KR101139944B1

KR101139944B1 - 쉐이딩코일형 단상 전동기

Info

Publication number: KR101139944B1
Application number: KR1020120017997A
Authority: KR
Inventors: 이성근
Original assignee: 이성근
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2012-04-30

Abstract

본 발명은 쉐이딩코일형 단상 전동기에 관한 것으로서, 본 발명의 일면에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기는 회전축을 중심으로 회전하도록 형성되는 회전자와, 회전자와 쌍을 이루며 고정되는 고정자와, 회전자를 둘러싸면서 회전자의 회전축에 수직한 평면인 수평 단면에 대하여 경사지게 권취되되, 회전자와는 공극을 사이에 두고 형성되는 동심권선과, 동심권선의 권취면과는 경사지게 권취되어 폐회로를 이루며, 동심권선에 교류 전류가 인가됨에 따른 자속으로 인해 유기 전류가 발생되는 쉐이딩코일을 포함한다.
본 발명은 소형화 장축화된 쉐이딩코일형 단상전동기의 제작을 가능하게 하며 효율을 개선할 수 있다는 점을 특징으로 한다.

Description

쉐이딩코일형 단상 전동기{SHADING TYPE SINGLE PHASE MOTOR}

본 발명은 쉐이딩코일형 단상 전동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 동심권선을 주권선으로 하며 쉐이딩코일에 의한 기동토크를 발생시키는 쉐이딩코일형 단상 전동기에 관한 것이다.

단상 전동기는 그 기동방식에 따라 콘덴서 운전형, 콘덴서 기동형, 분상형, 쉐이딩코일형으로 분류된다. 이중, 쉐이딩코일형 단상전동기는 단상교류 전원으로 운전되는 전동기로서 냉장고나 선풍기 등의 팬 구동용으로 많이 이용되고 있다.

종래기술에 따른 쉐이딩 코일형의 단상전동기의 경우, 고정자의 요크부에 쉐이디드 폴(Shaded pole)을 만들고 쉐이딩 코일을 심어 유도전류를 발생시킨다. 이 때 발생된 유도전류는 주권선에 의한 자속과는 지연된 전기적 위상각을 가지는 자속을 만들어서 기동이 가능한 회전자계를 형성하게 된다. 이러한, 종래기술에 따른 쉐이딩 코일형의 단상전동기의 경우, 쉐이딩코일에 유기되는 자속은 주권선에 의하여 발생된 자속의 일부를 희생시킨다는 전제 하에 만들어지는 것이므로 효율이 저하되는 문제가 있었다.

또한, 종래기술에 따른 쉐이딩 코일형의 단상 전동기의 경우, 주권선을 보빈에 집중적으로 권취하는 구조여서 주권선과 고정자 간의 평균 공극이 커서 자기 저항이 높아지므로 효율을 저하시키는 문제가 있었다.

한편, 본 출원인은 대한민국 등록특허 10-1090605에 있어서, 권선의 중심축을 회전축과 동심이 되게 하고 권선을 경사지게 권취함으로써, 전동기 및 발전기의 프레임을 증가시키지 않고 단순히 회전축 방향으로 회전자 및 동심권선을 연장 형성하여 큰 토크 및 기전력을 유기할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 동심권선을 적용한 전동기 및 발전기에 관한 기술을 제안하고 있다. 하지만, 대한민국 등록특허 10-1090605의 경우도 전동기로 이용시 삼상이나 단상 2극과는 달리 단상 단극의 경우에는 주권선 만으로는 기동토크가 발생되지 않는 점에서 기동방식의 한계가 있어 이를 개선할 필요가 있었다.

전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 동심권선을 주권선으로 하며 쉐이딩코일에 의한 기동토크를 발생시키는 쉐이딩코일형 단상 전동기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일면에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기는 회전축을 중심으로 회전하도록 형성되는 회전자와, 회전자와 쌍을 이루며 고정되는 고정자와, 회전자를 둘러싸면서 회전자의 회전축에 수직한 평면인 수평 단면에 대하여 경사지게 권취되되, 회전자와는 공극을 사이에 두고 형성되는 동심권선과, 동심권선의 권취면과는 경사지게 권취되어 폐회로를 이루며, 동심권선에 교류 전류가 인가됨에 따른 자속으로 인해 유기 전류가 발생되는 쉐이딩코일을 포함한다.

본 발명에 따르면, 장축형의 소형화된 쉐이딩코일형 단상 전동기를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 동심권선을 회전자 및 고정자에 최대한 근접시켜 배열함으로써, 자기저항을 줄여 효율을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 자기회로를 구성하는 고정자의 길이가 종래에 비해 줄어듬에 따라 철손이 줄어서 효율을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 동심권선은 권선의 배치효율이 좋고 권취량에서도 여유가 있어서, 저항이 적은 굵은 전선을 사용하여 동손을 줄여 효율을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전동기는 장축형 구조로서 직경이 작아서 팬 구동용으로 사용시에는 바람이 지나가는 유로상의 저항을 최소화하여 풍량 및 효율을 올릴 수 있는 장점을 가질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 결합 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 내부 구조도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 동심권선 및 쉐이딩코일에 있어서 발생되는 자속의 벡터를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 동심권선의 전류 및 쉐이딩코일의 전류의 파형을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 동심권선 및 쉐이딩코일에 의한 속도-토크 곡선을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 사시도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 단면도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 단상 교류전원을 사용하는 쉐이딩코일형 단상 전동기에 관한 것으로, 종래 구조에서 사용된 주권선을 동심권선으로 대체시키면서 이와 관련된 전동기의 구성요소들을 동심권선에 맞추어 재배치함으로써 구조적으로는 소형 장축화하고 소비전력 측면에서는 효율화하는 것에 관한 것이다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 분해 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 결합 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 내부 구조도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기(10)는 회전축을 중심으로 회전하도록 형성되는 회전자(400)와, 회전자(400)와 쌍을 이루며 고정되는 고정자(300)와, 회전자(400)를 둘러싸면서 회전자(400)의 회전축에 수직한 평면인 수평 단면에 대하여 일정한 각도로 경사지게 권취되되, 회전자(400)와는 공극을 사이에 두고 있으며, 고정자(300)에 고착되는 동심권선(100)을 포함한다. 여기서, 동심권선(100)은 주권선으로서, 고정자권선의 역할을 수행한다.

쉐이딩 코일(200)은 동심권선(100)의 권취면과는 일정 각도을 가지도록 경사지게 권취되는 적어도 하나의 폐회로로 이루어지되, 동심권선(100)의 상측 또는 하측에 위치되거나 동심권선(100)과 겹치도록 권취될 수 있다.

여기서, 쉐이딩코일(200)은 유도 전류에 의한 기동토크를 발생시키기 위한 구성으로, 고정자(300)에 고착되며, 동심권선(100)과 마찬가지로 회전자(400)의 회전축에 수직한 평면인 수평 단면에 대하여 일정한 각도로 경사지게 권취된다.

한편, 고정자(300)는 내부에 회전자(400)를 수용하는 공간을 가지고 회전자(400)의 외주면을 감싸도록 형성되되 원통형으로 이루어질 수 있으며, 내주면을 따라 동심권선(100) 및 쉐이딩코일(200)이 고착된다.

쉐이딩코일형 단상 전동기(10)는 고정자(300)와 회전자(400)를 결합하기 위한 브라켓(Bracket)(500)과 체결볼트(610) 및 체결너트(620)를 포함할 수 있다.

동심권선(100)과, 쉐이딩코일(200)과, 고정자(300)와, 회전자(400)와, 체결볼트(610) 및 체결너트(620)의 구체적인 결합관계는 도 1에 도시된 바와 같으며, 결합에 따른 결합형태는 도 3에 도시된 바와 같다.

한편, 동심권선(100)의 양 끝단은 전선을 통해 외부 교류 전원의 양극 및 음극과 각각 연결되며, 이에 따라 동심권선(100)에 전류가 도통될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기(10)에 적용이 가능한 회전자(400)의 타입(Type)은 가장 광범위하게 사용되는 유도기용의 농형 회전자, 동기기용의 영구자석형 회전자 및 히스테리시스형 등이 있으며, 이외에도 회전자계에 반응하여 기동 및 운전이 가능한 다양한 형태의 회전자 사용이 가능하다.

이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기(10)의 작동원리를 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 동심권선 및 쉐이딩코일에 있어서 발생되는 자속의 벡터를 도시하는 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기의 동심권선의 전류 및 쉐이딩코일의 전류의 크기 및 위상을 나타내는 도면이다.

도 5에서는 동심권선(100)과 쉐이딩코일(200)에 의하여 발생되는 자속의 크기와 위상을 X, Y, Z 축의 3차원 공간에 벡터로 나타내고 있다. 도 5에 있어서, Z축은 회전축 방향의 축이며, X-Y 단면은 전동기의 수평 단면이다.

θ_M는 동심권선(100)의 수평단면에 대한 각도이고 동심권선(100)에 전류가 도통됨에 따라 발생되는 자속은 동심권선(100)의 권취면에 수직한 방향으로 Φ_M와 같이 발생되는데, 이 때, 동심권선(100)에 의한 자속은 Φ_M은 회전자계를 만드는 X-Y면상의 유효 성분인 Φ_MX와 회전축방향의 무효 성분인 Φ_MZ로 분해할 수 있다.

무효 성분인 Φ_MZ은 동심권선의 전류인 I_M의 변화에 따라 회전축 방향으로 자속의 변화를 만들게되고, 이는 단락권선인 쉐이딩코일(200)의 폐루프 안을 통과하게 되면서 쉐이딩코일(200)에 유기 전류(I_S)를 일으키게된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기(10)에 있어서 쉐이딩코일(200)의 권취면은 동심권선(100)의 권취면에 대하여 일정 각도를 가지도록 경사지게 권취된다.

동심권선(100)의 권취면과 쉐이딩코일(200)의 권취면간의 위상각(θ_G)을 90도로 하는 경우에 있어서, 쉐이딩코일(200)의 유기 전류(I_S)에 의한 자속의 크기와 위상은 도 5의 Y-Z평면상에 Φ_S와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 위상각(θ_G)을 90도로 하는 것은 발명 내용의 설명과 도면 도식상의 편의를 위함이며 상기 각도에 한정하고자 하는 것은 아니다. 한편, θ_S는 쉐이딩코일(200)의 수평단면에 대한 각도이다.

이 때, 쉐이딩코일(200)에 의한 자속(Φ_S)은 회전자계를 만드는 X-Y면상의 유효성분인 Φ_SY와 회전축방향의 무효성분인 Φ_SZ로 분해될 수 있다.

동심권선(100)에 의한 유효 성분인 Φ_MX와 쉐이딩코일(200)에 의한 유효 성분인 Φ_SY간에는 도 5에 도시된 기하학적 위상각(θ_G)과, 도 6에 도시된 전기적 위상각(θ_E)이 생기며, 이로서 2개의 자속축을 가진 2상의 전동기처럼 기동이 가능한 회전자계를 만들게 된다.

여기서, 기하학적 위상각(θ_G)은 동심권선(100)의 권취면과 쉐이딩코일(200)의 권취면이 회전자 수평단면의 원주상에서 가지는 기하학적 위상차이를 말하는데, 도 5에 도시된, 동심권선(100)에 의한 자속의 유효 성분인 Φ_MX와 쉐이딩코일(200)에 의한 유효 성분인 Φ_SY간의 위상각과 같다.

동심권선(100)의 권취면과 쉐이딩코일(200)의 권취면간의 위상각(θ_G)은 단상 전동기(10)를 회전시키는 토크의 효율면에서는 90도 전후의 기하학적 위상각(θ_G)을 가지는 것이 바람직하기는 하나, 쉐이딩코일(200)의 주목적인 기동토크의 발생이 전동기의 기동을 가능하게 하는 범위 내에서 다른 설계상의 요소들을 고려하여 기하학적 위상각(θ_G)을 결정하는 것이 실용적이다.

상기 설계상의 요소란 쇄교 자속량, 요구되는 기동토크의 크기, 요구되는 운전특성, 권선의 배치효율 등을 말하는데 기동토크를 일으킬 수 있는 기하학적 위상각(θ_G)의 범위로는 10도 내지 170도의 범위가 유효할 것이다.

도 6은 동심권선(100)에 흐르는 전류(I_M)와 쉐이딩코일(200)에 유기되는 전류(I_S)를 도시하고 있는데 동심권선(100)에 인가되는 교류 전원에 따라 자속이 변화하게 되면 쉐이딩코일(200)에는 동심권선(100)의 전류(I_M)에 대비하여 위상이 지연된 전류(I_S)가 유기되는 것을 나타낸다.

여기서, 동심권선(100)에 흐르는 전류(I_M)와 쉐이딩코일(200)에 유기되는 전류(I_S)의 전기적 위상각(θ_E)은 이론적으로 90도 내외가 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기(10)의 속도-토크 곡선을 나타낸 도면이다.

여기서, T_M는 동심권선(100)만으로 구성하여 운전시 발생되는 속도-토크 곡선이며, T_M+S는 동심권선(100) 및 쉐이딩코일(200)로 구성하여 운전시 발생되는 속도-토크 곡선을 나타낸다.

동심권선(100)만으로 단상 전동기를 구동하는 경우에는 T_M와 같이 속도가 0인 경우에는 기동토크가 발생되지 않아서 전동기의 기동이 불가능하나, 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기(10)와 같이 쉐이딩코일(200)을 포함하게 되는 경우에는 T_M+S와 같이 속도가 0인 경우에도 기동토크가 발생되어서 단상 전동기(10)의 기동 및 구동이 가능하게 된다.

이하, 도 8 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기를 설명한다. 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기를 나타내는 사시도이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기를 나타내는 단면도이다.

한편, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기(10)와 대비하여 기능적으로 동일한 구성요소에 대해서는 도면 부호를 일치시키고 구체적인 설명을 생략하며, 차이점을 위주로 설명하도록 한다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기(11)는 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기(10)와 대비하여 동심권선(100)과 쉐이딩코일(200)의 구조 및 배치에는 차이가 없으나, 고정자(300a)와 회전자(400a)의 위치에서 차이가 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기(11)는 내측에는 고정자(300a)가 위치하고 외측에는 회전자(400a)가 위치하는 아웃-로터 방식으로 동작된다.

여기서, 고정자(300a)는 중공을 가지는 원통형으로 이루어지며, 동심권선(100) 및 쉐이딩코일(200)은 고정자(300a)의 외주면을 따라 각각 경사지게 권취된다.

회전자(400a)는 동심권선(100) 및 쉐이딩코일(200)과 공극을 사이에 두고 고정자(300a)의 외주면을 감싸도록 형성되되, 고정자(300a)의 중공에는 회전자(400a)의 회전축이 위치된다.

브라켓(Bracket)(500a)은 회전자(400a)를 회전시킬 수 있도록 회전자(400a)의 중심축을 지지하며, 고정자(300a)에 고정된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기(11)에 있어서, 구체적인 작동원리는 도 5 내지 도7을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐이딩코일형 단상 전동기(10)와 동일하므로 자세한 설명을 생략하도록 한다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10, 11: 쉐이딩코일형 단상 전동기
100: 동심권선
200: 쉐이딩코일(Shading Coil)
300, 300a: 고정자
400, 400a: 회전자
500, 500a: 브라켓
610: 체결볼트, 620: 체결너트
θ_M: 동심권선의 회전자 수평단면에 대한 경사각
θ_S: 쉐이딩코일의 회전자 수평단면에 대한 경사각
θ_G: 동심권선의 권취면과 쉐이딩코일의 권취면이 회전자 수평단면의 원주상에서 가지는 기하학적 위상각
θ_E: 동심권선의 전류와 쉐이딩코일의 전류간의 전기적 위상각
Φ_M: 동심권선에 의해 발생되는 자속
Φ_MX: Φ_M의 회전자 수평단면상의 성분
Φ_MZ: Φ_M의 회전자 축방향의 성분
Φ_S: 쉐이딩 코일에 유기되는 자속
Φ_SY: Φ_S의 회전자 수평단면상의 성분
Φ_SZ: Φ_S의 회전자 축방향의 성분
T_M: 동심권선만으로 구성시의 전동기 토크 곡선
T_M+S: 동심권선과 쉐이딩코일로 구성시의 전동기 토크 곡선
L: 부하 곡선
I_M: 외부전원에 의하여 동심권선에 흐르는 전류
I_S: 쉐이딩코일에 유기되는 전류

Claims

회전축을 중심으로 회전하도록 형성되는 회전자;
상기 회전자와 쌍을 이루며 고정되는 고정자;
상기 회전자를 둘러싸면서 상기 회전자의 회전축에 수직한 평면인 수평 단면에 대하여 경사지게 권취되되, 상기 회전자와는 공극을 사이에 두고 형성되는 동심권선; 및
상기 동심권선의 권취면과는 경사지게 권취되어 폐회로를 이루며, 상기 동심권선에 교류 전류가 인가됨에 따른 자속으로 인해 유기 전류가 발생되는 쉐이딩코일;
을 포함하는 쉐이딩코일형 단상 전동기.
제 1 항에 있어서,
상기 동심권선의 권취면과 상기 쉐이딩코일의 권취면간의 위상각(θ_G)을 변경함에 따라 기동토크의 크기가 변경되는 것
인 쉐이딩코일형 단상 전동기.
제 1 항에 있어서,
상기 고정자는 중공을 가지는 원통형으로 이루어지고, 상기 동심권선 및 상기 쉐이딩코일은 상기 고정자의 외주면을 따라 각각 경사지게 권취되는 것이며, 상기 회전자는 상기 동심권선 및 상기 쉐이딩코일과 공극을 사이에 두고 상기 고정자의 외주면을 감싸도록 형성되는 것이고, 상기 고정자의 중공에는 상기 회전자의 회전축이 위치되는 것
인 쉐이딩코일형 단상 전동기.
제 1 항에 있어서, 상기 고정자는,
내부에 상기 회전자를 수용하는 공간을 가지고 상기 회전자의 외주면을 감싸도록 형성되는 것이며, 내주면을 따라 상기 동심권선 및 상기 쉐이딩코일이 고착되는 것
인 쉐이딩코일형 단상 전동기.