KR101086135B1 - 고속 스위치드 릴럭턴스 모터와, 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 형상 제어방법 - Google Patents

Abstract

토크리플을 줄여 소음과 진동을 저감시킬 수 있으며 고속 동작 응용에서 파워 디바이스에서의 코어손실과 스위칭손실을 줄일 수 있는 최적화된 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것으로, 복수 개의 강판이 적층되어 형성되되, 중앙부에는 회전자가 수용될 수 있도록 수용공이 형성되고, 내주연에는 코일이 권회되는 복수 개의 고정자측 돌극이 형성되어 있는 고정자; 및 상기 고정자 내부에 소정 공극을 두고 회전가능하게 수용되며, 외주연에는 반경방향을 따라 외측으로 돌출 형성되는 복수 개의 회전자측 돌극이 형성되고, 상기 회전자측 돌극의 양단부는 일정 곡률을 갖고, 중앙부는 비선형적 곡률을 갖는 회전자를 포함하여 이루어짐으로써, 연속적인 토크를 제공함과 동시에 토크리플을 줄이고 자기동 능력과 단방향 회전이 필요할 때 토크당 고정자 전류량을 줄일 수 있다. 또한, 고정자 측에서 낮은 전류 주파수를 야기할 수 있어, 고속 동작 응용에서 파워 디바이스에서의 코어 손실과 스위칭 손실을 줄일 수 있다.

Description

고속 스위치드 릴럭턴스 모터와, 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 형상 제어방법{Ｈigh speed switched reluctance motor, and Method for controlling shape of rotor in switched reluctance motor}

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터 및 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 형상 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토크리플을 줄여 소음과 진동을 저감시킬 수 있으며 고속 동작 응용에서 파워 디바이스에서의 코어손실과 스위칭손실을 줄일 수 있는 최적화된 회전자 형상을 갖는 고속 스위치드 릴럭턴스 모터와 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 형상 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor; 이하 SRM)는 기존의 모터에 비해 구조가 간단하고 가격이 저렴하며 토크밀도와 효율이 높다는 장점이 있으나, 토크 맥동으로 인한 진동 소음이 큰 것이 단점으로 지적되고 있다.

이러한 SRM 의 진동과 소음의 주된 원인은 급격한 방사방향의 전자력 변화와 기계적인 원인에 기인한다. SRM 의 진동과 소음의 원인을 제거하기 위해 제어적 측면의 상전류 제어방법과 설계적 측면에서 전자기 구조를 조정하는 방법들이 제안되고 있다.

이 중, 전자기 구조를 조정하여 SRM 의 진동과 소음을 저감하는 방법과 관련하여, 자기적 구조를 매개로 하는 전기기계 에너지변환기구에서 토크 발생기구에는 상호토크와 릴럭턴스 토크가 있다. 상호토크는 고정자와 회전자에 각각 여자에너지를 인가할 때 극대화되는 토크로 일정 회전자계 여자특성에서 발생된다. 릴럭턴스 토크는 고정자 또는 회전자 한쪽에만 여자에너지를 인가할 때 자기적 구조에 의존하여 발생하는 토크로서 자기회로의 릴럭턴스와 여자에너지의 변화로 유도되며, 여자에너지를 인가한 상의 릴럭턴스가 최소화되려는 특성에 기인한다. 그러므로, 자계구조는 전동기가 회전함에 따라 릴럭턴스가 변화하는 돌극형이 필요하지만 기하학적 구성에는 한계가 있으므로, 일정한 회전 구간마다 연속적인 펄스 여자전원의 인가가 필요하다.

다음의 수학식 1 은 SRM의 한 상에 대한 토크식을 나타내고 있다.

(단, i:상권선의 전류, L:인덕턴스, θ: 회전자의 위치각)

상기 수학식 1 로부터 SRM의 발생토크는 전류의 제곱에 비례하고 위치각에 대한 인덕턴스의 기울기에 비례함을 알 수 있다. 토크가 전류의 제곱에 비례함으로써 상전류의 방향과 무관하게 토크를 발생시킬 수 있으며, 인덕턴스의 기울기에 따라서 토크의 부호가 달라지므로 회전방향에 대하여 역방향의 토크인 부토크(Negative Torque)가 발생하는 회전자의 위치각도가 존재한다. 그러므로, SRM은 부토크의 억제를 위하여는 반드시 회전자의 위치각에 따라 스위칭 여자를 해야 한다.

이중돌극형 SRM의 전형적인 인덕턴스 프로파일을 한 상에 대하여 나타내면 도 2 의 (a)에서와 같이 회전자의 위치각 θ에 대하여 증가(θ_s~θ₁), 감소(θ₂~θ₃) 또는 일정한 구간(θ₁~θ₂)이 존재한다.

만약, 도 2 의 (b)와 같이 상권선에 일정한 여자전류를 흐르게 하면, 인덕턴스가 증가하는 구간(θ_s~θ₁)에서는 정토크(Positive Torque)가 발생할 것이고, 인덕턴스가 감소하는 구간(θ₂~θ₃)에서는 그와 똑같은 크기의 부토크(Negative Torque)가 발생하게 된다. 따라서, 일정한 여자를 하면 정토크와 부토크는 서로 상쇄되어서 전동기의 축 토크는 0이 되므로 전동력을 얻을 수가 없다.

그러므로, 부토크의 발생을 방지하고 효과적인 전동토크를 얻기 위해서는 반드시 회전자의 위치각에 대한 정보를 얻어서 연속적인 스위칭 여자를 하는 것이 필요하다. 도 3에서는 3상 6/4극 SRM의 각 상에 스위칭 여자전류를 흐르게 함으로써 이상적인 축 토크를 발생시키는 3상 스위치 여자에 대하여 보여준다. 각 상의 여자전류에 의하여 발생되는 토크들의 합으로써 연속적인 출력토크를 생성하게 되지만, 고속에서 사용 시 손실부분이 크다는 단점이 있으므로, 고속에서 적용이 가능한 2극 회전자 SRM(4/2)와 2극 회전자 SRM(6/2)를 사용하고 있다.

도 4(a) 는 고속에서 적용이 가능한 2극 회전자 SRM(4/2)의 형상을 도시하고, 도 4(b) 는 고속에서 적용이 가능한 2극 회전자 SRM(6/2)의 형상을 도시한다.

도 4(a) 및 도 4(b) 에서의 SRM은 동일한 공극을 가지는 구조로 설계되어 있으며, 이에 따라 도 5(a) 및 도 5(b) 에서 나타낸 것처럼 이상적으로는 선형적인 가변 인덕턴스 구간과 정토크 영역을 가지게 된다. 하지만, 토크 발생영역은 각 상에서 구간적으로 제한되며, 각 상의 중첩구간이 발생하지 않아서 자기동이 실패할 수 있으며, 높은 토크 리플로 인한 소음 및 진동이 매우 심해지는 특성을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 토크리플성능을 향상시킬 수 있고, 자기동 능력과 단방향 회전이 필요할 때 토크당 고정자 전류량을 줄일 수 있으며, 고속 동작 응용에서 파워 디바이스에서의 코어손실과 스위칭손실을 줄일 수 있는 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)는, 복수 개의 강판이 적층되어 형성되되, 중앙부에는 회전자가 수용될 수 있도록 수용공이 형성되고, 내주연에는 코일이 권회되는 복수 개의 고정자측 돌극이 형성되어 있는 고정자; 및 상기 고정자 내부에 소정 공극을 두고 회전가능하게 수용되며, 외주연에는 반경방향을 따라 외측으로 돌출 형성되는 복수 개의 회전자측 돌극이 형성되고, 상기 회전자측 돌극의 양단부는 일정 곡률을 갖고, 중앙부는 비선형적 곡률을 갖는 회전자를 포함하여 구성되는 스위치드 릴럭턴스 모터로서, 상기 회전자측 돌극의 중앙부 비선형적 곡률은, 상기 회전자측 돌극 상의 일 절점(r_k, φ_k)에 대하여, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터 구동에 필요한 최소공극을 갖는 상태로 회전자와 고정자를 배치하고 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하여 계산된 평균토크(T_av)와, 상기 회전자와 고정자가 오버랩되는 시점의 출력토크(T_o)를 이용하여 토크리플을 계산하고, 상기 계산된 토크리플이 소정 값의 설정치 토크값을 만족하도록 상기 회전자의 반경(r_k)을 조절함으로써 결정되는 것을 특징으로 한다.(여기서, (r_k, φ_k)는 회전자측 돌극을 n 등분하여 생성된 돌극 원호상의 절점들 중 k번째 절점의 극좌표임. 단,k=1,2,…,n 임.)

삭제

또한, 상기 회전자의 반경(r_k) 조절은, 상기 출력토크가 상기 평균토크 미만인 경우에는 상기 회전자 반경(r_k)이, 상기 SRM 이 상기 최소 공극을 갖도록 하는 회전자최대반경(r_max)을 초과하지 않는 범위 내에서 상기 회전자 반경(r_k)을 증가시키고, 상기 출력토크가 상기 평균토크 이상인 경우에는 상기 회전자 반경(r_k)을 감소시키는 것을 또 다른 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 회전자측 돌극의 중앙부 비선형적 곡률은, 상기 회전자측 돌극 상의 일 절점(r_k, φ_k)에 대하여 회전자 반경이 결정되면, 상기 회전자측 돌극 상의 다음 절점(r_k+1, φ_k+1)에 대하여, 상기 일 절점(r_k, φ_k)에 대한 회전자 반경(r_k) 결정과 동일한 방식으로 회전자 반경(r_{k +!}) 결정작업을 반복함으로써 형성되는 것을 또 다른 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 회전자측 돌극은 2 개이고, 상기 고정자측 돌극은 4 개 또는 6 개인 것을 또 다른 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 고정자측 돌극이 4 개인 경우에는 상기 회전자측 돌극의 중앙부의 중심각은 45~50°이고, 상기 회전자측 돌극의 양단부의 중심각은 각각 25~30°인 것을 또 다른 특징으로 할 수 있으며, 상기 고정자측 돌극이 6 개인 경우에는 상기 회전자측 돌극의 중앙부의 중심각은 40~45°이고, 상기 회전자측 돌극의 양단부의 중심각은 각각 15~20°인 것을 또 다른 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 회전자와 고정자를 포함하여 이루어지는 스위치드 릴럭턴스 모터의 진동 및 소음을 저감시키기 위한 회전자 형상 제어 방법으로서, 상기 회전자의 중심축을 기준으로 회전자측 돌극을 n 등분하는 단계; 상기 n 등분에 의해 생성된 상기 회전자측 돌극 원호상의 절점들에 대해 극좌표(r_k, φ_k)를 부여하는 단계(단, k=1,2,…,n); 상기 절점들 중 일 절점(r_k, φ_k)에 대해, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터 구동에 필요한 최소공극을 갖는 상태로 회전자와 고정자를 배치하고 상기 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하여 평균토크(T_av)를 계산하는 단계; 상기 회전자와 상기 고정자가 오버랩되는 시점의 출력토크(T_o)를 계산하는 단계; 상기 평균토크(T_av)와 상기 출력토크(T_o)를 이용하여 토크리플을 계산하는 단계; 상기 출력토크(T_o)가 상기 평균토크(T_av) 미만인 경우에는 상기 회전자 반경(r_k)이, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터가 상기 최소 공극을 갖도록 하는 회전자최대반경(r_max)을 초과하지 않는 범위 내에서 상기 회전자 반경(r_k)을 증가시키고, 상기 출력토크(T_o)가 상기 평균토크(T_av) 이상인 경우에는 상기 회전자 반경(r_k)을 감소시켜 회전자 반경(r_k)을 조절하는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

삭제

또한, 일 절점(r_k, φ_k)에 대한 회전자 반경 조절이 완료되면, 절점을 이동시켜 다음 절점(r_k+1, φ_k+1)에 대한 회전자 반경 조절을 수행하는 것을 또 다른 특징으로 할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 의하면, 최적화된 비선형적 형상을 갖는 회전자 구성을 가짐으로써, 연속적인 토크를 제공함과 동시에 토크리플을 줄이고 자기동 능력과 단방향 회전이 필요할 때 토크당 고정자 전류량을 줄일 수 있다. 또한, 고정자 측에서 낮은 전류 주파수를 야기할 수 있어, 고속 동작 응용에서 파워 디바이스에서의 코어 손실과 스위칭 손실을 줄일 수 있다.

도 1 은 일반적인 SRM (6/4극)의 형상을 나타낸 도이다.
도 2 는 도 1 의 SRM 에 대한 일정 여자전류에서의 토크 파형 그래프이다.
도 3 은 일반적인 SRM(6/4극)에 대한 3 상 스위치 여자 파형 그래프이다.
도 4(a) 및 도 4(b) 는 각각 4/2극과 6/2극의 2극 회전자 SRM(4/2) 형상을 나타낸 도이다.
도 5(a) 와 도 5(b) 는 각각 도 4(a) 및 도 4(b)의 SRM 의 인덕턴스와 토크파형 그래프이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 회전자 돌극 형상을 비선형적으로 최적화하는 방법의 플로우차트이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 SRM 의 회전자 돌극 형상의 모식도이다.
도 8 은 본 발명의 다른 양태에 따른 SRM 의 회전자 형상을 나타낸 도이다.
도 9 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 SRM 회전자 돌극 형상 제어방법의 순서도이다.
도 10(a) 및 도 10(b)는 본 발명에 따른 SRM 의 인덕턴스 및 토크파형 그래프이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하의 도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 회전자 돌극 형상을 비선형적으로 최적화하는 방법의 플로우차트이며, 도 7 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 SRM 의 회전자 돌극 형상의 모식도이며, 도 8 은 본 발명의 다른 양태에 따른 SRM 의 회전자 형상을 나타낸 도이며, 도 9 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 SRM 회전자 돌극 형상 제어방법의 순서도이며, 도 10(a) 및 도 10(b)는 본 발명에 따른 SRM 의 인덕턴스 및 토크파형 그래프이다.

도 6 에는 본 발명의 일 실시예에 따라 진동 및 소음에 강한 SRM 을 구현하기 위하여 회전자 돌극 형상을 최적화 제어하는 방법의 플로우차트가 도시되어 있다.

우선, 회전자극 원호가 고정자극 원호의 2 배를 초과하는 조건을 만족하는 SRM 을 선택한다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 회전자 형상의 설계는 고정자 극의 원호보다 2배 큰 회전자 극 원호를 가진 통상적인 4/2와 6/2 SRM의 모양으로부터 시작될 수 있으며, 이러한 구조는 연속적인 토크를 만들어 내기 위한 조건이다.

각 회전자 돌극은 회전자 중심(C) 을 기준으로 n 등분되며, n 등분됨으로써 회전자측 돌극 원호상에 생성되는 절점들은 회전자에 구속된 극좌표(r_k, φ_k)에 의해 위치가 결정되어진다(k=1,2,…,n). 후술할 바와 같이, SRM 회전자 형상을 최적화하기 위해서는 각 절점의 φ값은 유지한 채, r_k값을 변화시킴으로써, 진동과 소음에 최적화된 회전자 반경값을 찾아내게 된다.

또한, 고정자와 회전자 사이에 최소공극을 갖는 SRM 상태에서 모터를 구동하여 평균토크(T_av)를 계산한다. 여기서, 최소공극이란 고정자와 회전자가 마찰 등의 문제를 일으키지 않고 SRM 이 정상 동작할 수 있도록 요구되는 공극의 최소값을 의미한다. 본 실시예에서는 최소공극값을 0.25mm 로 설정하여 평균토크를 계산하였으나, 최소공극의 값은 이에 한정되는 것은 아니며, SRM 의 용도나 목적 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.

우선, 회전자측 돌극 원호 상의 절점들 중 k=1 즉, (r₁, φ₁)의 극좌표를 갖는 절점에 대해 FEA (Finite Element Analysis) 를 개시할 수 있다. FEA 실행 순서는 다음과 같다. SRM 의 회전자가 고정자에 오버랩되는지 여부를 판단하여 오버랩되는 경우에는 토크리플 조건을 만족하는지 확인하고, 오버랩되지 않는 경우에는 k 값을 k+1 로 증가시켜가면서 오버랩 여부를 재차 확인한다. k 값을 증가시키는 것은 회전자측 돌극 원호상의 절점을 (r_k,φ_k)에서 (r_{k +1},φ_k+1)로 이동시키는 것을 의미하며, 극좌표 (r_k,φ_k)를 갖는 절점과 극좌표 (r_{k +1},φ_k+1) 를 갖는 절점은 회전자 중심(C)을 기준으로 Δ_angle 각도만큼 회전되어 있다.

회전자가 고정자에 오버랩된다고 판단되면, 토크리플조건을 만족하는지 여부를 판단한다. 이 과정은 출력토크(T_o)와 평균토크(T_av)를 이용하여 소정 값의 설정치 토크값을 만족하는지, 즉 토크리플이 소정의 T_error 이하인지를 판단하는 과정으로, 구체적으로는 다음의 수학식2 에 의하여 계산될 수 있다.

이 때, 설정치 토크리플(T_error)은 사용자가 임의로 지정할 수 있는 값으로, 본 실시예에서는 설정치 토크리플이 2% 인 경우를 상정하였으나, 설정치 토크리플값이 이에 한정되는 것은 아니며, SRM 의 용도나 목적 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.

출력토크의 토크리플이 원하는 값을 만족하는 것으로 판단되면, 상기 출력토크를 토크(k) 값으로 저장하고, 회전자를 Δ_angle 만큼 회전시켜 다음 절점에 대해 동일한 FEA 를 실행한다.

한편, 출력토크의 토크리플이 원하는 값을 만족하지 못하는 것으로 판단되는 경우, 극좌표 (r_k, φ_k) 를 갖는 절점의 회전자 반경 (r_k)를 조절 제어하게 된다. 구체적으로는, 상기 출력토크가 평균토크 이상인 경우에는 회전자 반경 (r_k) 을 증가시키고, 출력토크가 평균토크보다 작은 것으로 판명되는 경우에는 회전자 반경(r_k) 이 회전자최대반경(r_max)을 초과하지 않는 경우에 한하여 회전자 반경(r_k)을 감소시키게 된다. 여기서, 회전자최대반경(r_max)은 SRM 이 최소 공극을 갖도록 할 때의 회전자 반경값을 의미한다.

이러한 방식으로 회전자측 돌극 원호상의 일 절점에 대하여 회전자 반경값(r_k)이 결정되고, 순차적으로 절점을 이동시켜가며 동일한 방식으로 회전자 반경값이 결정되게 된다.

도 7 에는 이러한 본 발명의 일 실시형태에 따라 결정된 SRM 회전자의 돌극 형상이 도시되어 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 회전자측 돌극은 n 등분되고, 회전자측 돌극 원호상의 각각의 절점에 대해 극좌표(r_k, φ_k)가 부여된다. 또한, 절점 간의 각도는 스텝앵글(step angle)로서, Δ_angle로 표시되어 있다.

다음으로, 도 8 은 본 발명의 다른 양태인 진동과 소음에 강한 SRM 의 회전자 형상에 대해 개시하고 있다.

상기 회전자는 고정자 내부에 소정 공극을 두고 회전가능하게 수용되며, 외주연에는 반경방향을 따라 외측으로 돌출 형성되는 복수 개의 회전자측 돌극이 형성된다. 본 실시예에서는 회전자측 돌극이 2 개인 경우에 대해 설명하며, 이로 인해 SRM 의 고속 특성이 향상될 수 있다.

한편, 회전자와 함께 SRM 을 이루는 고정자는, 복수 개의 강판이 적층되어 형성되되, 중앙부에는 회전자가 수용될 수 있도록 수용공이 형성되고, 내주연에는 코일이 권회되는 복수 개의 고정자측 돌극이 형성되어 있는 것으로, 본 실시예에서는 고정자측 돌극이 4개 또는 6개인 경우에 대해 설명하겠지만, 회전자측 돌극과 고정자측 돌극의 개수가 본 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 SRM 의 회전자(100)는 돌극의 양단부(110a,110b)는 일정 곡률을 갖고, 중앙부(120; 비선형부)는 비선형적 곡률을 갖는다. 즉, 돌극의 양단부(110a,110b)는 회전자(100) 중심으로부터 일정 반경을 갖는 원호를 형성하며, 중앙부(120)는 비선형적 반경을 갖도록 형성되는 것이다.

이러한 회전자측 돌극 중앙부의 비선형적 곡률은, 상기에서 설명한 바와 같이, 회전자의 중심축을 기준으로 상기 회전자측 돌극을 n 등분하여 생성된 회전자측 돌극 원호 상의 절점 중 임의의 절점(r_k, φ_k)에 대하여, 회전자 반경(r_k)을 결정하고, 절점을 이동시켜 다음 절점(r_k+1, φ_k+1)에 대해서도 동일한 과정으로 회전자 반경(r_{k +1})을 결정하는 방식으로 이루어진다.

일 절점(r_k, φ_k)에 대하여 회전자 반경을 결정하기 위해, 우선 SRM 구동에 필요한 최소공극을 갖는 상태로 회전자와 고정자를 배치하고 SRM 을 구동하여 평균토크(T_av)를 계산한다. 또한, 회전자와 고정자가 오버랩되는 시점의 출력토크(T_o)를 계산하며, 회전자와 고정자가 오버랩되는 조건을 만족하지 않는 경우에는 조건을 만족시킬 때까지 절점을 이동시킨다.

평균토크와 출력토크가 계산되면 이들을 이용하여 토크리플이 소정 조건을 만족하는지 계산하며 이는 상기의 수학식 2 에 따른다.

계산된 토크리플이 소정 값의 설정치 토크값을 만족하면 출력토크를 절점(r_k, φ_k) 에 대한 토크값으로 저장하고, 다음 절점으로 이동하여 동일한 작업을 수행한다.

계산된 토크리플이 소정 값의 설정치 토크값을 만족하지 않는 경우에는 절점(r_k, φ_k)의 회전자의 반경(r_k)을 조절하게 되는데, 회전자의 반경 조절은, 출력토크가 평균토크 미만인 경우에는 회전자 반경(r_k)이 회전자최대반경(r_max)을 초과하지 않는 범위 내에서 회전자 반경(r_k)을 증가시키고, 출력토크가 평균토크 이상인 경우에는 회전자 반경(r_k)을 감소시킴으로써 조절된다. 이 때, 회전자최대반경(r_max)은 SRM 이 최소 공극을 갖도록 하는 범위 내에서의 회전자 반경의 최대값이다.

이렇게 일 절점(r_k, φ_k)에 대한 토크값과 회전자 반경값이 결정되면, 절점을 이동시켜 다음 절점(r_k+1, φ_k+1)에 대해서도 동일한 방식으로 토크값과 회전자 반경값을 결정한다.

상술한 바와 같이 본 실시예에 따르면, 회전자측 돌극은 2 개이고, 고정자측 돌극은 4 개 또는 6 개일 수 있는데, 고정자측 돌극이 4 개인 경우에는 회전자측 돌극의 비선형부의 중심각(도 8 의 θ_c)은 45~50°이고, 회전자측 돌극의 양단부의 중심각(도 8 의 θ_e)은 각각 25~30°로 형성될 수 있다.

또한, 고정자측 돌극이 6 개인 경우에는 회전자측 돌극의 중앙부의 중심각은 40~45°이고, 회전자측 돌극의 양단부의 중심각은 각각 15~20°로 형성될 수 있다.

다음으로, 도 9 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 SRM 회전자 돌극 형상 제어방법의 순서도이다.

도 10(a) 및 도 10(b)는 본 발명에 따른 SRM 의 인덕턴스 및 토크파형 그래프로서, 도 10(a)는 4/2극 SRM 에 대한 것이고, 도 10(b)는 4/2극 SRM 에 대한 것이다. FEM 방식으로 해석된 토크는 매우 일정한 토크를 나타내고 있으며, 각 상의 중첩구간도 크게 증가하고 있다. 또한, 상과 상의 중첩이 발생하는 스텝 구간에서도 부드러운 토크 연속성을 갖고 있음을 확인할 수 있다.

이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 실시예는 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예에 불과하며, 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

100: 회전자 110: 회전자측 돌극
110a, 110b: 양단부 120: 중앙부 (비선형부)

Claims (10)

1. 삭제
2. 복수 개의 강판이 적층되어 형성되되, 중앙부에는 회전자가 수용될 수 있도록 수용공이 형성되고, 내주연에는 코일이 권회되는 복수 개의 고정자측 돌극이 형성되어 있는 고정자; 및
   상기 고정자 내부에 소정 공극을 두고 회전가능하게 수용되며, 외주연에는 반경방향을 따라 외측으로 돌출 형성되는 복수 개의 회전자측 돌극이 형성되고, 상기 회전자측 돌극의 양단부는 일정 곡률을 갖고, 중앙부는 비선형적 곡률을 갖는 회전자를 포함하여 구성되는 스위치드 릴럭턴스 모터로서,
   상기 회전자측 돌극의 중앙부 비선형적 곡률은, 회전자측 돌극을 n 등분하여 생성된 돌극 원호상의 절점들 중 k번째 절점의 극좌표인 상기 회전자측 돌극 상의 일 절점(r_k, φ_k)에 대하여, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터 구동에 필요한 최소공극을 갖는 상태로 회전자와 고정자를 배치하고 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하여 계산된 평균토크(T_av)와, 상기 회전자와 고정자가 오버랩되는 시점의 출력토크(T_o)를 이용하여 토크리플을 계산하고, 상기 계산된 토크리플이 소정 값의 설정치 토크값을 만족하도록 상기 회전자의 반경(r_k)을 조절함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 고속 스위치드 릴럭턴스 모터.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 회전자의 반경(r_k) 조절은, 상기 출력토크가 상기 평균토크 미만인 경우에는 상기 회전자 반경(r_k)이, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터가 상기 최소 공극을 갖도록 하는 회전자최대반경(r_max)을 초과하지 않는 범위 내에서 상기 회전자 반경(r_k)을 증가시키고,
   상기 출력토크가 상기 평균토크 이상인 경우에는 상기 회전자 반경(r_k)을 감소시키는 것을 특징으로 하는 고속 스위치드 릴럭턴스 모터.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 회전자측 돌극의 중앙부 비선형적 곡률은,
   상기 회전자측 돌극 상의 일 절점(r_k, φ_k)에 대하여 회전자 반경이 결정되면, 상기 회전자측 돌극 상의 다음 절점(r_k+1, φ_k+1)에 대하여, 상기 일 절점(r_k, φ_k)에 대한 회전자 반경(r_k) 결정과 동일한 방식으로 회전자 반경(r_k+!) 결정작업을 반복함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 고속 스위치드 릴럭턴스 모터.
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 회전자측 돌극은 2 개이고, 상기 고정자측 돌극은 4 개 또는 6 개인 것을 특징으로 하는 고속 스위치드 릴럭턴스 모터.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 고정자측 돌극이 4 개인 경우에는 상기 회전자측 돌극의 중앙부의 중심각은 45~50°이고, 상기 회전자측 돌극의 양단부의 중심각은 각각 25~30°인 것을 특징으로 하는 고속 스위치드 릴럭턴스 모터.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 고정자측 돌극이 6 개인 경우에는 상기 회전자측 돌극의 중앙부의 중심각은 40~45°이고, 상기 회전자측 돌극의 양단부의 중심각은 각각 15~20°인 것을 특징으로 하는 고속 스위치드 릴럭턴스 모터.
8. 삭제
9. 회전자와 고정자를 포함하여 이루어지는 스위치드 릴럭턴스 모터의 진동 및 소음을 저감시키기 위한 회전자 형상 제어 방법으로서,
   상기 회전자의 중심축을 기준으로 회전자측 돌극을 n 등분하는 단계;
   상기 n 등분에 의해 생성된 상기 회전자측 돌극 원호상의 절점들에 대해 극좌표(r_k, φ_k)를 부여하는 단계(단, k=1,2,…,n);
   상기 절점들 중 일 절점(r_k, φ_k)에 대해, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터 구동에 필요한 최소공극을 갖는 상태로 회전자와 고정자를 배치하고 상기 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하여 평균토크(T_av)를 계산하는 단계;
   상기 회전자와 상기 고정자가 오버랩되는 시점의 출력토크(T_o)를 계산하는 단계;
   상기 평균토크(T_av)와 상기 출력토크(T_o)를 이용하여 토크리플을 계산하는 단계;
   상기 출력토크(T_o)가 상기 평균토크(T_av) 미만인 경우에는 상기 회전자 반경(r_k)이, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터가 상기 최소 공극을 갖도록 하는 회전자최대반경(r_max)을 초과하지 않는 범위 내에서 상기 회전자 반경(r_k)을 증가시키고, 상기 출력토크(T_o)가 상기 평균토크(T_av) 이상인 경우에는 상기 회전자 반경(r_k)을 감소시켜 회전자 반경(r_k)을 조절하는 단계를;
   포함하는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 형상 제어 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 일 절점(r_k, φ_k)에 대한 회전자 반경 조절이 완료되면, 절점을 이동시켜 다음 절점(r_k+1, φ_k+1)에 대한 회전자 반경 조절을 수행하는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 형상 제어방법.
    
    

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