 기동 특성이 개선된다.
도 5c는 도 4와 동일한 도면으로서, 설명을 위해 첨부된 것으로, 도 5c에 도시된 바와 같이, 본 발명인 회전자(41)는 제1축(d축) 방향에서의 자속밀도와 제2축(q축) 방향에서의 자속밀도의 차이를 더욱 크게 하기 위해, 제1축 방향 부근(즉, 제1 및 제2영역)의 바 삽입구(43a, 43b) 간의 간격(a)보다 제2축 방향 부근(즉, 제3 및 제4영역)의 바 삽입구(43c) 간의 간격(b)이 더 작도록 하여, 제2축 방향으로 코어(41)로 고정자로부터의 자속의 흐름을 최소화하기 위해 자기포화가 이 간격(b) 부분에서 일어나도록 한다. 즉, 제2축 방향 부근의 바 삽입구(43c)와 바(44c)가 일종의 자속장벽과 같은 역할을 수행하도록 한다.
또한, 본 발명의 자속장벽(45)의 일단부와 타단부는 각각 제2축에 대해서 서로 대칭인 바 삽입구(43a)에 근접하도록 형성된다. 이 자속장벽(45)과 바 삽입구(43a) 간의 간격(c)은 일정하도록 되어, 제1축 방향으로 흐르는 자속이 이 간격(c)에서 포화되는 현상의 발생을 최소화하면서 회전자(40)의 강도로 유지하도록 한다. 따라서, 바 삽입구(43a)의 내주면(정확하게는, 자속장벽(45)의 일단부 및 타단부와 근접하는 면)의 형태에 대응하도록 자속장벽(45)의 일단부와 타단부의 형태가 형성된다. 이때, 이 간격(c)은 바람직하게는 0.35mm 이하이다.
제1 및 제2영역 내의 바 삽입구(43a, 43b)의 외주면의 폭(d)은 제3 및 제4영역 내의 바 삽입구(43c)의 외주면의 폭(e)보다 작거나 같도록 형성된다. 이것은 제1 및 제2영역 내의 바 삽입구(43a, 43b)의 주위로는 자속이 용이하게 흐를 수 있도록 하고, 제3 및 제4영역 내의 바 삽입구(43c)의 주위로는 자속이 최대한 적게 흐르도록 하여, 이 제3 및 제4영역 내의 바 삽입구(43c)가 자속장벽(45)과 같은 기능을 수행하도록 한다.
상술된 제3 및 제4영역 내의 바 삽입구(43c)의 면적과 폭에 대한 특징은 제3 및 제4영역 내의 바 삽입구(43c)의 간격에 대한 특징과 동시에 또는 별개로 작용하여, 제3 및 제4영역 내의 바(43c)가 자속장벽(45)과 같은 기능을 수행하도록 하여, d축의 자속밀도와 q축의 자속밀도 간의 차이를 현저하게 크게 하는 작용을 한다.
또한, 상술된 바와 같이, 자속장벽(45)이 회전자(40)의 코어(41) 면적 중에서 차지하는 면적이 많아지면, d축 방향으로 자속이 흐를 수 있는 코어(41) 및/또는 자속통로(46)의 면적이 감소되는 것을 의미하므로, 코어(41)에서 자기포화가 야기될 수 있게 된다. 이러한 점에서, 자속장벽(45)의 면적과 코어(41)의 면적의 비를 조절할 필요가 있게 된다. 본 발명에 따른 회전자(40)에서는 코어(41) 평면의 전체면적에 대한 자속장벽(45)의 전체면적의 비는 0.35 내지 0.45인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 이 면적의 비는 0.39인 것이다.
또한, 상술된 면적비와 함께, 자속의 원활한 흐름을 위해서는 자속장벽의 폭도 중요한 인자가 된다. 즉, 자속장벽의 폭이 과도하게 넓으면, 자속이 흐를 수 있는 코어의 폭이 감소되는 것이고, 자속장벽의 폭이 과도하게 좁으면, d축 방향과 q축 방향에서의 자속밀도의 차이를 최대화시키는 점에서 문제가 야기될 수도 있다. 이에, 본 발명에서는 축 결합구(42)와 코어(41)의 외주면 간의 폭(L)에 대한 자속장벽(45)의 전체 폭(L1)(즉, 폭(L) 내에 형성된 자속장벽(45) 각 폭의 합= La + Lb + Lc)의 비는 0.35 내지 0.45가 되도록 한다. 더욱 바람직하게는, 폭의 비(L1/L)는 0.405이다.
도 5d는 도 4의 부분 확대도이다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 자속장벽(45)의 일단부 및/또는 타단부의 중심선(I)과, 자속장벽(45)이 근접하는 바 삽입구(43a)의 중심선(II)(바 삽입구(43a)의 면적을 균등분할하면서 코어(11)의 중심부를 향하는 선)이 동일 선상에 놓인다. 이러한 배치는 고정자로부터의 자속이 코어(41)를 통하여 흐르는 과정에 자속장벽(45)과 충돌하여 그 흐름이 방해되는 것을 방지하여, 코어(41) 및/또는 자속통로(46)로 자속이 용이하게 흐르도록 하기 위한 것이다.
또한, 도시된 바와 같이, 자속장벽(45)의 폭(f)이 자속장벽(45)이 근접하는 바 삽입구(43a)의 폭(g)보다 작거나 같도록 형성된다. 이러한 폭 간의 차이는 고정자로부터의 자속이 자속장벽(45)의 양단부에 의해 그 흐름이 방해되는 것을 방지하여, 코어(41) 및/또는 자속통로(46)로 자속이 용이하게 흐르도록 하기 위한 것이다.
또한, 도시된 바와 같이, 바 삽입구(43b)는 자속장벽(45)이 근접하는 바 삽입구(43a)보다 축 결합구(42)에 더 인접하도록 형성된다. 상술된 바와 같이, 이러한 축 결합구(42) 및/또는 코어(41)의 외주면 간의 상이한 간격을 지닌 바 삽입구(43a, 43b)에 의해 공극 자속밀도 왜곡성분이 누설되도록 된다. 이때, 바 삽입구(43a)와 코어(41) 외주면 간의 간격은 0.2 ~ 0.35mm이고, 바 삽입구(43b)와 코어(41) 외주면 간의 간격은 0.5 ~ 1.5mm이다.
또한, 축 결합구(42) 방향으로의 바 삽입구(43b)의 폭(h)은 바 삽입구(43b)의 외주면과 코어(41) 외주면과의 폭(i)보다 크거나 같도록 형성된다. 이러한 바 삽입구(43b)의 외주면과 코어(41) 외주면과의 폭(i)의 한정은 바(43a)에 의해 발생된 자속이 바 삽입구(43b)와 코어(41)의 외주면 사이로 진입하여 다시 바 삽입구(43a), (43b) 사이의 간격으로 유입되어 고조파를 증가시키게 되어, 이로 인하여 기동특성이 저하되는 것을 방지하기 위한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자의 제2실시예의 평면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 회전자(60)는 도 4의 회전자(40)와 거의 동일한 구성이나, 바 삽입구(63a) 중에서 일부의 바 삽입구에 바(64a)가 삽입되지 않도록 한다. 즉, 일부의 바 삽입구(63a)에는 바가 삽입되지 않고, 홀 상태로 유지된다.
자세하게는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 바(44a)에 의해 발생되는 자속이 누설되도록 바 삽입구(43b)가 축 결합구(42)에 보다 가깝게 배치되나, 이 바(44a)에서는 여전히 자속이 발생되고 있다. 이에, 회전자(60)에서는, 바 삽입구(63a) 중에서 일부에 바(64a)를 삽입하지 않도록 하여, 발생되는 자속성분을 감소시키고, 고정자와 회전자(60) 간의 공극자속밀도의 왜곡성분을 도 5b와 같이, 누설시키면서, 또한 바 삽입구(63a)를 통하여 흐를 수 있도록 하여, 그 누설작용을 보다 효과적으로 이루어지도록 한다.
도 7은 본 발명에 따른 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자의 제3실시예의 평면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 회전자(70)는 도 4의 도 4의 회전자(40)와 거의 동일한 구성이나, q축에 더 가까운 바(74c), 즉 제3 및 제4영역 내의 바(74c) 사이에 자속장벽(75a)이 형성된다. 이 바(74c)는 별도의 바 삽입구 없이 코어(71) 평면에 형성된 자속장벽(75a)에 삽입 형성될 수도 있다.
이렇게, 제3 및 제4영역 내의 바(74c) 사이에 자속장벽(75a)이 형성된 것과 같은 구조가 되어, 이 바(74c) 사이로 유입이 되었던 자속이 자속장벽(75a)으로 인하여, 코어(71) 내로 유입되지 않도록 하게 된다. 그럼으로써, d축의 자속밀도와 q축의 자속밀도 간의 차이가 현저하게 증가되게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자의 제4실시예의 평면도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 회전자(80)는 도 4의 도 4의 회전자(40)와 같이, 축 결합구(82) 방향을 기준으로 하여, 제1 및 제2영역 내의 바 삽입구(83a)의 길이(j)는 제3 및 제4영역 내의 바 삽입구(83c)의 길이(k)보다 더 길도록 형성된다. 이것은 상술된 바 삽입구(83a, 83c)의 면적 및 폭의 특징에 영향을 미치면서도, 제3 및 제4영역 내에서 바 삽입구(83c)가 전체적으로 차지하는 면적을 최소화하여, 코어(81) 면적의 효율성을 향상시킨다.
이에 더하여 제1 및 제2영역 내의 바 삽입구(83a)의 내주면의 공통접선(III)과 제3 및 제4영역 내의 바 삽입구(83c)의 내주면의 공통접선(IV) 사이에 적어도 하나의 자속장벽(85a)이 형성될 수 있다. 이러한 자속장벽(85a)은 근접한 제3 및 제4영역 내의 바 삽입구(83c) 및 바(84c)가 일종의 자속장벽(85)과 같은 기능을 수행함과 함께 작용하여, d축의 자속밀도와 q축의 자속밀도 간의 차이를 현저하게 크게 하는 작용을 한다.
도 9는 부하 인가후 종래 기술과 본 발명에 따른 기동 시뮬레이션 비교 결과를 나타내는 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 모터에서는 부하가 인가되어 기동을 시작하여 시간이 경과함에 따라 회전자와 고정자 간의 공극자속밀도 왜곡에 의해 속도가 증가되지 않아 결국 기동이 실패하여 정상적인 기동 및 가속이 이루어지지 않았다. 이에 반하여, 본 발명에 따른 모터에서는 정상적으로 동기회전속도까지 가속되어 정상기동 및 운전됨을 알 수 있다.
이러한 구성의 본 발명은 회전자의 공극 부근에서 발생하는 고조파 성분을 제거하여 회전자의 기동특성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명은 단순한 구성요소로 이루어져서, 회전자의 제작에 시간과 비용을 절감할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 일반적인 코어를 적층하여 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고투과 방향에서의 자속밀도와 저투과 방향에서의 자속밀도 사이의 차이를 최대화하여 회전자의 뛰어난 출력과 효율을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 바의 형상과 이원적인 배치를 사용하여 회전자가 효율적인 기동 특성을 지니도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 릴럭턴스 모터의 회전자의 평면도이다.
도 2는 도 1의 회전자의 공극 각 위치에 따른 자속밀도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 종래 기술에 따른 회전자의 속도-토오크 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자의 평면도이다.
도 5a 내지 5d는 도 4의 회전자의 영역이 구분된 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자의 제2실시예의 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자의 제3실시예의 평면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자의 제4실시예의 평면도이다.
도 9는 부하 인가후 종래 기술과 본 발명에 따른 기동 시뮬레이션 비교 결과를 나타내는 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
40: 회전자 41: 코어
42: 축 결합구 43a, 43b, 43c: 바 삽입구
44a, 44b, 44c: 바 45: 자속장벽
46: 자속통로

Claims (37)

  1. 샤프트가 결합되는 방향으로 형성된 축 결합구와, 코어의 주변부를 따라 형성되되, 상기 코어의 외주면과 서로 상이한 간격을 지닌 다수의 바 삽입구가 형성된 코어와;
    상기 바 삽입구에 삽입되는 다수의 바와;
    일단부와 타단부는 상기 결합 방향에 수직인 코어 평면 상의 제1축을 향하도록 배열된 다수의 자속장벽으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자속장벽은 상기 제1축을 중심선으로 하여 제1각도를 지닌 서로 마주하는 제1영역 및 제2영역 내에 형성된 바 삽입구에 각각 근접하되, 중앙부는 적어도 일부분이 상기 축 결합구를 일정한 간격으로 감싸면서 상기 제1영역과 제2영역 사이의 제3영역 또는 제4영역을 통과하는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자속장벽은 상기 제1축에 수직인 코어 평면 상의 제2축에 대해서 대칭인 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2영역 내의 적어도 일부의 바 삽입구가 상기 제1 및 제2영역 내의 나머지 바 삽입구보다 상기 코어의 외주면에 더 근접하도록 형성된 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구는 서로 인접하지 않는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  6. 제4항에 있어서, 상기 일부의 바 삽입구 중의 적어도 일부의 바 삽입구에 상기 바가 삽입되지 않는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  7. 제4항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구는 상기 제1축 및/또는 제2축에 대해서 대칭인 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  8. 제4항에 있어서, 상기 자속장벽이 상기 나머지 바 삽입구에 근접하지 않는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  9. 제4항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구의 길이는 상기 나머지 바 삽입구의 외주면과 상기 코어의 외주면 간의 간격보다 더 큰 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  10. 제2항에 있어서, 상기 제3 및 제4영역 내의 바들 사이에 자속장벽이 형성된 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제3 및 제4영역 내의 바의 면적은 상기 제1 및 제2 영역 내의 바의 면적보다 더 작은 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제3 및 제4영역 내의 바 간의 간격은 상기 제1 및 제2영역 내의 바 간의 간격보다 더 작은 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제3 및 제4영역 내의 바의 외주면의 폭은 상기 제1 및 제2영역 내의 바의 외주면의 폭보다 더 긴 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  14. 샤프트가 결합되는 방향으로 형성된 축 결합구와, 코어의 주변부를 따라 형성되되, 외주면과 서로 상이한 간격을 지닌 다수의 바 삽입구가 형성된 코어와;
    상기 바 삽입구에 삽입되는 다수의 바와;
    양단부가 상기 바들과 각각 근접하도록 일방향으로 배열되어 형성된 다수의 자속장벽으로 이루어지고, 상기 바의 상기 코어의 중심부를 향하는 중심선과 상기 자속장벽의 양단부의 중심선이 동일방향인 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 바의 중심선과 상기 자속장벽의 양단부의 중심선이 동일선상에 있는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  16. 제14항에 있어서, 상기 자속장벽의 배열방향에 있는 적어도 일부의 바 삽입구가 상기 자속장벽의 배열방향에 있는 나머지 바 삽입구보다 상기 코어의 외주면에 더 근접하도록 형성된 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  17. 제16항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구는 서로 인접하지 않는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  18. 제16항에 있어서, 상기 일부의 바 삽입구 중의 적어도 일부의 바 삽입구에 상기 바가 삽입되지 않는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  19. 제16항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구는 상기 자속장벽의 배열방향 및/또는 상기 자속장벽의 배열방향에 대해 수직방향에 대해서 대칭인 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  20. 제16항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구에 상기 자속장벽이 근접하지 않는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  21. 제16항 내지 제20항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구의 길이는 상기 나머지 바 삽입구의 외주면과 상기 코어의 외주면 간의 간격보다 더 큰 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  22. 샤프트가 결합되는 방향으로 형성된 축 결합구와, 코어의 주변부를 따라 형성되되, 상기 코어의 외주면과 서로 상이한 간격을 지닌 다수의 바 삽입구가 형성된 코어와;
    상기 바 삽입구에 삽입되는 다수의 바와;
    양단부가 상기 바들과 각각 근접하도록 일방향으로 배열되어 형성된 다수의 자속장벽으로 이루어지고, 상기 자속장벽의 폭은 상기 자속장벽의 양단부가 근접한 바의 폭보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  23. 제22항에 있어서, 상기 자속장벽의 배열방향에 있는 적어도 일부의 바 삽입구가 상기 자속장벽의 배열방향에 있는 나머지 바 삽입구보다 상기 코어의 외주면에 더 근접하도록 형성된 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  24. 제23항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구는 서로 인접하지 않는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  25. 제23항에 있어서, 상기 일부의 바 삽입구 중의 적어도 일부의 바 삽입구에 상기 바가 삽입되지 않는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  26. 제23항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구는 상기 자속장벽의 배열방향 및/또는 상기 자속장벽의 배열방향에 대해 수직방향에 대해서 대칭인 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  27. 제23항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구에 상기 자속장벽이 근접하지 않는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  28. 제23항 내지 제27항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구의 길이는 상기 나머지 바 삽입구의 외주면과 상기 코어의 외주면 간의 간격보다 더 큰 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  29. 샤프트가 결합되는 방향으로 형성된 축 결합구와, 코어의 주변부를 따라 형성되되, 상기 코어의 외주면과 서로 상이한 간격을 지닌 다수의 바 삽입구가 형성된 코어와;
    상기 바 삽입구에 삽입되는 다수의 바와;
    일방향으로 배열된 다수의 자속장벽으로 이루어지고, 상기 자속장벽의 배열방향에 있는 바들의 길이는 상기 자속장벽의 배열방향에 대해 수직방향에 있는 바들의 길이보다 더 긴 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  30. 제29항에 있어서, 상기 자속장벽의 배열방향에 있는 바들의 내주면의 공통접선과 상기 자속장벽의 배열방향에 대해 수직방향에 있는 바들의 내주면의 공통접선 사이에 적어도 하나의 자속장벽이 형성된 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  31. 제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 자속장벽의 배열방향에 대해 수직방향에 있는 바들 사이에 자속장벽이 형성된 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  32. 제29항에 있어서, 상기 제1 및 제2영역 내의 적어도 일부의 바 삽입구가 상기 제1 및 제2영역 내의 나머지 바 삽입구보다 상기 코어의 외주면에 더 근접하도록 형성된 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  33. 제32항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구는 서로 인접하지 않는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  34. 제32항에 있어서, 상기 일부의 바 삽입구 중의 적어도 일부의 바 삽입구에 상기 바가 삽입되지 않는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  35. 제32항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구는 상기 자속장벽의 배열방향 및/또는 자속장벽의 배열방향에 대해 수직방향에 대해서 대칭인 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  36. 제32항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구에 상기 자속장벽이 근접하지 않는 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
  37. 제32항에 있어서, 상기 나머지 바 삽입구의 길이는 상기 나머지 바 삽입구의 외주면과 상기 코어의 외주면 간의 간격보다 더 큰 것을 특징으로 하는 단상 기동형 릴럭턴스 모터의 회전자.
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