KR100672597B1 - 하이브리드 인덕션 모터 - Google Patents

하이브리드 인덕션 모터 Download PDF

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KR100672597B1
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Abstract

본 발명은 회전자의 역회전을 방지하고 효율성을 높이기 위하여 기구적인 역회전 방지장치가 구비된 단상용 하이브리드 인덕션 모터에 관한 것이다.
본 발명은, 영구자석을 회전가능하게 지지하는 영구자석 프레임; 그리고 상기 영구자석 프레임과의 마찰력을 이용하여 상기 영구자석 프레임의 역회전을 방지하는 역회전 방지장치를 포함하여 이루어지는 하이브리드 인덕션 모터를 제공한다.
HIM, 하이브리드 인덕션 모터, 역회전 방지장치, 래치

Description

하이브리드 인덕션 모터{hybrid induction motor}
도 1은 종래의 셰이딩 코일형 하이브리드 인덕션 모터의 측단면도
도 2는 도 1의 A-A' 부분의 단면도
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 인덕션 모터의 분해 사시도
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 인덕션 모터의 역회전 방지장치를 도시한 사시도
도 5는 도 4의 하이브리드 인덕션 모터의 정회전 기동시 역회전 방지장치의 상태를 도시한 평면도
도 6은 도 4의 하이브리드 인덕션 모터의 역회전 기동시 역회전 방지장치의 상태를 도시한 평면도
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
132 : 영구자석 프레임 133 : 베어링 안착부
135 : 결합돌기 160 : 래치
161 : 힌지축 162 : 마찰면
163 : 복귀 스프링
본 발명은 하이브리드 인덕션 모터(hybrid induction motor)(이하 'HIM' 이라 한다)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 효율을 높인 단상용 하이브리드 인덕션 모터에 관한 것이다.
일반적으로 단상(single phase)용 인덕션 모터는 고정자에 메인 코일과 서브 코일을 서로 공간적으로 90°벗어난 곳에 권취하고, 전원 전압은 메인 코일에는 직접 인가하고 서브 코일에는 콘덴서와 스위치를 통하여 인가한다.
그 이유는 메인 코일만으로는 전원을 인가해도 모터가 기동되지 않기 때문에, 상기 서브 코일을 통하여 고정자에 타원형 회전자계를 발생시킴으로써 회전자가 기동할 수 있도록 하는 역할을 하게 된다.
이러한 단상용 인덕션 모터의 예로 셰이딩 코일형 단상 유도 모터가 있으며, 이는 고정자에서 회전자계를 발생시켜 회전자의 기동 및 회전이 가능하도록 한 모터이다.
여기서, 상기 고정자에는 한 상(phase)의 고정자 코일이 권취되고, 상기 고정자 코일과 공간적으로 소정의 각도를 두고 다른 한 상의 역할을 하는 셰이딩 코일이 권취된다.
상기 고정자에 고정자 코일만 권취된 경우에는 상기 고정자에서 교번자계만이 발생되어 회전자의 기동이 이루어지지 않는다.
따라서, 상기 고정자에 셰이딩 코일을 권취함으로써 타원형의 회전자계를 발생시키고, 상기 타원형의 회전자계에 의해서 상기 회전자가 일정한 방향으로 기동 되어 회전하게 된다.
물론, 3상 유도 모터의 경우에는 메인 코일만 고정자에 권취되는 경우에도 회전자계가 발생하기 때문에 전술한 셰이딩 코일 내지 보조 코일을 고정자에 권취할 필요가 없다.
한편, 최근에는 종래의 인덕션 모터에 비하여 효율이 개선되고 구동력이 균일하게 발생되는 하이브리드 인덕션 모터(이하 'HIM' 이라 한다)가 제공되고 있다.
이러한 HIM은 일반적으로 고정자에 의해서 형성되는 자계와 영구자석에 의해서 형성되는 자계에 의해서 회전자가 회전하게 되어 매우 효율이 높은 모터를 제공하는 것이 가능하다.
즉, 고정자에 의한 자계와 영구자석에 의한 자계가 복합적으로 회전자의 회전력에 영향을 미치는 유도 모터를 HIM라 하는 것이다.
도 1은 종래의 셰이딩 코일형 HIM(shading coil type hybrid induction motor)의 측단면도이고, 도 2는 도 1의 A-A' 부분의 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 종래의 셰이딩 코일형 HIM(1)은 고정자(10), 회전자(20), 영구자석 회전자(30), 회전축(40) 및 브라켓(50)으로 구성되어 있다.
상기 고정자(10)는, 내부가 중공이며 그 내주면을 따라 소정 각도 간격으로 배치되어 반경 방향 내측으로 돌출되는 복수개의 티스(11)가 형성되고, 1차 전류 인가시 N극 또는 S극의 극성을 갖도록 상기 티스(11) 각각에 권취되는 고정자 코일(12)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 고정자(10)는 상기 고정자 코일(12)과 공간적으로 소정 각도를 두고 권취되어 2차 전류 인가시 타원형의 회전자계를 형성하도록 상기 티스(11)의 회전 방향 측에 형성된 홈(13)에 권취되는 셰이딩 코일(14)을 포함하여 이루어진다.
상기 회전자(20)는, 일반적으로 농형(籠形) 회전자(squirrel cage rotor )가 많이 사용되며, 도 1 및 도 2에는 상기 농형 회전자가 도시된 것이다.
이러한 회전자(20)는 보통 중심에서 소정 반경의 외주를 따라 소정 각도로 배치된 복수개의 슬롯(21)이 형성된 강판을 적층하여 형성한다.
그리고, 상기 회전자는 상기 회전자 코어의 슬롯(21) 내에 삽입되는 봉 형상의 도체바(22)를 포함하며, 이러한 도체바는 보통 구리 또는 알루미늄 봉이 사용된다.
그리고, 상기 농형 회전자(20) 코어의 양단부는 상기 도체바를 통한 전기적 단락을 이루기 위하여 앤드링(23)으로 연결되며, 일반적으로 이는 알루미늄 다이캐스팅으로 형성된다.
한편, 상기 회전자(20)는 중심부에 축공(24)이 형성된다. 상기 축공(24)에는 상기 회전자(20)의 회전력을 외부로 전달하는 회전축(40)이 압입되어 상기 회전자(20)와 상기 회전축(40)이 일체로 회전하게 된다.
상기 영구자석 회전자(30)는 상기 고정자(10)와 상기 회전자(20) 사이에 소정 간격을 두고 회전 가능한 영구자석(31)과 상기 영구자석(31)을 상기 회전축(40)에 회전 가능하게 지지하는 영구자석 프레임(32)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 영구자석 프레임(32)은 회전 중심에 베어링부(33)가 형성되어 상기 베어링부(33)에는, 예를 들어 볼 베어링(34)이 압입되어 상기 영구자석 회전자(30)가 상기 회전축(40)에 대하여 회전 가능하게 지지된다.
또한, 상기 영구자석(31)과 영구자석 프레임(32)은 예를 들어 접착제를 통하여 서로 결합된다.
그리고, 일반적인 HIM은 내측에 상기 고정자(10)가 고정 결합되어 상기 HIM의 외관을 형성하고 내부에 수용되는 여러 가지 구성들을 보호하는 브라켓(50)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 브라켓(50)은 하부 브라켓과 상부 브라켓이 결합되어 전체적인 HIM의 외관을 이룬다.
그리고, 상기 회전축(40)은 상기 상부 브라켓 및 하부 브라켓을 관통하여 구비되며, 상기 회전축(40)은 상기 브라켓에 대하여, 예를 들어 베어링(51)에 의해서 회전 가능하게 지지된다.
한편, 최근에는 HIM의 조립성을 높이고, 감전 등의 위험을 낮춰 보다 안정성을 높이기 위하여 상기 고정자(10)를 단일 사출 어셈블리로 형성하기도 한다.
즉, 상기 고정자 코어 및 고정자 코일 등을 일체로 BMC(bulk mold compound) 몰딩을 통하여 일체로 형성하는 것이다. 여기서, 상기 BMC 몰딩은 상기 하부 브라켓과 일체로 형성될 수도 있다.
그러나, 종래의 셰이딩 코일형 HIM을 포함한 단상 HIM에서는 회전자를 일정한 방향으로 기동시키기 위하여 고정자에 고정자 코일 및 셰이딩 코일이 권취되거 나, 고정자에 메인 코일 및 서브 코일이 권취되었다.
여기서 상기 셰이딩 코일 또는 보조 코일은 상기 회전자의 기동시에만 일정 방향으로 회전하도록 상기 회전자에 영향을 주고, 상기 회전자가 일단 회전을 시작한 후에는 상기 회전자의 회전에 영향을 주지 않는다.
따라서, 상기 셰이딩 코일 또는 보조 코일이나 콘덴서 등 불필요한 구성을 배제하여 제조원가를 낮추는 한편, 불필요한 전력 낭비를 방지하여 효율성을 높인 HIM이 요청되었다.
그러나, 상기 셰이딩 코일 또는 보조 코일 등을 제거하는 경우에는, 단상 상용전원이 공급되면 상기 공급된 전원의 위상에 따라 초기 영구자석 회전자가 정회전 또는 역회전으로 기동되어 결국 회전자를 통한 회전축의 회전 방향이 경우에 따라 달라지는 문제점이 발생하였다.
그러므로 상기 회전축의 역회전을 방지하고 효율성을 높이기 위하여 전기적 구성이 아닌 기구적인 회전자 역회전 방지장치가 구비된 HIM이 요청되었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 회전자의 역회전을 방지하고 효율성을 높이기 위하여 기구적인 역회전 방지장치가 구비된 단상용 HIM을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 영구자석을 회전가능하게 지지하는 영구자석 프레임의 측면에 설치되어, 영구자석 회전자의 역회전을 방지하는 역회전 방지장치를 포함하여 이루어지는 하이브리드 인덕션 모터를 제공한다. 여기서, 상기 역회전 방지장치는 상기 영구자석 프레임과의 마찰력을 이용하여 상기 영구자석 프레임의 역회전을 방지한다.
그리고, 상기 영구자석과 상기 영구자석 프레임은 영구자석 회전자를 이룬다.
상기 역회전 방지장치는, 상기 영구자석 프레임의 외주면과 접촉되고, 상기회전자가 역회전시 회전방향에 저항하는 마찰면을 갖는 래치임이 바람직하다.
그리고, 상기 래치의 단부는 상기 회전자의 정회전 방향에 대해 형성된 마찰면과, 상기 회전자의 역회전 방향에 대해 형성된 수직면으로 비대칭적으로 형성됨이 바람직하다.
여기서, 상기 래치의 마찰면에는 마찰력을 높이기 위해 크림핑된 면이 형성될 수 있다.
또한, 상기 래치의 마찰면에는 상기 영구자석 프레임과 상기 래치가 접할 때의 충격을 완화시킬 수 있는 완충수단이 구비될 수 있으며, 상기 완충수단은 상기 래치의 마찰면을 따라 구비되어 충격을 완화하고 더불어, 상기 마찰면의 마찰력을 높이는 완충재일 수 있다.
상기 래치는 일단이 상기 영구자석 프레임과 일정간격 떨어진 위치에 힌지결합됨이 바람직하다.
이때, 상기 래치의 힌지축에는 상기 래치가 항상 영구자석 프레임의 외주면에 접촉된 상태가 되도록 힘을 작용시키는 복귀수단이 구비될 수 있으며, 상기 래치의 복귀수단은 상기 힌지축에 설치되는 토션 스프링일 수 있다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하 며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 인덕션 모터를 설명하면 다음과 같다.
한편, 본 명세서에서 정회전이라 함은 시계방향 회전을 의미하며, 상기 역회전은 반시계방향 회전을 의미한다.
도 3은 본 발명에 따른 HIM의 분해 사시도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 HIM은 고정자(110), 회전자(120), 영구자석 회전자(130), 회전축(140), 브라켓(150)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 본 발명에 따른 HIM은 종래의 HIM과 달리 서브 코일 내지 셰이딩 코일이 권취되어 있지 않으므로, 상기 고정자(110)에 권취된 고정자 코일(미도시)에 단상 전원 인가시 상기 전원의 위상에 따라 영구자석 회전자(130)가 임의의 방향으로 기동하여 회전하게 된다.
즉, 초기 회전자(120)의 기동시 어떠한 방향으로 상기 회전축(140)이 회전할지 예상할 수 없게 되므로, 상기 회전축(140)의 회전 방향이 항상 일정하게 유지되도록 하기 위한 장치가 구비되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명은 초기 기동시 회전축(140)이 역회전 또는 정회전을 임의로 할 수 있는 HIM에 있어서, 전기적인 구성에 의하지 않고 기구적인 장치에 의하여 상기 회전축(140)의 정회전을 유지하는 장치를 제공한다.
그리고, 상기 역회전 방지장치를 기구적으로 구성하는 경우 발생할 수 있는 충격을 완충시킬 수 있는 완충수단을 더 구비하는 것이 바람직할 것이다.
도 4를 참조하여 본 발명에 따른 HIM의 역회전 방지장치를 설명하면 다음과 같다.
상기 역회전 방지장치는, 영구자석 프레임(132)의 외주면에 접촉되게 설치되고 영구자석 회전자(130)의 역회전시 회전방향에 대해 방해하는 마찰면(162)을 갖는 래치(latch)(160)이다.
한편, 영구자석 회전자(130)는 역회전이 기동된 직후에 그 토크가 매우 작으므로, 상기 영구자석 회전자(130)의 역회전이 기동된 직후에 역회전을 방지하는 것이 바람직하다.
상기 래치(160)의 단부의 형상은 상기 영구자석 회전자(130)의 회전 방향에 따라 달리 형성된다. 즉, 상기 회전축(140)의 정회전 방향에 대해서는 마찰을 최소화하기 위하여 비교적 완만한 기울기를 갖도록 형성되며, 상기 회전축(140)의 역회전 방향에 대해서는 마찰을 높이기 위해 수직 형상의 면을 갖도록 형성된다. 다시 말하면, 상기 래치(160)의 단부의 형상은 회전축의 회전 방향에 대해서 비대칭적으로 형성되어 상기 영구자석 회전자(130)가 역회전할 때 상기 영구자석 회전자의 외주면과 상기 래치의 마찰면(162)이 접촉하게 된다. 한편, 상기 래치(160)의 타단은 힌지축(161)에 힌지 결합된다.
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따라서, 정회전 시에는 상기 래치(160)가 상기 영구자석 프레임(132)과 간섭되지 않으므로 상기 회전축(140)의 회전이 방해되지 않는다.
그리고, 역회전 시에는 상기 래치(160)의 마찰면(162)이 상기 영구자석 프레임(132)의 외주면에 접촉되면서, 상기 래치(160)가 상기 영구자석 프레임(132)의 회전하는 방향으로 간섭이 발생하게 되므로 상기 영구자석 프레임(132)의 회전이 정지되어, 상기 회전축(140)의 역회전이 방지된다.
그리고, 상기 래치(160)의 일단은 상기 영구자석 프레임(132)의 외주면에 항상 접촉되어 있게 설치되고, 타단은 상기 영구자석 프레임(132)에서 일정 간격 떨어진 위치에 힌지결합된다.
또한, 상기 래치(160)는 상기 회전축(140)의 정회전 방향에 대해 기울어지게 설치된다.
즉, 상기 래치(160)는 상기 힌지축(161)과 영구자석 프레임(132)의 중심을 연결한 직선상의 거리보다 긴 길이를 갖도록 형성되고, 또한 상술한 직선상에서 정회전 방향으로 기울어지게 설치된다.
따라서, 상기 영구자석 회전자(130)는 정회전시에는 상기 래치(160)가 정회전 방향으로 기울어져 있어서, 영구자석 회전자(130)의 회전에 의해 저항을 받지 않지만, 영구자석 회전자(130)가 역회전 시에는 상기 래치(160)의 마찰면(162)과 영구자석 프레임(132)의 외주면 사이에 마찰이 발생하게 되어, 상기 래치(160)와 상기 영구자석 프레임(132) 사이에 간섭이 발생하게 됨으로써 상기 영구자석 프레임(132)가 더 이상 회전할 수 없도록 하게 된다.
즉, 상기 래치(160)는 상기 영구자석 프레임(132)의 표면까지의 거리보다 긴 길이를 갖고 있으므로, 역회전시에는 상기 래치(160)가 회전하여 상기 영구자석 프레임(132)에 대해 수직한 방향으로 힘을 작용시키게 된다.
또한, 상기 래치(160)와 상기 영구자석 프레임(132)의 외주면 표면과의 마찰계수를 높이기 위해, 상기 마찰면(162)에는 크림핑(crimping) 처리를 할 수도 있다.
한편, 역회전 시 상기 래치(160)와 영구자석 프레임(132)이 충돌하는 충격을 최소화할 수 있도록 상기 마찰면(162)는 비교적 완만한 경사를 갖도록 형성함으로써, 상기 래치(160)와 영구자석 프레임(132)가 접촉하는 시간을 증가시키고, 그 접촉면적을 늘림으로써 충격량을 감소시킴이 바람직하다.
또는, 상기 마찰면(162)에 충격을 완화시킬 수 있고 더불어, 상기 마찰면(162)과 영구자석 프레임(132)의 표면 사이의 마찰계수를 증가시킬 수 있는 완충재를 더 구비할 수도 있을 것이다.
또한, 상기 래치(160)는 상기 영구자석 프레임(132)에 항상 접촉되어 있어서 정회전 시에도 상기 래치(160)와 영구자석 프레임(132)은 접촉된 상태로 회전하게 되므로, 소음발생 및 회전의 저항을 줄이기 위해서 상기 래치(160)의 단부는 둥글게 라운드 처리됨이 바람직하다.
또한, 상기 래치(160)의 단부는 마찰계수를 최대한 줄일 수 있도록 매끈한 면으로 형성됨이 바람직하다.
한편, 상기 래치(160)가 역회전을 방지하기 위해서는, 회전축(140)의 역회전 시 상기 마찰면(162)과 상기 영구자석 프레임(132)의 표면이 잘 접촉되어야 하므로, 상기 래치(160)는 상기 영구자석 프레임(132)에 항상 접촉되어 있도록 함이 바람직하다.
즉, 상기 래치(160)는 상기 래치(160)의 단부가 상기 영구자석 프레임(132)의 외주면에 접촉되어 있도록 힘을 작용시키는 복귀수단이 더 설치될 수 있다.
상기 복귀수단은 상기 래치(160)가 상기 영구자석 프레임(132)에 접촉되는 방향으로 힘을 작용시키도록 상기 힌지축(161)에 설치되는 토션 스프링(163)일 수 있다.
이하에서는 도 5와 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 HIM의 역회전 방지장치의 작동에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 전원이 인가되면 고정자(110)와 회전자(120)에 회전자계가 형성되어 영구자석 회전자(130) 및 영구자석 프레임(132)가 회전하게 된다.
이때, 상기 영구자석 회전자(130)의 회전방향은 정회전 또는 역회전이 모두 가능한데, 상기 영구자석 회전자(130)가 정회전을 하게 되면, 상기 영구자석 프레임(132)은 래치(160)에 의해 저항을 받지 않으므로, 상기 회전자(130)은 계속적으로 정회전을 하게된다.
그러나, 상기 영구자석 회전자(130)가 역회전을 하게 되면, 상기 래치(160)의 마찰면(162)이 영구자석 프레임(132)의 외주면에 접촉하게 되고, 상기 외주면과 마찰면(162) 사이에 마찰이 발생하면서 상기 영구자석 프레임(132)의 회전을 정지시키게 된다.
그리고, 상기 영구자석 회전자(130)가 정회전을 해야 상기 마찰면(162)와 영구자석 프레임(132)이 분리되므로, 상기 영구자석 회전자(130)는 역회전이 방지되고, 항상 정회전을 할 수 있게 된다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
상술한 본 발명에 따른 하이브리드 인덕션 모터는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 셰이딩 코일 또는 보조 코일이나 콘덴서 등 불필요한 구성을 배제하여 구조적으로 간단해 지고 제조원가를 낮출 수 있고, 불필요한 전력 낭비를 방지하여 효율성을 높일 수 있다.
둘째, 전기적 구성이 아닌 기구적으로 회전축의 역회전을 방지할 수 있다.
셋째, 역회전 방지장치에 완충수단을 더 구비하여 내구성 및 안정성을 증진시키는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 영구자석을 회전가능하게 지지하는 영구자석 프레임; 그리고 상기 영구자석 프레임과의 마찰력을 이용하여 상기 영구자석 프레임의 역회전을 방지하는 역회전 방지장치를 포함하여 이루어지는 하이브리드 인덕션 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 역회전 방지장치는,
    상기 영구자석 회전자가 역회전시 상기 영구자석 프레임의 외주면과 접촉되어 회전 방향에 저항하는 마찰면이 형성된 래치임을 특징으로 하는 하이브리드 인덕션 모터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 마찰면은 상기 래치의 단부에 형성되며, 상기 회전자의 역회전 방향에 대해 수직한 면 형상으로 형성됨을 특징으로 하는 하이브리드 인덕션 모터.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 마찰면에는 마찰력을 높이기 위해 크림핑된 면이 형성됨을 특징으로 하는 하이브리드 인덕션 모터.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 마찰면에는 상기 영구자석 프레임과 상기 래치가 접할 때의 충격을 완화시킬 수 있는 완충수단이 구비됨을 특징으로 하는 하이브리드 인덕션 모터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 완충수단은 상기 마찰면을 따라 구비되어 충격을 완화하고 더불어, 상기 마찰면의 마찰력을 높이는 완충재임을 특징으로 하는 하이브리드 인덕션 모터.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 래치는 일단이 상기 영구자석 프레임과 일정간격 떨어진 위치에 힌지축에 힌지결합됨을 특징으로 하는 하이브리드 인덕션 모터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 힌지축에는 상기 래치가 항상 영구자석 프레임의 외주면에 접촉된 상태가 되도록 힘을 작용시키는 복귀수단이 구비됨을 특징으로 하는 하이브리드 인덕션 모터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 래치의 복귀수단은 상기 힌지축에 설치되는 토션 스프링임을 특징으로 하는 하이브리드 인덕션 모터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 역회전 방지장치는 상기 영구자석 프레임의 측면에 설치됨을 특징으로 하는 하이브리드 인덕션 모터.
  11. 영구자석을 회전가능하게 지지하는 영구자석 프레임; 그리고 상기 영구자석 프레임의 측면에 설치되어 상기 영구자석 프레임의 역회전을 방지하는 역회전 방지장치를 포함하여 이루어지는 하이브리드 인덕션 모터.
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