KR100785276B1 - 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 관한 것으로서, 고정자 분말철심과, 상기 고정자 분말철심 외측의 상하층부에 서로 일정한 간극을 두고 위치하고 있는 고정자 성층철심과, 상기 간극 사이로 고정자 분말철심을 감고 전류가 흐르는 여러겹의 코일인 고정자권선으로 이루어진 고정자와; 회전자 영구자석과 회전자 분말철심이 서로 마주보게 번갈아 배열되어 있는 동시에 상기 고정자를 중앙에 두고 원형으로 둘러싸도록 배치되어 있는 회전자로 구성됨으로써, 비교적 간단한 구조이면서 고출력으로 동력 발생 효율을 높일 수 있으며, 소음 및 진동을 줄일 수 있는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 관한 것이다.
외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기, 고정자, 회전자

Description

외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기{Permanent magnet excited transverse flux motor with out-rotor}
도 1은 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 고정자를 나타내는 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 고정자권선을 뺀 고정자 분말철심과 고정자 성층철심을 나타내는 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 고정자권선을 나타내는 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 2상 전동기 고정자를 나타내는 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 2상 전동기 고정자를 나타내는 평면도,
도 7은 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 회전자를 나타내는 사시도,
도 8은 도 1의 'A-A'선 단면도,
도 9는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 전원 공급회 로도,
도 10은 본 발명에 따른 전류방향 I+에 대한 고정자 성층철심 하층부의 힘발생 원리도,
도 11은 본 발명에 따른 전류방향 I+에 대한 고정자 성층철심 상층부의 힘발생 원리도,
도 12는 본 발명에 따른 전류방향 I-에 대한 고정자 성층철심 하층부의 힘발생 원리도,
도 13은 본 발명에 따른 전류방향 I-에 대한 고정자 성층철심 상층부의 힘발생 원리도,
도 14는 본 발명에 따른 2상 전동기 전류-회전자 위치 및 추력-회전자 위치 특성을 나타내는 도면,
도 15는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 있어서, 상수가 2 이상인 다상 전동기 고정자를 나타내는 사시도,
도 16은 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 있어서, 상수가 2 이상인 다상 전동기 고정자를 나타내는 평면도,
도 17은 본 발명에 따른 다상 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 전원 공급회로도,
도 18은 다상 전동기 전류-회전자 위치 및 추력-회전자 위치 특성을 나타내는 도면,
도 19는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 있어서, 환형 고정자로 이루어진 전동기를 나타내는 사시도,
도 20은 본 발명에 따른 다상 환형 고정자를 갖는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 고정자를 나타내는 사시도,
도 21은 본 발명에 따른 환형 고정자를 갖는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 고정자를 나타내는 사시도,
도 22는 본 발명에 따른 환형 고정자를 갖는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 환형 고정자권선을 나타내는 사시도,
도 23은 본 발명에 따른 방사형 철심을 갖는 고정자를 나타내는 사시도,
도 24는 본 발명에 따른 방사형 철심과 스페이스를 갖는 고정자를 나타내는 사시도,
도 25는 본 발명에 따른 방사형 철심을 갖는 환형 고정자를 나타내는 사시도,
도 26은 본 발명에 따른 방사형 철심과 스페이스를 갖는 환형 고정자를 나타내는 사시도,
도 27a ~ 도 27d는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 고정자 완전 분말철심을 나타내는 사시도 및 단면도,
도 28은 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 환형 고정자 완전 분말철심을 나타내는 사시도 및 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 고정자 분말철심 1a,1b : 방사형 철심
2 : 고정자 성층철심 2a : 상층부
2b : 하층부 2c,2d : 돌출부
3 : 고정자권선 4 : 고정자
5 : 회전자 영구자석 6 : 회전자 분말철심
7 : 회전자 8 : 자속선
9 : 반도체 소자 10 : 전원 11 : 환형 고정자 분말철심 11a,11b : 방사형 환형철심
12 : 환형 고정자 성층철심 12a : 환형 고정자 성층철심의 상층부
12b : 환형 고정자 성층철심의 하층부
13 : 환형 고정자권선 14 : 환형 고정자
15 : 고정핀 16 : 스페이스(space)
17 : 고정자 완전 분말 철심 18 : 환형 고정자 완전 분말철심
본 발명은 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비교적 간단한 구조이면서 고출력으로 동력 발생 효율을 높일 수 있으며, 소음 및 진동을 줄일 수 있는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 관한 것이다.
일반적으로, 전동기는 전기에너지를 기계에너지로 변환하는 장치로서, 근본적으로 고출력(출력/전동기무게: kW/kg)과 고효율(출력/입력)의 성능을 요구하고 있으며, 종자속 전동기와 횡자속 전동기로 구분할 수 있다.
예를 들면, 전동기는 자속의 흐름 방향에 따라 종자속 전동기 또는 횡자속 전동기로 나눌 수 있는데, 자속의 흐름 방향이 전동기의 이동 방향과 동일한 경우 종자속 전동기라 하고, 자속의 흐름 방향이 전동기의 이동 방향과 횡방향인 경우 횡자속 전동기라 한다.
즉, 종자속 전동기의 경우 인가되는 전류의 방향과 전동기의 이동 방향이 수직이고, 횡자속 전동기의 경우 인가되는 전류의 방향은 전동기의 이동 방향과 일치한다.
이와 같은 횡자속 전동기는 권선을 시행할 수 있는 공간(전기회로)과 자속이 흐를 수 있는 공간(자기회로)이 서로 분리되어 있기 때문에 전기회로와 자기회로가 서로 연성되어 있는 종자속 전동기에 비해 출력 밀도를 높일 수 있을 뿐 아니라, 여러 형태의 형상 설계가 가능하다.
또한, 횡자속 전동기는 링형태로 권선을 시행하여 많은 엔드 와인딩(End-winding)을 가지고 있는 종자속 전동기에 비해 사용하는 동의 양과 손실이 적다.
이와 같은 장점과는 별도로 횡자속 전동기는 일반적으로 3차원적인 자속의 흐름을 가지고 있기 때문에 기존의 종자속 전동기에 비해 제작이 용이하지 못하고 적층형 구조를 채택하기가 쉽지 않다는 단점을 가지고 있다.
그런데, 종래의 종자속 전동기 및 횡자속 전동기는 2축(X-Y축)에 직선형 운동을 제공하기 위한 전동기 단위 무게당 발생 추력이 적어 2축 이송장치를 구현하기 불가능한 경우가 많으며, 만약 구현하여도 전동기의 부피가 커져야 하므로 효율이 낮은 문제점이 있다.
한편, 전동기 자체로 해결하지 못하는 고출력이 요구되는 시스템에서는 전동기와 기어를 결합하거나 유압을 이용하는 기계식 시스템을 사용하고 있다.
그러나, 기계식 기어를 이용할 경우에 시스템의 효율과 유지 보수, 가격 등에서 불리하고, 유압 시스템을 사용할 경우에 부가 장치를 포함하여 기계적인 구조가 매우 복잡한 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 국내 특허 제10-2001-0085159호에 개시되어 있는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기는 고정자 철심과 이 고정자 철심을 감고 전류가 흐르는 권선으로 이루어진 고정자와, 이동자 철심과 영구자석으로 이루어져 상기 고정자의 중앙에 배치되는 이동자를 포함하여 구성되는 바, 상기 이동자는 이동자 철심 사이에 영구자석을 마주보게 배치하여 구성하 고, 상기 고정자 철심은 소정 간격 이격된 한쌍의 기둥부를 포함하여 이루어지며, 상기 권선은 소정 간격으로 나란히 배열된 고정자 철심들의 일측 기둥부들의 하부와 타측 기둥부들의 하부를 각각 둘러싸는 한 쌍의 권선으로 이루어지게 된다.
또한, 다른 구현예는 상기한 횡자속형 영구자석 여자 전동기의 한 쌍을 각각의 이동자측이 서로 마주보게 배치하고 그 중간에 비자성체를 설치하여 구성하는 바, 상기 한 쌍의 전동기중 일측 전동기의 고정자와 타측 전동기의 고정자를 각각 상기 극간극의 1/2만큼 위치가 어긋나게 배치하여 구성하게 된다.
그러나, 위와 같은 횡자속형 영구자석 여자 전동기의 경우에도 횡자속 전동기의 가장 큰 특징인 3차원적인 자속의 흐름을 가지고 있는 관계로 기존의 일반적인 적층구조를 그대로 적용할 수 없는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 자속이 흐르는 자기회로와 전류가 흐르는 전기회로를 분리하는 구성으로 이루어져 기존의 종자속 전동기보다 온도 상승이 상대적으로 낮고, 자속을 집중할 수 있는 영구자석의 형상을 적용하여 비교적 간단한 구조이면서 고출력으로 동력 발생 효율을 높일 수 있으며, 소음 및 진동을 줄일 수 있는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기는 고정자 분말철심과, 상기 고정자 분말철심 외측의 상하층부에 서로 일정한 간극을 두고 위치하고 있는 고정자 성층철심과, 상기 간극 사이로 고정자 분말철심을 감고 전류가 흐르는 여러겹의 코일인 고정자권선으로 이루어진 고정자와;
회전자 영구자석과 회전자 분말철심이 서로 마주보게 번갈아 배열되어 있는 동시에 상기 고정자를 중앙에 두고 원형으로 둘러싸도록 배치되어 있는 회전자로 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기를 나타내는 사시도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 고정자 분말철심(1)과, 고정자 성층철심(2)과, 고정자권선(3)으로 이루어진 고정자(4)와; 회전자 영구자석(5)과 회전자 분말철심(6)으로 이루어진 회전자(7)를 포함하여 구성되어 있는 바, 상기 고정자(4)는 그 한 쌍을 서로 마주보도록 배치한 2상 구조로 되어 있다.
특히, 상기 고정자(4)와 회전자(7)사이는 공극 δ를 두어 고정자(4)와 회전자(7)사이에서 추진력과 흡인력이 발생하게 된다.
한편, 도 2는 본 발명에 따른 고정자를 나타내는 사시도로서, 부채꼴형상으로 이루어져 있는 상기 고정자 분말철심(1)의 외측 상,하층에 상기 고정자 성층철심(2)이 서로 일정한 간극을 두고 위치하고 있으며, 그 간극 사이로 고정자 분말철 심(1)을 감고 전류가 흐르는 고정자권선(3)이 구성되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 고정자권선을 뺀 고정자 분말철심과 고정자 성층철심을 나타내는 사시도로서, 본 발명의 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기는 자속이 3차원으로 흘러야 하므로 고정자 분말철심(1)이 상기 고정자 성층철심(2)의 상,하층부(2a,2b)를 연결하는 연결 구조로 구성되어 있다.
한편, 상기 고정자 성층철심(2)의 외측에는 돌출부(2c,2d)가 그 둘레방향을 따라 일정한 간격(2τ)(τ:극간격)을 두고 배치되어 있는 바, 발생하는 합성 추진력을 한쪽 방향으로 발생시키기 위하여 그 상층부(2a)의 돌출부(2c)와 하층부(2b)의 돌출부(2d)가 각각 τ(τ:극간격) 만큼 서로 엇갈림 배열로 이루어져 있다.
또한, 상기 고정자 성층철심(2)은 철손을 감소시키기 위해 성층 구조를 이루고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 고정자권선을 나타내는 사시도로서, 상,하층부(2a,2b)로 이루어진 고정자 성층철심(2)사이를 통과하여 고정자 분말철심(1)을 감싸는 바, 여러 겹으로 이루어진 코일이 감겨 있다.
이와 같이, 도 3의 고정자 분말철심(1) 및 고정자 성층철심(2)과, 도 4의 고정자권선(3)이 서로 결합하여 도 2의 고정자(4)를 구성하며, 이렇게 구성된 고정자(4)는 도 5에 도시된 바와 같이, 2상으로 이루어져 있다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 고정자를 나타내는 평면도로서, 첨부한 도면의 중앙의 수평 기준선 상측에 위치한 고정자 분말철심(1)과 고정자 성층철심(2)은 A상 고정자를 구성하고, 하측에 위치한 고정자 분말철심(1)과 고정자 성층철심(2)은 B상 고정자를 구성하고 있다.
이때, 상기 2상으로 이루어진 고정자(4) 각각의 구조적 위치는 상기 수평 기준선에서 A상 고정자의 시작은 시계방향으로 α만큼 차이가 나고, 그 수평 기준선에서 B상 고정자의 시작은 α+0.5τ(τ:극간격) 만큼 차이가 나는데, 이러한 간극 구조는 회전자의 회전력의 맥동이 적은 안정된 특성을 얻기 위해 상기 A상 고정자보다 B상 고정자가 0.5τ(τ:극간격) 만큼 더 이동되어 있다.
한편, 첨부한 도 7은 본 발명에 따른 회전자를 나타내는 사시도로서, 상기 회전자(7)는 회전자 영구자석(5)과 회전자 분말철심(6)이 서로 번갈아 배열되어 있는 동시에, 고정자(4)를 중앙에 두고 원형으로 둘러싸도록 배치되어 있는 바, 상기 회전자 영구자석(5)의 자극이 서로 다른 방향의 자속을 발생시키도록 마주보게 배치되어 있다.
이와 같이, 상기 회전자 분말철심(6)을 사이에 두고 서로 이웃하는 상기 회전자 영구자석(5)이 서로 번갈아 위치할 경우, 상기 회전자 분말철심(6)에 N, S의 자극이 번갈아서 생기게 된다.
한편, 도면에서의 화살표는 회전자 영구자석(5)에서 발생하는 자속의 방향을 나타내고 있다.
상기 회전자 분말철심(6)은 상기 고정자(3)의 고정자 분말철심(1)과 마찬가지로 회전자(7)의 자속이 3차원으로 흐를 수 있도록 한다.
여기서, 상기 회전자 영구자석(5) 및 회전자 분말철심(6)의 한주기는 2τ가 된다.
도 8은 도 1의 'A-A'선 단면도로서, 고정자 분말철심(1), 고정자 성층철심(2), 고정자권선(3)으로 이루어진 고정자(4)와, 회전자(7), 그리고 전류에 의한 자속 Φ(8) 관계가 도시되어 있다.
첨부한 도 8과 같이, 상기 고정자권선(3)에 전류(오른쪽 고정자권선은 나오는 방향 전류, 왼쪽 고정자권선은 들어가는 방향 전류)가 인가되면 고정자권선(3)의 주위에 반시계 방향의 자속Φ(8)이 발생하게 된다.
이렇게 발생된 자속Φ(8)에 의해 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 고정자(4) 중 고정자 성층철심(2)의 상층부(2a)에는 S극, 고정자 성층철심(2)의 하층부(2b)에는 N극이 형성된다.
도 9는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 전원 공급회로도로서, 반도체 소자(9)와 전원(10)으로 구성되어 있다.
상기 전원(10)은 직류 또는 교류를 정류하여 사용 가능하고, 1상의 반도체 소자(9)는 H형 회로에 대칭인 4개의 소자 S1, S2, S3, S4가 구성되어 있고, 일측의 H형 회로는 A상 전동기를 위한 회로이며, 타측의 H형 회로는 B상 전동기를 위한 회로이다.
상기 A상 전동기를 위한 회로에서 회전기는 한 방향으로 힘이 작용하기 위해 위치에 따라 +, -의 전류가 필요한데, 양의 전류(Ia+ 방향)를 흘리기 위해서 반도체 소자(9) Sa2과 Sa3을 도통시키고, 음의 전류(Ia- 방향)를 흘리기 위해서 반도체 소자(9) Sa1과 Sa4를 도통시키게 된다.
상기 B상 전동기를 위한 회로에서는 A상 전동기를 위한 회로와 같은 방식으로 작동하며, B상의 고정자가 A상의 고정자보다 구조적 위치가 0.5τ(τ:극간격) 만큼 더 이동되어 있기 때문에 반도체소자(9)의 작동 시작시간이 0.5τ(τ:극간격) 만큼 경과하여 작동하게 된다.
한편, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 힘 발생 원리에 대하여 도 10 ~ 도 13을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 10은 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 있어서, 전류방향 Ia+에 대한 고정자 성층철심(2)의 하층부(2b)와 회전자(7)의 힘 발생원리도를 나타내는 것으로서, 도 8의 'C-C' 선 단면도를 나타내고 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 고정자권선(3)에 전류(오른쪽 고정자권선은 나오는 방향 전류, 왼쪽 고정자권선은 들어가는 방향 전류)가 인가되면 고정자권선(3)의 주위에 자속Φ(8)가 발생하여 고정자 성층철심(2)의 상층부(2a)는 S극, 고정자 성층철심(2)의 하층부(2b)는 N극이 형성된다.
한편, 상기 회전자 분말철심(6)이 두 개의 영구자석(5) 방향 →← 사이에 있을 때 N극, ←→ 사이에 있을 때 S극으로 구성되는 바, 회전자(7)의 자극 N, S극과, 고정자 성층철심(2)의 하층부(2b)의 N극은 자극 상호 작용에 의하여 그 자극의 방향이 다르면 흡인력 힘 Fra1, 자극의 방향이 같으면 반발력 힘 Fra2이 발생하여 회전자(7)에 합성된 힘 Frr+ 가 발생하게 된다.
도 11은 전류 방향 Ia+에 대한 고정자 성층철심의 상층부와 회전자의 힘 발 생원리도를 나타내는 것으로서, 도 8의 'D-D'선 단면도를 나타내고 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 고정자권선(3)에 전류(오른쪽 고정자권선은 들어가는 방향 전류, 왼쪽 고정자권선은 나오는 방향 전류)가 인가되면 그 고정자권선(3)의 주위에 자속Φ(8)이 발생하여 고정자 성층철심(2)의 상층부(2a)는 S극, 고정자 성층철심(2)의 하층부(2b)는 N극이 형성된다.
마찬가지로, 상기 회전자(7)의 자극 N, S극과, 고정자 성층철심(2)의 상층부(2a)에 유도된 S극은 자극 상호 작용에 의하여 그 자극의 방향이 다르면 흡인력 힘 Frb1, 자극의 방향이 같으면 반발력 힘 Frb2이 발생하여 회전자(7)에 합성된 힘 Frl+가 발생하게 된다.
상기 고정자 성층철심(2)의 상,하층부(2a,2b)는 각각 τ(τ:극간격) 만큼 어긋나 있어 회전자(7)가 항상 한방향의 접선 방향의 힘을 발생하게 된다.
도 12는 음의 방향 전류방향 Ia-에 대한 힘발생 원리도를 나타내는 것으로서, 도 10에 나타난 원리와 같다.
도 10의 전류 방향 Ia+에 대한 힘발생 원리도와의 차이점은 상기 회전자(7)가 도 10보다 τ(τ:극간격) 만큼 시계 방향으로 회전되고, 고정자권선(3)에 흐르는 전류의 방향이 반대로 된 것이다.
상기 고정자권선(3)에 전류 방향 Ia-(오른쪽 고정자권선은 들어가는 방향 전류, 왼쪽 고정자권선은 나오는 방향 전류)가 인가되면, 고정자 성층철심(2)의 상층부(2a)는 N극, 고정자 성층철심(2)의 하층부(2b)는 S극이 형성되고, τ(τ:극간격) 만큼 회전된 회전자(7)의 자극 N, S극과 고정자 성층철심(2)의 하층부(2b)에 유도된 S극은 자극 상호 작용에 의하여 자극의 방향이 다르면 흡인력 힘 Fra1, 자극의 방향이 같으면 반발력 힘 Fra2이 발생하여 회전자(7)에 합성된 힘 Frr-가 발생하게 된다.
도 13은 전류방향 Ia-에 대한 수직면 힘발생 원리도로서, 도 11에 나타난 원리와 동일하다.
한편, 도 11과 도 13의 차이점이라 함은 상기 회전자(7)가 도 10보다 τ(τ:극간격) 만큼 시계 방향으로 회전되고, 고정자권선(3)에 흐르는 전류의 방향이 반대가 된 것이다.
상기 고정자권선(3)에 전류의 방향이 반대 방향(오른쪽 고정자권선은 들어가는 방향 전류, 왼쪽 고정자권선은 나오는 방향 전류)으로 인가되면 고정자 성층철심(2)의 상층부(2a)는 N극, 고정자 성층철심(2)의 하층부(2b)는 S극이 형성되고, τ(τ:극간격) 만큼 시계방향으로 회전된 회전자(7)의 자극 N, S극과, 고정자 성층철심(2)의 상층부(2a)에 유도된 N극은 자극 상호 작용에 의하여 자극의 방향이 다르면 흡인력 힘 Frb1, 자극의 방향이 같으면 반발력 힘 Frb2이 발생하여 회전자(7)에서도 합성 추력이 힘 Frl-가 된다.
도 14는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 전류-회전자의 위치 및 추력-회전자 위치 특성을 나타내는 도면으로서, 그 위치에 따라 고정자(4) 2개(2상: A상, B상)에 의해 회전자(7)에 발생하는 추력을 나타내며, 고정자(4) 2개(2상: A상, B상)를 설치하면 추력의 맥동을 감소시켜 안정된 특성을 얻을 수 있다.
즉, 한쪽 방향으로 힘을 발생시키기 위하여 회전자(7)의 위치에 따라 전류의 방향이 변해야 하는 바, 도 14(a)에서 A상은 0 ~ τ(τ:극간격), 2τ(τ:극간격) ~ 3τ(τ:극간격), 4τ(τ:극간격) ~ 5τ(τ:극간격)에서는 양의 여자전류 Ia+를, τ(τ:극간격) ~ 2τ(τ:극간격), 3τ(τ:극간격) ~ 4τ(τ:극간격)에서는 음의 여자전류 Ia-를 인가하고 있다.
한편, 도 14(b)는 A상의 회전자 위치에 따른 추력의 특성으로 파형은 볼록한 사인파형으로 전류의 주기가 변화는 부분 τ(τ:극간격), 2τ(τ:극간격), 3τ(τ:극간격), 4τ(τ:극간격), 5τ(τ:극간격)에서는 회전자(7)의 자극위치와, 고정자(4)의 자극 위치가 공극을 두고 수직 방향으로 형성되므로 추력을 발생시키지 않는다.
A상과 B상의 구조적 위치는 (1/2)τ(τ:극간격) 만큼 이동되어 있어 도 14(c)의 B상 시간(t) 또는 회전자 위치(r)―전류 곡선(Ib+, Ib-)은 도 14(a)의 A상 시간(t) 또는 회전자 위치(r)―전류 곡선(Ia+, Ia-)에 비해 (1/2)τ(τ:극간격) 만큼 이동되며, B상에서는 0 ~ (1/2)τ(τ:극간격), (3/2)τ(τ:극간격) ~ (5/2)τ(τ:극간격), (7/2)τ(τ:극간격) ~ (9/2)τ(τ:극간격)에서는 양의 여자전류 Ib+를 (1/2)τ(τ:극간격) ~ (3/2)τ(τ:극간격), (5/2)τ(τ:극간격) ~ (7/2)τ(τ:극간격)에서는 음의 여자전류 Ib-를 인가시키고, 이에 따라 도 14(d)의 B상 시간(t) 또는 회전자 위치(r)―발생 힘(Frb) 곡선은 도 14(b)의 A상 시간(t) 또는 회전자 위치(r)―발생 힘(Fra)에 비해 (1/2)τ(τ:극간격) 만큼 이동하게 된다.
또한, 도 14(e)는 시간(t) 또는 회전자 위치(r)에 따른 2상 합성 발생 힘 (FrT) 특성으로 0, (1/2)τ(τ:극간격), τ(τ:극간격), (3/2)τ(τ:극간격), 2τ(τ:극간격)에서 최소 값을 가지고, (1/4)τ(τ:극간격), (3/4)τ(τ:극간격), (5/4)τ(τ:극간격), (7/4)τ(τ:극간격)에서 최대 값을 갖는다.
도 15는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 있어서, 상수가 2 이상인 다상 전동기 고정자를 나타내는 사시도이다.
1상의 고정자(4)는 도 2에 도시된 바와 같이, 고정자 성층철심(2)의 상,하층부(2a,2b), 고정자 분말철심(1)과 이를 감싸는 고정자권선(3)이 1상의 고정자(4)를 구성하고, 도 15의 1상 고정자를 기준으로 시계방향으로 2상, 3상 …N상 고정자가 위치하게 된다.
도 16은 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 있어서, 상수가 2 이상인 다상 전동기 고정자의 평면도이다.
각각의 상은 고정자 성층철심(2)의 상,하층부(2a,2b), 고정자 분말철심(1)과 이를 감싸는 고정자권선(3)이 결합하여 1상을 이루며, 도 16에 도시된 1상 고정자를 기준으로 했을 때 추력 맥동을 감소시키기 위하여 시계 방향의 2상 고정자는 기준선보다
Figure 112007060975367-pat00001
(τ:극간격) 더 시계 방향으로 이동되어 있고, 3상 고정자는 기준선보다
Figure 112007060975367-pat00002
(τ:극간격) 더 시계 방향으로 이동되어 있다.
따라서, N상의 고정자는
Figure 112007060975367-pat00003
(τ:극간격) 만큼 더 시계 방향으로 이동하게 된다.
도 17은 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 있어서, 다 상 전동기의 전원 공급회로도를 나타내고 있으며, 반도체 소자(9)와 전원(10)으로 구성되어 있다.
상기 전원(10)은 직류 또는 교류를 정류하여 사용 가능하고, 1상의 반도체 소자는 H형 회로에 대칭으로 4개의 소자로 구성되어 있고, 일측의 첫 번째의 H형 회로는 1상 전동기를 위한 회로이고, 두 번째의 H형 회로는 2상 전동기를 위한 회로이며, 가장 우측의 H형 회로는 N상 전동기를 위한 회로이다.
1상에서 회전기는 한 방향으로 힘이 작용하기위해 위치에 따라 +, -의 전류가 필요한 바, 양의 전류(I1+ 방향)를 흘리기 위해서 반도체 소자(9) S12와 S13을 도통시키고, 음의 전류(I1- 방향)를 흘리기 위해서 반도체 소자(9) S11 와 S14를 도통시킨다.
2상에서는 1상과 같은 방식으로 작동하며, 2상 고정자의 위치가 1상보다
Figure 112007060975367-pat00004
(τ:극간격) 만큼 더 이동되어 있기 때문에 반도체소자(9)의 작동 시간에
Figure 112007060975367-pat00005
(τ:극간격) 만큼의 차이를 갖는다.
마찬가지로, N상에서는 1상과 같은 방식으로 작동하며 N상 고정자가 1상보다
Figure 112007060975367-pat00006
(τ:극간격) 만큼 더 이동되어 있기 때문에 반도체소자(9)의 작동시간에
Figure 112007060975367-pat00007
(τ:극간격) 만큼의 차이를 갖는다.
도 18은 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 다상 전동기 전류-회전자 위치 특성 및 추력-회전자 위치 특성을 나타내는 도면으로서, 고정자 N개(N상: 1상, 2상… N상)를 설치하여 추력의 맥동을 감소시켜 안정된 특성을 얻을 수 있으며, 각각의 상은 도 16에 도시된 바와 같이, 기준상 1상보다 상이 증가할수록
Figure 112007060975367-pat00008
(τ:극간격) 만큼씩 더 이동되고, N상일 때
Figure 112007060975367-pat00009
(τ:극간격) 만큼 이동된다.
도 18(c)의 2상 시간(t) 또는 회전자 위치(r)―전류 곡선(I2+, I2-)은 도 18 (a)의 1상 시간(t) 또는 회전자 위치(r)―전류 곡선(I1+, I1-)에 비해
Figure 112007060975367-pat00010
(τ:극간격) 만큼 이동되어 있고, 도 18(e)의 N상 시간(t) 또는 회전자 위치(r)-전류곡선( In+, In-)은
Figure 112007060975367-pat00011
(τ:극간격) 만큼 이동되게 된다.
각 상의 전류 주기는 2τ(τ:극간격)이며, 회전자의 위치에 따라 공급해야 하는 1상에 대한 여자전류 파형은 회전자를 한 방향으로만 추진시키기 위해서 도 18(a)의 1상에서 0 ~ τ(τ:극간격), 2τ(τ:극간격) ~ 3τ(τ:극간격), 4τ(τ:극간격) ~ 5τ(τ:극간격)구간에서는 양의 여자전류 I1+를 인가하고 τ(τ:극간격) ~ 2τ(τ:극간격), 3τ(τ:극간격) ~ 4τ(τ:극간격) 구간에서는 음의 여자전류 I1-를 인가하고 있다.
각 상의 시간(t) 또는 회전자 위치(r)―발생 힘 특성은 전류곡선에 의해 항상 양의 값을 가지며 각상은 상이 증가할 때 마다 전류곡선과 같이
Figure 112007060975367-pat00012
(τ:극간격) 만큼 더 이동하게 된다.
도 18 (g)의 시간(t) 또는 회전자 위치(r)에 따른 N상 합성 발생 힘(FrT)특성은 주기를 가지며, 상의 숫자가 늘어날수록 맥동이 줄어들게 된다.
도 19는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 있어서, 환형 고정자로 이루어진 전동기를 나타내는 사시도로서, 환형 고정자 분말철심(11), 환형 고정자 성층철심(12)과 환형 고정자권선(13)으로 이루어진 환형 고정자(14)와; 회전자 영구자석(5)과 회전자 분말철심(6)으로 이루어진 회전자(7)로 구성되어 있다.
도 1의 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기와의 차이점은 도 1의 부채꼴형상의 고정자(4)가 환형의 환형 고정자(14)를 이루는 것이다.
이러한 환형 고정자(14)는 회전자(7)에 작용하는 흡입력과 추진력이 중심축으로 공간적으로 대칭을 이루어 발생하는 소음을 줄일 수 있는 장점이 있다.
이와 같이, 환형으로 이루어진 고정자(14)를 갖는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 고정자권선(13)은 환형 고정자 분말철심(11)을 감싸기 때문에 고정자권선(13)을 감기에 용이하고 재료(동)의 양도 적게 든다.
한편, 상기 환형 고정자(14)는 추진력의 맥동을 줄이기 위하여 회전자(7)의 회전축 방향으로 N개의 환형 고정자(14)를 가지고 있으며, 환형 고정자(14)의 개수에 따라 회전자(7)의 길이도 길어지게 된다.
상기 환형 고정자(14)와 회전자(7)사이는 공극 δ를 두고 환형 고정자(14)와 회전자(7)사이에서 추진력과 흡인력이 발생하게 된다.
도 20은 N개(1상, 2상,…, N상)의 환형 고정자를 나타내는 것으로서, 환형 고정자 분말철심(11), 환형 고정자 성층철심(12)의 상,하층부(12a,12b)와, 환형의 고정자권선(13)이 하나의 환형 고정자(14)를 이루고 가장 위쪽의 환형 고정자가 1 상 환형 고정자, 두 번째의 환형 고정자가 2상 환형 고정자, 그리고 가장 아래의 환형 고정자가 N상 환형 고정자이다.
이때, 상기 2상 환형 고정자는 기준선보다
Figure 112007060975367-pat00013
(τ:극간격) 만큼 더 구조적으로 회전되어 있고, N상 환형 고정자는
Figure 112007060975367-pat00014
(τ:극간격) 만큼 더 구조적으로 회전되어 있다.
이와 같은 구조는 회전자(7)의 회전 맥동을 줄일 수 있다.
도 21은 환형 고정자를 나타내는 상세도로서, 환형의 고정자 분말철심(11), 환형 고정자 성층철심(12)과 환형 고정자권선(13)으로 구성되어 환형 고정자(14)를 이루고 환형 고정자 성층철심(12) 중 상층부(12a)와 하층부(12b)는 발생하는 합성 추진력을 일측 방향으로 발생시키기 위하여 τ(τ:극간격) 만큼 비틀어지게 위치하고 있다.
한편, 상기 환형 고정자 성층철심(12)은 철손을 감소시키기 위하여 성층 구조로 이루어져 있는 것이 바람직하다.
상기 환형 고정자(14) 또한 전원을 공급하기 위하여 도 17과 같은 전원 공급회로도를 구비하며, 각 상에 연결되어 도 18과 같은 다상 전동기 전류-회전자 위치 및 추력-회전자 위치 특성을 갖는다.
1상의 환형 고정자권선(13)에 흐르는 전류 방향이 시계 방향일 때 도 19의 'F-F'선 단면도는 도 8과 같다.
단지, 상기 환형 고정자권선(13)은 도 8의 고정자권선(3)에서 화살표 방향으로 들어가는 전류의 고정자권선(3)이 없는 경우와 같다.
상기 고정자 성층철심(12)의 상,하층부(12a,12b)에 작용하는 힘 발생원리도 는 환형 고정자권선(13) 전류방향이 시계 방향일 때 도 10, 도 11의 힘 발생원리도와 같고, 환형 고정자권선(13) 전류방향이 반시계 방향일 때 도 12, 도 13의 힘 발생원리도와 같다.
도 22는 상기 환형 고정자 분말철심을 감고, 전류가 흐르는 환형 고정자권선을 나타내는 사시도로서, 코일이 환형 고정자 성층철심(12)의 상,하층부(12a,12b) 사이로 환형 고정자 분말철심(11)을 감싸며 환형으로 여러 겹 감겨 있는 형태이다.
도 23은 본 발명에 따른 도 2의 고정자(4)에서 고정자 분말철심(1)을 다수개의 직육면체로 이루어진 방사형 철심(1a)으로 대체한 것으로서, 그 직육면체의 작은 방사형 철심(1a)이 부채꼴형상을 구성하기 위해서는 여러 개의 방사형 철심(1a)을 고정하기 위한 고정핀(15)이 필요하며, 이때 고정자 성층철심(2) 접촉면에서는 작은 공극이 발생하게 된다.
도 24는 본 발명에 따른 도 2의 고정자(4)에서 고정자 분말철심(1)이 일정한 간격을 두고 배치된 스페이스(Space,16)를 갖는 방사형 철심(1b)으로 대체된 것이다.
이때, 상기 스페이스(16)는 부채꼴형상을 이루기 위해서는 방사형 철심(1b)을 고정하기 위한 고정핀(15)이 구비된다.
도 25는 도 21의 환형 고정자(14)에서 환형 고정자 분말철심(11)이 방사형 철심(1a)으로 대체된 방사형 환형철심(11a)을 구비한 환형 고정자(14)를 나타내는 도면이다.
상기 방사형 환형철심(11a)은 도 23의 부채꼴형상의 방사형 철심(1a)과 같으 나 환형을 이루고 있는 것이 차이점이다.
한편, 도 26은 도 21의 환형 고정자(14)에서 환형 고정자 분말철심(11)이 일정한 간격을 두고 배치된 스페이스(16)를 갖는 환형의 방사형 환형철심(11b)으로 대체된 것이다.
상기 환형으로 이루어진 방사형 환형철심(11b)은 도 24의 스페이스(16)를 갖는 부채꼴 형상의 방사형 철심(1b)과 같으나, 상기 방사형 철심(1b)이 환형을 이루는 것이 특징이다.
도 27a ~ 도 27d는 도3의 고정자 분말 철심(1) 및 고정자 성층철심(2)이 모두 분말코어로 이루어진 고정자 완전 분말철심(17)의 형태이다.
도 27(a)는 도3의 고정자 성층철심(2)의 상층부(2a)와, 고정자 성층철심(2)의 하층부(2b)가 고정자 완전 분말철심(17)으로 대체된 경우로서, 'G-G'선 단면도와 같이 결합되어 있다.
도 27(b)는 고정자 성층철심(2)이 도 27(a)의 고정자 성층철심(2)보다 큰 경우로서, 고정자 성층철심(2)의 상,하층부(2a,2b) 사이에 고정자 분말철심(1)이 설치되어 있고, 도 27(c)는 상하 2개의 고정자 완전 분말철심(17)으로 구성된 경우이며, 도 27(d)는 하나의 고정자 완전 분말철심(17)으로 이루어진 경우이다.
도 28a ~ 도 28d는 도 19의 환형 고정자(14)를 갖는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기의 환형 고정자(14)중 환형 고정자 분말철심(11)과, 환형 고정자 성층철심(12)이 모두 환형 고정자 완전 분말철심(18)으로 이루어진 도면이다.
첨부한 도 28(a)는 환형 고정자 성층철심(12)의 상층부(12a)와, 환형 고정자 성층철심(12)의 하층부(12b)가 고정자 완전 분말철심(18)으로 대체된 경우로서, 'G-G'선 단면도와 같이 결합되어 있다.
도 28(b)는 환형 고정자 성층철심(12)의 상,하층부(12a,12b)가 도 28(a)의 환형 고정자 성층철심(12)의 상,하층부(12a,12b) 보다 큰 경우로서, 고정자 성층철심(12)의 상,하층부(12a,12b) 사이에 고정자 분말철심(11)이 설치되어 있고, 도 28(c)는 상하 2개의 환형 고정자 완전 분말철심(18)으로 구성된 경우이며, 도 28(d)는 하나의 환형 고정자 완전 분말철심(18)으로 이루어진 경우이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기에 의하면, 자속이 흐르는 자기회로와 전류가 흐르는 전기회로가 분리되어 있어 종래의 종자속 전동기보다 온도 상승이 상대적으로 낮고, 자속을 집중할 수 있는 영구자석의 형상을 적용하기 때문에 출력 밀도(출력/전동기무게: kW/kg)와 효율(출력/입력)가 높다.
또한, 전동기의 체적이 적어 사용 재료를 절감할 수 있고, 분말철심과 성층철심을 사용하므로 제작이 간편하게 된다.
응용 면에서는 외전형 영구자석여자 횡자속 전동기는 기계적인 장치를 전기식 구동 방법으로 대체하여 구조를 단순화하고 제어를 용이하게 함으로써 시스템 전체의 성능을 향상시킬 수 있고, 재료비를 절약할 수 있으며, 에너지 손실을 줄일 수 있다.

Claims (17)

  1. 고정자 분말철심과, 상기 고정자 분말철심 외측의 상하층부에 서로 일정한 간극을 두고 위치하고 있는 고정자 성층철심과, 상기 간극 사이로 고정자 분말철심을 감고 전류가 흐르는 여러겹의 코일인 고정자권선으로 이루어진 고정자와;
    회전자 영구자석과 회전자 분말철심이 서로 마주보게 번갈아 배열되어 있는 동시에 상기 고정자를 중앙에 두고 원형으로 둘러싸도록 배치되어 있는 회전자로 구성된 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정자는 수평 단면이 부채꼴 형상으로 이루어진 1상이 서로 마주보게 배치된 한 쌍으로 이루어진 2상 구조로 된 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정자 성층철심은 그 외측에 돌출부가 그 둘레방향을 따라 일정한 간격(2τ)(τ:극간격)을 두고 배치된 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정자와 상기 회전자는 그 사이에서 추진력과 흡인력이 발생할 수 있도록 공극 δ를 두는 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 고정자 성층철심의 돌출부는 발생하는 합성 추진력을 한쪽 방향으로 발생시키기 위하여 그 상,하층부 돌출부가 각각 τ(τ:극간격) 만큼 서로 어긋나게 배열된 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 2상의 고정자 중, 선택된 어느 하나의 고정자는 다른 고정자에 비해 그 중심을 긋는 수평 기준선 상에서 0.5τ(τ:극간격) 만큼 시계방향으로 더 이동된 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 고정자는 직류 또는 교류를 정류하여 사용하는 전원과, 양의 전류를 흘 리기 위해 S2과 S3을 도통시키고, 음의 전류를 흘리기 위해 소자 S1과 S4를 도통시키는 H형 회로에 대칭인 4개의 소자 S1, S2, S3, S4로 구성된 1상의 반도체 소자로 이루어진 전원 공급회로를 통해 전원을 공급받는 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    시계방향으로 2상, 3상 …N상을 갖는 다상 구조로 이루어진 고정자를 더 포함하는 것 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 다상 구조로 이루어진 고정자는 기준상 1상보다 상이 증가할수록
    Figure 112007060975367-pat00015
    (τ:극간격) 만큼씩 더 이동되고, N상일 때
    Figure 112007060975367-pat00016
    (τ:극간격) 만큼 이동되는 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  10. 청구항 1에 있어서,
    수평단면이 환형 구조로 이루어진 고정자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 고정자는 회전자의 회전축 방향으로 N개의 환형 고정자로 이루어지며, 그 환형 고정자의 개수에 따라 회전자의 길이가 결정되는 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 환형 구조로 이루어진 고정자는 회전축 방향으로 기준상 1상보다 상이 증가할수록
    Figure 112007060975367-pat00017
    (τ:극간격) 만큼씩 더 회전되고, N상일 때
    Figure 112007060975367-pat00018
    (τ:극간격) 만큼 회전되는 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정자 분말철심은 다수개의 직육면체로 이루어져 고정핀을 통해 고정되는 방사형 철심으로 이루어진 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  14. 청구항 1 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 고정자 분말철심은 일정한 간격을 두고 배치된 스페이스가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정자 성층철심 상,하층부는 그 사이에 고정자 분말철심이 설치된 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정자 성층철심 상,하층부는 각각 2개의 고정자 완전 분말철심으로 이루어진 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정자 성층철심 상,하층부는 1개의 고정자 완전 분말철심으로 이루어진 것을 특징으로 하는 외전형 영구자석 여자 횡자속 전동기.
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