KR100619735B1

KR100619735B1 - 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기

Info

Publication number: KR100619735B1
Application number: KR1020040071258A
Authority: KR
Inventors: 한승도; 신현정; 안재홍
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2006-09-12
Also published as: JP2006081391A; EP1633036A1; CN100380780C; US20060049710A1; CN1756035A; KR20060022438A

Abstract

본 발명은 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기에 관한 것으로, 본 발명은 메인코일과 셰이딩코일을 구비하는 단상의 고정자와; 고정자의 안쪽에 소정의 공극을 구비하여 회전 가능하게 삽입하고, 그 회전중심에 회전력을 전달하도록 회전축을 구비하는 회전자와; 고정자와 회전자 사이의 공극에 평형착자부와 경사착자부를 연속하여 구비한 마그네트를 개재하여 상기한 회전축에서 축방향으로 이동하면서 자유롭게 회전할 수 있도록 결합하는 동기자;를 포함함으로써, 인가전압의 변화에 따라 회전자의 회전속도를 용이하게 가변하여 이를 채용한 제품의 기능을 다양화할 수 있을 뿐만 아니라 회전자의 기동시 브레이킹 토오크를 줄여 기동전류를 낮춤으로써 전동기가 저소음 고효율 운전을 할 수 있다.

Description

셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기{SHADING COIL TYPE SINGLE-PHASE HYBRIDE INDUCTION MOTOR}

도 1은 종래 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기의 일례를 보인 정면도,

도 2 및 도 3은 종래 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기에서 동기자와 회전자를 보인 사시도 및 종단면도,

도 4 및 도 5는 본 발명 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기의 일례를 보인 사시도 및 종단면도,

도 6은 본 발명 동기/유도 전동기의 기동시 특성을 보인 그래프,

도 7a 및 도 7b는 본 발명 동기/유도 전동기의 변속시 동기자의 위치를 보인 개략도.

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

1 : 고정자 2 : 회전자

4 : 회전축 5 : 메인코일

6 : 셰이딩코일 8 : 축베어링

10 : 제1,제2 동기자 11 : 마그네트프레임

12 : 마그네트 12a : 평형착자부

12b : 경사착자부

본 발명은 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기에 관한 것으로서, 특히 기동토오크를 줄이고 변속회전을 용이하게 할 수 있는 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기에 관한 것이다.

일반적으로 전동기는 전기에너지를 기계에너지로 변환하는 장치로서, 사용전원에 따라 직류전동기와 교류전동기로 구분할 수 있다. 그 중 교류전동기에는 유도전동기, 동기전동기, 정류자전동기 등이 있으며, 최근 유도전동기와 동기전동기의 특성을 결합한 동기/유도 전동기가 소개되고 있다.

동기/유도 전동기는 고정자와 회전자 사이의 공극에 동기자인 영구자석을 자유회전 상태로 설치하여 이중공극을 형성하는 것으로, 고정자의 자계가 동기자를 회전시켜 동기자가 동기속도로 회전을 함과 동시에 그 동기자의 영구자석에서 발생하는 자속이 회전자에 대해 회전자계 역할을 하면서 상기한 회전자가 회전을 하도록 하는 원리이다.

도 1은 종래 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기의 일례를 보인 정면도이고, 도 2 및 도 3은 종래 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기에서 동기자와 회전자를 보인 사시도 및 종단면도이다

이에 도시한 바와 같이 종래 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기(이하, 동기/유도 전동기로 약칭함)는, 케이싱(미도시)의 내부에 고정 설치하는 고정자(1) 와, 고정자(1)의 안쪽에 소정의 공극을 두고 회전 가능하게 삽입하는 회전자(2)와, 고정자(1)와 회전자(2) 사이의 공극에 회전 자유 상태로 개재하는 동기자(3)와, 회전자(2)에 압입하여 회전력을 전달하는 회전축(4)을 포함하고 있다.

고정자(1)는 도 1에서와 같이 평면투영시 사각띠 또는 원띠 모양으로 형성하되 그 중앙부 일측에는 소정의 공극을 두고 상기한 동기자(3)와 회전자(2)를 수용하는 회전체수용홈(1a)을 형성하고, 회전체수용홈(1a)의 일측에는 그 고정자(1)가 N극 또는 S극의 극성을 갖도록 메인코일(5)을 감아 설치하는 코일수용부(1b)를 형성하며, 회전체수용홈(1a)의 주변에는 상기한 메인코일(5)과 공간적으로 적당한 각도에 위치시켜 타원형의 회전자계가 발생하도록 셰이딩코일(6)을 감아 설치하는 그루브(1c)를 소정의 각도로 경사지게 형성하고 있다.

회전자(3)는 도 2 및 도 3에서와 같이 원봉 모양으로 형성하되 그 중심에는 상기한 회전축(4)을 압입하는 축구멍(2a)을 형성하고, 그 외주연에는 축방향으로 긴 농형도체(7)를 몰딩하는 수 개의 도체구멍(2b)을 원주방향을 따라 등간격으로 형성하고 있다.

동기자(3)는 도 2 및 도 3에서와 같이 원판모양으로 형성하여 그 중앙에 회전축(4)이 회전 가능하게 결합하는 마그네트프레임(3a)과, 마그네트프레임(3a)의 끝단에 원주방향을 따라 고정 결합하여 고정자(1)의 자계에 따라 회전하면서 상기한 회전자(2)를 회전시키는 수 개의 마그네트(3b)로 이루어져 있다.

마그네트프레임(3a)은 원판모양으로 형성하되 그 중앙부에는 오일리스베어링과 같은 축베어링(8)을 구비하여 상기한 회전축(4)을 삽입 결합하고 있다.

마그네트(3b)는 원주방향을 따라 N극과 S극을 교번 자화시켜 단일 원통 모양으로 형성하고 있다.

상기와 같은 종래 동기/유도 전동기는 다음과 같이 동작한다.

즉, 고정자(1)의 메인코일(5)에 1차 전류가 순차적으로 인가되어 N극과 S극의 교번 자계가 형성되는 동시에 셰이딩코일(6)에 2차 전류가 인가되어 회전 자계가 형성되면, 이 자계에 동기자(3)가 동기되어 회전을 하면서 그 동기자(3)의 마그네트(3b)에서 자속이 발생하고, 이 자속이 회전자계 역할을 하여 회전자(2)가 슬립을 가지면서 가속되어 동기속도로 회전을 하며, 이 회전자(2)에 결합하는 회전축(4)이 메인코일(5)의 자계를 따라 회전을 하면서 팬과 같은 다른 부품에 회전력을 전달하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 영구자석 동기전동기에 있어서는, 동기자(3)의 마그네트(3b)를 한 개로 형성함에 따라 극수가 전 영역에 걸쳐 동일하여 상기한 회전자(2)의 브레이킹 토오크가 증가하고 이로 인해 회전자(2)의 기동이 난해하여 그만큼 큰 기동전류를 필요로 하는 문제점이 있었다.

또, 공급전압이 일정한 경우 부하변동에 따른 속도변동의 폭이 작을 뿐만 아니라 마그네트(3b)와 회전자(2) 사이의 공극자속이 일정함에 따라 회전속도의 가변운전이 난해하게 되어 제품의 신뢰성이 저하되는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 동기/유도 전동기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 동기자의 기동에 필요한 전류를 낮춰 모터 효율을 높일 수 있는 셰 이딩 코일형 동기/유도 전동기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또, 회전자의 회전속도를 가변할 수 있는 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 메인코일과 셰이딩코일을 구비하는 단상의 고정자와; 고정자의 안쪽에 소정의 공극을 구비하여 회전 가능하게 삽입하고, 그 회전중심에 회전력을 전달하도록 회전축을 구비하는 회전자와; 고정자와 회전자 사이의 공극에 평형착자부와 경사착자부를 연속하여 구비한 마그네트를 개재하여 상기한 회전축에서 축방향으로 이동하면서 자유롭게 회전할 수 있도록 결합하는 동기자;를 포함한 것을 특징으로 하는 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 동기/유도 전동기를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 4 및 도 5는 본 발명 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기의 일례를 보인 사시도 및 종단면도이고, 도 6은 본 발명 동기/유도 전동기의 기동시 특성을 보인 그래프이며, 도 7a 및 도 7b는 본 발명 동기/유도 전동기의 변속시 동기자의 위치를 보인 개략도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 동기/유도 전동기는, 케이싱(미도시)의 내부에 고정 설치하는 고정자(1)와, 고정자(1)의 안쪽에 회전 가능하게 설치하고 그 중앙에 회전축(4)을 결합하는 회전자(2)와, 고정자(1)와 회전자(2)의 사이에 축방향으로 이동하면서 회전 자유 상태로 개재하여 상기한 회전자(2)를 동기시키는 한 개의 동기자(10)로 구성한다.

동기자(10)는 회전축(4)에 맞대응하도록 회전 가능하게 결합하는 마그네트프레임(11)과, 마그네트프레임(11)에 결합하여 자계를 형성하는 마그네트(12)로 이루어진다.

마그네트프레임(11)은 일측이 회전축(4)에 회전 가능하게 결합하도록 오일리스베어링과 같은 축베어링(13)을 사이에 두고 결합하는 반면 타측은 회전자(2)를 수용하도록 개구하여 형성한다.

마그네트(12)는 도 4에서와 같이 원통 모양으로 형성하여 원주방향을 따라 N극과 S극이 번갈아 극성을 띠도록 자화하되 한 쪽 끝단(도면에선 좌측)에서 대략 2/3 되는 지점까지는 축방향으로 자화면적이 동일한 평형착자부(12a)를 형성하는 반면 그 평형착자부(12a)의 끝단에서 다른 쪽 끝단(도면에선 우측)까지 대략 1/3 되는 영역(실제로는 절반까지 가능함)은 축방향으로 자화면적이 점차 축방향 중앙으로 경사지는 경사착자부(12b)를 대칭되게 형성하여 이루어진다. 여기서, 마그네트(12)의 평형착자부(12a)의 축방향 길이(L1)는 해당 마그네트가 고정자(1)의 자기장 범위에 놓일 수 있도록 그 고정자(1)의 축방향 길이(L) 보다 같거나 짧게 형성하는 반면 경사착자부의 축방향 길이(L2)는 평형착자부의 축방향 길이(L1) 보다 짧거나 같게 형성하는 것이 바람직하다.

또, 마그네트(12)는 원호형상으로 형성하여 마그네트프레임(11)에 고정할 수도 있으나, 링 모양으로 형성하는 것이 마그네트(12)의 조립공수를 줄일 수 있어 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명 동기/유도 전동기는 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

즉, 고정자(1)의 메인코일(도 1에 도시)(5)과 셰이딩코일(6)에 전원이 인가되어 자계가 형성되면, 이 자계에 따라 제1 동기자(11)와 제2 동기자(12)가 동기되어 회전을 하면서 양쪽 동기자(11)(12)의 마그네트(11b)(12b)에서 자속이 발생하고, 이 자속이 회전자계 역할을 하여 회전자(2)가 슬립을 가지면서 가속 회전을 하며, 이 회전자(2)에 결합한 회전축(4)이 메인코일(5)의 자계에 따라 회전을 하면서 팬 등을 시킨다.

여기서, 회전자의 기동과정은 다음과 같다. 즉, 나자석 상태에서 도 6에서와 같이 평형착자부(12a)와 경사착자부(12b)를 함께 형성함에 따라 소위 '스텝스큐'의 형상을 띄므로 초기 토오크가 기동에 필요한 토오크 보다 작을 경우 축방향 운동에 의해 극수가 대략 2배로 증가한다. 극수가 2배로 증가하면 회전자(2)의 회전속도는 1/2이 되므로 그만큼 기동에 필요한 토오크가 줄어 회전자(2)의 기동이 원활하게 된다. 이로 인해 모터의 정지 상태에서 전류를 인가한 후 2배 극수의 모드로 동기하여 동기자(10)가 회전을 함에 따라 낮은 기동전류로도 회전자(2)를 용이하게 기동시킬 수 있다. 예컨대, AC상용전압을 고정자(1)에 인가하면, 고정자(1)에 회전자계가 발생하여 저관성의 마그네트(또는 동기자)가 기동하면서 대략 2배 정도의 극수로 동기가 인입되고, 회전자(2)가 동기속도의 1/2 정도로 기동하여 상기한 저관성의 마그네트가 원래의 극수로 동기 인입되면 회전자(2) 역시 동기속도로 기동하 는 것이다.

한편, 전동기의 변속과정은 다음과 같다. 예컨대, 도 7a에서와 같이 인가전압이 증가하여 고정자(1)의 기자력이 커지면, 자기평형점을 따라 축방향 길이가 긴 평형착자부(12a)가 유효면적이 넓어지는 방향, 즉 도면의 우측으로 축방향 이동을 하여 고정자(1)의 자기장 범위 안에 위치함에 따라 마그네트(12)와 회전자(2) 사이의 결합력(coupling force)이 증가하면서 상기한 회전자(2)가 고속으로 회전을 한다. 반면 도 7b에서와 같이 인가전압이 감소하여 고정자(1)의 기자력이 작아지면, 자기평형점을 따라 축방향 길이가 짧은 경사착자부(12b)가 유효면적이 넓어지는 방향, 즉 도면의 좌측으로 축방향 이동을 하여 고정자(1)의 자기장 범위 안에 위치함에 따라 마그네트(12)와 회전자(2) 사이의 결합력이 감소하면서 상기한 회전자(2)가 저속으로 회전을 하는 것이다.

이렇게 하여, 복수 개의 동기자와 회전자를 가진 고효율 단상 유도 전동기의 경우 인가전압의 변화에 따른 회전자에 전해지는 자속의 변화가 커서 회전자의 회전속도를 용이하게 변경시켜 이 유도전동기를 채용한 제품의 기능을 다양화할 수 있을 뿐만 아니라 회전자의 브레이킹 토오크를 줄여 기동전류를 낮춤으로써 전동기의 소음은 낮추고 효율은 높일 수 있다.

본 발명에 의한 동기/유도 전동기는, 동기자를 축방향 이동할 수 있도록 복수 개의 착자부로 구비하되 한 쪽 착자부를 경사지게 형성하여 고정자와 회전자 사이에 설치함으로써, 인가전압의 변화에 따라 회전자의 회전속도를 용이하게 가변하 여 이를 채용한 제품의 기능을 다양화할 수 있을 뿐만 아니라 회전자의 기동시 브레이킹 토오크를 줄여 기동전류를 낮춤으로써 전동기가 저소음 고효율 운전을 할 수 있다.

Claims

메인코일과 셰이딩코일을 구비하는 단상의 고정자와;

고정자의 안쪽에 소정의 공극을 구비하여 회전 가능하게 삽입하고, 그 회전중심에 회전력을 전달하도록 회전축을 구비하는 회전자와;

고정자와 회전자 사이의 공극에 평형착자부와 경사착자부를 연속하여 구비한 마그네트를 개재하여 상기한 회전축에서 축방향으로 이동하면서 자유롭게 회전할 수 있도록 결합하는 동기자;를 포함한 것을 특징으로 하는 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기.
제1항에 있어서,

평형착자부의 축방향 길이와 경사착자부의 축방향 길이는 각각 고정자의 축방향 길이 보다 같거나 짧은 것을 특징으로 하는 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기.
제2항에 있어서,

평형착자부가 경사착자부의 길이 보다 길거나 같게 형성하는 것을 특징으로 하는 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,

마그네트는 링 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 셰이딩 코일형 단상 동기/유도 전동기.