KR101020994B1 - 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터 - Google Patents

Abstract

축방향 지지력을 생성하기 위한 고정자 극과 토크를 발생하기 위한 고정자 극 구조를 별도로 하여 독립적으로 제어하는 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것으로, 권선이 구비되는 고정자와, 상기 권선에 전류가 통전됨과 동시에 축을 중심으로 회전하는 회전자를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor)로서, 상기 회전자는 외측을 향한 다수의 회전자극을 가지고, 상기 고정자는 내측을 향한 다수의 고정자극을 가지며, 상기 권선은 상기 회전자 지지력을 발생하는 지지력 권선과 토크를 발생하는 상권선을 포함하고, 상기 지지력 권선과 상기 상권선은 상호 분리되어 있는 구성을 마련한다.

상기와 같은 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터를 이용하는 것에 의해, 회전자 위치에 따른 축방향 지지력 및 토크 특성을 해석하여 축방향 지지력을 생성하기 위한 고정자 극과 토크를 발생하기 위한 고정자 극 구조를 별도로 하여 독립적으로 제어할 수 있다.

베어링리스, SRM, 하이브리드 극, 축방향, 지지력

Description

하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터{Hybrid Pole Bearingless SRM}

본 발명은 회전자의 지지력을 발생하는 극과 토크 극이 구조적으로 분리된 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor, 이하, SRM이라 한다)에 관한 것으로, 특히 축방향 지지력을 생성하기 위한 고정자 극과 토크를 발생하기 위한 고정자 극 구조를 별도로 하여 독립적으로 제어하는 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것이다.

최근 자동차 및 의료장비나 바이오 관련 산업과 반도체 장치 및 항공우주와 군사 분야에서 특수 전동기 수요가 크게 증가하고 있다. 특히, 초고속 회전을 필요로 하는 공작기기의 연삭기, 터보 분자 펌프 등과 같은 응용분야와 기계적인 베어링을 사용할 수 없는 혈액펌프, 바이오 펌프와 같은 의료기기 분야에서 베어링리스 전동기에 대한 요구가 크게 증가하고 있다. 베어링리스 전동기는 일반적인 전동기에서 기계적인 베어링으로 지지하는 구조와 달리, 전동기 자체에서 회전력을 발생하는 구동 토크와 회전자를 일정 공극으로 지지하기 위한 축방향 지지력을 동시에 발생시키는 형태의 전동기이다. 축방향 지지력은 기존의 전동기에서 사용하고 있 는 베어링을 제거하고, 고정자 권선에서 자속을 형성하여 제어함으로써, 일정한 공극을 가지도록 한다. 베어링리스 전동기는 기존의 에어 베어링 또는 자기베어링 시스템과 달리, 고정자 권선 자체에서 축방향 지지력을 발생하도록 설계되어 있기 때문에 자기베어링이나, 에어 베어링을 설치하기 위한 별도의 공간이 필요하지 않으므로 전동기의 크기를 감소시킬 수 있으며, 시스템이 복잡하지 않고 매우 경제적인 장점이 있다.

도 1은 기존의 일반적인 베어링리스 SRM에서 한상에 대한 토크 권선과 회전자 지지력을 발생하는 권선의 구조를 나타내고 있다.

스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)는 자기저항(magnetic reluctance)의 변화에 따른 릴럭턴스 토크를 이용하여 로터를 회전시키는 것으로, 제조가격이 낮고 유지보수가 거의 필요 없으며 신뢰성이 높아 수명이 거의 영구적인 장점이 있다.

도 1에서 N_ma는 회전토크 발생을 위한 A상의 주권선을 나타내고, N_sa1과 N_sa2는 축방향 지지력을 발생하기 위한 A상의 보조권선을 나타내고 있다. 도 1에서 주권선 N_ma는 4개의 코일이 직렬로 연결되어 있으며, 보조권선 N_sa1과 N_sa2는 각각 2개의 코일이 직렬로 감겨져 있다. A상과 마찬가지로 B상, C상에 대해서도 주 권선과 보조권선이 A상과 같은 방식으로 감겨져서 정렬된다. 도 1에서 굵은 실선 부분은 주권선에 흐르는 전류에 의한 각 극에서의 자속을 나타내고 있으며, 점선은 보조권선 N_sa1에 흐르는 전류 i_ma에 의한 쇄교자속을 나타내고 있다. 주권선 전류와 보조권선 전류에 의한 합성 자속은 도 1의 공극 1(Air-gap1)에서는 합성 자속이 증가하고, 공극 2(Air-gap2)에서는 합성자속이 크게 감소하게 된다.

따라서, 각 공극에서의 합성 자속의 차에 의하여 α축 방향으로 축방향 지지력이 발생하게 된다. 이와 마찬가지로 i_ma와 보조권선 N_sa2에 흐르는 전류 i_sa2에 의한 합성자속에 의한 β축 방향으로 지지력을 발생시킬 수 있으며, 이러한 회전자 지지력의 방향은 회전자 위치에 따라 보조권선에 흐르는 전류의 크기와 방향을 제어함으로써, 일정하게 유지시킬 수 있다.

하지만, 도 1의 베어링리스 SRM에서 토크를 발생시키기 위한 자속과 자기 부상력을 발생시키는 자속이 서로 상호 작용을 하게 되므로, 두 가지를 동시에 제어하기는 매우 어렵다.

도 2는 일반적인 베어링리스 SRM의 토크 및 회전자 지지력 특성을 나타내고 있다. 도 2의 베어링리스 SRM의 토크 및 회전자 지지력 특성에서 한 상의 극 구조에서 회전자 지지력과 토크 발생영역이 상호 중복되는 구간이 발생하게 되는데, 이 구간에서는 토크 또는 회전자 지지력 중 하나를 선택적으로 사용하여야 한다.

따라서, 안정적인 회전자 지지력을 발생시키기 위해서는 토크 발생영역을 제한적으로 활용하게 되므로, 토크 리플이 증가하고, 운전 효율이 감소하게 된다.

상술한 바와 같이, 베어링리스 SRM(Switched Reluctance Motor)은 기계적인 구조가 단순하고, 축방향 지지력에 대한 영구자석의 감자특성이 존재하지 않는 장점이 있으나, 종래의 베어링리스 SRM의 경우에는 고정자 극에 토크를 발생하기 위한 권선과 축방향 지지력을 발생하는 권선을 같이 배치함으로써, 상호간의 간섭이 크게 발생하는 단점을 가지고 있다.

또한, 축방향 지지력을 발생하는 구간과 토크를 발생하는 구간이 상호 중복되므로 연속적인 지지력의 발생을 위해서는 토크 발생영역을 제한적으로 사용하게 된다. 이로 인하여 일정한 토크의 발생이 어렵고, 효율도 크게 감소하는 문제가 발생한다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 축방향 지지력을 생성하기 위한 고정자 극과 토크를 발생하기 위한 고정자 극 구조를 별도로 하여 독립적인 제어가 가능한 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 시스템을 구동하기 위한 스위칭 소자의 수가 감소된 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터는 권선이 구비되는 고정자와, 상기 권선에 전류가 통전됨과 동시에 축을 중심으로 회전하는 회전자를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor)로서, 상기 회전자는 외측을 향한 다수의 회전자극을 가지고, 상기 고정자는 내측을 향한 다수의 고정자극을 가지고, 상기 권선은 상기 회전자 지지력을 발생하는 지지력 권선과 토크를 발생하는 상권선을 포함하고, 상기 지지력 권선과 상기 상권선은 상호 분리되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상기 다수의 회전자극은 10개로 이루어지고, 상기 다수의 고정자극은 P_x1, P_x2, P_x3, P_{x4 ,} A₁, A₂, B₁, B₂의 8개의 고정자극으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상기 P_x1, P_x2, P_x3, P_x4의 고정자극은 지지력용 자극이고, 상기 A₁, A₂, B₁, B₂의 고정자극은 토크용 자극인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상기 P_x1 및 P_x3의 고정자극은 수평축 α방향 지지력용 자극이고, 상기 P_x2 및 P_x4의 고정자극은 수직축 β방향 지지력용 자극이며, 상기 P_x1의 고정자극과 P_x3의 고정자극은 서로 대칭을 이루고, 상기 P_x2의 고정자극과 P_x4의 고정자극은 서로 대칭을 이루는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상기 지지력용 자극의 극호각은 상기 회전자극 극호각의 2배가 되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터는 A상과 B상의 권선 전류에 의해 토크를 발생시키는 2상 스위치드 릴럭턴스 모터인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상기 다수의 회전자극에 대향하는 상기 P_x1, P_x2, P_x3, P_x4의 고정자극 의 표면적은 상기 A₁, A₂, B₁, B₂의 고정자극의 표면적 보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터에 의하면, 회전자 위치에 따른 축방향 지지력(radial force) 및 토크(torque) 특성을 해석하여 축방향 지지력을 생성하기 위한 고정자 극과 토크를 발생하기 위한 고정자 극 구조를 별도로 하여 독립적으로 제어할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터에 의하면, 연속적인 토크와 회전자 축방향 지지력을 생성하기 위하여 회전자의 극구조를 고려하여 축방향 지지력을 생성하는 극 구조의 극호각을 결정하였으며, 이에 따른 축방향 지지력과 토크 특성을 개선하였으므로, 기존의 방식에 비하여 비선형성이 크게 감소하였으며, 각 권선 전류에 의한 상호 연관성이 매우 적어서 제어에 유리한 특성을 가지게 된다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터에 의하면, 기존의 베어링리스 SRM에 비하여 토크 및 축방향 지지력의 상관성이 매우 약하여 독립적인 제어가 가능하고, 컨버터의 구조를 단순화시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

먼저 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 SRM의 개념에 대해 설명한다.

본 발명에서는 연속적인 토크의 발생과 축방향 지지력의 발생이 가능한 새로운 하이브리드 극 구조의 베어링리스 SRM을 제안한다. 제안된 하이브리드 극 구조의 베어링리스 SRM은 토크를 발생하는 고정자극과 회전자의 지지력을 발생하는 고정자극을 상호 분리하여 설계하고, 각각의 고정자극에 토크를 발생하는 상권선과 회전자 지지력을 발생하는 권선을 별도로 설치하게 된다.

이때, 안정적이고 연속적인 회전자 지지력을 발생시키기 위하여 회전자 지지력을 발생하는 극의 구조는 회전자의 극 구조를 고려하여 극호각이 설계되며, 수평축 α방향과 수직축 β방향에 대하여 각각 대칭적인 극 구조를 가지도록 설계하였다.

따라서, α방향의 두 권선은 각각의 권선에 흐르는 전류에 따라 좌우의 수평방향으로 회전자를 이동시키는 지지력을 발생하게 되며, β방향의 극권선 전류는 상하의 수직방향으로 회전자를 이동시키는 지지력을 발생하게 된다.

두 방향 지지극 사이의 고정자극은 주토크를 발생시키는 구조로 설계되며, 실제 토크는 지지극 사이의 고정자극과 회전자극 사이의 릴럭턴스에 의해 발생하게 된다.

본 발명에 따른 베어링리스 SRM은 회전자의 지지력을 발생하는 극과 토크극이 구조적으로 분리되어 있으므로, 각 권선에서 발생하는 전류에 의한 상호작용이 기존의 베어링리스 SRM에 비하여 매우 작고, 연속적인 토크와 회전자 지지력의 발생이 가능한 장점이 있다. 또한 시스템을 구동하기 위한 스위칭 소자의 수가 감소하는 특징을 가지게 된다.
본 발명에 따른 베어링리스 SRM은 실험을 통하여 그 유효성을 검증하였다.

이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.

도 3은 본 발명에서 제안하는 하이브리드 극 구조의 베어링리스 SRM의 구조를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 베어링리스 SRM의 하이브리드 극 구조를 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터는 권선이 구비되는 고정자(stator)와 권선에 전류가 통전됨과 동시에 축을 중심으로 회전하는 회전자(rotor)를 포함하는 구성으로서, 회전자는 외측을 향한 다수의 회전자극을 가지고, 상기 고정자는 내측을 향한 다수의 고정자극을 가지며, 권선이 회전자 지지력을 발생하는 지지력 권선과 토크를 발생하는 상권선을 포함하며,

도 3에 도시된 바와 같이, 지지력 권선(suspending winding)과 상권선(torque winding)은 상호 분리되어 있다.

상기 회전자극은 10개로 이루어지고, 상기 고정자극은 8개의 고정자극으로 이루어지며, 상기 도 3에서 P_x1, P_x2, P_x3, P_x4의 고정자극은 지지력용 자극이고, 상기 A₁, A₂, B₁, B₂의 고정자극은 토크용 자극이다.

도 3의 하이브리드 극 구조의 베어링리스 SRM은 8/10극의 구조를 가지고 있으며, 이 중에서 P_x1과 P_x3는 α축 방향의 지지력(radial force)을 발생하기 위한 권선이며, P_x2와 P_x4는 β축 방향의 지지력을 발생하기 위한 권선(suspending winding)을 나타낸다. 또한 A₁과 A₂는 A상 권선을 의미하며, B₁과 B₂는 B상 권선(torque winding)을 나타내고 있다.

즉, 본 발명에 따른 베어링리스 SRM은 실제 A상과 B상의 권선 전류에 의해 토크(torque)를 발생시키는 2상 SRM이며, 나머지 P_x1, P_x2, P_x3 및 P_x4 는 회전자 지지력을 발생하게 된다.

본 발명에 따른 방식에서는 회전자 지지력을 발생하는 권선과 토크를 발생하는 상권선이 상호 분리되어 있으므로, 기존의 베어링리스 SRM에서 문제가 되는 토크 발생영역의 제한이 해결될 수 있다.

이때, 회전자의 지지력은 고정자 극과 회전자 극의 상호 작용에 의해 발생되므로, 연속적인 회전자 지지력을 발생시키기 위해서는 고정자 극호에 대한 고려가 반드시 필요하게 된다.

본 발명에 따른 베어링리스 SRM에서는 회전자극과 고정자극의 상호작용을 해석하여, 회전자 지지력을 발생하는 고정자 극의 극호각이 도 4와 같이 회전자 극피 치가 되도록 설계하였다.

따라서, 회전자극이 α축 방향의 고정자 극이 접근하여 불일치 위치에서 일치하는 위치로 접근하였다가 다시 완전 불일치 위치로 멀어지게 되면, 인접한 회전자극이 다시 일치하는 위치로 접근하게 되므로 연속적인 자기회로의 구성이 가능하게 된다.

즉, 상기 도 3에서 P_x1 및 P_x3의 고정자극은 수평축 α방향 지지력용 자극으로 작용하고, 상기 P_x2 및 P_x4의 고정자극은 수직축 β방향 지지력용 자극으로 작용하며, 상기 P_x1의 고정자극과 P_x3의 고정자극은 서로 대칭을 이루고, 상기 P_x2의 고정자극과 P_x4의 고정자극은 서로 대칭을 이루는 구성이다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이, 토크 극(torque pole)인 회전자극과 축방향 지지력 극(radial force pole)인 고정자극 사이에는 에어갭(air-gap)이 형성되어 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전자극에 대향하는 상기 P_x1, P_x2, P_x3, P_x4의 고정자극의 표면적은 상기 A₁, A₂, B₁, B₂의 고정자극의 표면적 보다 크게 형성된다.

다음은, 본 발명에 따른 하이브리드 극 구조의 베어링리스 SRM의 유효성을 검증하기 위하여 제작된 프로토타입의 베어링리스 SRM에 대하여 실험을 수행하였다.
도 5와 도 6은 본 발명에서 적용한 베어링리스 SRM의 정지상태(0.6kgf 부하)와 1,000[rpm] 정속 운전 상태(0.6kgf 부하)에서의 α 및 β 방향의 공극 변위와 축방향 권선의 전류 상태를 나타내고 있다.
도 5에서 초기의 공극은 0.6kgf의 부하를 회전자 축에 인가한 상태에서 공극을 중심에 위치시키기 위한 전류가 인가되고, 이에 따라 공극의 오차가 거의 0의 상태로 제어 됨을 보이고 있다. 회전자에 인가된 0.6kgf의 부하는 회전상태에서 비선형적으로 작용하게 되지만, 도 6에서 1,000[rpm]의 정속 운전 상태에서도 안정적으로 공극이 일정하게 제어됨을 보이고 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

도 1은 일반적인 베어링리스 SRM의 구조를 나타내는 도면,

도 2는 일반적인 베어링리스 SRM의 토크 및 지지력 특성을 나타내는 도면,

도 3은 본 발명에서 제안하는 하이브리드 극 구조의 베어링리스 SRM의 구조를 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 베어링리스 SRM의 하이브리드 극 구조를 나타내는 도면,
도 5와 도 6은 정지상태와 1,000[rpm] 정속 운전 상태에서의 α 및 β 방향의 공극 변위와 축방향 권선의 전류 상태를 나타내는 도면..

Claims (7)

1. 권선이 구비되는 고정자와, 상기 권선에 전류가 통전됨과 동시에 축을 중심으로 회전하는 회전자를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor)로서,

   상기 회전자는 외측을 향한 다수의 회전자극을 가지고, 상기 고정자는 내측을 향한 다수의 고정자극을 가지며,

   상기 권선은 상기 회전자 지지력을 발생하는 지지력 권선과 토크를 발생하는 상권선을 포함하고,

   상기 지지력 권선과 상기 상권선은 상호 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 회전자극은 10개로 이루어지고, 상기 다수의 고정자극은 P_x1, P_x2, P_x3, P_{x4 ,} A₁, A₂, B₁, B₂의 8개의 고정자극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터.
3. 제2항에 있어서,

   상기 P_x1, P_x2, P_x3, P_x4의 고정자극은 지지력용 자극이고, 상기 A₁, A₂, B₁, B₂의 고정자극은 토크용 자극인 것을 특징으로 하는 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터.
4. 제3항에 있어서,

   상기 P_x1 및 P_x3의 고정자극은 수평축 α방향 지지력용 자극이고,

   상기 P_x2 및 P_x4의 고정자극은 수직축 β방향 지지력용 자극이며,

   상기 P_x1의 고정자극과 P_x3의 고정자극은 서로 대칭을 이루고,

   상기 P_x2의 고정자극과 P_x4의 고정자극은 서로 대칭을 이루는 것을 특징으로 하는 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터.
5. 제4항에 있어서,

   상기 지지력용 자극의 극호각은 상기 회전자극 극호각의 2배가 되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터.
6. 제5항에 있어서,

   상기 스위치드 릴럭턴스 모터는 A상과 B상의 권선 전류에 의해 토크를 발생시키는 2상 스위치드 릴럭턴스 모터인 것을 특징으로 하는 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터.
7. 제6항에 있어서,

   상기 다수의 회전자극에 대향하는 상기 P_x1, P_x2, P_x3, P_x4의 고정자극의 표면적은 상기 A₁, A₂, B₁, B₂의 고정자극의 표면적 보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터.

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