KR101235740B1 - 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기 - Google Patents

반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기에 관한 것으로서, 다수로 배열되는 투스에 모터코일이 권선되는 스테이터와, 스테이터로부터 회전하도록 설치되며, 다수의 도체가 설치되는 로터와, 로터에 투스와 공극을 가지도록 설치되며, 재자화가 가능한 자성체로 이루어지는 마그넷 레이어와, 스테이터의 투스 사이에 서로 인접하여 마그넷 레이어와 마주 보도록 다수로 마련되고, 여자코일이 각각 권선되며, 마그넷 레이어에 극을 교대로 배열시키기 위한 자화를 연속적으로 중복되게 실시하는 다수의 익사이팅 폴을 포함한다. 따라서, 본 발명은 서로 인접하도록 설치되는 다수의 익사이팅 폴에 의해 마그넷 레이어에 대한 자화가 연속적이고도 반복적으로 이루어짐으로써 마그넷 레이어의 착자세기를 증대시킴은 물론 이상적인 자화상태를 가지도록 하여 모터의 출력 및 효율을 증대시키는 효과를 가지고 있다.
극변환식 동기전동기, 익사이팅 폴, 여자코일, 마그넷 레이어, 착자강화팁

Description

반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기{POLE CHANGE TYPE SYNCHRONOUS MOTOR CAPABLE OF REPEATED MAGNETIZING}
도 1은 종래의 기술에 따른 극변환식 동기전동기를 도시한 평단면도이고,
도 2는 종래의 기술에 따른 극변환식 동기전동기의 마그넷 레이어의 자화 곡선이고,
도 3은 본 발명에 따른 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기를 도시한 평단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기를 도시한 분해사시도이고,
도 5는 본 발명에 따른 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기의 마그넷 레이어의 자화 곡선이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110 : 스테이터 111 : 투스
112 : 모터코일 113 : 결합홈
120 : 로터 121 : 샤프트홀
122 : 도체 130 : 마그넷 레이어
140,150 : 익사이팅 폴 141,151 : 여자코일
142,152 : 결합돌기 143,153 : 착자강화팁
143a,153a : 결합돌기 144,154 : 결합홈
본 발명은 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마그넷 레이어의 착자세기를 증대시킴은 물론 이상적인 자화상태를 가지도록 하여 고출력 및 고효율을 구현시키는 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기에 관한 것이다.
일반적으로, 모터라 함은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜서 회전력을 얻는 장치로서, 가정용 전자제품뿐만 아니라 산업용 기기 등에 광범위하게 사용되는데, 크게 직류전동기와 교류전동기로 나뉘어진다.
직류전동기에서 정류자와의 접촉에 의해 코일에 전류를 흐르도록 하는 브러쉬의 마모로 인한 단점을 극복하기 위하여 브러쉬를 사용하지 않는 BLDC(Brushless DC) 모터가 사용되고 있는데, 이러한 BLDC 모터는 토크가 크고 제어성이 우수할 뿐만 아니라 신속성을 도모할 수 있는 반면, 전류의 방향 전환을 위하여 인버터를 사용함으로써 가격이 비싸다는 단점을 가진다.
한편, 교류전동기의 일종인 LSPM 동기모터(Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor)는 BLDC 모터와 달리 인버터를 이용하지 않고, 로터(rotor)의 도체에 유기되는 전압에 의하여 생성되는 2차 전류와 스테이터(stator)의 권선에 의하여 발생되는 자속의 상호작용에 의하여 발생되는 토오크로 구동되며, 이 때, 토오크는 케이지에 의한 토오크선분과 릴럭턴스 토오크 및 마그네트 토오크의 합성토오크에 의하여 기동된다. 또한, 기동되어 정격운전시 로터에 설치된 마그네트의 자속과 스테이터에서 발생되는 자속이 상호 동기화되어 스테이터의 회전자계의 속도로써 운전된다.
이와 같은 LSPM 동기모터는 마그네트가 항상 자속을 가지고 있기 때문에 초기 기동시 마그네트가 부토오크를 생성시켜서 초기 기동의 성능을 저하시키는 단점을 가지며, 이러한 단점을 극복하기 위하여 WPM(Written Pole Motor)이라고 하는 극변환식 동기전동기가 개발되었다.
종래의 기술에 따른 극변환식 동기전동기를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 기술에 따른 극변환식 동기전동기를 도시한 평단면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 극변환식 동기전동기(10)는 모터코일(11a)이 각각 권선되는 다수의 투스(tooth; 11b)가 내주면을 따라 배열되도록 마련되는 스테이터(stator; 11)와, 스테이터(11)의 내측에 회전 가능하게 설치됨과 아울러 가장자리를 따라 다수의 도체(12a)가 삽입되는 로터(rotor; 12)와, 투스(11b)와 공극을 가지도록 로터(12)의 외주면에 설치됨과 아울러 재자화 가능한 자성체로 이루어지는 마그넷 레이어(magnet layer; 13)와, 스테이터(11)의 투스(11b) 사이에서 마그넷 레이어(13)와 마주보게 설치됨과 아울러 여자코일(14a)이 권선되는 익사이팅 폴(exciting pole; 14)을 포함한다.
이러한 종래의 기술에 따른 극변환식 동기전동기(10)는 구동을 위하여 모터코일(11a)에 전원을 인가함으로써 스테이터(11)측에 발생하는 1차 유기전압과 이로 인해 로터(12)의 도체(12a)로부터 발생되는 2차 유기전압의 상호작용에 의하여 스타트 토오크를 발생시켜서 로터(12)가 회전하게 되며, 로터(12)의 회전속도가 일정 속도에 도달하면 여자코일(14a)에 교류전원을 인가하여 익사이팅 폴(14)에 의해 마그넷 레이어(13)에 정해진 수의 N극과 S극이 원주방향을 따라 교대로 형성되도록 마그넷 레이어(13)를 자화시킴으로써 마그넷 레이어(13)에서 발생되는 자속과 스테이터(11)에서 발생되는 자속이 동기화되어 로터(12)가 동기속도에 도달하게 된다.
로터(12)가 동기속도에 도달하면, 여자코일(14a)로 인가되는 교류전원을 차단시키고, 마그넷 레이어(13)는 구동토오크 발생을 위한 자화상태를 유지하게 된다.
이와 같은 종래의 기술에 따른 극변환식 동기전동기(10)는 익사이팅 폴(14)에 의해 마그넷 레이어(13)를 자화시킴으로써 마그넷 레이어(13)가 도 2에 도시된 바와 같은 자화 상태가 되는데, 도시된 바와 같이, 마그넷 레이어(13)는 구동토오크의 발생에 이상적인 자화 상태와는 상당한 차이가 있을 뿐만 아니라 자화의 세기를 증대시키는데 한계가 있으므로 고출력 및 고효율의 특성을 구현시키는 것이 어렵다는 문제점을 가지고 있었다. 따라서, 마그넷 레이어(13)가 이상적인 자화상태를 가질 뿐 만 아니라 마그넷 레이어(13)의 자화세기를 용이하게 증대시킴으로써 고출력 및 고효율을 구현시킬 수 있는 극변환식 동기전동기(10)의 개발이 필요하게 되었다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 익사이팅 폴에 의한 마그넷 레이어의 자화 세기를 쉽게 증대시킬 뿐만 아니라 마그넷 레이어가 이상적인 자화 상태를 가지도록 함으로써 고출력 및 고효율의 특성을 가지는 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은, 극변환식 동기전동기에 있어서, 다수로 배열되는 투스에 모터코일이 권선되는 스테이터와, 스테이터로부터 회전하도록 설치되며, 다수의 도체가 설치되는 로터와, 로터에 투스와 공극을 가지도록 설치되며, 재자화가 가능한 자성체로 이루어지는 마그넷 레이어와, 스테이터의 투스 사이에 서로 인접하여 마그넷 레이어와 마주 보도록 다수로 마련되고, 여자코일이 각각 권선되며, 마그넷 레이어에 극을 교대로 배열시키기 위한 자화를 연속적으로 중복되게 실시하는 다수의 익사이팅 폴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기를 도시한 평단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기를 도시한 분해사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기(100)는 다수의 투스(111)에 모터코일(112)이 권선 되는 스테이터(stator; 110)와, 스테이터(110)로부터 회전하도록 설치됨과 아울러 다수의 도체(122)가 설치되는 로터(rotor; 120)와, 로터(120)에 설치되는 재자화 가능한 자성체로 이루어지는 마그넷 레이어(magnet layer; 130)와, 마그넷 레이어(130)를 연속적으로 중복되게 자화시키는 다수의 익사이팅 폴(exciting pole; 140,150)을 포함한다.
본 발명에 따른 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기(100)는 이너 로터(inner rotor) 방식뿐만 아니라 아웃터 로터(outer rotor) 방식으로 구성될 수 있으며, 본 실시예에서는 이너 로터 방식을 예를 들어 설명하기로 하겠다.
스테이터(110)는 내주면을 따라 투스(111)가 다수로 배열되도록 마련되고, 투스(111) 각각에 모터코일(112)이 권선되며, 내측에 로터(120)가 설치된다.
로터(120)는 중심에 형성되는 샤프트홀(121)에 샤프트(미도시)가 고정되고, 샤프트(미도시)가 하우징이나 쉘 등의 케이스에 베어링을 매개로 결합됨으로써 스테이터(110)로부터 회전 가능하도록 설치되며, 샤프트홀(121)의 주위로 가장자리를 따라 알루미늄(Al)이나 구리(Cu) 등과 같은 도체(122)가 다수로 삽입되며, 외주면에 마그넷 레이어(130)가 설치된다.
마그넷 레이어(130)는 일체화된 링형상을 이루거나 다수의 파트에 의해 링형상을 이루고, 접착 방식, 억지 끼움 방식 또는 별도 결합부재의 사용에 의해 로터(120)의 외주면에 투스(111)와 공극을 가지도록 설치되고, 재자화가 가능한 자성체로 이루어지는데, 경질 자성체는 물론 연질 자성체로도 이루어질 수 있다.
익사이팅 폴(140,150)은 스테이터(110)의 투스(111) 사이에 서로 인접하여 마그넷 레이어(130)와 마주 보도록 다수로 마련되는데, 동기전동기(100)의 특성에 맞도록 다양한 수로 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서는 두 개로서, 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)로 이루어진다.
제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150) 각각은 여자코일(141,151)이 권선되며, 여자코일(141,151)에 폭, 상 및 진폭 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 변하도록 하는 프로그램된 파형의 교류가 공급됨으로써 마그넷 레이어(130)에 원하는 수만큼의 극을 교대로 배열시키도록 자화시키며, 각각에 의해 연속적이고도 중복적인 마그넷 레이어(130)의 자화를 실시한다.
제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)은 규소강판의 다수 적층에 의해 제작되거나 연자성 분말의 압축에 의해 제작될 수 있고, 서로 이웃하게 됨으로써 여자코일(141,151)의 권선 작업을 어렵게 할 수 있으므로, 여자코일(141,151)이 권선된 상태에서 스테이터(110)에 분리 가능하게 결합됨이 바람직하다. 이를 위해 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)은 스테이터(110)에 다양한 방식으로 결합될 수 있으며, 본 실시예에서 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150) 각각이 스테이터(110)와 측방향으로의 이탈이 억제되도록 상하로 억지 끼움에 의해 슬라이딩 결합되기 위하여 서로의 결합부위에 결합돌기(142,152) 및 결합홈(113)이 각각 형성된다.
제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)은 마그넷 레이어(130)의 착자 세기를 강화시키기 위하여 마그넷 레이어(130)를 향하는 선단에 착자강화팁(143,153)이 부착됨이 바람직하다.
착자강화팁(143,153)은 마그넷 레이어(130)를 자화시키기 위한 착자력을 강 화시키기 위한 재질, 예컨대, 이방성 네오듐 페라이트 또는 방향성 규소강판 등으로 제작되는데, 착자강화팁(143,153)은 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)에 결합되기 위하여 서로의 결합부위에 슬라이딩 결합되는 결합돌기(143a,153a) 및 결합홈(144,154)이 각각 형성된다.
이와 같은 구조로 이루어진 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기의 동작은 다음과 같이 이루어진다.
본 발명에 따른 극변환식 동기전동기(100)의 구동을 위하여 투스(111)에 권선된 모터코일(112)에 전원을 인가하여 회전 자속을 발생시킴으로써 스테이터(110)측에 발생하는 1차 유기전압과, 이로 인해 로터(120)의 도체(122)로부터 발생되는 2차 유기전압의 상호작용에 의하여 발생되는 스타트 토오크에 의해 로터(120)는 회전하며, 이 때, 마그넷 레이어(130)가 감자 내지 탈자된 상태로 인해 초기 기동시 마그넷 레이어(130)에 의한 부토오크가 발생하지 않게 됨으로써 초기 기동 성능의 저하를 방지할 수 있다.
로터(120)가 회전하여 일정한 회전 속도, 예컨대 동기속도의 75%∼80%에 도달하게 되면 여자코일(141,151) 각각에 미리 프로그램된 파형의 펄스들을 발생시키기 위한 교류 전원을 인가함으로써 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)에 의해 마그넷 레이어(130)에 정해진 수의 N극과 S극이 원주방향을 따라 교대로 배열되도록 자극을 형성시키며, 이로 인해 마그넷 레이어(130)에서 발생되는 자속과 스테이터(110)에서 발생되는 자속이 동기화되어 로터(120)의 회전속도가 동기 속도에 도달하게 된다. 로터(120)가 동기속도에 도달하면, 여자코일(141,151)로 인가되는 교 류전원을 차단하고, 마그넷 레이어(130)는 자화된 상태를 유지하게 됨으로써 계속적인 구동토오크를 발생시킨다.
한편, 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)이 마그넷 레이어(130)에서 극의 형성을 위하여 정해진 부분에 1차 자화 및 2차 자화를 각각 연속적이고도 반복적으로 실시함으로써 도 5에 도시된 바와 같이, 마그넷 레이어(130)가 고출력의 토오크 발생에 이상적인 자화 상태 및 자화 세기에 도달하게 되며, 이로 인해 동기전동기(100)의 고출력 및 고효율을 구현시킬 수 있으며, 나아가서, 착자강화팁(143,153)에 의해 마그넷 레이어(130)의 착자 세기를 한층 높일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기는 서로 인접하도록 설치되는 다수의 익사이팅 폴에 의해 마그넷 레이어에 대한 자화가 연속적이고도 반복적으로 이루어짐으로써 마그넷 레이어의 착자세기를 증대시킴은 물론 이상적인 자화상태를 가지도록 하여 모터의 출력 및 효율을 증대시키는 효과를 가지고 있다.

Claims (4)

  1. 극변환식 동기전동기에 있어서,
    다수로 배열되는 투스에 모터코일이 권선되는 스테이터와,
    상기 스테이터로부터 회전하도록 설치되며, 다수의 도체가 설치되는 로터와,
    상기 로터에 상기 투스와 공극을 가지도록 설치되며, 재자화가 가능한 자성체로 이루어지는 마그넷 레이어와,
    상기 스테이터의 투스 사이에 서로 인접하여 상기 마그넷 레이어와 마주 보도록 다수로 마련되고, 여자코일이 각각 권선되며, 상기 마그넷 레이어에 극을 교대로 배열시키기 위한 자화를 연속적으로 중복되게 실시하는 다수의 익사이팅 폴
    을 포함하는 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 익사이팅 폴은,
    상기 스테이터로부터 분리 가능하게 결합되는 것
    을 특징으로 하는 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 익사이팅 폴은,
    상기 마그넷 레이어를 향하는 선단에 상기 마그넷 레이어의 착자를 강화시키 기 위하여 착자강화팁이 부착되는 것
    을 특징으로 하는 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 착자강화팁은,
    이방성 네오듐 페라이트이거나 방향성 규소강판인 것
    을 특징으로 하는 반복적인 착자가 가능한 극변환식 동기전동기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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