KR101558156B1

KR101558156B1 - 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자

Info

Publication number: KR101558156B1
Application number: KR1020130112470A
Authority: KR
Inventors: 임인철; 영 춘 정
Original assignee: 주식회사 에스엔이노베이션
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2015-10-12
Also published as: WO2015041483A1; KR20150033766A

Abstract

본 발명은 스위칭 릴럭턴스 모터의 자기-기구적 스위칭 진동 음향 소음을 최소화하고 토크 발생 퍼포먼스를 향상시킬 수 있는 밴드형 자기 분할극 구조를 형성하며, 자체 플라이휠을 통해 회전력을 축적하고, 기계적 운동 에너지로 평활시켜 토크 리플을 감소시킬 수 있는 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 본 발명은 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자로서, 링 형상의 회전자 몸체부; 상기 회전자 몸체부의 내측에 등간격으로 형성한 회전자 극; 및 상기 회전자 극에 등간격으로 천공한 다수의 개구공을 포함하고, 상기 회전자 극은 중앙에 단차를 두고 상기 회전자 몸체부의 내부면에서 반경방향 내측으로 일정 길이 돌출된 회전자 볼록극과, 상기 회전자 몸체부의 반경방향 외측으로 일정 길이 수용된 회전자 오목극을 형성한 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 전기자의 스위칭 교번에 의해 정 토크 발생 면적이 큰 밴드형 외륜 회전자에 고 토크를 발생시킬 수 있으므로 회전자 크기에 따라 소출력에서 대출력까지 파워 밀도가 높은 스위칭 릴럭턴스 모터를 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자{OUTER ROTOR FOR SWITCHING RELUCTANCE MOTOR}

본 발명은 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 스위칭 릴럭턴스 모터의 자기-기구적 스위칭 진동 음향 소음을 최소화하고 토크 발생 퍼포먼스를 향상시킬 수 있는 밴드형 자기 분할극 구조를 형성하며, 자체 플라이휠을 통해 회전력을 축적하고, 기계적 운동 에너지로 평활시켜 토크 리플을 감소시킬 수 있는 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자에 관한 것이다.

전기에너지를 회전 기계 에너지로 전환시키는 장치나 전기모터 기술분야에서 꽤 오랜 역사를 갖고 있는 스위칭 릴럭턴스 모터(Switching Reluctance Motor, SRM)는 고정자와 회전자에 각각 돌극이 돌출 형성되어 있고, 상기 고정자의 돌극에 코일이 권선되는 반면 회전자에는 코일 또는 자석이 없는 것이 특징이다.

또한, 스위칭 릴럭턴스 모터는 기존의 유도모터나 동기모터보다 구조가 간단하고, 저렴한 가격으로 생산할 수 있고, 기구적으로도 튼튼하며 영구자석의 제한된 자기에너지에 영향받지 않으므로 단위 체적당 토오크 및 효율이 좋아서 속도-출력 제어 특성이 뛰어나고, 고온 환경에서도 매우 높은 내구성을 제공하는 등 많은 장점이 있다.

이러한 스위칭 릴럭턴스 모터는 권선이 되어 있는 전기자의 돌출극이 여자되면, 권선이 되어 있지 않은 회전자의 돌출극이 상호 일치되어 있지 않은 상태(Unalinged)에서 전기자와 일치된 상태(Aligned)로 움직이는 힘의 토크(Dwelled torque)를 이용하여 회전력을 얻는 전기-기계 에너지 변환 장치이다.

즉 돌출극이 상호 일치되어 있지 않은 가장 높은 릴럭턴스 상태에서 일치되어 가장 낮은 릴럭턴스로 움직이려는 자기회로의 힘을 이용한 것으로서 전기자와 회전자의 돌출극이 상호 연속적으로 릴럭턴스 토크 작용이 일어나도록 구성되어 있으며, 일반적으로 내륜 회전자(Inner Rotor) 2상 모터의 경우 4극 전기자와 2극 회전자로 구성되고, 3상 모터의 경우 6극 전기자와 4극 회전자로 구성되며, 4상 모터의 경우 8극 전기자와 6극 회전자로 구성되고, 5상 모터의 경우 10극 전기자와 8극 회전자 돌출극의 배열로 구성된다.

한편, 외륜형 스위칭 릴럭턴스 모터는 미국 공개특허번호 제2011/0284300A1 호에 내륜 회전자 타입의 스위칭 릴럭턴스 모터의 전기자와 회전자를 바꿔 배치하여 8개의 극 피치로 분할된 고정자 돌출극과, 6개의 극피치를 갖는 돌출극을 형성한 외륜 회전자로 구성된 4상 스위칭 릴럭턴스 모터가 제안되었다.

도 1은 종래 기술에 따른 외륜형 스위칭 릴럭턴스 모터를 나타낸 단면도로서, 외측 무 권선 회전자(1)와, 내측 중심축(6)에 고정된 권선(5) 고정자(3)로 구성된다.

이러한 구성은 회전자와 고정자 모두 돌출극(2, 4) 구조를 형성하여 스위칭 릴럭턴스 모터의 운전시 많은 코깅 소음을 발생시키는데, 이러한 코깅 소음은 회전자(1)의 돌출극(2)이 자기력의 스위칭에 도 2와 같이 전후방향(21)과, 좌우방향(22)으로 쉽게 기계적 진동과 공진을 발생시키기 때문이다.

또한, 이러한 돌출극 회전자 형태는 공기저항을 많이 받아 풍손(Air loss)을 증가시키는 문제점이 있다.

또한, 스위칭 릴럭턴스 모터는 소음과 토크 리플, 기동 불안정 때문에 본격적인 상용화의 문제점이 있고, 이러한 문제점을 해결하기 위해 제어장치나 모터구조가 복잡해지거나 설계 및 가공 조립의 정밀 고도화가 요구되는 문제점이 있다.

미국 공개특허번호 제2011/0284300A1호

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 스위칭 릴럭턴스 모터의 자기-기구적 스위칭 진동 음향 소음을 최소화하고 토크 발생 퍼포먼스를 향상시킬 수 있는 밴드형 자기 분할극 구조를 형성하며, 자체 플라이휠을 통해 회전력을 축적하고, 기계적 운동 에너지로 평활시켜 토크 리플을 감소시킬 수 있는 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자로서, 링 형상의 회전자 몸체부; 상기 회전자 몸체부의 내측에 등간격으로 형성한 회전자 극; 및 상기 회전자 극에 등간격으로 천공한 다수의 개구공을 포함하고, 상기 회전자 극은 중앙에 회전자의 직경에 따라 0.2 ~ 0.5 범위의 값을 갖는 단차(D1)를 두고 상기 회전자 몸체부의 내부면에서 반경방향 내측으로 일정 길이 돌출된 회전자 볼록극과, 상기 회전자 몸체부의 반경방향 외측으로 일정 길이 수용된 회전자 오목극을 형성하며, 상기 단차는 하기식 Do-Di/Do로부터 산출되고, 여기서, Do = 회전자 몸체부의 자계 통로 경계선으로부터 회전자 볼록극까지의 거리이며, Di = 회전자 몸체부의 자계 통로 경계선으로부터 회전자 오목극까지의 거리인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 회전자 몸체부는 외부 둘레에 일정 두께를 형성하여 자계 통로가 형성되도록 하고, 상기 회전자 몸체부의 중량을 증가시켜 관성 모멘트가 증가되도록 하는 플라이휠 코어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 회전자 몸체부는 상기 회전자 볼록극과 회전자 오목극을 구별하는 위치 인코더를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 위치 인코더는 회전자 볼록극에 위치 검출용 통전부를 설치한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 통전부는 알루미늄, 철, 플라스틱, 영구자석 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 회전자 극과 개구공은 상기 회전자 몸체부에 2n+2개 형성되고, 여기서, n = 자연수인 것을 특징으로 한다.

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또한, 본 발명에 따른 상기 개구공은 회전자 볼록극과 회전자 오목극 사이에 일정 간격의 개구부를 형성하고, 상기 간격은 상기 단차와 동일한 값을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 개구공은 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 회전자 몸체부는 적어도 한 장 이상 적층하여 조립한 강자성체인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 회전자 몸체부는 순철, 규소강판 중 하나의 원소 또는 합금을 포함하는 금속재인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전기자의 스위칭 교번에 의해 정 토크 발생 면적이 큰 밴드형 외륜 회전자에 고 토크를 발생시킬 수 있으므로 회전자의 크기에 따라서 소출력에서 대출력까지 파워 밀도가 높은 스위칭 릴럭턴스 모터를 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 회전자에 전기자에 상응하는 돌출극이 없고, 개구공으로 구분되는 각각의 회전자 볼록극과 회전자 오목극 사이에 경사진 단차를 형성하여 회전시 공기저항에 의한 풍손을 감소시켜 자기-기계적 진동과 공진 소음을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 자가 플라이휠 효과로 회전 에너지를 축적함으로써 토크 리플을 감소시켜 기계적 고 토크 특성을 갖는 회전자를 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 외륜형 스위칭 릴럭턴스 모터를 나타낸 단면도.
도 2 는 종래 기술에 따른 회전자를 나타낸 단면도.
도 3 은 본 발명에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자를 나타낸 사시도.
도 4 는 도 3에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자를 나타낸 평면도.
도 5 는 도 3에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자의 개구공 형상을 나타낸 예시도.
도 6 은 본 발명에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자의 토크 발생 원리를 나타낸 파형도.
도 7 은 본 발명에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자의 토크 발생 과정을 나타낸 파형도.
도 8 은 본 발명에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자의 다른 실시예를 나타낸 평면도.
도 9 는 본 발명에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도.
도 10 은 본 발명에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자를 이용한 모터를 나타낸 사시도.
도 11 은 도 10에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자를 이용한 모터를 나타낸 단면도.
도 12 는 도 10에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자를 이용한 모터의 제어회로를 나타낸 전기 회로도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자를 나타낸 평면도이며, 도 5는 도 3에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자의 개구공 형상을 나타낸 예시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자의 토크 발생 원리를 나타낸 파형도이며, 도 7 은 본 발명에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자의 토크 발생 과정을 나타낸 파형도이다.

본 발명에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자(100)는 스위칭 릴럭턴스 모터의 자기-기구적 스위칭 진동 음향 소음을 최소화하고 토크 발생 퍼포먼스를 향상시킬 수 있는 밴드형 자기 분할극 구조를 형성하며, 플라이휠을 통해 기계적 운동 에너지로 평활시켜 토크 리플을 감소시킬 수 있도록 회전자 몸체부(110)와, 회전자 극(120)과, 개구공(130)과, 위치 인코더(321)를 포함하여 구성된다.

상기 회전자 몸체부(110)는 링 형상의 금속 부재로서, 적어도 한 장 이상의 전기 강판을 적층하여 조립한 강자성체이고, 상기 회전자 몸체부(110)는 순철, 규소강판 중 하나의 원소 또는 합금으로 이루어진다.

또한, 상기 회전자 몸체부(110)는 외부 둘레에 일정 두께를 형성하여 자계 통로가 형성되도록 하고, 상기 회전자 몸체부(110)의 중량을 증가시켜 관성 모멘트가 증가되도록 하는 플라이휠 코어부(112)가 자계 통로 경계선(111)을 중심으로 회전자 몸체부(110)의 외부면에 형성된다.

또한, 상기 플라이휠 코어부(112)는 자계 통로(Df)로 기능되도록 하고, 회전체 몸체부(110)의 중량을 증가시켜 상기 회전체 몸체부(110)의 회전 에너지를 축적하는 플라이휠 기능을 수행할 수 있도록 한다.

상기 자계 통로 경계선(111)은 자계 통로(Df)의 길이와 회전자 오목극(122)의 길이(Di)가 같은 중심선이다.

상기 회전자 극(120)은 회전자 몸체부(110)의 내측에 2n+2개(여기서 n은 자연수)가 등간격으로 형성된 6개의 분할 극으로서, 6극 회전자 구조를 형성한다.

상기 회전자 극(120)은 극 피치(Pole Pitch) 간의 중앙에 경사각(예를 들면, 45°)을 형성한 단차(D1)를 형성하고, 회전자 몸체부(110)의 내부면에서 반경방향 내측으로 일정 길이 돌출된 회전자 볼록극(121)과, 상기 회전자 몸체부(110)의 반경방향 외측으로 일정 길이 수용된 회전자 오목극(122)을 형성한다.

상기 회전자 볼록극(121)과 회전자 오목극(122)의 길이는 예를 들면, 개구공 1(130a)과 개구공 2(130b) 사이에 등거리(R3, R4)로 형성된다.

또한, 상기 단차(D1)는 하기식 Do-Di/Do로부터 산출되고, 여기서, Do = 회전자 몸체부(110)의 자계 통로 경계선(111)으로부터 회전자 볼록극(121)까지의 거리이며, Di = 회전자 몸체부(110)의 자계 통로 경계선(111)으로부터 회전자 오목극(122)까지의 거리이고, 상기 단차(D1)는 최소 에어갭보다 크고 회전자 볼록극(121)의 자계 영향으로 역 토크를 발생시키지 않는 충분한 거리로 형성하는 것이 바람직하며, 적정한 거리는 회전자의 직경 비율에 따라 결정하되 Do-Di/Do 값이 0.2 ~ 0.5 범위의 값을 갖는 것이 바람직하다.

상기 개구공(130)은 회전자 극(120)의 회전자 볼록극(121)과 회전자 오목극(122) 사이에 2n+2개(여기서 n은 자연수)개가 등간격으로 천공되고, 상기 개구공(130)은 도 5(a), 도 5(b), 도 5(c)에 나타낸 바와 같이, 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 형상으로 이루어지며, 상기 회전자 볼록극(121)과 회전자 오목극(122) 사이에 일정 간격(D2)의 개구부(131)가 형성된다.

상기 개구부(131)는 회전자 볼록극(121)에 개구부 1(131a)이 형성되고, 회전자 오목극(122)에 개구부 2(131b)가 형성되어 단차(D1) 만큼의 길이 차이가 발생하고, 상기 개구부(131)는 상기 단차(D1)와 동일한 값을 갖는 간격(D2)의 크기로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 간격(D2)은 단차(D1)보다 일정 범위에서 작거나 크게 형성할 수도 있다.

또한, 상기 개구공(130)은 6극 회전자인 경우 개구부(131)의 중심선을 기준으로 60°의 분할 각(R1)을 형성하고, 각 극의 개구부 경계선으로부터는 57.5°의 분할 각(R2)을 갖도록 형성된다.

또한, 상기 개구공(130)은 자계 통로 경계선(111)을 넘지 않도록 회전체 몸체부(110)에 형성된다.

상기 위치 인코더(321)는 회전자(100)의 위치 정보를 제공하는 구성으로서, 바람직하게는 회전자 볼록극(121)과 회전자 오목극(122)의 위치가 구별되도록 하고, 회전자 몸체부(110)의 상면 또는 하면에 설치된다.

또한, 상기 위치 인코더(321)는 회전자 볼록극(121)의 위치를 검출하기 위해 상기 회전자 볼록극(121)에 위치 검출용 통전부(322)가 설치되며, 후술되는 전기자(310)에 설치된 위치 센서(320)와 반응하여 상기 위치 센서(320)가 회전자 볼롤극(121)의 위치를 검출할 수 있도록 한다.

상기 통전부(322)는 알루미늄, 철, 영구자석 중 어느 하나로 이루어지고, 위치 센서(320)와 반응하여 상기 위치 센서(320)가 신호를 검출할 수 있도록 한다.

한편, 본 실시예에 따른 회전자(100)는 설명의 편의를 위해 6개의 분할 극을 갖는 6극 회전자를 이용하여 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 도 8과 같이 회전자 몸체부(110')에 피치각이 90°인 4개의 분할 극을 갖도록 회전자 볼록극(121')과 회전자 오목극(122')을 형성한 회전자 극(120')과 4개의 개구공(130')과 개구부(131')를 형성하여 회전자 볼록극(121')의 정토크 각이 45°인 회전자(100')를 구성할 수도 있고, 도 9와 같이 회전자 몸체부(110")에 피치각이 45°인 8개의 분할 극을 갖도록 회전자 볼록극(121")과 회전자 오목극(122")을 형성한 회전자 극(120")과 8개의 개구공(130")과 개구부(131")를 형성하여 회전자 볼록극(121")의 정토크 각이 22.5°인 회전자(100")를 구성할 수도 있다.

다시 도 3 내지 도 7을 참조하여 회전자(100)의 동작을 설명하면, 회전자 극(120)의 극 피치와 전기자의 극피치에는 도 6(a)의 인덕턴스 파형(200)과 같이 인덕턴스(Lu-La) 최소점(0-Qs)과 상승구간(Qs-Q1) 그리고 구속구간(Q1-Q2)이 있으며, 다시 인덕턴스가 감소하는 구간(Q2-Q3)이 있고, 회전자 각(θ)의 위치에 따라 토크 힘의 방향이 바뀐다.

즉 인덕턴스 상승 구간(Qs-Q1)에서는 도 6(b)와 같이 정토크(Positive torque, 210)가 발생하고, 하강구간(Q2-Q3)에서는 부토크(Negative torque)가 발생한다.

따라서 한 극의 피치에서 절반정도가 회전 토크 발생에 기여하고, 이에 따라 스위칭 릴럭턴스 모터의 원활한 회전 토크를 발생시키기 위해서 정토크 구간(Qs-Q1)에서만 극을 여자시키고, 부토크 구간(Q2-Q3)에서는 여자 전류를 차단하는 스위칭 제어를 하게 된다.

또한, 회전자(100)는 도 7과 같이, 극의 피치(Qs-Q3)는 57.5°이고, 회전자 극(120)의 피치는 회전자 볼록극(121)과 회전자 오목극(122)으로 구분되어 있는데 상기 회전자 볼록극(121)의 정토크 발생 구간(Qs-Q1)은 회전자 극(120)의 절반(28.75°)정도이고, 부토크(22) 발생구간은 회전자 오목극(122)으로 전기자의 자계로부터 부 토크 힘을 받지 않도록 단차(D1)가 형성되어 있어 종래의 회전 토크보다 2배 이상 큰 회전자 각이 존재하며, 인덕턴스 값도 비례하여 증가하게 된다.

따라서 회전자(100)는 1회전 구간(2π)에서 각 극(A, B, C)의 인덕턴스 파형(200)에 따라 개별적으로 57.5°의 절반인 28.75°의 구간에서 정토크(210)가 발생한다.

또한, 회전자(100)는 플라이휠 코어부(112)의 폭과 적층 두께를 통해 회전체의 질량을 충분히 부여함으로써, 회전체 질량과 회전체 반경의 2배에 비례하는 플라이휠 효과를 갖게 하고, 정토크(210)의 가속구간을 제외한 회전자 오목극(122) 구간에서의 토크 리플을 평활시키는 회전 토크 에너지를 축적시킬 수 있다.

본 발명에 따른 회전자(100)가 단상 스위칭 릴럭턴스 모터로 구동되는 실시예를 설명한다.

도 10은 본 발명에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자를 이용한 모터를 나타낸 사시도이고, 도 11은 도 10에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자를 이용한 모터를 나타낸 단면도이며, 도 12는 도 10에 따른 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자를 이용한 모터의 제어회로를 나타낸 전기 회로도이다.

도 10 내지 도 12에 나타낸 바와 같이, 회전자(100)는 회전이 자유로운 하우징(300)에 설치되고, 회전자(100)의 내측에는 단상 코일(330)이 권선된 일자형의 전기자(310)가 고정축(340)을 통해 설치된다.

상기 전기자(310)의 양측 단부에는 회전자 극의 회전자 볼록극(121)과 회전자 오목극(122)과 같은 폭의 피치를 형성한 전기자 오목극(311)과 전기자 볼록극(312)이 형성되고, 상기 전기자 오목극(311)과 전기자 볼록극(312)의 피치 중심에는 단차(313)가 형성된다.

또한, 상기 전기자(310)의 양측 단부에는 위치 센서(320)가 설치되어 회전자(100)의 통전부(322)를 검출한다.

상기 위치 센서(320)는 광 센서, 자기 홀 센서 또는 근접 센서 중 어느 하나로 이루어져 통전부(322)와 반응하여 위치 신호를 출력한다.

한편, 회전자 극(120) A의 회전자 볼록극(121)이 항상 전기자 볼록극(312)과 불일치한 위치(Unaligned position) 즉 시작점(Qs)에 있게 하면, 위치 센서(320)가 회전자(100)의 위치 정보를 제공하는 위치 인코더(321)의 통전부(322)를 감지한다.

상기 위치 센서(320)가 신호를 검출하면 온/오프 제어부(400)가 동작하여 직류 전원의 파워 스위칭 회로의 스위칭 디바이스(S/W)를 온(ON)시켜 코일(330)을 통전시켜 전기자(310)가 여자된다.

상기 위치에서 전기자(310)가 여자되면, 에어 갭과 회전자(100)를 통과한 자기 회로 통로(350)가 형성되어 자기 리액턴스가 가장 작은 위치(Aligned position) 방향(또는 인덕턴스가 가장 큰 방향)으로 회전자(100)가 힘을 받게 되므로 정토크(210, 도 7(b) 참조)가 발생하여 CCW 방향으로 회전하게 된다.

계속해서, 회전자 극(120)의 A극 정토크 구간을 지나면 부토크(211, 도 7(b)참조) 구간에 진입하게 되는데 전기자(310)의 위치 센서(320)가 위치 인코더(321)의 통전부(322)를 벗어나게 되어 전기자(310)의 위치 센서(320)는 상기 부토크(211) 구간에서 스위칭 디바이스(S/W)를 오프(OFF)시킨다.

따라서 전기자(310)는 더 이상 여자되지 않게 되고, 자기력으로부터 자유로워진 회전자(100)는 정토크 구간에서 가속된 플라이휠 코어부(112, 도 3 참조)의 플라위휠 에너지에 의해 다음 극(B)의 시작점(Qs)까지 관성 회전(240)하게 되고, 다시 B극과 C극의 정토크(220, 230, 도 7(b) 참조) 구간에 접어들면, 회전자(100)는 전기자(310)의 여자에 의해 회전 토크를 발생하게 되며, 동시에 플라이휠 코어부(112)에 의한 플라이휠 에너지를 축적하여 B극과 C극의 부토크(221, 231, 도 7(b) 참조) 구간에서도 연속적인 회전력을 갖게 된다.

한편, 상기 회전자(100)는 한 방향으로 회전 토크를 발생하게 되고, 회전자 극(120)과 전기자(310)의 전기자 오목극(311)과 전기자 볼록극(312)의 위치 변경에 따라 회전 방향은 변경된다.

또한, 상기 회전자(100)는 회전자 몸체부의 외경과 적층된 두께에 따라 임의의 출력과 토크-속도 특성을 형성할 수 있게 되어 다양한 외륜 회전자 타입의 스위칭 릴럭턴스 모터를 제공할 수 있다.

따라서 스위칭 릴럭턴스 모터의 운전시 발생하는 자기 기구적 진동 음향 소음과 풍손을 최소화하고, 전기자의 인덕턴스를 최대화하며, 회전자의 원주면 내측의 분할 극 수 대비 정 토크 발생 면적을 최대화시킨 자기 기구적 분할 극 피치 형상과 구조를 형성하여 자기회로 릴럭턴스의 감소와 토크 발생 퍼포먼스를 향상시킬 수 있고, 토크 리플을 감소할 수 있게 된다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있으며, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

100, 100', 100" : 회전자 110, 110', 110" : 회전자 몸체부
111 : 자계 통로 경계선 112 : 플라이휠 코어부
120, 120', 120" : 회전자 극 121, 121', 122" : 회전자 볼록극
122, 122', 122" : 회전자 오목극 130, 130', 130" : 개구공
130a : 개구공 1 130b : 개구공 2
131, 131', 131" : 개구부 131a : 개구부 1
131b : 개구부 2 200 : 인덕턴스 파형
210, 220, 230, 240 : 정 토크 211, 221, 231 : 부 토크
300 : 하우징 310 : 전기자
311 : 전기자 오목극 312 : 전기자 볼록극
320 : 위치 센서 321 : 위치 인코더
322 : 통전부 330 : 코일
340 : 고정축 350 : 자기회로 통로
400 : 온/오프 제어부

Claims

스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자(100)로서,
링 형상의 회전자 몸체부(110);
상기 회전자 몸체부(110)의 내측에 등간격으로 형성한 회전자 극(120); 및
상기 회전자 극(120)에 등간격으로 천공한 다수의 개구공(130)을 포함하고,
상기 회전자 극(120)은 중앙에 회전자의 직경에 따라 0.2 ~ 0.5 범위의 값을 갖는 단차(D1)를 두고 상기 회전자 몸체부(110)의 내부면에서 반경방향 내측으로 일정 길이 돌출된 회전자 볼록극(121)과, 상기 회전자 몸체부(110)의 반경방향 외측으로 일정 길이 수용된 회전자 오목극(122)을 형성하며,
상기 단차(D1)는 하기식 Do-Di/Do로부터 산출되고,
여기서, Do = 회전자 몸체부(110)의 자계 통로 경계선(111)으로부터 회전자 볼록극(121)까지의 거리이며, Di = 회전자 몸체부(110)의 자계 통로 경계선(111)으로부터 회전자 오목극(122)까지의 거리인 것을 특징으로 하는 스위칭 릴럭턱스 모터용 회전자.
제 1 항에 있어서,
상기 회전자 몸체부(110)는 외부 둘레에 일정 두께를 형성하여 자계 통로가 형성되도록 하고, 상기 회전자 몸체부(110)의 중량을 증가시켜 관성 모멘트가 증가되도록 하는 플라이휠 코어부(112)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자.
제 2 항에 있어서,
상기 회전자 몸체부(110)는 상기 회전자 볼록극(121)과 회전자 오목극(122)을 구별하는 위치 인코더(321)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자.
제 3 항에 있어서,
상기 위치 인코더(321)는 회전자 볼록극(121)에 위치 검출용 통전부(322)를 설치한 것을 특징으로 하는 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자.
제 4 항에 있어서,
상기 통전부(322)는 알루미늄, 철, 플락스틱, 영구자석 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회전자 극(120)과 개구공(130)은 상기 회전자 몸체부(110)에 2n+2개 형성되고,
여기서, n = 자연수인 것을 특징으로 하는 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자.
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제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개구공(130)은 회전자 볼록극(121)과 회전자 오목극(122) 사이에 일정 간격(D2)의 개구부(131)를 형성하고,
상기 간격(D2)은 상기 단차(D1)와 동일한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개구공(130)은 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회전자 몸체부(110)는 적어도 한 장 이상 적층하여 조립한 강자성체인 것을 특징으로 하는 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자.
제 11 항에 있어서,
상기 회전자 몸체부(110)는 순철, 규소강판 중 하나의 원소 또는 합금을 포함하는 금속재인 것을 특징으로 하는 스위칭 릴럭턴스 모터용 회전자.