KR101193618B1 - 이중 고정자 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 고정자 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 전동기에 관한 것으로, 회전자, 상기 회전자의 회전 토크를 발생하는 토크 고정자 및 상기 회전자를 지지하는 축방향 지지력을 발생하는 축방향 지지력 고정자를 포함하는 것을 구성을 마련한다.
상기와 같은 이중 고정자 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 전동기를 이용하는 것에 의해, 본 발명은 2중 고정자 구조를 이용해 고정자 권선 전류를 조정하여 축방향 지지력과 토크를 독립적으로 제어하고, 임의의 회전자 위치에 대해 일정한 축방향 지지력을 얻을 수 있다.

Description

이중 고정자 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 전동기{BEARINGLESS SWITCHED RELUCTANCE MOTOR WITH DOUBLE STATOR}

본 발명은 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 전동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기계적인 베어링을 제거하고 전자기적으로 회전자를 부상시켜 구동을 수행하는 이중 고정자 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 전동기에 관한 것이다.

SRM은 2중의 두드러진 하나의 들뜬 모터이다. 고정자는 간단한 동심 권선으로 이루어져 있다. 그리고 회전자에는 권선 또는 영구 자석이 없다. SRM에는 고장 안전, 강건함, 저가 및 고온 또는 격렬한 온도변화에서 가동 가능성과 같은 유리한 특징이 있다.

그러나 고속 또는 초고속 기계의 샤프트를 지지하기 위해 종래의 기계적 베어링을 사용하는 경우, 많은 문제점이 발생하였다.

스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, 이하 'SRM'이라 함)는 이중돌극형과 고정자에만 권선이 위치한 집중권 방식의 전동기구이다. SRM에서는 고정자 권선에서 발생한 자속에 의한 릴럭턴스에 의해 토크가 발생하므로, SRM은 타전동기와 달리 회전자에 자속을 생성하기 위한 영구자석 및 권선이 존재하지 않는다.

따라서 SRM은 기계적으로 강인하며, 고속운전에 대해 안정적이고, 가격이 저렴하며, 고열 또는 격렬한 온도 변화에서도 가동 가능한 점과 같은 유리한 특징이 있다.

실제 고속운전에서 SRM은 전동기의 전기적인 속도 특성 외 기계적인 부분에 의한 제약을 받는데, 제약 중 하나가 회전자를 지지하는 기계적인 베어링이다.

즉, 일반적으로 베어링을 이용한 SRM은 고속 또는 초고속 운전에서 베어링의 마찰과 이에 따른 진동소음 등의 많은 문제점이 있었다.

또한 베어링을 이용한 SRM에서는 베어링의 마모로 인하여 전체 전동기의 기구적인 문제가 발생하고, 시스템의 운전 효율이 저하되며, 유지보수가 어려운 문제점이 있었다.

이러한 고속 구동에서의 문제점을 극복하기 위해 최근 기계적인 베어링을 제거하고 전자기적으로 회전자를 부상시켜 구동을 수행하는 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 전동기(Bearingless Switched Reluctance Motor, 이하 'BLSRM'이라 함)이 제안되었다.

BLSRM는 SRM의 뛰어난 성능을 가질 뿐만 아니라, 소형화, 저비용 및 고전력과 같은 베어링리스 모터의 장점을 가진다.

BLSRM에 적용되는 회전자는 교체와 축 운동 제한을 위한 기계적인 베어링만을 필요로 한다. 회전자의 다른 끝단은 반경 방향에서 자유롭게 움직일 수 있고, 모터의 축방향 지지력을 통해 에어갭의 중심에서 균형이 유지된다.

BLSRM은 동일한 고정자에 있는 기계적인 접촉 또는 윤활 없이 회전자 샤프트 서스펜션(suspension)을 인식할 수 있는 축방향 지지력을 일으키기 위하여 동일한 고정자에 모터 메인 권선과 축방향 지지력 권선으로 구성된 2가지 종류의 고정자 권선을 갖는다.

이러한 BLSRM의 축방향 지지력은 회전 토크에 연결되고, 축방향 지지력의 제어는 매우 어렵다.

도 1은 종래의 BLSRM의 구성을 보인 구성도이다.

도 1에는 추가적인 차동 권선을 가진 3상 시스템의 단지 1상 고정자 권선이 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 BLSRM에 구비된 모터 권선은 직렬로 연결된 4개의 코일로 이루어져 있다.

한편, 서스펜션 권선은 각각 2개의 코일로 이루어져 있다.

그리고 수직 좌표계의 축 a1와 a2는 각각 축 x 및 y에 정렬된 축 a1와 a2를 기준으로 한 A상 권선을 사용하여 정의될 수 있다.

도 2는 종래의 BLSRM에서 부상력 발생의 원리를 보인 구성도이다.

도 2에는 4극 모터 권선 전류에 의해 발생된 대칭적인 4극 자속과 2극 서스펜션 권선 전류가 발생된 대칭적인 2극 자속이 도시되어 있다.

이와 같은 상태에서, 2극 자속의 방향은 4극 자속의 방향과 동일하기 때문에 제 1에어갭의 자속 밀도는 증가한다.

반면, 2극 자속의 방향이 4극 자속의 방향과 반대이기 때문에 제 2에어갭의 자속 밀도는 감소된다.

그러므로 에어갭 자속 파형의 서스펜션은 축 x를 따라 작용하는 부상력 F를 발생시킨다.

이러한 BLSRM의 인덕턴스, 축방향 지지력 및 토크의 곡선은 유한 요소 해석법(Finite Element Method, 이하 'FEM'이라 함)을 통해 얻어진다.

도 3은 FEM에 의한 종래의 BLSRM의 인덕턴스, 축방향 지지력 및 토크 곡선 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, θ1에서 θ3 사이 구간은 회전 토크를 발생시키는 구간이고, θ2에서 θ4 사이 구간은 축방향 지지력을 생성하는 구간이다. 토크와 축방향 지지력을 생성하는 구간 사이의 오버랩 구간은 θ2에서 θ3 사이의 구간이다.

이상적으로, 도 3의 해칭된 오버랩 구간에서 BLSRM은 최상의 성능을 발휘할 수 있다.

하지만, BLSRM의 토크 및 축방향 지지력의 고유한 원리 때문에, 이 오버랩 구간은 매우 좁다. 그리고 일반적인 구조에서 구동점은 토크와 축방향 지지력의 절충에 의해 선택되므로, 토크와 축방향 지지력을 동시에 발생시키는 오버랩 구간을 전체적으로 사용하기 어렵다.

결국, 종래의 BLSRM에서 충분한 축방향 지지력을 얻기 위해서는 전류가 증가되어야 하고, 드웰 각(dwell angle)은 정렬된 위치를 향해 이동되어야 한다.

이로 인해, 종래의 BLSRM에서는 높은 구리 손실 및 큰 부의 토크가 발생함에 따라 효율성이 저하되고, 열적 부하가 증가하며, 구동속도가 제한되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 회전 토크와 축방향 지지력을 독립적으로 제어하는 이중 고정자 구조의 BLSRM을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 회전자, 상기 회전자의 회전 토크를 발생하는 토크 고정자 및 상기 회전자를 지지하는 축방향 지지력을 발생하는 축방향 지지력 고정자를 포함한다.

상기 축방향 지지력 고정자는 상기 회전자 내에 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 토크 고정자는 내측을 향한 12개의 토크 고정자극을 구비하고, 상기 축방향 지지력 고정자는 외측을 향한 4개의 축방향 지지력 고정자극을 구비하며, 상기 회전자는 외측을 향한 8개의 회전자극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 4개의 축방향 지지력 고정자극은 각각 독립적으로 지지되는 것을 특징으로 한다.

상기 축방향 지지력은 상기 축방향 지지력 고정자극에 감겨진 권선에 흐르는 전류의 값에 의해 조정되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 2중 고정자를 이용함에 따라 회전 토크와 축방향 지지력을 독립적으로 제어한다.

그리고 본 발명은 축방향 지지력을 제어하는 고정자 권선의 전류만을 높여서 회전자를 부상시키는데 충분한 축방향 지지력을 생성할 수 있다.

특히, 본 발명은 전류를 일정하게 설정한 상태에서 회전자 위치가 임의로 변화더라도 일정한 축방향 지지력을 얻을 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 토크 및 축방향 지지력을 동시에 제어하는 종래의 BLSRM에서 축방향 지지력을 높이기 위해 전류를 증가시켜 발생하였던 구리 손실을 방지하고, 열적 부하를 최소화하며, 속도를 향상시키는 효과를 가진다.

도 1은 종래의 BLSRM의 구성도.
도 2는 종래의 BLSRM에서 부상력 발생의 원리를 보인 구성도.
도 3은 FEM에 의한 종래의 BLSRM의 인덕턴스, 축방향 지지력 및 토크 곡선 그래프.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이중 고정자 구조의 BLSRM의 구성도.
도 5는 도 4에 도시된 BLSRM의 축방향 지지력 제어 원리를 설명하는 구성도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 BLSRM에 따른 축방향 지지력 권선 및 토크 권선의 인덕턴스 프로파일 그래프.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 BLSRM에 따른 축방향 지지력 권선 및 토크 권선의 토크 프로파일 그래프.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 BLSRM에 따른 축방향 지지력 권선의 축방향 지지력 프로파일 그래프.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이중 고정자 구조의 BLSRM을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이중 고정자 구조의 BLSRM의 구성을 보인 구성도이다.

도 4에는 3상 시스템의 A상 고정자 권선만이 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이중 고정자 구조의 BLSRM(이하 '본 발명의 BLSRM'라 약칭함)은 12/8극의 구조로 되어 있다.

특히, 본 발명의 BLSRM은 2개의 고정자를 구비한다.

즉, 회전 토크를 발생하는 토크 고정자는 외부에 위치한다.

그리고 회전자를 지지하기 위해 축방향 지지력을 발생하는 축방향 지지력 고정자는 회전자의 내부에 위치한다.

이에 따라, 토크 고정자는 내층을 향한 12개의 토크 고정자극을 구비하고, 축방향 지지력 고정자는 외측을 향한 4개의 축방향 지지력 고정자극을 구비하며, 회전자는 외측을 향한 8개의 회전자극을 구비한다.

토크 고정자의 극 A1, A2, A3 및 A4에 감긴 권선은 토크 권선을 구성하기 위해 직렬로 연결된다. 축방향 지지력 고정자의 극 P1, P2, P3 및 P4에 감긴 권선은 x 및 y 방향으로 구성하기 위해 독립적으로 제어된다.

도 5는 도 4에 도시된 BLSRM의 축방향 지지력 제어 원리를 설명하는 구성도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 극 P1에 감긴 권선에 전류 i1가 인가되면, -x 방향에 있는 회전자를 위한 축방향 지지력 F1이 생성된다. 극 P4에 감긴 권선에 전류 i4가 인가되면, y 방향에 있는 축방향 지지력 F4이 생성된다. 상기 2개의 힘(F1,F4)에 의해 힘 F가 생성된다.

힘 F의 값 및 방향은 전류의 값을 바꾸어서 조정된다.

이에 따라, 본 발명은 4축방향 지지력 권선에 흐르는 전류의 값을 조정하여 임의의 방향에 있는 요구된 합성력을 생성하여 축방향 지지력 고정자극에 감겨진 권선에 흐르는 전류의 값을 변경하여 축방향 지지력을 조정할 수 있다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 BLSRM 특성을 실험한 결과를 상세하게 설명한다.

1. 인덕턴스 특성

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 BLSRM에 따른 축방향 지지력 권선 및 토크 권선의 인덕턴스 프로파일 그래프이다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 토크 권선과 다른 축방향 지지력의 인덕턴스 프로파일은 로터 위치의 변화와 함께 아주 조금 변한다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 토크 권선의 인덕턴스 특성은 동일한 상 전류를 가진 다른 로터 위치로 변화한다.

이와 동시에, 권선 전류가 서서히 높아질 때, BLSRM의 자기 포화 때문에 권선 인덕턴스의 값은 감소한다.

2. 토크 특성

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 BLSRM에 따른 축방향 지지력 권선 및 토크 권선의 토크 프로파일 그래프이다.

토크 프로파일은 인덕턴스 프로파일에 의해 결정된다.

FEM 분석에 따르면, 도 6a에 도시된 바와 같이, 축방향 지지력 권선의 인덕턴스 프로파일은 전류가 주어질 때 거의 일정하다. 그러므로 인덕턴스의 변화 비율 또한 작다.

그러나 도 6a에 도시된 바와 같이, 토크 권선의 인덕턴스 프로파일은 축방향 지지력 권선의 인덕턴스 프로파일과 반대이다. 인덕턴스의 변화 비율은 매우 크다.

따라서 본 발명의 BLSRM의 주요 토크는 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 토크 권선에 의해 발생된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 이중 고정자 구조의 BLSRM에서 토크 제어는 축방향 지지력 제어로부터 분리될 수 있다.

3. 축방향 지지력 특성

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 BLSRM에 따른 축방향 지지력 권선의 축방향 지지력 프로파일 그래프이다.

도 8에는 축방향 지지력 권선의 극 P3에 대한 전류, 회전자 위치 및 방향에 따른 축방향 지지력의 분포가 도시되어 있다.

축방향 지지력은 도 8a에 도시된 바와 같이, 전류가 증가함에 따라 x 및 y방향에서 증가한다.

y방향의 축방향 지지력은 도 8b에 도시된 바와 같이, 로터 위치의 변화에 따라 변화한다. 그러나 x방향에 있는 힘과 비교되는 y방향의 축방향 지지력 변화값은 작다.

결국, x방향의 축방향 지지력은 회전자 위치가 변화하더라도, 동일한 전류에 의해 거의 일정한 값을 갖는다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 2중 고정자 구조를 이용해 고정자 권선 전류를 조정하여 축방향 지지력과 토크를 독립적으로 제어하고, 임의의 회전자 위치에 대해 일정한 축방향 지지력을 얻을 수 있다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (5)

1. 회전자,
   상기 회전자의 회전 토크를 발생하는 토크 고정자 및
   상기 회전자 내에 구비되어 상기 회전자를 지지하는 축방향 지지력을 발생하는 축방향 지지력 고정자를 포함하며,
   상기 토크 고정자는 내측을 향한 12개의 토크 고정자극을 구비하고,
   상기 축방향 지지력 고정자는 외측을 향한 4개의 축방향 지지력 고정자극을 구비하며,
   상기 회전자는 외측을 향한 8개의 회전자극을 구비하는 것을 특징으로 하는 이중 고정자 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 전동기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 4개의 축방향 지지력 고정자극은 각각 독립적으로 지지되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 전동기.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 축방향 지지력은 상기 축방향 지지력 고정자극에 감겨진 권선에 흐르는 전류의 값에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 전동기.
   
   

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