KR100657487B1 - 속도가변형 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4극 및 12극이 각각 권선되어 4극 운전으로 변환된 경우 4극 주권선에 탭권선을 연결하여 상기 탭권선의 절환을 통해 상기 모터의 회전속도의 가변 폭을 크게 증가시킬 수 있도록 하는 속도가변형 모터에 관한 것으로서, 4극 및 12극이 각각 권선되는 고정자와, 4극을 형성하는 주권선과 직렬로 연결되어, 4극 운전시 상기 모터의 회전속도 가변범위를 크게 할 수 있도록 하는 탭권선과, 12극 운전시 인가되는 입력전원의 위상제어를 통해 회전속도를 가변시키는 위상제어회로를 포함하여 구성되어, 속도가변을 위한 별도의 구동장치가 없이도 상기 모터의 속도가변 범위를 크게 확대할 수 있으며, 위상제어등을 통해 중간속도를 조절하도록 하여 저속 탈수시 전자기적 진동소음을 크게 저감할 수 있는 효과가 있을 뿐만 아니라, 저속/고토크 영역(세탁행정시)에서는 12극 모터로 운전함으로써 소비전력을 저감효과를 극대화할 수 있는 효과가 있다.

4극, 12극, 극수변환, 외전형, 탭권선, 위상제어, 유도모터

Description

속도가변형 모터{Speed Changeable Motor}

도 1 은 본 발명에 따른 외전형 모터가 도시된 외관도,

도 2 는 본 발명에 따른 속도가변형 모터의 단상 극수변환용 권선의 결선이 도시된 결선도,

도 3 은 본 발명에 따른 속도가변형 모터에 있어서 탭권선이 절환되는 4극 주권선 모터가 도시된 회로도,

도 4 는 본 발명에 따른 속도가변형 모터에 있어서, 탭권선의 전환에 따른 모터 속도의 변화가 도시된 그래프,

도 5 는 본 발명에 따른 속도가변형 모터에 있어서, 12극 운전시의 위상제어회로가 도시된 회로도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

c: 기동형 커패시터 L_M: 주권선

Ls: 보조권선 L_C1, L_C2: 탭권선

S: 릴레이

본 발명은 속도가변형 모터에 관한 것으로써, 특히 4극 및 12극이 각각 권선되어 4극 운전으로 변환된 경우 4극 주권선에 탭권선을 연결하여 상기 탭권선의 절환을 통해 상기 모터의 회전속도의 가변 폭을 크게 증가시킬 수 있도록 하는 속도가변형 모터에 관한 것이다.

일반적으로 모터는 코일이 권선된 고정자와 영구자석이 부착된 회전자로 구성되며, 상기 고정자에 권선된 코일에 주기적인 전류의 변화를 발생시켜 전류 변화에 따른 자계의 일정한 변화에 의해 상기 회전자에 자기력에 의한 토크를 가해 회전동력을 얻어내는 장치를 말한다.

그중 일반적인 단상유도모터는 자연적으로 회전자계가 생성되는 3상 유도모터와는 달리 주권선에 의한 교번자계만이 발생할 뿐이므로 회전력을 발생하지 못하며, 정지된 단상모터는 스스로 회전하지 못한다.

따라서, 상기 유도모터는 주권선 이외에 기동토크를 발생시키기 위한 보조권선을 포함하며, 초기동작시 상기 유도모터를 기동시키기 위한 기동장치를 구비하게 되는데 설치되는 기동장치에 따라 분상기동형, 세이딩 코일형, 콘덴서 기동형, 반발 기동형 등으로 구분된다.

이러한 상기 단상 유도모터는 3상 유도모터에 비해 성능과 가격면에서 상대 적으로 비효율적이지만 쉽게 사용할 수 있는 편리함이 있어 가정용 등 주로 낮은 전력을 필요로 하는 기기에 널리 사용되고 있다.

특히, 상기 유도모터를 세탁기에 적용하는 경우, 세탁행정에 맞게 상기 모터를 고속 또는 저속회전을 시켜야 하는 경우가 있는데, 상기와 같은 단상 유도모터의 경우에는 전류 변화가 일정하게 유지되기 때문에 소정의 별도 장치를 구비해야만 속도 변환기능이 있는 모터를 구현할 수 있으며 이에 의하여 상기 세탁기에 장착된 모터의 회전속도를 조절할 수 있다.

이에 따라, 상기 모터의 회전속도를 조절하기 위하여 보터 3상 전동기 또는 인버터 회로를 부가하거나 별도의 구동 드라이버 회로등을 사용할 수 있으나, 이러한 경우 추가적인 생산단가가 증가하게 되어 전체적으로 상기 모터의 제조단가가 상승하게 되는 문제점이 발생한다.

또한, 별도의 구동회로를 구비하지 않고자 하는 경우 상기 모터 고정자에 탭권선을 형성함으로써 상기 모터의 회전속도를 가변할 수 있으나, 이러한 경우 상기 모터가 도달가능한 최저 가변속도는 상기 모터의 동기속도의 2/3 수준으로 매우 제한적이므로 그 가변속 범위를 확대하는 데 큰 어려움이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 4극 및 12극 권선을 각각 권장하여 운전모드에 따라 그 극수를 변환하고 4극 주권선에 탭권선을 연결하여 상기 모터 회전속도의 가변폭을 크게 넓힐 수 있도록 하는 속도가변형 모터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 속도가변형 모터는 4극 및 12극이 각각 권선되는 고정자와, 4극을 형성하는 주권선과 직렬로 연결되어, 4극 운전시 상기 모터의 회전속도 가변범위를 크게 할 수 있도록 하는 탭권선과, 12극 운전시 인가되는 입력전원의 위상제어를 통해 회전속도를 가변시키는 위상제어회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에 따른 외전형 모터가 도시된 외관도이다.

우선, 본 발명에 따른 속도가변형 모터는 외전형 모터이다.

일반적으로 모터는 고정자(1)와 회전자(2)의 위치에 따라 내전형 모터와 외전형 모터로 나누어지며, 상기 외전형 모터는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 회전자(2)가 상기 고정자(1)의 외부에 위치하여 상기 고정자(1)의 권선에 흐르는 전류의 변화에 의해 외부의 회전자(2)가 회전을 하는 구조를 갖는다.

따라서, 상기 외전형 모터는 회전자(2)가 외측에 설치되므로 내전형 모터에 비해 상기 회전자(2)의 회전반경이 증가하게 되며, 내전형 모터에 비하여 단위 체적당 발생하는 토크가 증가하여 모터의 회전속도를 동기속도의 1/2이하로 변동가능하도록 할 수 있으며 이에 따라 상기 모터의 속도 가변범위를 크게 확대할 수 있 다.

도 2는 본 발명에 따른 속도가변형 모터의 단상 극수변환용 권선의 결선이 도시된 결선도이다.

즉, 본 발명에 따른 속도가변형 모터는 상기 모터의 속도가변시 소모되는 전력의 낭비를 방지하기 위하여 적어도 하나 이상의 극이 권선되어 극수가 변환됨으로써 상기 모터의 속도를 조절할 수 있도록 하는 극수 변환용 모터로, RPM이 높은 4극 및 RPM이 낮은 12극 운전으로 상호전환이 가능하도록 고정자에 권선되어, 운전모드에 따라 4극 또는 12극으로 극수가 전환됨에 따라 상기 모터가 구동되도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 속도가변형 모터에 있어서 탭권선이 절환되는 4극 주권선 모터가 도시된 회로도이다.

본 발명에 따른 속도가변형 모터에 있어서, 상기 모터는 교번자계를 발생시키는 주권선(L_M)과, 보조자계를 발생시키는 보조권선(L_S) 및 상기 보조권선(L_S)과 직렬로 연결되는 콘덴서(C)를 포함하여 구성된다.

상기 진상용 콘덴서(C)는 단상 교류전원을 인가하는 경우 상기 보조권선(L_S)에 흐르는 전류의 위상을 90도 앞서게 하여 상기 보조권선(L_S)에 발생하는 보조자계가 상기 주권선(L_M)에 발생된 교번자계에 대해 전기적으로 90도의 위상차를 갖도록 한다.

이에 따라 상기 주권선(L_M)에서 발생한 교번자계와 보조권선(L_S)에서 발생한 보조자계는 각 자계의 위상이 서로 상이하여 상쇄되지 않고 합산에 따른 회전자계가 발생하여 상기 모터를 회전시키게 된다.

또한, 상기 속도가변형 모터는 운전시 과부하되는 것을 방지하기 위한 티피(Thermal Protect, 미도시)를 더 포함하여 구성된다.

특히, 본 발명에 따른 속도가변형 모터는 4극 모터로 운전시, 4극을 형성하는 주권선(L_M)과 직렬로 연결되어 상기 주권선(L_M)의 자계변화를 위한 탭권선(L_C1, L_C2)을 포함하여 구성되며, 상기 탭권선(L_C1, L_C2)은 제어하고자 하는 속도단계에 따라 권선된 길이가 가변되도록 하는 스위치(S)를 포함하여 구성된다.

따라서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 노드 A, B 사이에 정현파 교류전압이 인가되면, 상기 스위치(S)는 상기 탭권선(L_C1, L_C2)의 일정부분에 따라 각각 배치된 적어도 하나 이상의 단자(a, b, c)와 연결될 수 있으며, 그에 따라 상기 주권선(L_M)에 형성되는 교번자계의 자계량이 가변될 수 있다.

이를 예를 들어 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 회로로 교류전압이 인가되고 상기 스위치(S)가 상기 탭권선의 각 단자 중 어느 하나의 단자와 연결되면, 상기 유도모터는 다음과 같은 식을 만족한다.

V = 4.44*f*Φ*N

(V는 상기 모터 고정자 권선의 양단에 인가되는 전압의 크기이며, f는 상기 모터에 인가되는 전원의 주파수이고, Φ는 상기 모터에 발생되는 자속이며, N은 상기 고정자에 감긴 권선의 턴수이다.)

따라서, 상기 식에서 나타난 바와 같이 상기 교류전원의 크기 및 주파수가 V, 60hz로 일정하다면 상기 자속 및 턴수는 반비례관계가 된다.

여기서, 상기 탭권선에 제 1, 2, 3 단자(a, b, c)가 배치되는 경우 상기 스위치(S)가 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 탭권선에 배치된 제 1단자(a)와 연결되면, 전류는 상기 주권선(L_M)에만 흐르게 되며 상기 고정자(1)에 감긴 전체 권선의 턴수는 주권선(L_M)의 턴수와 동일하게 되어 그에 따른 자속이 생성된다.

그러나, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 스위치(S)가 제 2단자(b)와 연결되면, 상기 주권선(L_M)과 연결되는 소정의 길이를 갖는 탭권선(L_C1)이 나타나게 되어 전류가 실질적으로 흐르는 권선의 턴수는 상기 주권선(L_M)의 턴수 및 상기 탭권선(L_C1)의 턴수가 된다.

따라서, 상기 식 1에 적용되는 권선의 턴수는 증가하게 되며, 이에 따라 상기 모터에 생성되는 자속은 상기 스위치(S)가 상기 제 1단자(a)와 연결된 경우 발생하는 자속에 비해 감소하게 되어, 전체적으로 상기 모터의 회전속도가 감소하게 되는 것이다.

또한, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 스위치(S)가 제 3단자(c)와 연결되는 경우에는 상기 주권선(L_M)과 연결되는 탭권선(L_C1, L_C2)의 길이가 최대가 되어 실질적으로 전류가 흐르는 권선의 턴수는 최대가 되고, 이에 따라 상기 모터에서 생성되는 자속이 최소값을 갖게 되어 상기 모터의 회전속도 역시 가장 낮은 값을 갖게 된다.

이때, 상기 스위치 소자(S)는 릴레이로 구성되는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 속도가변형 모터에 있어서, 탭권선의 전환에 따른 모터 속도의 변화가 도시된 그래프이다.

즉, 상기 탭권선 양단에 각각 단자를 배치하여 스위치와 연결되면, 실제적으로 상기 주권선과 연결되는 상기 탭권선의 권선수에 따라 상기 모터로 인가되는 회전토크가 최대/최소값을 갖게 되어 그에 따라 최대 및 최소의 회전속도를 갖게 된다.

A곡선은 상기 스위치가 제 1단자와 연결되어 있는 경우, B곡선은 상기 스위치가 제 3단자와 연결되어 있는 경우의 모터의 회전 속도 및 발생 토크값을 나타내는 그래프로서, 상기 모터를 회전시키기 위해서는 상기 모터에 연결된 부하에 일정량의 토크를 전달하여야 하며, 상기 부하에 요구되는 토크는 도 4에 도시된 바와 같이 부하곡선 및 모터의 각 최대/최소 속도 그래프가 만나는 점의 토크량이 된다.

또한, 상기 탭권선의 일정 부분에 각각 적어도 하나 이상의 단자를 별도로 배치하여, 배치된 단자 중 어느 하나와 상기 스위치가 연결되면 이에 연결된 길이 에 따라 최대/최소 속도 사이의 중간속도를 단계적으로 가변시킬 수 있게 된다.

따라서, 상기 모터가 4극 모터로 운전하는 경우 상기 탭권선의 절환에 따라 상기 모터의 속도를 가변시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 속도가변형 모터가 12극 모터로 운전하는 경우에는 입력전압의 위상제어를 통해 상기 모터의 회전속도를 제어하게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 속도가변형 모터에 있어서, 12극 운전시의 위상제어회로가 도시된 회로도이다.

즉, 본 발명에 따른 속도가변형 모터에 있어서 12극 모터로 운전하는 경우 상기 모터의 속도는 위상제어 및 상기 모터의 온/오프 제어를 수행하는 위상제어회로를 통해 조절된다.

상기 위상제어회로는 트라이악 소자를 포함하여 정현파 입력전압을 상기 모터에 인가시에 상기 모터의 속도가변을 위하여 상기 트라이악 소자의 트리거 입력펄스에 따른 점호각 제어로 원하는 출력전압의 크기를 변화시켜 모터의 운전속도를 가변시키도록 한다.

즉, 상기 점호각 제어를 크게 할수록 상기 모터로 인가되는 전압의 크기는 감소하여 상기 모터의 속도가 고속에서 저속으로 이동하게 되며, 점호각의 제어를 작게 할수록 상기 모터의 속도는 저속에서 고속으로 이동하게 된다.

또한, 위상제어와 함께 상기 모터의 구동을 일정 주기로 온(on)/오프(off)함에 따라 상기 모터 속도의 가변범위를 보다 넓힐 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 속도 가변형 모터는 행정동작에 따라 변속이 요구되는 세탁기에 적용될 수 있으므로, 본 발명의 속도가변형 모터를 상기 세탁기에 적용하는 경우 세탁행정 또는 탈수행정의 수행시 상기 모터의 동작에 대해 설명하도록 한다.

우선, 본 발명에 따른 속도가변형 모터가 장착된 세탁기는 드럼 내에 세탁물이 수용되면 상기 모터를 일정시간동안 설정된 회전수로 구동하여 상기 드럼을 회전시키고, 상기 드럼 내부에 수용된 포는 세탁수의 작용에 의해 묻은 때가 떨어지게 된다.

다음, 상기와 같은 세탁행정이 종료되면 상기 터브 내의 오염된 세탁수는 배수장치를 통해 세탁기의 외부로 배수되며, 상기 포에 남은 거품을 헹궈내기 위한 헹굼행정이 수차례 반복된 다음, 상기 포의 물기를 원심탈수시키는 탈수행정을 수행한 후 전체적인 세탁행정을 종료하게 된다.

이때, 상기와 같은 세탁행정은 상기 모터의 정/역회전에 의한 드럼의 회전 및 그에 따른 세탁수의 작용으로 때가 제거되는 것이므로 세탁행정시의 상기 모터는 저속의 고토크를 갖도록 동작되어야 하며 소비전력 절감의 극대화를 위하여 12극 모터로 그 동작이 수행되며 위상제어 및 온/오프 제어를 통해 그 속도가 가변된다.

다음, 상기 세탁행정이 종료되고, 탈수행정이 시작되는 경우 상기 속도가변형 모터는 4극 모터로 동작되며, 고속탈수 행정을 위해 상기 릴레이가 상기 제 1단자와 연결되어 상기 모터를 고속회전시키게 된다.

또한, 중속탈수 행정의 경우에는 상기 릴레이가 상기 제 2단자와 연결되어 중속탈수를 수행할 수 있으며, 저속탈수의 경우 상기 릴레이가 상기 제 3단자와 연결됨으로써 상기 모터를 저속회전할 수 있게 한다.

이때, 상기 모터의 저/중/고 단계에 있어서, 그에 대한 중간속도는 간단한 위상제어를 통해 가변시킬 수 있으며, 이때 적용되는 단계는 적어도 3단계 이상인 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명에 의한 속도가변형 모터를 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않으며, 운전모드에 따라 극수가 변환되도록 하며 특정의 극수모터로 운전중 상기 모터의 속도가변범위를 확대하기 위하여 주권선과 직렬로 연결되는 탭권선을 포함하여 구성되도록 하는 본 발명의 기술사상은 보호되는 범위 이내에서 당업자에 의해 용이하게 응용될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 속도가변형 모터는 운전모드에 따라 극수가 변환되도록 하며 특정의 극수모터로 운전중 상기 모터의 속도가변범위를 확대하기 위하여 주권선과 직렬로 연결되는 탭권선을 포함하여 구성되어, 속도가변을 위한 별도의 구동장치가 없이도 상기 모터의 속도가변 범위를 크게 확대할 수 있으며, 위상제어등을 통해 중간속도를 조절하도록 하여 저속 탈수시 전자기적 진동소 음을 크게 저감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 저속/고토크 영역(세탁행정시)에서는 12극 모터로 운전함으로써 소비전력을 저감효과를 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 단상교류전원이 인가되며, 속도 가변을 위해 극수가 변환되는 두 가지 극이 권선되는 속도 가변형 모터에 있어서,

   4극 및 12극이 각각 권선되는 고정자와;

   4극을 형성하는 주권선과 직렬로 연결되어, 4극 운전시 상기 모터의 회전속도 가변범위를 크게 할 수 있도록 하는 탭권선과;

   12극 운전시 인가되는 입력전원의 위상제어를 통해 회전속도를 가변시키는 위상제어회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 속도가변형 모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 모터는 회전자가 상기 고정자의 외측에 설치되는 외전형 모터인 것을 특징으로 하는 속도가변형 모터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 모터는 세탁기용 모터인 것을 특징으로 하는 속도가변형 모터.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 모터는 저속/고토크의 세탁행정을 수행하는 경우 상기 12극으로 운전되며, 탈수행정을 수행하는 경우 상기 4극으로 운전되는 것을 특징으로 하는 속도가 변형 모터.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 탭권선은 제어하고자 하는 속도단계에 따라 상기 4극 주권선과 직렬로 연결되는 탭권선의 길이가 가변되도록 스위칭하는 릴레이를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 속도가변형 모터.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 위상제어회로는 상기 모터가 12극 운전시, 입력전압의 위상을 제어하여 상기 모터로 전달하고, 상기 모터의 동작을 일정시간마다 온-오프 시킴으로써 그 회전속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 속도가변형 모터.

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