KR100757439B1 - 자기 여자 모터 및 그의 착자방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 여자모터 및 그의 착자방법에 관한 것으로, 자성체를 착자시키는 순간에만 여자코일을 통하여 일정시간 동안 불연속적으로 전류를 인가함으로써, 로터 회전 속도의 변동을 방지하여 자성체의 착자율을 향상시키도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 몸체의 외주면을 둘러싸는 자성체를 구비하는 회전자와; 상기 회전자의 속도를 검출하는 속도 검출유닛과; 상기 속도검출유닛에서 검출한 속도를 기준속도와 비교하고, 그 비교결과에 근거한 착자 제어신호를 출력하는 제어유닛과; 상기 착자 제어신호에 의해 스위칭되어 1 싸이클의 착자 전류를 미리 설정한 시간 동안 기설정된 간격으로 도통시키는 스위칭유닛과; 상기 스위칭유닛을 통해 미리 설정된 시간 동안에 기설정된 간격으로 입력되는 1 싸이클의 착자 전류에 따른 자속을 발생하여 상기 자성체를 착자시키는 여자코일을 포함하여 구성한다.

Description

자기 여자 모터 및 그의 착자방법{SELF-MAGNETIZING MOTOR AND HIS MAGNETIZATION METHOD}

도 1은 종래 자기 여자모터의 구동회로도.

도 2는 도 1의 자기 여자 모터의 성능을 도시한 그래프.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자기 여자 모터의 구성을 보인 회로도.

도 4는 도 3에 있어서, 여자 코일에 인가되는 일실시 예의 전류 파형도

도 5는 도 4에 있어서, 자기 여자 모터의 속도 파형도

도 6은 도 3에 있어서, 여자 코일에 인가되는 다른 실시 예의 전류 파형도.

도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 자기 여자 모터의 착자방법에 대한 동작흐름도.

도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 자기 여자 모터의 착자방법에 대한 동작흐름도.

도 9는 도8에 있어서, 자기 여자 모터의 속도 파형도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1:속도 검출유닛 2:제어유닛

110 : 전원 131 : 제1 커패시터

141 : 제2 커패시터 142 : 피티씨

143 : 스위치 유닛 24a:여자코일

본 발명은 자기 여자 모터(self-magnetizing motor)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모터의 회전속도가 동기속도(synchronous speed)에 인입하여 자성체가 착자시, 그 자성체를 착자시키는 여자코일에 교류전류를 일정 시간 동안에 불연속적으로 인가함으로써 자성체의 착자율을 향상시키는 자기 여자 모터 및 그의 착자방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자기 여자 모터는 봉도체가 설치된 회전자에 자화 가능한 자성체를 구비함으로써, 회전자의 속도가 회전 자기장의 동기 속도에 이르기까지는 유도 모터로서 작동하고, 회전 자기장의 동기 속도에 도달하기 위하여 자성체를 착자(着磁)시켜 영구 자석 모터로 작동한다.

여기서, 도1은 상기 자기 여자모터의 구동회로도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 교류 전류를 공급하는 공급 전원(110)과 메인 유도 코일(22a)과 서브 유도 코일(23a)과 여자 코일(24a)이 각각 병렬 연결되어 있으며, 메인 유도 코일(22a)에 대하여 서브 유도 코일(23a)에 인가되는 전류의 위상차를 조절할 수 있도록 제1 커패시턴스(131)가 서브 유도 코일(23a)에 연결되고, 메인 유도 코일(22a)에 대하여 여자 코일(24a)에 인가되는 전류의 위상차를 조절할 수 있도록 제2 커패시턴스(141)가 여자 코일(24a)에 연결되고, 회로에 온도가 증가하면 저항값이 점차 증가하여 회로를 단락 또는 화재로부터 보호하는 피티씨(PTC) 센서(142)가 연결되고, 회로를 개폐하는 스위치(143)가 구비된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 여자 모터의 작용 원리를 설명하면 다음과 같다.

우선, 자기 여자 모터의 회전자를 회전시키고자 하는 경우에는, 제 1커패시터(131)를 경유하여 위상이 빠른 전류를 서브 유도 코일(23a)에 인가하면 전자기 여자 법칙에 의하여 회전자의 봉도체에 유도 전류가 발생하고, 플레밍의 왼손 법칙에 의하여 봉도체는 서브 유도 코일(23a)에 의하여 발생한 자기장 속에서 힘을 받게 되어 회전을 시작하게 된다.

그 다음으로, 메인 유도 코일(22a)에 서브 유도 코일(23a)을 흐르는 전류보다 위상이 90도 이상 느린 전류를 인가하면 고정자에 회전 자기장이 발생하게 되므로, 회전자의 봉도체는 계속해서 힘을 받으며 회전을 하게 된다.

그런데, 회전자 몸체는 고투자율의 강자성체로 이루어져 있으므로, 메인 유도 코일(22a)과 서브 유도 코일(23a)에 의하여 발생한 자기장이 회전자 몸체를 자화시키게 되고, 그에 따라 회전자 몸체는 히스테리시스 효과(Hysteresis Effect)에 의하여 히스테리시스 토크(H)도 받게 되어 회전을 하게 된다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 회전자 몸체와 봉도체가 각각 히스테리시스 토크(H)와 유도 토크(I)를 받아서 그 합성 토크에 의하여 회전을 하게 된다.

이 경우, 만약 회전자의 속도가 회전 자기장의 동기 속도(3,600rpm)와 같아지게 되면 봉도체에 발생하는 유도 토크(I)가 0이 되므로 회전자는 언제나 회전 자 기장의 동기 속도보다 느리게 된다. 즉, 슬립(slip) 현상이 발생하게 되는 것이다.

따라서, 상기 동기속도의 75%~80%의 속도가 되면 여자 코일(24a)에 강한 전류를 걸어주고, 이에 따라 여자 코일(24a)에 의하여 발생하는 강력한 자속이 여자극의 끝단을 통하여 회전자 몸체의 외주면을 둘러싸는 자성체에 전해지게 되어 자성체를 착자시킨다.

이 경우, 상기 여자극은 고투자율의 강자성체로 이루어져 있고 그 끝단이 테이퍼 형상으로 이루어져 있으므로, 강력한 자속을 큰 손실 없이 회전자의 자성체로 전달하여 자성체를 착자시키게 된다.

그러면, 자성체는 자화되어 영구 자석이 되므로 고정자에 이미 발생한 회전 자기장을 따라 회전하게 된다.

이 경우, 회전자의 회전 속도가 점차 증가하게 되어 회전 자기장의 동기 속도(3,600rpm)와 같아진다고 하더라도, 영구 자석은 끊임없이 회전 자기장을 따라 회전할 수 있기 때문에 회전자의 회전력이 감소되지 않는 것이다.

즉, 상기와 같은 종래 자기 여자 모터는 저속 단계에서는 유도 토크(I)와 히스테리시스 토크(H)에 의하여 회전하다가, 고속 단계(동기 속도 : 3,600rpm)로 진입하기 위하여 상기 여자극이 자성체를 착자시킴으로써 영구 자석 토크(P)에 의하여 회전하게 되는 2단계의 회전 과정을 거치게 된다.

그러나, 상술한 종래 자기 여자모터는, 자성체를 착자시키기 위하여 상기 여자 코일에 지속적으로 큰 전류를 인가함으로써, 코일에 발생하는 열 손실등이 증가하여 모터의 운전효율이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 자기 여자모터에서 자성체를 착자시키는 순간에만 여자 코일을 통하여 일정시간 동안 전류를 인가함으로써, 코일에서 발생하는 열손실을 감소시켜 모터 효율을 향상시키는 자기 여자 모터및 그의 착자방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 자기 여자모터에 자성체를 착자시키는 순간에만 여자코일을 통하여 일정시간 동안 불연속적으로 전류를 인가함으로써, 로터 회전 속도의 변동을 방지하여 자성체의 착자율을 향상시키는 자기 여자 모터 및 그의 착자방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 자기 여자 모터는,

몸체의 외주면을 둘러싸는 자성체를 구비하는 회전자와;

상기 회전자의 속도를 검출하는 속도 검출유닛과;

상기 속도검출유닛에서 검출한 속도를 기준속도와 비교하고, 그 비교결과에 근거한 착자 제어신호를 출력하는 제어유닛과;

상기 착자 제어신호에 의해 스위칭되어 적어도 1싸이클 이상의 착자 전류를 일정시간 도통시키는 스위칭유닛과;

상기 적어도 1 싸이클 이상의 착자 전류에 의해, 자속을 발생하여 상기 자성체를 착자시키는 여자코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 자기 여자 모터는,

몸체의 외주면을 둘러싸는 자성체를 구비하는 회전자와;

상기 회전자의 속도를 검출하는 속도 검출유닛과;

상기 속도검출유닛에서 검출한 속도를 기준속도와 비교하고, 그 비교결과에 근거한 착자 제어신호를 출력하는 제어유닛과;

상기 착자 제어신호에 의해 스위칭되어 1싸이클의 착자 전류를 미리 설정한 시간 동안 기설정된 간격으로 도통시키는 스위칭유닛과;

상기 스위칭유닛을 통해 미리 설정한 시간동안 기설정된 간격으로 입력되는 1싸이클의 착자 전류에 따른 자속을 발생하여 상기 자성체를 착자시키는 여자코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자기 여자 모터의 착자 방법은,

회전자 몸체의 외주면을 둘러싸는 자성체를 구비하는 자기 여자모터에 있어서,

상기 회전자의 속도를 검출하는 과정과;

상기 검출된 속도와 기준속도를 비교하는 과정과;

상기 비교결과 상기 검출속도와 기준속도가 일치하면 여자 코일에 적어도 1싸이클 이상의 착자 전류를 미리 설정한 시간 동안 인가하여 상기 자성체를 착자시키는 과정을 수행함을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자기 여자 모터의 착자 방법은,

회전자 몸체의 외주면을 둘러싸는 자성체를 구비하는 자기 여자모터에 있어서,

상기 회전자의 속도를 검출하는 과정과;

상기 검출된 속도와 기준속도를 비교하는 과정과;

상기 비교결과 상기 검출속도와 기준속도가 일치하면 여자 코일에 불연속적으로 1 싸이클의 착자 전류를 미리 설정한 시간 동안 인가하여 상기 자성체를 착자시키는 과정을 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명의 일실시 예에서는 스테이터의 주권선과 보조권선에 전원을 인가하여 자성체를 포함한 로터를 회전시킨후, 일정 속도 이상(동기속도 75%~80%)에서 외부 제어회로를 이용하여 여자코일을 여자시켜 상기 자성체를 착자시키는 자기 여자 모터를 예를 들어 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기 여자모터의 구성을 보인 회로도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 속도 검출유닛(1),제어유닛(2),여자 코일(24a), 여자 스위치(143)를 구비한다.

상기 여자코일(24a)은 착자 전류에 의해, 자속을 발생하여 자성체(미도시)를 착자시킨다.

상기 여자 스위치(143)는, 착자 제어신호에 스위칭되어 소정의 착자 전류를 도통시킨다.

상기 속도 검출유닛(1)은 상기 자기 여자 모터의 회전속도를 검출한다.

상기 제어유닛(2)은 상기 검출된 속도와 기준속도를 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 상기 여자 스위치(143)의 스위칭을 제어하기 위한 착자 제어신호를 출력한다.

즉, 상기 제어유닛(2)은, 일실시 예로, 상기 검출된 속도가 기준속도와 일치하면, 도 4의 전류 파형도와 같이, 일정시간 동안 수 싸이클의 착자 전류가 상기 여자 코일(24a)에 인가되도록 하기 위한 착자 제어신호를 상기 여자 스위치(143)에 인가한다.

이때, 상기와 같이, 일정 시간 동안 수 싸이클의 착자 전류를 여자코일(24a)에 인가하여 자성체를 착자하는 경우에, 도 5의 자기 여자 모터의 속도 파형도에 도시된 바와 같이, 로터의 회전속도 변동이 발생되어 자성체의 착자 정도가 악화되는 스피드 딥(Speed Dip)이 발생한다.

즉, 상기 여자 코일(24a)이 여자되면 여자극이 전자석이 되므로, 회전자 철심과 인력이 작용하여 순간적으로 스피드 딥(Speed Dip)이 발생하고, 이러한 스피 드 딥(Speed Dip)에 의해 로터의 회전속도 변동이 발생하면 2차측 농형바(미도시)에 와전류가 유도되어 리액션 필드의 영향으로 착자 정도가 악화된다.

그러나, 대용량의 모터의 경우에는 회전자의 회전운동시의 관성으로 상기 스피드 딥(Speed Dip)이 문제가 되지 않으나, 가전용으로 사용되는 소/중용량급의 모터는 회전자 관성이 작아 여자극과 회전자 철심 사이의 인력으로 인해 스피드 딥(Speed Dip)이 발생한다.

이에 따라, 상기 제어유닛(2)은, 상술한 스피드 딥(Speed Dip)을 감소시키기 위해, 다른 실시예로, 상기 자기 여자 모터의 속도가 기준속도와 일치하면, 도 6의 전류 파형도와 같이, 일정시간 소정 간격으로 1싸이클의 착자 전류가 상기 여자코일(24a)에 인가되도록 하기 위한 착자 제어신호를 출력한다.

여기서, 본 발명의 일실시 예의 동작을 첨부한 도 7을 참조하여 설명한다.

먼저, 초기 기동시, 자기 여자 모터는 회전자 몸체와 봉도체가 각각 히스테리시스 토크(H)와 유도 토크(I)를 받아서 그 합성 토크에 의하여 회전을 하게 된다(SP1).

이때, 속도 검출유닛(2)은, 상기 자기 여자모터의 속도를 검출하고, 그 검출된 속도를 제어유닛(2)에 인가한다(SP2).

여기서, 기준속도는 동기속도(약 3600rpm)의 75% 내지 80% 사이의 속도 값으로 기설정된다.

이에 따라, 상기 제어유닛(2)은 상기 검출된 속도와 기준속도를 비교하고(SP3), 그 비교결과에 근거하여 상기 여자 스위치(143)의 스위칭을 제어하기 위한 착자 제어신호를 출력한다.

즉, 상기 제어유닛(2)은 상기 검출된 속도가 기준속도와 일치하면 일정시간 동안 수 싸이클의 착자 전류가 상기 여자 코일(24a)에 인가되도록 하기 위한 착자 제어신호를 상기 여자 스위치(143)에 인가한다.

이에 따라, 상기 여자 스위치(143)는 일정시간 도통되어 여자코일(24a)에 수 싸이클의 전류를 인가하고(SP4), 이에 따라 상기 여자 코일(24a)에 의해 발생하는 자속이 여자극의 끝단을 통하여 회전자 몸체의 외주면을 둘러싸는 자성체에 전해지게 되어 자성체를 착자시킨다(SP5).

그러면, 상기 자성체는 자화되어 영구자석이 되므로 고정자에 의해 발생한 회전 자기장을 따라, 자기 여자 모터는 동기속도로 회전하게 된다(SP6).

이러한 본 발명의 실시예는, 도 5의 자기 여자 모터에 대한 속도 파형도에 도시된 바와 같이, 로터의 회전속도 변동이 발생되어 자성체의 착자 정도가 악화되는 스피드 딥(Speed Dip)이 발생한다.

이에 따라, 상기에서 제안한 발명의 문제점을 해결하기 위한, 본 발명의 다른 실시예를 첨부한 도 8을 참조하여 설명한다.

우선, 초기 기동시, 자기 여자 모터는 회전자 몸체와 봉도체가 각각 히스테리시스 토크(H)와 유도 토크(I)를 받아서 그 합성 토크에 의하여 회전을 하게 된다(SP11).

이때, 속도 검출유닛(2)은, 상기 자기 여자모터의 속도를 검출하고, 그 검출된 속도를 제어유닛(2)에 인가한다(SP12).

여기서, 기준속도는 동기속도(약 3600rpm)의 75% 내지 80% 사이의 속도 값으로 기설정된다.

이에 따라, 상기 제어유닛(2)은 상기 검출된 속도와 기준속도를 비교하고(SP13), 그 비교결과에 근거하여 상기 여자 스위치(143)의 스위칭을 제어하기 위한 착자 제어신호를 출력한다(SP14).

즉, 상기 제어유닛(2)은 상기 검출된 속도가 기준속도와 일치하면 일정시간 소정 간격으로 1싸이클의 착자 전류가 상기 여자코일(24a)에 인가되도록 하기 위한 착자 제어신호를 상기 여자 스위치(143)에 인가한다.

이에 따라, 상기 여자 스위치(143)는 일정시간 소정 간격으로 온/오프되어 여자코일(24a)에 전류를 인가하고, 이에 따라 상기 여자 코일(24a)에 의해 발생하는 자속이 여자극의 끝단을 통하여 회전자 몸체의 외주면을 둘러싸는 자성체에 전해지게 되어 자성체를 착자시킨다(SP15).

그러면, 상기 자성체는 자화되어 영구자석이 되므로 고정자에 의해 발생한 회전 자기장을 따라, 자기 여자 모터는 동기속도로 회전하게 된다(SP16).

여기서, 도9는 본 발명에 의한 속도 파형도로서, 상기에서 제안한 본 발명보다 스피드 딥(Speed Dip)을 최소화시킨 것을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 자기 여자모터에서 자성체를 착자시키는 순간에만 여자 코일을 통하여 일정시간 동안 전류를 인가함으로써, 코일에서 발생하는 열손실을 감소시켜 모터 효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 자기 여자모터에 자성체를 착자시키는 순간에만 여자코일을 통하여 일정시간 동안 불연속적으로 전류를 인가함으로써, 로터 회전 속도의 변동을 방지하여 자성체의 착자율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 몸체의 외주면을 둘러싸는 자성체를 구비하는 회전자와;

   상기 회전자의 속도를 검출하는 속도 검출유닛과;

   상기 속도검출유닛에서 검출한 속도를 기준속도와 비교하고, 그 비교결과에 근거한 착자 제어신호를 출력하는 제어유닛과;

   상기 착자 제어신호에 의해 스위칭되어 적어도 1 싸이클 이상의 착자 전류를 일정시간 도통시키는 스위칭유닛과;

   상기 적어도 1 싸이클 이상의 착자 전류에 의해, 자속을 발생하여 상기 자성체를 착자시키는 여자코일을 포함하는 자기 여자 모터.
2. 제1 항에 있어서, 상기 제어유닛은,

   검출속도가 기준속도와 일치하면, 미리 설정한 시간 동안에 적어도 1 싸이클 이상의 착자 전류를 발생시키기 위한 착자 제어신호를 출력하는 자기 여자모터.
3. 삭제
4. 몸체의 외주면을 둘러싸는 자성체를 구비하는 회전자와;

   상기 회전자의 속도를 검출하는 속도 검출유닛과;

   상기 속도검출유닛에서 검출한 속도를 기준속도와 비교하고, 그 비교결과에 근거한 착자 제어신호를 출력하는 제어유닛과;

   상기 착자 제어신호에 의해 스위칭되어 1싸이클의 착자 전류를 미리 설정한 시간 동안에 기설정된 간격으로 도통시키는 스위칭유닛과;

   상기 스위칭유닛을 통해 미리 설정한 시간동안에 기설정된 간격으로 입력되는 1싸이클의 착자 전류에 따른 자속을 발생하여 상기 자성체를 착자시키는 여자코일을 포함하는 자기 여자 모터.
5. 제1 항에 있어서, 상기 제어유닛은,

   검출속도가 기준속도와 일치하면, 미리 설정한 시간 동안에 기설정된 간격으로 1 싸이클의 착자 전류를 발생시키기 위한 착자 제어신호를 출력하는 자기 여자모터.
6. 삭제
7. 회전자 몸체의 외주면을 둘러싸는 자성체를 구비하는 자기 여자 모터에 있어서,

   상기 회전자의 속도를 검출하는 과정과;

   상기 검출된 속도와 기준속도를 비교하는 과정과;

   상기 비교결과 상기 검출속도와 기준속도가 일치하면 여자 코일에 적어도 1 싸이클 이상의 착자 전류를 미리 설정한 시간 동안에 인가하여 상기자성체를 착자시키는 과정을 수행하는 자기 여자 모터의 착자 방법.
8. 삭제
9. 회전자 몸체의 외주면을 둘러싸는 자성체를 구비하는 자기 여자 모터에 있어서,

   상기 회전자의 속도를 검출하는 과정과;

   상기 검출된 속도와 기준속도를 비교하는 과정과;

   상기 비교결과 상기 검출속도와 기준속도가 일치하면 여자 코일에 불연속적으로 1 싸이클의 착자 전류를 미리 설정한 시간 동안 인가하여 상기 자성체를 착자시키는 과정을 수행하는 자기 여자 모터의 착자 방법.
10. 제9 항에 있어서, 상기 착자시키는 과정은,

    여자코일에 1싸이클의 착자 전류를 미리 설정한 시간 간격으로 기설정된 시간동안 인가하여 상기 자성체를 착자시키는 단계를 포함하는 자기 여자 모터의 착자방법.
11. 삭제

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