KR101113664B1 - 스위치드 릴럭턴스 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor)에 관한 것으로서, 고정자와, 고정자에 설치되는 권선과, 상기 고정자 내측에 설치되는 회전자를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor)에 있어서, 상기 회전자는 회전축과, 회전축에 결합되는 십자형 회전자 본체와, 상기 십자형 회전자 본체의 각 돌극간의 공간을 메우는 N개의 채움부를 갖는 채움부재를 포함하여, 채움부가 회전자 각 철심의 정렬상태를 적정하게 유지하며, 고속 회전시에도 풍음이 발생치 아니하게하며, 나아가, 스위치드 릴럭턴스 전동기의 제작시 번거로운 초기 위치의 선정없이 여자 위치를 매우 간편하게 결정할 수 있게 하는 효과가 있는 것임.

Description

스위치드 릴럭턴스 전동기{Switched Reluctance Motor}

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor)에 관한 것으로서, 특히 회전자에 여자위치를 검출할 수 있는 원통형 몰딩 케이스를 설치하여 고속 회전시 발생하는 풍음 및 이로 인한 손실을 방지하고 별도의 초기위치 설정 없이 고정자 상권선의 여자위치를 매우 간편하게 결정할 수 있게 한 것이다.

스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM; Switched Reluctance Motor)는 도 1에 도시된 바와 같이 고정자와 회전자가 이중 돌극형 구조를 가지는 전동기로, 구조가 간단하고 회전자에 권선 또는 영구자석을 사용하지 않기 때문에 내구성이 뛰어나며 전동기의 제작단가가 다른 전동기에 비해 낮다는 장점을 가진다.

상기 구조를 통해 스위치드 릴럭턴스 전동기는 고속에서 회전이 매우 용이하고, 직류 직권 전동기와 같은 토크 특성을 가지기 때문에 속도대역이 넓고 가변속이 요구되며 높은 토크가 필요한 제품에 적용성이 매우 높다.

그러나 회전자 구조상 회전시 돌극으로 인해 발생되는 풍음 및 이로 인한 출력저하가 발생하게 된다. 이와 함께 일반적인 회전축 삽입방법을 선택하였을 때 순간적인 부하 인가시 적층된 회전자 철심에서 개별적으로 비틀림 현상이 발생할 수 도 있다는 문제점이 있다. 특히 고속에서 상기와 같은 문제점은 심화된다. 이를 해결하기 위해서 일반적으로 회전자의 돌극과 돌극사이에 몰딩을 통하여 회전자 면을 일정하게 만드는 방법이 적용되고 있다.

회전자의 회전시 발생하는 풍음을 감소하기 위해 몰딩을 수행하는 경우 일반적으로 각 면을 개별적으로 작업하게 되며 이때 몰딩시 밀도 차이 및 가공오차로 인한 밸런싱의 불균형을 초래할 가능성을 가지고 있다.

이와 동시에 스위치드 릴럭턴스 전동기에서는 회전자의 위치에 따라 고정자 권선의 여자를 수행하여야 하므로, 위치 검출이 반드시 필요하다는 단점을 가진다. 높은 정밀도의 제어가 요구되는 제품의 경우 광학식 또는 자기식으로 구성된 절대치 또는 증분치 엔코더나 레졸버를 이용하여 전동기를 구동할 수 있으나, 상대적으로 낮은 정밀도의 제어가 요구되는 기기에서는 회전자 형상과 동일한 슬롯을 가진 회전판과 포토센서를 이용하여 여자위치만을 감지하고 이를 통해 구동한다.

레졸버의 경우 회전자의 위치 및 속도를 영구적으로 검출할 수 있다는 장점은 있으나, 고가로 인한 경제적인 문제점과 센서의 안정성을 확보하기 위한 전동기의 설계 및 가공 공정이 복잡해지는 단점이 있다.

엔코더를 사용하는 경우에는 축의 한 쪽을 엔코더용으로 할당해야 하기 때문에 방열용 팬을 부착하기 어려우며 장시간 사용할 때 방열에 대한 문제점이 설계에 고려되어야 하는 단점이 있다. 또한 센서를 부착할 경우에 회전축에 대하여 매우 정밀하게 부착되어져야 하므로 대량생산이 어렵고 부착된 센서는 사용환경에 영향을 받기 때문에 주위 온도가 높거나 습기가 심한 곳 또는 진동이 심한 환경에서는 센서의 신뢰도가 감소한다.

특히 회전자 위치 검출을 위해 엔코더나 회전판과 포토센서를 이용한 여자위치 검출의 경우 스위치드 릴럭턴스 전동기의 회전자 극 위치와 위치 검출장치의 초기위치를 동기 시키거나 제어시 이를 개별적으로 설정해야 하는 과정이 반드시 필요하다. 또한 외부에 장착되는 만큼 내구성이 저하되는 구조를 가지게 된다.

스위치드 릴럭턴스 전동기에 있어서는, 고속 회전시 발생하는 풍음 및 이로 인한 손실을 방지할 수 있으며, 내구성을 저하시키지 않으면서 여자위치를 용이하게 결정할 수 있는 기술이 필요한 바, 본 발명은 이러한 기술을 제공하여야 한다는 과제를 해결하고자 한다.

이에 본 발명은 회전자의 각 돌극간의 공간을 메우는 회전자 극수와 동일한 N개의 채움부를 갖는 원형 몰딩 케이스를 가지며, 상기 원형몰딩 케이스의 일면에 치형을 설치하고 고정자에 상기 치형을 검출하는 포토센서를 설치하여서 되는 스위치드 리럭턴스 전동기를 제공한다.

본 발명에 따르면, 회전자 각 철심의 정렬상태, 접착상태를 조정하여 쉽게 적층하고 유지할 수 있고, 고속 회전시 발생하는 풍음 및 이로 인한 손실을 방지할 수 있으며, 스위치드 릴럭턴스 전동기의 제작시 번거로운 초기 위치의 선정없이 여자위치를 매우 간편하게 결정할 수 있는 장점이 있다.

따라서 상기의 장점으로 인해 전동기의 제어가 용이하며, 생산성과 동작에 대한 신뢰성이 높아지고, 제작단가를 낮출 수 있어 경제적으로 유리하다. 특히, 정속 및 단방향 운전에서 매우 간단하게 구동회로를 제작할 수 있어 종래의 스위치드 릴럭턴스 전동기에서 요구하던 단순한 구조의 위치 검출 및 구동회로를 구현하기 매우 용이하다.

도1은 본 발명의 릴럭턴스 전동기의 발췌 사시도.
도2는 본 발명의 다른 실시예의 발췌 사시도.
도3은 본 발명의 또 따른 실시예의 발췌 사시도.
도4는 본 발명의 릴럭턴스 전동기의 요부 정면도.
도5는 본 발명의 릴럭턴스 전동기의 요부 측면도.
도6은 본 발명의 릴럭턴스 전동기의 구동 메커니즘의 설명도.
도7은 본 발명의 릴럭턴스 전동기의 제어방법을 설명한 설명도.
도8은 본 발명의 릴럭턴스 전동기의 스위칭 패턴을 구현하기 위한 기본전력변환기 회로의 회로도.
도9는 본 발명의 릴럭턴스 전동기의 제어회로의 기본 구성도.

본 발명은, 고정자(1)와, 고정자에 설치되는 권선(11)과, 상기 고정자 내측에 설치되는 회전자(2)를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor)에 있어서, 첨부된 도면 도1에 도시된 바와 같이,

상기 회전자(2)는,

회전축(3)과,

회전축(3)에 결합되는 N개의 돌극을 가지는 철심을 다수개 적층하여서 구성되는 회전자 본체(4)와,

상기 회전자 본체(4)의 각 돌극(41)간의 공간을 메우는 채움부재(5)를 가지는 전동기를 제공한다.

채움부재(5)는 N개의 채움부(52)와 N개의 채움부(52)를 일체로 결합하여 회전자 본체(4)에 설치할 수 있게 하는 베이스(51)로 구성된다. 채움부(52)는 돌극(41)간 공간(42)의 방사상측 외방을 채우는 채움벽(521)과, 돌극(41)의 측면에 닿아 돌극(41)의 철심(411)의 비틀림(어긋남)을 억제하는 저지턱(522), 및, 각 돌극(41)간 공간(42)의 베이스(51) 대향측을 막는 대향판체를 요소로 한다.

공간(42)의 베이스(51) 대향측을 막는 대향판체는 첨부된 도면 도1에 도시된 바와 같이, 회전축(3)에 고정 설치되는 원판체(53)인 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 대향판체는 첨부된 도면 도2에 도시된 바와 같이 채움부(52)의 채움벽(521)에 일체로 형성된 덮개판(531)으로 형성될 수 있다.

더욱 바람직하기로는, 첨부된 도면 도3에 도시된 바와 같이, 채움부(52)가 채움벽(521)과 저지턱(522)을 가지며 돌극(41) 사이 공간의 형상에 대응하는 단면 부채꼴의 채움통체(520)로 형성되며, 대향판체인 원판체(53)가 위 채움통체(520)에 내접하는 내통체(532)를 가지는 것이다.

위와 같은 본 발명에 있어서는 상기 채움부(52)가 회전자의 회전시 풍음을 방지하며, 채움부(52)의 저지턱(522)이 철심(411)의 비틀림(어긋남)을 방지하며, 철심(411)의 상하에서 베이스(51)와 원판체(53)를 조임으로써, 철심(411)간 적층간격을 적정하게 유지시킬 수 있게 한다.

본 발명은 이에서 나아가, 채움부재(5)의 베이스(51)에 치형(54)을 설치하고, 고정자(1)에 포토센서(6)를 설치하여서 되는 모터를 제공한다. 상기 치형(54)은 회전자 본체(4)의 각 돌극(41) 위치에 대응하여 설치되며, 포토센서(6)는, 첨부된 도면 도4에 도시된 바와 같이, 고정자의 A상, B상 및 C상의 각 상의 위치에 대응하여 설치된다. 상기 포토센서(6)들은, 도5에 도시된 바와 같이, 상기 여자 위치 검출 치형(54)을 통해 직접적으로 상권선을 여자할 수 있도록 한다.

스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor: SRM; 이하 SRM이라 약칭한다)는 도 6에 도시된 바와 같이 각 인덕턴스의 상승구간에 상전류를 공급하면 인덕턴스의 상승분과 공급된 상전류에 따라 토크가 발생한다. 이때 상권선에 흐르는 전류의 방향은 토크의 방향과 무관하다.

SRM의 구동을 위한 여자위치 결정을 위해 본 발명품을 이용하기 위한 기구적 구성은 도 4에 도시된 바와 같으며, 도 5에 도시된 구성에 따라를 도7에 나타낸 방법과 같이 스위칭을 수행한다. 이때 시스템의 보호, 속도 및 토크의 조절을 위한 전류의 제한을 함께 수용할 수도 있다. 이 스위칭패턴을 구현하기 위한 기본 전력변환기 회로와 제어회로의 구성을 도8, 도 9에 나타내었다. 만일 상기 상태에서 회전을 원하는 방향이 시계방향일 경우, 회전자극과 고정자극이 비정렬위치에 들어있는 B상의 상권선을 여자하여야 한다. 따라서 B상 포토센서 B의 신호가 온(On)되는 지점에서 여자를 수행하면 된다. 회전자가 회전하여 C상 포토센서 B가 온(On)되는 지점이 되면 C상의 상권선에 여자를 수행한다. 각 상의 여자를 종료하는 시점은 해당센서가 오프(Off)되는 지점에서 개별적으로 수행하면 된다.

따라서 상기 장점으로 인해 생산성과 동작에 대한 신뢰성이 높아지며, 제작공수가 낮아져 경제적으로 유리하다. 또한 제어가 매우 용이해진다. 특히 정속 및 단 방향 운전에서 매우 간단하게 구동회로를 제작할 수 있어 기존 SRM에서 요구하던 단순한 구조의 위치검출 및 구동회로를 구현하기 매우 용이하다.

1. 고정자
11. 권선
2. 회전자
3. 회전축
4. N개의 돌극을 가지는 회전자 본체
41. 돌극
411. 철심
5. 채움부재
51. 베이스
52. 채움부
521. 채움벽
522. 저지턱
53. 원판체
531. 덮개판
532. 내통체
54. 치형
6. 포토센서

Claims (4)

1. 삭제
2. 고정자(1)와, 고정자에 설치되는 권선(11)과, 상기 고정자 내측에 설치되는 회전자(2)를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor)에 있어서,
   상기 회전자(2)는,
   회전축(3)과,
   회전축(3)에 결합되는 N개의 돌극을 가지는 철심을 다수개 적층하여서 되는 회전자 본체(4)와,
   상기 N개의 돌극을 가지는 회전자 본체(4)의 각 돌극(41)간의 공간(42)을 메우는 채움부재(5)를 가지며, 채움부재(5)는, N개의 채움부(52)와, N개의 채움부(52)를 일체로 결합하여 회전자 본체(4)에 설치할 수 있게 하는 베이스(51)로 구성되며, 채움부(52)는 공간(42)의 방사상측 외방을 채우는 채움벽(521)과, 돌극(41)의 측면에 닿아 돌극(41)의 철심(411)의 비틀림(어긋남)을 억제하는 저지턱(522), 및, 공간(42)의 베이스(51) 대향측을 막는 대향판체를 가지는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 전동기.
   
3. 제2항에 있어서, 채움부(52)가 채움벽(521)과 저지턱(522)을 가지며 공간(42)의 형상에 대응하는 단면 부채꼴의 채움통체(520)로 형성되며, 대향판체인 원판체(53)가 위 채움통체(520)에 내접하는 내통체(532)를 가지는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 전동기.
   
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 채움부재(5)의 베이스(51)에 치형(54)이 설치되고, 위 치형(54)에 대응하여 고정자(1)에 포토센서(6)가 설치된 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 전동기.

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