KR100643082B1 - 스위치드 리럭턴스 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 n상 구동방식으로 2n상 구동방식의 효과를 얻을 수 있는 구조를 가진 스위치드 리럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor : SRM)에 관한 것이다. 본 발명의 SRM은 내부 회전자와, 고정자와, 외부 회전자를 구비한다. 내부 회전자는 외주면으로부터 등간격으로 4개의 돌출극이 형성된다. 고정자는 내부 회전자의 돌출극에 대향되도록 내주면으로부터 등간격으로 6개의 돌출극이 형성되며, 내주면으로부터 형성된 6개의 돌출극에 엇갈리도록 외주면으로부터 등간격으로 6개의 돌출극이 형성된다. 외부 회전자는 내부 회전자와 함께 회전될 수 있도록 동축을 통해 서로 연결되며, 고정자의 외주면에 형성된 돌출극에 대향하여 등간격으로 내주면으로부터 4개의 돌출극이 형성된다. 그리고 고정자는 서로 마주보는 위치에 있는 상기 내주면의 돌출극 한 쌍 및 내주면의 돌출극 한 쌍에 인접한 서로 마주보는 외주면의 돌출극 한 쌍에 다른 상의 권선과 중첩되지 않도록 권선된다. 이에 따라 3상 구동 방식을 통해 6상의 효과를 얻을 수 있게 되어 종래의 상 증가에 따른 추가적인 스위칭소자에 대한 비용을 줄일 수 있으면서 리플을 저감할 수 있는 모터를 얻을 수 있게 된다.

고정자, 회전자, 외부 회전자, 3상, 6상 구조

Description

스위치드 리럭턴스 모터{Switched reluctance motor}

도 1a는 종래 3상 SRM 모터의 단면도,

도 1b는 도 1a의 모터 구동에 따른 토크 리플의 예를 나타낸 파형도,

도 2는 3상 SRM 모터의 구동회로도,

도 3a, 3b, 3c는 도 2의 각 코일에 흐르는 전류 제어 과정을 설명하는 회로도,

도 4a는 종래 5상 SRM 모터의 단면도,

도 4b는 도 4a의 모터 구동에 따른 토크 리플의 예를 나타낸 파형도,

도 5는 본 발명에 따른 스위치드 리럭턴스 모터의 단면도, 그리고

도 6a, 6b, 6c는 도 5에 보인 모터의 각 요소를 분리시켜 나타낸 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100, 300 : 회전자 200, 400, 600 : 고정자

500 : 내부 회전자 700 : 외부 회전자

본 발명은 스위치트 리럭턴스 모터에 관한 것으로서, 특히 n상의 구동방식으 로 2n상 구동방식의 효과를 얻을 수 있는 구조를 가진 스위치드 리럭턴스 모터에 관한 것이다.

스위치드 리럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor : 이하 "SRM"이라 한다.)는 권선이 감겨있는 돌출극 형태의 철심으로 이루어진 고정자와, 돌출극 형태의 철심으로만 이루어진 회전자를 구비하는 모터이다. 또한 다른 전동기와 마찬가지로 그 발생 토크(torque)는 주어지는 상전류와 위치함수를 따르게 된다.

도 1a는 3상 SRM 모터의 회전자와 고정자의 단면도이다.

도면을 참조하면, 3상 SRM 모터는 회전자(100)와 고정자(200)를 구비한다. 회전자(100)는 외주면으로부터 4개의 돌출극이 형성되며, 고정자(200)는 내주면으로부터 회전자의 각 돌출극에 대향하여 6개의 돌출극(1~6)이 형성된다. 그리고 고정자(200)의 각 돌출극 양측면에 빗금으로 표시된 부분은 돌출극을 중심으로 권선된 모습을 나타낸다. 여기서 고정자(200)의 서로 마주보는 위치에 있는 두 돌출극에 감긴 권선은 동일한 상전류가 흐르도록 하나의 도선으로 권선된다. 즉, '1'번과 '4'번, '2'번과 '5'번, '3'번과 '6'번 돌출극이 각각 동일한 상전류가 흐르는 하나의 도선으로 권선된다.

위와 같은 구조를 갖는 3상 SRM 모터의 구동회로를 도 2에 나타내었다.

도면을 참조하면, 각 트랜지스터(T1~T6) 및 다이오드(D1~D6)는 모터 제어신호에 의해 직류 전원(Vdc)을 스위칭하여 고정자 권선을 나타내는 각 코일(L1~L3)에 전달될 수 있도록 구성되어 있다. 각 코일에 흐르는 전류를 제어하기 위한 트랜지스터의 구동을 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 이하에 설명한다. 여기서 각 코일에 흐르는 전류 경로는 상호 병렬적으로 연결되어 있으므로 하나의 코일에 흐르는 전류경로를 통해 설명하며, 전류가 흐르는 도선에는 굵은 선으로 표시되어 있다.

먼저 도 3a와 같이 동일한 상전류가 흐르는 권선(L1)에 연결되는 두 개의 제 1 및 제 2 트랜지스터(T1,T2)를 모두 턴 온시켜 권선에 직류전압이 인가되도록 한다. 즉, 고정자의 돌출극에 감겨 있는 권선(L1)이 여자되도록 한다. 그리고 도 3b와 같이 고정자 권선(L1)에 전류가 흐르는 동안 제 1 트랜지스터(T1)를 턴 오프시켜 전류의 크기를 제한한다. 그 다음 도 3c와 같이 제 1 트랜지스터(T1)가 턴 오프된 상태에서 제 2 트랜지스터(T2)를 턴 오프시켜 전류를 소호하면서 권선에 축적된 에너지를 전원에 환원시킨다.

그러나 위와 같은 3상 SRM 모터는 도 1b와 같이 토크의 리플(Ripple)이 크다는 문제점을 가지게 된다. 이를 해결하기 위한 방안으로서, 도 4a와 같은 구조의모터가 제안되었다. 도 4a는 5상 SRM 모터의 회전자와 고정자의 단면도이다.

도면을 참조하면, 외주면으로부터 8개의 돌출극을 갖는 회전자(300)와, 내주면으로부터 10개의 돌출극을 갖는 고정자(400)를 볼 수 있다. 여기서 고정자(400)의 각 돌출극 양측면에 빗금으로 표시된 부분은 고정자(400)의 돌출극을 중심으로 도선이 권선된 모습을 나타낸다. 그리고 고정자(400)의 회전자(300)를 중심으로 서로 마주보는 위치에 있는 두 돌출극에 감긴 권선은 동일한 상전류가 흐르도록 하나의 도선으로 권선된다.

위와 같은 5상 SRM 모터의 경우도 도 2와 거의 유사한 회로 구성도를 갖게 되며, 각 상에 흐르는 전류 흐름 역시 도 3a, 3b, 3c의 과정과 동일하다. 다만, 상 이 늘어난 만큼 그에 따른 전류 흐름을 제어하기 위하여 스위칭 소자의 수가 늘어나게 된다.

도 4b는 5상을 갖는 SRM 모터의 토크 리플을 나타낸 파형도로서, 토크 리플(ripple)이 현저히 감소된 모습을 볼 수 있다.

그러나 종래와 같이 상을 증가시켜 토크 리플을 감소시키는 방식은 상이 증가한 만큼 스위칭 소자의 수가 늘어나게 되므로 그만큼 제조원가를 상승시키게 된다는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 스위칭 소자의 추가 없이 토크리플을 감소시킬 수 있도록 n상 구동방식으로 2n상 구동방식의 효과를 얻을 수 있는 구조를 가진 스위치드 리럭턴스 모터를 제공하고자 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스위치드 리럭턴스 모터는 내주면 및 외주면으로부터 각각 n개의 상전류에 대응하는 권선이 감길 수 있도록 등간격으로 2n개의 돌출극이 형성된 고정자와, 상기 고정자의 내주면으로부터 형성된 2n개의 돌출극에 대향하여 외주면으로부터 등간격으로 2n-2개의 돌출극이 형성된 내부 회전자 및 상기 내부 회전자와 연동되어 회전될 수 있도록 형성되고, 상기 고정자의 외주면으로부터 형성된 2n개의 돌출극에 대향하여 내주면으로부터 등간격으로 2n-2개의 돌출극이 형성된 외부 회전자가 구비되며, 상기 고정자는 서로 마주보는 내주면의 돌출극 한 쌍 및 상기 내주면의 돌출극 한 쌍에 인접한 서로 대향된 외주 면의 돌출극 한쌍이 하나의 도선으로 독립되게 권선된 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 리럭턴스 모터를 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 3상 SRM 모터의 회전자 및 고정자의 구조도이다.

도면을 참조하면, SRM 모터는 내부 회전자(500), 고정자(600), 외부 회전자(700)를 구비한다.

내부 회전자(500)는 내주면에 모터의 동축(미도시)이 삽입될 수 있도록 홀이 형성되어 있으며, 외주면으로부터 4개의 돌출극이 등간격으로 형성된다. 도 6a에 그 분리된 구조를 보이고 있다.

고정자(600)는 내부 회전자(500)의 돌출극에 대향되도록 내주면으로부터 등간격으로 6개의 돌출극(1,3,5,7,9,11)이 형성되며, 내주면에 형성된 6개의 돌출극(1,3,5,7,9,11)에 엇갈리도록 외주면으로부터 등간격으로 6개의 돌출극(2,4,6,8,10,12)이 형성된다. 도 6b에 그 분리된 구조를 보이고 있다.

외부 회전자(700)는 고정자(600)의 외주면에 형성된 돌출극(2,4,6,8,10,12)에 대향하여 내주면으로부터 등간격으로 4개의 돌출극이 형성된다. 도 6c에 그 분리된 구조를 보이고 있다. 또한 외부 회전자(700)는 내부 회전자(500)와 함께 회전될 수 있도록 동축(미도시)을 통해 서로 연결이 되는 구조(미도시)를 갖게 된다. 물론 동축(미도시)을 통해 연결되지 않고 내부 회전자(500) 및 외부 회전자(700)를 일체형으로 형성할 수도 있다.

위와 같은 구조에서 고정자(600)의 각 돌출극(1~12)에는 권선이 되며, 그 권 선 방법은 1번, 2번, 7번, 8번 돌출극에 감기는 권선은 동일의 상전류가 흐르도록 하나의 도선으로 감겨지며, 3번, 4번, 9번, 10번의 돌출극에 감기는 권선은 1,2,7,8번에 흐르는 전류와는 상이 다른 동일의 상전류가 흐르도록 하나의 도선으로 감겨진다. 또한 5번, 6번, 11번, 12번의 돌출극에 감기는 권선은 앞서 언급한 두 상전류와는 또 다른 동일의 상전류가 흐르도록 하나의 도선으로 감겨진다.

즉, 위와 같은 고정자의 구조에서 서로 대향되는 위치의 인접한 내주면 및 외주면으로부터 형성된 돌출극 4개에 하나의 도선이 독립적으로 권선됨에 따라 고정자(600)의 돌출극 12개에 감긴 권선에 3상의 전류만으로 대응할 수 있게 된다.

위와 같은 구성으로 도 2에 보인 3상 SRM 모터의 구동회로가 적용되면 다음과 같이 동작을 하게 된다.

먼저 도 3a와 같이 동일한 상전류가 흐르는 권선(L1)에 연결되는 두 개의 제 1 및 제 2 트랜지스터(T1,T2)를 모두 턴 온시켜 권선(L1)에 직류전압이 인가되도록 한다. 즉, 고정자의 '5'번, '6'번, '11'번, '12'번 돌출극에 감겨 있는 권선이 여자되도록 한다. 그리고 도 3b와 3c의 과정을 마친 후, 고정자의 '1'번, '2'번, '7'번, '8'번 돌출극에 감긴 권선이 여자되도록 한다. 그 다음 '3'번, '4'번, '9'번, '10'번 돌출극에 감긴 권선이 여자되도록 한다.

즉, 위와 같은 방식으로 각 스위치를 운용하여 각 고정자 돌출극에 감긴 권선이 여자되도록 하면 내부 회전자 및 외부 회전자에 의한 토크 프로파일(profile)이 합산되어 토크 리플을 감소시킬 수 있게 된다.

이상의 설명에서는 n=3인 경우에 대해 설명하였으나, n=4,5,… 인 경우에 대 해서도 동일한 패턴으로 형성하여 같은 효과를 얻을 수 있음은 물론이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 스위치드 리럭턴스 모터는 n상 구동 방식을 통해 2n상의 효과를 얻을 수 있게 되어 종래의 상 증가에 따른 추가적인 스위칭소자에 대한 비용을 줄일 수 있으면서 토크 리플을 저감할 수 있는 모터를 얻을 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 내주면 및 외주면으로부터 각각 n개의 상전류에 대응하는 권선이 감길 수 있도록 등간격으로 2n개의 돌출극이 형성된 고정자;

   상기 고정자의 내주면으로부터 형성된 2n개의 돌출극에 대향하여 외주면으로부터 등간격으로 2n-2개의 돌출극이 형성된 내부 회전자; 및

   상기 내부 회전자와 연동되어 회전될 수 있도록 형성되고, 상기 고정자의 외주면으로부터 형성된 2n개의 돌출극에 대향하여 내주면으로부터 등간격으로 2n-2개의 돌출극이 형성된 외부 회전자가 구비되며,

   상기 고정자는 서로 마주보는 내주면의 돌출극 한 쌍 및 상기 내주면의 돌출극 한 쌍에 인접한 서로 대향된 외주면의 돌출극 한쌍이 하나의 도선으로 독립되게 권선된 것을 특징으로 하는 스위치드 리럭턴스 모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 n은 3인 것을 특징으로 하는 스위치드 리럭턴스 모터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 내부 회전자와 외부 회전자는 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 스위치드 리럭턴스 모터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 내부 회전자와 상기 외부 회전자는 상기 내부 회전자의 중심을 통과하는 동축에 의해 상호 결합되도록 된 것을 특징으로 하는 스위치드 리럭턴스 모터.

Images