KR101321286B1 - 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터, 상기 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 일측에 구비된 위치감지센서, 및 상기 다상 스위치드 릴럭턴스 모터와 상기 위치감지센서에 연결되어, 상기 위치감지센서의 검출 각도에 따라 전원을 제어하여 상기 다상 스위치드 릴럭턴스 모터로 공급하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치는 토크 맥동, 소음 및 진동이 감소되면서 릴럭턴스 토크를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치{Multi-Phase Switched Reluctance Motor Apparatus}
본 발명은 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 자동차, 항공우주, 군수산업, 의료장비 등의 다양한 분야에서 전동기 수요가 많이 증가하고 있다. 특히, 희토류 물질의 가격 급등으로 영구자석을 활용하는 모터의 단가가 상승하여 새로운 대안으로서 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor)가 다시 주목을 받고 있다.
스위치드 릴럭턴스 모터(SRM: Switched Reluctance Motor)는 국내등록특허공보 제 10-0600540호(2006년 7월 6일 등록)에 기재된 바와 같이 브러시가 없는 형태로 구조가 간단하고 견고하며, 높은 효율과 낮은 제작 비용의 장점이 있다. 이러한 장점과 전력전자 기술의 발달로 인해 최근에 많은 관심의 대상이 되고 있다. SRM은 고정자와 회전자가 이중 돌극으로 구성된 구조로써 고정자에 여자 에너지를 인가할 때 자기적 구조에 의존하여 발생하는 릴럭턴스 토크(torque)로서, 여자 에너지를 인가한 상의 릴럭턴스가 최소화되려는 특성에 기인한다.
스위치드 릴럭턴스 모터의 설계 원리는 Byrne와 Lawrenson 등에 의해 기본 틀이 마련되었고, Miller 등에 의해 정리되었으며, 종래에도 다양한 설계와 구동 방법에 대한 연구가 여러 문헌을 통해 보고되고 있다. 또한, 종래에는 토크 리플을 줄이기 위해 신경망 이론(Neural Network Algorithm)에 의한 최적의 기하학적 형상을 찾는 방법이 소개되기도 하였다. 이들은 주로 기하학적 파라미터인 고정자와 회전자를 토크 리플을 줄이기 위한 설계 변수로서 정의한 설계 방법을 제안했다.
그러나, 종래의 스위치드 릴럭턴스 모터는 토크 발생이 회전자계에 의한 연속적인 방식이 아니라 릴럭턴스 토크를 이용하므로, 높은 토크 맥동이 발생하고 소음과 진동이 심하다는 단점이 있다.
본 발명의 관점은 상기의 문제점을 해소하기 위해 다상 여자(勵磁) 방식으로 토크를 발생시켜, 토크 맥동, 소음 및 진동을 감소시키는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치를 제공하는 데 있다.
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본 발명의 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치는, 다상 스위치드 릴럭턴스 모터와; 상기 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 일측에 구비된 위치감지센서와; 상기 다상 스위치드 릴럭턴스 모터와 상기 위치감지센서에 연결되어 상기 위치감지센서의 검출 각도에 따라 전원을 제어하여 상기 다상 스위치드 릴럭턴스 모터로 공급하는 제어부를 포함하고, 상기 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는, 외주면을 따라 돌출된 다수의 돌극이 형성된 로터와; 상기 로터를 회전가능하게 수용하는 것으로서, 상기 로터의 돌극에 대향하며 코일이 각각 권선된 두 개의 스테이터돌극과, 상기 스테이터돌극에 일체를 이루며 일측스테이터돌극을 통해 들어온 자속을 타측스테이터돌극으로 유도하는 요크로 이루어져 파이(Π)의 형상을 취하는 다수의 스테이터코터와, 상기 각 스테이터코어의 사이에 구비되어 스테이터코어를 상호 결합시키되, 스테이터코어간의 자속이동을 차단하여 자속누설을 방지하는 비자성 절연부와, 상기 절연부의 내부에 설치되며 상기 스테이터코어에서 발생하는 열을 외부로 방열하는 냉각부를 구비한 스테이터를 포함한다.
또한, 상기 로터는, 회전축이 고정결합되는 중공홀이 형성된 로터 코어; 및 상기 스테이터 코어와 대향되도록 상기 로터 코어의 외주면으로부터 돌출형성되는 상기 돌극을 포함한다.
또한, 상기 스테이터는 상기 스테이터 돌극과 상기 로터의 돌극의 비가 12:10가 되도록 구비된다.,
또한, 상기 각 스테이터코어의 요크의 양측 단부는 이웃하는 요크의 단부를 향하도록 연장되고, 연장형성되어 서로 마주보는 상기 요크의 단부는 각각 끼움 결합된다.
아울러, 상기 요크의 일단부는 외부로 돌출형성되는 돌출부가 형성되고, 타단부는 이웃하는 상기 요크의 일단부에 형성된 상기 돌출부와 끼움결합되기 위한 결합홈이 형성된다.
또한, 상기 제어부는 상기 스테이터 코어 각각에 구비된 상기 코일에 연결되어, 상기 위치감지센서의 검출 회전각도 구간에 따라 상기 코일 중 적어도 하나에 전원을 제어하여 공급한다.
또한, 상기 위치감지센서는 엔코더(Encoder), 리졸보(Resolver), 및 포텐셔미터(Potentiometer) 중 어느 하나를 구비한다.
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본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고, 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치는, 토크 맥동, 소음 및 진동이 감소되면서 릴럭턴스 토크를 발생시킬 수 있고, 종래의 단상 여자 구동 방법에 대비하여 토크 리플률을 1/3 이상 감소시켜 종래의 토크 맥동, 소음 및 진동을 감소시킬 수 있다.
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도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동을 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 사시도.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 사시도.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면도.
도 6은 도 5에 도시된 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 사시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 그래프.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 예시도.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 사시도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터, 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 일측에 구비된 위치감지센서(600), 및 다상 스위치드 릴럭턴스 모터와 위치감지센서(600)에 연결되어, 위치감지센서의 검출 각도에 따라 다상 여자 방식으로 전원을 제어하여 다상 스위치드 릴럭턴스 모터로 공급하는 제어부(700)를 포함한다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 복수 개의 스테이터 코어(100a, 100b, 100c)를 포함한 스테이터, 및 제어부의 다상 여자 제어 방법에 의해 상기 스테이터와의 자기력으로 인한 릴럭턴스 토크가 발생하여 일방향으로 회전하는 로터(200)를 포함한다.
구체적으로, 상기 로터(200)는 로터 코어(210)와 복수 개의 돌극(220)을 포함한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 로터 코어(210)의 중앙에는 상기 모터의 회전력을 외부로 전달하기 위한 회전축(230)이 고정결합되는 중공홀(211)이 형성된다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 상기 로터 코어(210)의 외주면으로부터 돌출 형성되는 상기 돌극(220)으로 총 10개가 형성된다. 여기서, 본 발명의 제 1 실시예에서는 로터(200)의 돌극(220)이 총 10 개로 이루어지지만, 로터 코어(210)로부터 돌출 형성되는 로터(200)의 돌극(220)은 10 개 이상으로 이루어질 수도 있다.
또한, 상기 로터 코어(210)와 돌극(220)은 릴럭턴스 토크를 발생시키기 위하여 금속 재질로 이루어진다.
상기 스테이터는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 복수 개의 스테이터 코어(100a, 100b, 100c), 절연부(140), 및 냉각부(150)를 포함한다.
구체적으로, 상기 스테이터 코어는 제 1 스테이터 코어(100a), 제 2 스테이터 코어(100b), 제 3 스테이터 코어(100c), 및 이에 대응하는 각각의 대응 스테이터 코어를 포함하고, 전체적으로 원통 형상을 이루도록 배열되어, 원통 형상의 배열 중앙에 상기 로터(200)가 회전 가능하도록 수용한다.
상기 스테이터 코어(100a, 100b, 100c) 각각은 동일한 형태로 구비되어, 대표적으로 제 1 스테이터 코어(100a)는 요크(110a), 및 복수 개의 스테이터 돌극(120a)으로 이루어진다.
이러한 상기 스테이터 코어(100a, 100b, 100c) 각각은 하나의 상을 구성하기 위하여, 예를 들어 제 1 스테이터 코어(100a)와 다른 하나의 스테이터 코어(100a)는 서로 마주보도록 동일 선상에 배치되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 요크(110a)에는 두 개의 스테이터 돌극(120a)이 구비되어, 상기 스테이터 돌극(120a)이 상기 돌극(220)과 대향되도록 상기 요크(110a)의 내주면으로부터 내측으로 양측에 돌출 형성된다.
이에 따라, 상기 요크(110a)와 스테이터 돌극(120a)은 회전축을 기준으로 이와 직교하는 단면이 파이(π) 형상 또는 "ㅠ" 형상으로 이루어진다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따라 복수 개의 상기 스테이터 코어(100a, 100b, 100c)는 동일하게 파이(π) 형상 또는 "ㅠ" 형상으로 이루어진다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예는 다상 여자 제어 방법에 의해 동작하는 다상의 릴럭턴스 스위치드 모터를 구현하는 것으로서, 외부의 제어부(도시하지 않음)로부터 전원이 다상 여자 제어 방법에 의해 인가되는 코일(130)이 상기 스테이터 돌극(120a,120b,120c) 각각을 다수 권선하여 구비된다.
그리고, 상기 요크(110a)와 스테이터 돌극(120a)은 릴럭턴스 토크를 발생시키기 위하여 금속 재질로 이루어진다.
또한, 전술한 바와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 따라 다상 여자 제어 방법에 의해 동작하는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 각각의 스테이터 코어(100a, 100b, 100c)에 대응하여 마주보는 스테이터 코어와 하나의 상을 이뤄 3상의 스테이터 코어로 구성되므로, 상기 스테이터는 총 6 개의 파이(π) 형상의 스테이터 코어를 구비한다.
따라서, 상기 스테이터 돌극(120a,120b,120c)의 수는 총 12 개로 구비된다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따라서 상기 스테이터 돌극(120)과 상기 로터(200)의 돌극(220)의 비가 12:10이 되도록 6개의 파이 형상인 스테이터 코어를 포함하지만, 스테이터 돌극과 로터의 돌극의 비가 24:20가 되도록 다수의 파이 형상인 스테이터 코어를 포함하여 다상의 스위치드 릴럭턴스 모터를 구현할 수도 있다.
또한, 하나의 상기 스테이터 코어(100a)를 구성하는 상기 스테이터 돌극(120a)과 스테이터 돌극(120a) 사이 및 서로 이웃하는 상기 스테이터(100a, 100b, 100c) 사이에는 절연부(140)가 채워진다.
구체적으로, 본 발명의 제 1 실시예에 따라 상기 스테이터 코어(100a, 100b, 100c)는 각각 세그먼트 형태로 분리되어 있기 때문에 스테이터 코어를 서로 결합시키기 위하여, 상기 스테이터 코어(100a)와 스테이터 코어(100b) 및 스테이터 코어(100c) 사이의 공간에는 상기 절연부(140)가 채워진다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따라 상기 스테이터 코어(100a, 100b, 100c) 상호 간의 자속 이동을 차단하기 위하여 상기 절연부(140)는 비자성이고 절연물질인 수지 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 종래에 스테이터 일체를 금속으로 제작한 스위치드 릴럭턴스 모터에 비해 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 자속이 흐르는 파이 형상인 스테이터 코어만을 금속 재질로 구성하고, 그 이외의 부분을 절연부로 구성함으로써, 스테이터의 중량 및 스테이터의 제조 비용이 감소하는 효과가 있다.
도 1a, 도 1b, 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 장시간 구동에 의해 발열을 하게 되므로, 상기 모터의 내부에서 발생하는 열을 방열시키기 위하여 서로 이웃하는 상기 스테이터 코어(100a, 100b, 100c) 사이에 구비되는 상기 절연부(140)의 내부에 냉각부(150)가 구현된다.
구체적으로, 상기 냉각부(150)는 서로 이웃하는 상기 스테이터 코어(100a, 100b, 100c)에 권선된 상기 코일(130)과 접촉하지 않도록, 상기 절연부(140)의 중앙 부분에 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 냉각부(150)는 워터 쿨링 파이프(water cooling pipe)로 구비되지만, 이에 한정되지 않고 기타 다른 냉매를 이용한 냉각부를 적용할 수 있다.
따라서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 코일(130)로 전원이 인가되면 자기저항(magnetic reluctance)의 변화에 따라 릴럭턴스 토크가 발생하여 이후 상기 로터(200)는 가장 근접한 파이 형상인 상기 스테이터 코어(100a)의 상기 스테이터 돌극(120a)을 향하는 방향으로 회전하게 된다.
이때, 상기 스테이터 코어(100a)와 로터(200)에 흐르는 자속의 흐름은 도 1b에 도시된 바와 같이, 파이(π) 형상을 이루는 상기 요크(110a) 및 두 개의 상기 스테이터 돌극(120a)과 상기 로터(200)를 지나게 된다.
구체적으로, 자속의 흐름은 하나의 상기 스테이터 돌극(120a)과 대향하는 하나의 상기 돌극(220)으로 흐르고, 로터 코어(210)를 경유한 후 다시 나머지 다른 하나의 돌극(220)을 따라 흐른 다음 나머지 다른 하나의 스테이터 돌극(120a)을 경유한다.
이와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 자속의 흐름이 요크(110a)로 흐름으로써 종래의 스위치드 릴럭턴스 모터의 자속 경로보다 자속 경로가 짧게 이루어 지게 된다.
이에 따라, 파이 형상의 상기 스테이터 코어(100a, 100b,100c)와 이에 대향 하는 상기 로터(200)에 의해 자속 경로가 짧아지도록 함으로써 종래의 스위치드 릴럭턴스 모터에 비해 코어 로스(core loss)를 줄이는 효과가 있다.
또한, 스테이터의 일체를 금속으로 제작한 종래의 스위치드 릴럭턴스 모터에 비해 본 발명의 제 1 실시예에 따라 자속이 흐르는 파이 형상인 스테이터 코어만을 금속재질로 구성하고, 그 이외의 부분을 절연재로 구성함으로써, 스테이터의 중량 및 스테이터의 제조 비용이 절감되는 효과가 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 회전축(230)의 일측에 장착되고 제어부(700)에 연결된 위치감지센서(600)를 포함한다. 여기서, 위치감지센서(600)는 일반적으로 사용되는 엔코더(Encoder), 리졸보(Resolver), 또는 포텐셔미터(Potentiometer) 등을 장착한다.
제어부(700)는 이러한 위치감지센서(600)를 통해 검출된 회전각 정보를 이용한 후술의 다상 여자 방식으로 각각의 분할한 회전각도 범위에 따라 전원을 제어하여, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터에 전원을 공급한다.
이러한 다상 여자 방식으로 제어부가 전원을 제어하고 공급함으로써, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치는 토크 맥동, 소음 및 진동이 감소되면서 릴럭턴스 토크를 발생시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터 장치를 도 3과 도 4를 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 스위치드 릴럭턴스 모터의 사시도이다. 본 발명의 제 2 실시예를 설명함에 있어 제 1 실시예와 동일 또는 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하고, 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하, 이를 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터, 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 일측에 구비된 위치감지센서, 및 다상 스위치드 릴럭턴스 모터와 위치감지센서에 연결되고, 위치감지센서의 검출 각도에 따라 다상 여자 방식으로 전원을 제어하여 다상 스위치드 릴럭턴스 모터로 공급하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 하나의 스테이터 요크(310a)의 양측 단부(330a, 332a)가 서로 이웃하는 스테이터 요크의 단부(332b, 330c)를 향하도록 연장되어 서로 결합된다.
구체적으로, 도 3의 "A" 부분에서 하나의 스테이터 요크(310a)의 일단부(330a)에는 외부로 돌출형성되는 돌출부(331a)가 형성되고, 반대편 타단부(332a)에는 상기 돌출부(331a)의 형상과 맞물려 대응되는 결합홈(333b)이 형성된다.
또한, 도 3의 "B" 부분에서 스테이터 요크(310a)의 타단부(332a)에 형성된 결합홈(333a)은 이웃하는 상기 요크(310c)의 일단부(330c)에 형성된 돌출부(331c)와 끼움 결합한다.
따라서, 도 3의 확대된 "A" 및 "B"에 도시된 바와 같이, 상기 스테이터 코어(300a)는 상기 요크(310a)의 양측 단부(330a, 332a)에 형성된 상기 돌출부(331a)와 결합홈(333a)을 이용하여 양측에 배치된 상기 스테이터 코어(300b, 300c)와 결합된다.
이에 따라, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 모터의 제조 공정에 있어서 스테이터 코어를 손쉽게 결합시킬 수 있기 때문에 조립의 수율이 향상되는 효과가 있다. 또한, 상기 모터의 작동 중 파손에 의한 스테이터 코어의 교환 또는 수리를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
추가적으로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 하나의 상기 요크(310a)에서 양측에 결합된 상기 스테이터 코어(300b, 300c) 방향으로 자속 이동을 차단하기 위한 복수 개의 차단홀(340)이 형성된다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 제어부에 의한 다상 여자 제어 방법에 의하여 자속 경로가 제 1 스테이터 코어(300a) 및 상기 제 1 스테이터 코어(300a)와 대향하는 두 개의 돌극(220) 만으로 이루어진다.
또한, 상기 돌극(220)으로부터 상기 스테이터 돌극(320a)을 지나 상기 요크(310a)로 들어오는 자속 이동 경로를 상기 차단홀(340)의 안쪽으로 흐르도록 하여 더욱 짧은 자속 경로를 얻을 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 종래의 스위치드 릴럭턴스 모터에 비해 자속 경로를 짧게 할 수 있고, 다상 여자 제어 방법으로 전원을 제어하여 공급함으로써, 토크 맥동, 소음 및 진동을 감소시키면서 토크를 발생시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터 장치를 도 5와 도 6을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 스위치드 릴럭턴스 모터의 사시도이다. 본 발명의 제 3 실시예를 설명함에 있어 이전 실시예와 동일 또는 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하고, 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터, 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 일측에 구비된 위치감지센서, 및 다상 스위치드 릴럭턴스 모터와 위치감지센서에 연결되어, 위치감지센서의 검출 각도에 따라 다상 여자 방식으로 전원을 제어하여 다상 스위치드 릴럭턴스 모터로 공급하는 제어부를 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 서로 이웃하는 스테이터 요크(510a, 510b, 510c)가 서로 일체로 연결되어 원통 형상의 외곽(530)을 형성함으로써 일체형의 스테이터를 구성할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 파이(π) 형상인 다수의 스테이터 코어(500a, 500b, 500c)를 일체형으로 제작할 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치의 제어 방법에 대해 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 그래프이고, 도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다. 여기서, 도 8 내지 도 10은 도 1a에 도시된 다상 스위치드 릴럭턴스 모터를 예시적으로 변형 도시한 예시도이다.
본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따라 상기 다양하게 구현될 수 있는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 외부의 제어부에 의한 다상 여자 제어 방법으로 각각의 분할한 회전각도 범위에 따라 선택적으로 해당하는 상에 관한 스테이터 코어들 중 적어도 하나에 구비된 코일에 전원이 인가되고, 이에 따른 자기 저항(magnetic reluctance)의 변화에 따라 릴럭턴스 토크가 발생한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 다상 여자 제어 방법은 도 8에 도시된 제 1 스테이터 코어(100a), 제 2 스테이터 코어(100b), 제 3 스테이터 코어(100c) 중 예컨대 인접하는 제 1 스테이터 코어(100a) 및 제 2 스테이터 코어(100b)와 같은 2개의 상(相) 구간에 대한 토크 명령값(Commanded Torque; Te *)을 정의하는 것부터 설명한다.
토크 명령값은 아래의 [수학식 1]에 기재된 바와 같이 인접하는 2개 상에서의 상 토크 명령값(Phase Torque Command), 예컨대 제 1 스테이터 코어(100a)의 상 토크 명령값(Tx *)과 제 2 스테이터 코어(100b)의 상 토크 명령값(Ty *)의 합이 될 수 있다는 특징에 기초한다.
Figure 112012014943211-pat00003
이러한 [수학식 1]에 대해 제 1 스테이터 코어(100a)에 구비된 코일(130)에 인가되는 상 전류(ix) 및 제 2 스테이터 코어(100b)에 구비된 코일(130)에 인가되는 상 전류(iy)가 전류 명령값(ix *,iy *)과 오차 허용값 이하를 유지할 경우, 즉 ix * ≒ ix, iy * ≒ iy로 가정할 수 있을 경우, [수학식 1]은 아래의 [수학식 2]로 변형될 수 있다.
Figure 112012014943211-pat00004
Figure 112012014943211-pat00005

만약, 상호 인덕턴스(Mutual Inductance)까지 고려할 경우, 아래 [수학식 3]의 관계를 만족한다.
Figure 112012014943211-pat00006
Figure 112012014943211-pat00007
Figure 112012014943211-pat00008
Figure 112012014943211-pat00009

여기서, gx(θ)≡∂Lx(θ)/∂θ, gy(θ)≡∂Ly(θ)/∂θ, gxy(θ)≡∂Mxy(θ)/∂θ 이고, L은 자체 인덕턴스(self-inductance)이며, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)이며, θ는 돌극(220)의 회전 각도이다.
이러한 [수학식 3]에서 fx(θ), fy(θ), fxy(θ)의 TDF(Torque Distribution Function)는 아래의 [수학식 4]와 같은 구속조건을 만족한다.
Figure 112012014943211-pat00010
(0≤fx(θ)≤1, fx(θi) = 1, fx(θf) = 0, 0≤fy(θ)≤1, fy(θi) = 0, fy(θf) = 1 (θi ≤θ≤θf))
이를 만족하는 TDF는 다양한 형태로 정의할 수 있지만, 본 발명의 실시예에 따라 아래와 같은 [수학식 5]의 TDF를 정의한다.
Figure 112012014943211-pat00011
Figure 112012014943211-pat00012

이때, 제 1 스테이터 코어(100a)에 구비된 코일(130)에 인가되는 상 전류(ix) 및 제 2 스테이터 코어(100b)에 구비된 코일(130)에 인가되는 상 전류(iy)는 아래의 [수학식 6]과 같이 계산된다.
Figure 112012014943211-pat00013
Figure 112012014943211-pat00014

이러한 12/10의 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 구조에 최적화된 다상 여자 제어 방법은 도 8에 도시된 바와 같이, 돌극(220) 사이의 회전 각도 범위를 6 개의 각도 구간으로 나누고 TDF를 적용하여 구현한다.
구체적으로, 12/10의 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는 10개의 돌극(220)을 가지므로, 연속하는 2개의 돌극(220) 사이의 36도 회전각도영역을 6 개의 분할각도 구간으로 균등분할하고, 각각의 분할각도 구간에 TDF를 적용하여 구현한다.
이에 따라, 토크 명령값(Te *)이 각각 양인 경우와 음인 경우에 대해 회전각 구간별 TDF에 대해 [표 1]과 [표 2]와 같이 정리할 수 있다. 여기서, 아래 [표 1]과 [표 2]는 하나의 예로서, 6도씩 균등하게 6 등분한 경우를 나타내지만, 이에 한정되지 않고 돌극(220)의 개수, 선행각(advance angle) 값 등을 고려하여 균등하게 6 등분되지 않은 비균등 회전각 구간으로 분할하여 총합이 36도가 되도록 하는 방법도 가능하다.
회전각 구간 θi ≤θ≤θf( deg ) Te * ≥0
fa Ⅰ (0,6)
Figure 112012014943211-pat00015
Ⅱ (6,12) 1
Ⅲ (12,18)
Figure 112012014943211-pat00016
Ⅳ (18,24) 0
Ⅴ (24,30) 0
Ⅵ (30,36) 0
fb Ⅰ (0,6) 0
Ⅱ (6,12) 0
Ⅲ (12,18)
Figure 112012014943211-pat00017
Ⅳ (18,24) 1
Ⅴ (24,30)
Figure 112012014943211-pat00018
Ⅵ (30,36) 0
fc Ⅰ (0,6)
Figure 112012014943211-pat00019
Ⅱ (6,12) 0
Ⅲ (12,18) 0
Ⅳ (18,24) 0
Ⅴ (24,30)
Figure 112012014943211-pat00020
Ⅵ (30,36) 1
여기서, [표 1]과 [표 2]에서, fa는 제 1 스테이터 코어(100a)에 관한 TDF이고, fb는 제 2 스테이터 코어(100b)에 관한 TDF이며, fc는 제 3 스테이터 코어(100c)에 관한 TDF이다.
회전각 구간 θi ≤θ≤θf( deg ) Te * < 0
fa Ⅰ (0,6) 0
Ⅱ (6,12) 0
Ⅲ (12,18) 0
Ⅳ (18,24)
Figure 112012014943211-pat00021
Ⅴ (24,30) 1
Ⅵ (30,36)
Figure 112012014943211-pat00022
fb Ⅰ (0,6) 1
Ⅱ (6,12)
Figure 112012014943211-pat00023
Ⅲ (12,18) 0
Ⅳ (18,24) 0
Ⅴ (24,30) 0
Ⅵ (30,36)
Figure 112012014943211-pat00024
fc Ⅰ (0,6) 0
Ⅱ (6,12)
Figure 112012014943211-pat00025
Ⅲ (12,18) 1
Ⅳ (18,24)
Figure 112012014943211-pat00026
Ⅴ (24,30) 0
Ⅵ (30,36) 0
이와 같은 [표 1]과 [표 2]의 정리된 결과는 도 7에 도시된 토크 그래프로 나타낼 수 있고, 이러한 그래프에서 본 발명의 실시예에 따른 다상 여자 제어 방법은 토크 명령값(Te *)이 양인 경우 각각의 회전각 구간에 대해 최대 토크를 갖는 상에 해당하는 스테이터 코어의 코일에 전원을 인가한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 다상 여자 제어 방법은 토크 명령값(Te *)이 음인 경우 각각의 회전각 구간에 대해 최소 토크를 갖는 상에 해당하는 스테이터 코어의 코일에 전원을 인가한다.
구체적으로, 도 7에 도시된 토크 그래프에서 "Ⅰ" 구간에 대응하여 0도의 회전각 초기 상태에 관해 도시한 도 8을 참조한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 도 7에 도시된 토크 그래프에서 "Ⅰ" 구간에 대응하여 "R"로 표시된 돌극(220)이 제 1 스테이터 코어(100a)와 0도의 회전각 초기 상태에 있고, 인가된 전원에 의해 돌극(220)이 시계 방향으로 6도의 회전각까지 "Ⅰ" 구간에 대해 최대 릴럭턴스 토크를 나타내는 (100c + 100a) 상, 즉 제 3 스테이터 코어(100c)와 제 1 스테이터 코어(100a) 및 이에 대응하는 스테이터 코어 각각의 코일(130)에 전원을 선택적으로 인가하여 릴럭턴스 토크를 발생시킨다.
"Ⅱ" 구간에 대해서는 최대 릴럭턴스 토크를 나타내는 100a 상, 즉 제 1 스테이터 코어(100a)와 이에 대응하는 스테이터 코어의 코일(130)에만 전원을 선택적으로 인가하여 릴럭턴스 토크를 발생시킨다.
"Ⅲ" 구간에 대해서는 최대 릴럭턴스 토크를 나타내는 (100a + 100b) 상, 즉 제 1 스테이터 코어(100a)와 제 2 스테이터 코어(100b) 및 이에 대응하는 스테이터 코어 각각의 코일(130)에만 전원을 선택적으로 인가하여 릴럭턴스 토크를 발생시킨다.
"Ⅳ" 구간에 대해서는 최대 릴럭턴스 토크를 나타내는 100b 상, 즉 제 2 스테이터 코어(100b)와 이에 대응하는 스테이터 코어의 코일(130)에만 전원을 선택적으로 인가하여, 그래프 위의 이미지에서처럼 제 2 스테이터 코어(100b)와 대응하는 스테이터 코어에 전류가 흘러 릴럭턴스 토크를 발생시킨다.
"Ⅴ" 구간에 대해서는 도 7과 도 9에 도시된 바와 같이 최대 릴럭턴스 토크를 나타내는 (100b + 100c) 상, 즉 제 2 스테이터 코어(100b)와 제 3 스테이터 코어(100c) 및 이에 대응하는 스테이터 코어 각각의 코일(130)에만 전원을 선택적으로 인가하여, 그래프 위의 이미지에서처럼 제 2 스테이터 코어(100b)와 제 3 스테이터 코어(100c) 및 이에 대응하는 스테이터 코어에 전류가 흘러 릴럭턴스 토크를 발생시킨다.
또한, "Ⅵ" 구간에 대해서는 도 7과 도 10에 도시된 바와 같이 최대 릴럭턴스 토크를 나타내는 100c 상, 즉 제 3 스테이터 코어(100c)와 이에 대응하는 스테이터 코어의 코일(130)에만 전원을 선택적으로 인가하여 릴럭턴스 토크를 발생시킨다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 다상 여자 제어 방법은 토크 명령값(Te *)이 양인 경우, 도 7의 "o o o o o"로 표시한 "C" 부분처럼 각각의 회전각 구간에 대해 최대 토크를 갖는 상에 해당하는 스테이터 코어의 코일에 전원을 선택적으로 인가하여 릴럭턴스 토크를 발생시킨다.
반면에, 본 발명의 실시예에 따른 다상 여자 제어 방법은 토크 명령값(Te *)이 음인 경우, 도 7의 그래프 아래에 "o o o o o"로 표시한 부분처럼 각각의 회전각 구간에 대해 최소 토크를 갖는 상에 해당하는 스테이터 코어의 코일에 전원을 선택적으로 인가하여 반시계 방향의 릴럭턴스 토크를 발생시킨다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 다상 여자 제어 방법은 종래의 단상 여자 구동 방법에 대해 토크 리플률(Trip)을 이용하여 그 효과를 비교할 수 있다.
구체적으로, 토크 리플률(Trip)은 아래의 [수학식 7]과 같이 정의된다.
Figure 112012014943211-pat00027
Figure 112012014943211-pat00028
(Trip 은 토크 리플률, Tmax는 최대 토크, Tmin은 최소 토크, Tave는 평균 토크, τ는 순시 토크)
이러한 토크 리플률(Trip)의 식에 따라 본 발명의 실시예에 따른 다상 여자 제어 방법과 종래의 단상 여자 구동 방식을 비교하면, 종래의 단상 여자 구동 방법에 따른 도 7의 "xxxxx"로 표시한 "D" 영역에서 토크 리플율이 74%이지만, 본 발명의 실시예에 따른 다상 여자 제어 방법에 따른 도 7의 "C" 영역에서 토크 리플율이 20%로 감소한다.
이에 따라, 종래의 단상 여자 구동 방법에 대비하여 본 발명의 실시예에 따른 다상 여자 제어 방법은 토크 리플률(Trip)이 1/3 이상 감소하는 효과가 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 다상 여자 제어 방법은 종래의 단상 여자 구동 방법보다 토크 리플률(Trip)을 감소시켜, 종래의 토크 맥동, 소음 및 진동을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100a, 100b, 100c: 스테이터 코어 110a, 110b, 110c: 요크
120a, 120b, 120c: 스테이터 돌극 130: 코일
140: 절연부 150: 냉각부
200: 로터 210: 로터 코어
220: 돌극 230: 회전축

Claims (17)

  1. 다상 스위치드 릴럭턴스 모터와; 상기 다상 스위치드 릴럭턴스 모터의 일측에 구비된 위치감지센서와; 상기 다상 스위치드 릴럭턴스 모터와 상기 위치감지센서에 연결되어 상기 위치감지센서의 검출 각도에 따라 전원을 제어하여 상기 다상 스위치드 릴럭턴스 모터로 공급하는 제어부를 포함하고,
    상기 다상 스위치드 릴럭턴스 모터는,
    외주면을 따라 돌출된 다수의 돌극이 형성된 로터와;
    상기 로터를 회전가능하게 수용하는 것으로서, 상기 로터의 돌극에 대향하며 코일이 각각 권선된 두 개의 스테이터돌극과, 상기 스테이터돌극에 일체를 이루며 일측스테이터돌극을 통해 들어온 자속을 타측스테이터돌극으로 유도하는 요크로 이루어져 파이(Π)의 형상을 취하는 다수의 스테이터코터와, 상기 각 스테이터코어의 사이에 구비되어 스테이터코어를 상호 결합시키되, 스테이터코어간의 자속이동을 차단하여 자속누설을 방지하는 비자성 절연부와, 상기 절연부의 내부에 설치되며 상기 스테이터코어에서 발생하는 열을 외부로 방열하는 냉각부를 구비한 스테이터를 포함하는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치.
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  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 로터는
    회전축이 고정결합되는 중공홀이 형성된 로터 코어; 및
    상기 스테이터 코어와 대향되도록 상기 로터 코어의 외주면으로부터 돌출형성되는 상기 돌극을 포함하는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테이터는 상기 스테이터 돌극과 상기 로터의 돌극의 비가 12:10가 되도록 구비되는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 스테이터코어의 요크의 양측 단부는 이웃하는 요크의 단부를 향하도록 연장되고, 연장형성되어 서로 마주보는 상기 요크의 단부는 각각 끼움 결합되는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 요크의 일단부는 외부로 돌출형성되는 돌출부가 형성되고, 타단부는 이웃하는 상기 요크의 일단부에 형성된 상기 돌출부와 끼움결합되기 위한 결합홈이 형성되는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 스테이터 코어 각각에 구비된 상기 코일에 연결되어, 상기 위치감지센서의 검출 회전각도 구간에 따라 상기 코일 중 적어도 하나에 전원을 제어하여 공급하는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치감지센서는 엔코더(Encoder), 리졸보(Resolver), 및 포텐셔미터(Potentiometer) 중 어느 하나를 구비하는 다상 스위치드 릴럭턴스 모터 장치.
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