KR101644572B1 - 스위치드 릴럭턴스 모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 여자코일에 여자되는 고정자 극 및 고정자 극과 마주하는 회전자 극을 각각 단차에 의해 2단 직경을 갖는 극으로 구성하여서, 토크 리플과 진동 소음을 줄이고, 토크 효율을 높인 외륜 회전자 타입의 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것이다.

Description

스위치드 릴럭턴스 모터{SWITCHED RELUCTANCE MOTOR}
본 발명은 여자코일에 여자되는 고정자 극 및 고정자 극과 마주하는 회전자 극을 각각 단차에 의해 2단 직경을 갖는 극으로 구성하여서, 토크 리플과 진동 소음을 줄이고, 토크 효율을 높인 외륜 회전자 타입의 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것이다.
스위치드 릴럭턴스 모터(SRM : Switched Reluctance Motor)는 고정자에만 여자코일을 권선하고 회전자를 어떠한 여자수단(여자코일 또는 영구자석)도 없이 철심으로만 구성하여 브러시(Brush)가 필요 없는 간단한 구조를 갖는다. 이에 따라, 스위치드 릴럭턴스 모터는 제작하기 쉽고, 견고하여 다른 모터에 비해 상대적으로 신뢰성이 높고, 가격 경쟁력이 우수하여서, 다양한 응용분야에서 관심을 갖는 모터이다.
도 1은 종래의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 전형적인 종래의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터는 고정자의 내부에 회전자를 자유 회전할 수 있게 배치한 일반적인 모터의 기본 구조에서, 일정한 공극(air gap)을 사이에 두고 상호 대향하는 돌극(11, 21)을 고정자(20)와 회전자(10)에 각각 형성하여 이중 돌극 구조를 갖는다. 여기서, 고정자(20)의 돌극(12)에 여자코일(22)이 권선되어 있다.
이와 같이 구성되는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터에서 회전자의 회전각(회전 위치)에 따라 형성되는 인덕턴스(Inductance) 및 토크(Torque)는 도 2에 도시한 바와 같이 나타난다.
도 2를 참조하면, 회전자의 반시계 방향 회전각에 대한 인덕턴스는 회전자 돌극(11)과 고정자 돌극(21)이 상호 대향하기 시작하는 시점의 회전각(θs)에서 증가하기 시작하여 회전자 돌극(11)과 고정자 돌극(21)이 정렬(align)되는 시점(θ1~θ2)에 최대(Lmax)가 되고, 이후 점차 감소하기 시작하여 회전자 돌극(11)과 고정자 돌극(21) 사이의 상호 대향하는 면이 사라진 시점의 회전각(θ3)에서 최소(Lmin)가 되며, 이후 회전자 돌극(11)과 고정자 돌극(21)이 상호 대향하기 시작하는 시점의 회전각(θs)에서 회전각에 따라 증가한 후 감소하게 된다. 여기서, 회전자 돌극(11)과 고정자 돌극(21)이 정확하게 정렬(align)되는 시점의 회전각, 즉, 회전자 돌극(11)의 중심과 고정자 돌극(21)의 중심이 서로 일치하는 회전각에서 인덕턴스가 최대가 되지만, 정렬되는 회전각을 기준으로 소정의 전후 회전각(θ1, θ2)까지는 인덕턴스가 거의 균일하므로 정렬 위치를 구간(θ1~θ2)으로 표시한다. 이와 같이 정렬된 구간(θ1~θ2)을 기동 사점(Dead Point)이라고 한다.
여기서, 여자코일에 전압을 인가하면 인덕턴스가 증가하는 구간(θs~θ1)에는 정토크(Tmax)가 발생하고, 인덕턴스가 감소하는 구간(θ2~θ3)에는 부토크(-Tmax)가 발생한다. 즉, 고정자의 돌극을 여자하면, 회전자는 인덕턴스가 증가하는 방향으로 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque)를 받게 되어 회전하고, 고정자 돌극과 회전자 돌극이 정렬(align)되는 위치에 이르게 된다. 회전자가 정렬 위치(θ1~θ2)에 이르게 되면 이후 부토크가 발생하므로 정렬 위치(θ1~θ2) 이전에 여자코일의 전압 인가를 차단하고 다음 릴럭턴스 증가 구간(θs~θ1) 또는 그 전에 여자코일에 전압을 인가하여 일 방향 회전 토크가 연속되게 한다.
이와 같은 회전자의 회전각에 따른 인덕턴스 및 토크의 특성에 따라, 회전자의 회전 위치를 감지하는 인코더를 설치하고, 인덕턴스가 증가하는 구간(θs~θ1)에 대응되는 여자 통전구간(θon-θoff)을 설정하고 여자코일(22)에 전압을 통전 또는 차단하는 스위칭 소자를 구비한 전력공급수단을 설치함으로써, 회전자가 정토크에 의해 일방향으로 회전하는 스위치드 릴럭턴스 모터를 구성할 수 있다. 여기서, 여자코일에 전압을 인가하는 여자 통전구간(θon-θoff)은 여자 코일(22)의 인덕턴스(L) 크기와 여자 전압 오프시 발생하는 여자코일(22)의 자기유도 전류의 소멸 시간을 고려하여 정격 토크의 제어 범위에 따라 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)의 위치에 대응되게 설정된다.
한편, 정지한 모터를 기동할 시에 회전자가 기동 사점(θ1~θ2)에 있으면 기동이 안되므로, 별도의 기동수단을 이용하여 회전자를 기동 가능한 회전각으로 조정한 후 여자코일을 여자하여 기동한다.
또한, 돌극을 포함한 코어가 포화되지 않고 많은 자속량이 회전자 돌극을 통해 흐르도록 하여 최대 인덕턴스를 크게 하고, 슬롯의 점적률을 높이기 위해서, 일반적으로 회전자 돌극(11)의 극호각(βr, arc angle)을 고정자 돌극(21)의 극호각(βs)보다 크게 설계한다.
그렇지만, 스위치드 릴럭턴스 모터는 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)에만 정 토크를 발생시켜 회전하고 정렬 위치(θ1~θ2) 이후부터는 부 토크가 발생하므로 여자 전압을 차단해야하기 때문에 급격한 자기적 변화로 토크 리플과 기계적 진동 소음이 발생한다. 즉, 도 2에 도시한 전류 파형을 살펴보면 여자코일에 전압을 인가함에 따라 초기에 전류가 증가한 후 정상 평형 전류(Flat-Topped Phase Current)가 흐르고 이후 전압 인가를 중지하면 전류가 급격히 감소하여 소자되므로, 전류가 급격히 증가하는 구간과 급격히 소자되는 구간에서 코깅 및 토크 충격이 발생한다. 결국, 소음이 커지고 불필요한 전력 손실이 커져 효율도 저하된다.
이러한 토크 리플 및 소음은 복잡한 구조의 다상 설계로 일부 해소할 수 있지만, 특히, 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터에서는 간격이 넓은 비 여자구간 대비 짧은 토크 발생 여자구간의 회전자와 고정자의 쌍 돌극 구조상 불연속적인 토크 변화로 진동 및 소음이 크게 발생한다.
이러한 토크 리플을 줄이기 위해서, 공개특허 제10-2014-0073395호는 회전자 돌극과 고정자 돌극에 대한 극호각(βr, βs)의 설계기준을 제시하였다.
또한, 회전자 돌극의 선단부에 단차부를 형성하여 기동문제를 일부 해소할 수 있고, 등록특허 제10-0677285호에 따르면 회전자 돌극의 선단부 가장자리에 축선 방향을 따라 관통공을 형성하여서 기동 안정성을 향상시키고 소음도 저감할 수 있는 방법을 제공하였다.
하지만, 회전자 돌극을 고정자 돌극의 극호각보다 상대적으로 크게 형성하여서, 단차에 의해 낮게 형성된 부분 또는 관통공이 형성된 부분이 고정자 돌극에 근접함에 따라 나타나는 인덕턴스의 영향을 이용하는 것이므로, 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)에 진입하는 순간 또는 끝나는 순간에서만 토크 변동량을 일부 줄이는 것에 불과하여 여전히 토크 리플이 크게 발생한다.
한편, 외륜 회전자(Outer Rotor) 방식의 스위치드 릴럭턴스 모터는 여자코일에 의해 여자되는 돌극이 내측의 고정자에 형성되므로, 내륜 회전자(Inner Rotor) 방식과 구조적으로 상이하다. 공개특허 제10-2012-0134984호에 개시한 바와 같이 짧은 자속 경로에 의한 코어 손실을 줄이고 토크 특성을 향상시키는 연구가 있었다. 하지만, 토크 리플을 줄이고 토크를 최대화하기 위한 2중 단차 돌극의 자기 릴럭턴스와 인덕턴스 조합 및 극호각에 대한 선행기술 문헌이나 공지기술은 검색되지 않았다.
이에, 본 발명자는 토크 리플을 줄이고 토크를 최대화하는 외륜 회전자를 창안하여 한국 출원번호 제10-2013-0112470호로 특허출원하였으며, 본 발명에서는 보다 향상된 성능을 위해 고정자와 외륜 회전자를 구성한 모터를 개시한다.
KR 10-0677285 A 2007.01.26. KR 10-2014-0073395 A 2014.06.16. KR 10-2012-0134984 A1 2012.12.12.
따라서, 본 발명의 목적은 인덕턴스를 완만하게 변화시키고 돌극 돌출을 최소화하여 불연속적인 토크 변화와 충격에 의한 기계적 자기진동과 회전토크 리플을 줄이고, 비 여자구간을 최소화하며 정토크 유효각을 최대한 증대시킨 외륜 회전자 방식의 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 내면에 원주방향을 따라 등 방사각으로 형성한 복수의 회전자 극(110) 간에 자로(磁路)를 형성하는 회전자(100); 회전자의 내부에 고정 설치되며, 외면에 원주방향을 따라 형성하여 상호 간에 자로를 형성하는 복수의 고정자 극(210)에 여자코일(214)을 권선하고, 적어도 한쌍의 고정자 극(210)이 공극을 사이에 두고 서로 다른 회전자 극(110)에 하나씩 동시에 정렬(align)되는 고정자(200); 회전자(100)의 회전 위치를 감지하는 회전 위치 센서(300); 및 정토크를 발생시키기 위해 인덕턴스 증가 구간에 대응되게 미리 설정한 여자 통전구간(θon-θoff)에 여자코일(214)에 전압을 인가하는 컨트롤러(400);를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서,
상기 회전자 극(110) 및 고정자 극(210)은 각각 단차(113, 213)가 형성되어 높이가 상이한 볼록극(111, 211)과 오목극(112, 212)으로 양분되되, 상호 정렬(align)될 시에 회전자 볼록극(111)과 고정자 오목극(212)이 마주하고 회전자 오목극(112)과 고정자 볼록극(211)이 마주하며, 상기 컨트롤러(400)는 회전자 볼록극(111)과 고정자 볼록극(211) 간에 형성되는 인덕턴스 증가 구간에 대응되도록 상기 여자 통전구간이 설정되어 설정된 여자 통전구간(θon-θoff)에 여자코일(214)에 전압을 인가함을 특징으로 한다.
상기 회전자(100)는 회전자 극(110) 간의 경계에 요홈 형상의 피치홀(120)을 구비하여, 복수의 회전자 극(110)이 피치 홀(120)에 의해 구분되어 형성되게 함을 특징으로 한다.
고정자 볼록극(211)이 어느 하나의 회전자 극(110)의 회전자 볼록극(111)과 마주하기 시작하여 마주하는 면의 면적이 증가할 시에, 고정자 오목극(212)은 피치 홀(120)을 경계로 인접하는 다른 하나의 회전자 극(110)의 회전자 볼록극(111)과 마주하는 면의 면적이 감소하게 됨을 특징으로 한다.
회전자 극(110) 및 고정자 극(210)의 단차(113, 213)는 각각 볼록극(111, 211)에서 오목극(112, 212)을 향해 하향 경사지게 형성됨을 특징으로 한다.
회전자 극(110) 및 고정자 극(210)의 단차(113, 213)는 각각 회전자 극(110) 및 고정자 극(210)의 중심에 형성됨을 특징으로 한다.
상기 피치 홀(120)의 입구의 원주 방향 폭은 고정자 극(210)의 단차(213)의 횡방향 폭과 동일함을 특징으로 한다.
회전자 극(110) 및 고정자 극(210)의 단차(113, 213)는 회전자 볼록극(111)과 고정자 볼록극(211)이 정렬될 시의 공극(G1)의 1~5배임을 특징으로 한다.
상기 단차(113, 213)의 경사각은 30~60°임을 특징으로 한다.
쌍으로 구비되는 고정자 극(210)은 각각 서로 다른 회전자 극(110)에 동시 정렬되고, 상기 컨트롤러(400)는 각각의 고정자 극(210) 여자코일(214)을 동시에 여자하여서, 단상 스위치드 릴릭턴스 모터로 동작함을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시 형태에서는, 상기 회전자(100)의 회전자 극(110)의 개수는 2n+2개이고, n은 자연수이며, 상기 고정자(200)는 회전자 극(110)에 동시 정렬되는 2n개의 고정자 극(210)을 구비하고, 고정자 극(210)이 회전자 극(110)에 정렬될 시에, 고정자 극(210)에 정렬되지 아니하는 2개의 회전자 극(110)의 단차(113)와 하나씩 마주하고 기동극 여자코일(221)이 권선되는 2개의 기동극(220)을 구비하며, 상기 컨트롤러(400)는 모터를 기동할 시에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있으면 회전 위치 센서(300)로 감지하는 여자 통전구간(θon-θoff)에 맞춰 고정자 극 여자코일에 전압을 인가하여 기동을 시도하고, 모터를 기동할 시에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있지 아니하거나 또는 기동 시도가 실패할 시에, 마이크로프로세서에서 출력하는 PWM 파형을 이루는 기동 신호에 따라 기동극을 여자하는 동작과 고정자 극을 여자하는 동작을 반복하는 중에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있게 될 시에 기동을 재시도함을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시 형태에서는, 상기 회전자(100)는 k를 자연수라고 할 시에 복수의 회전자 오목극 중에 2k개의 회전자 오목극(112)에 각각 하나씩 장착하는 영구자석(130)을 구비하되, 상기 영구자석(130)은 피치홀(120)에 치우치게 회전자 오목극(112)에 장착되고, k개의 영구자석(130)과 나머지 k개의 영구자석(130)이 서로 다른 극성으로 내부를 향하게 장착됨을 특징으로 한다.
상기 영구자석(130)은 피치홀(120)의 입구를 가로질러 회전자 볼록극(111)의 원주방향 측면에 밀착되게 장착됨을 특징으로 한다.
상기 영구자석(130)은 회전자 오목극(112)의 극호각(βrc)의 1/5배 내지 2/3배의 극호각(βm)을 갖는 원호 형상으로 형성되어 외면을 회전자 오목극(112)에 밀착되게 장착되게 하고 공극(G1)을 유지하게 함을 특징으로 한다.
상기 컨트롤러(400)는 모터를 기동할 시에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있으면 회전 위치 센서(300)로 감지하는 여자 통전구간(θon-θoff)에 맞춰 고정자 극 여자코일에 전압을 인가하여 기동을 시도하고, 모터를 기동할 시에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있지 아니하면 마이크로프로세서에서 출력하는 PWM 파형을 이루는 기동 신호에 따라 기동극을 여자하는 동작을 반복하여 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있게 될 시에 기동함을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 여자코일에 여자되는 고정자 극 및 고정자 극과 마주하는 회전자 극을 각각 단차에 의해 2단 직경을 갖는 극으로 구성하고, 고정자 극의 볼록극과 회전자 극의 볼록극 간에 형성되는 인덕턴스가 양(+)의 기울기로 증가는 구간에 대응되게 맞춰 고정자 극을 여자할 뿐만 아니라 동시에 고정자 오목극과 회전자 볼록극 간의 공극을 통한 자기 릴럭턴스 댐핑효과로 인덕턴스를 완만하게 변화시켜 토크 리플을 줄이고, 회전자 돌극의 돌출을 최소화하여 진동폭을 저감시키고, 오목극으로 하여금 돌극의 기계적 진동을 최대한 흡수하게 하고, 자기 극호각을 최대화한 극으로 릴럭턴스 토크를 발생시켜 토크 퍼포먼스를 극대화하고, 고정자 여자코일의 여자를 통해 회전자를 회전시킬 시에 전체적인 스위칭 인덕턴스의 손실을 줄여 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면도.
도 2는 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 회전각에 따라 변동하는 인덕턴스(Inductance), 전류(Current) 및 토크(Torque)의 변동을 타임 차트로 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 고정자와 회전자가 결합된 부분의 단면도.
도 4는 고정자 및 회전자의 분리 단면도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 구성도로서, 회전 위치 센서(300)의 설치위치를 보여주기 위해 상면도로 도시한 도면,
도 6은 회전자의 회전각 변동에 따른 극의 배치를 보여주는 단면도.
도 7은 회전자의 회전각 변동에 따른 인덕턴스와 토오크의 그래프.
도 8은 컨트롤러(400)의 회로구성도.
도 9는 컨트롤러(400)의 제어에 의한 기동 방법의 순서도.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 고정자와 회전자의 결합 단면도.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 고정자와 회전자의 결합 단면도.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에서, 고정자와 회전자의 분리된 상태 단면도.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에서, 회전자의 위치에 따른 고정자 볼록극과 영구자석 간의 배치 상태 및 회전 위치 센서(300)와 반사판(310) 간의 배치 상태를 보여주는 상면도.
도 14는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서 여자코일의 전류 파형을 도시한 그래프.
본 발명의 실시예를 설명하기에 앞서서 용어를 정의한다.
정렬(align)은 회전자와 고정자의 극(볼록극 또는 오목극에도 해당됨) 중심이 서로 일치하여 마주하는 면의 면적이 최대가 된 상태이며, 실제로는 고정자 극의 중심에서 소정 범위의 회전각(θ1~θ2) 내에 회전자 극의 중심이 위치한 상태를 정렬된 상태로 한다. 그리고, 정렬된 상태의 회전각 범위를 정렬 회전각(θ1~θ2)이라고 한다.
비정렬(unalign)은 회전자와 고정자의 극(볼록극 또는 오목극에도 해당됨) 중심이 서로 일치하지 아니하고, 회전자 극 간의 경계 중심에 고정자의 극 중심이 마주하는 상태이며, 볼록극 간의 비정렬 상태는 회전자의 볼록극 중심이 고정자의 오목극 중심과 마주한 상태를 의미한다.
인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)은 본 발명의 실시예에 있어서, 고정자 볼록극과 회전자 볼록극이 상호 대향하기 시작하는 시점부터 정렬되기 직전까지 회전자의 회전각 구간으로서, 인덕턴스 기울기가 양(+)인 구간으로 나타난다. 이에, 이 구간에서는 고정자 볼록극과 회전자 볼록극 간의 자기 저항이 회전자의 회전에 따라 점차 감소하고, 고정자 극을 여자코일로 여자할 시에 인덕턴스는 점차 증가하여 정토크가 발생한다. 마찬가지로, 고정자 볼록극과 회전자 오목극 간의 자기 저항, 고정자 오목극과 회전자 볼록극 간의 자기 저항, 및 고정자 오목극과 회전자 오목극 간의 자기 저항도 각각 비정렬 상태에서 정렬 상태로 갈수록 감소한다.
인덕턴스 감소 구간(θ2~θ3)은 정렬 회전각(θ1~θ2) 이후에 회전자의 회전각을 변경할 시에 인덕턴스가 감소하게 되는 회전각 구간으로서, 이때 여자코일에 전압을 인가하면 정토크와 반대되는 방향의 부토크가 발생한다. 회전자의 회전 구동을 위해서 인덕턴스 감소 구간에는 정렬 회전각과 마찬가지로 여자코일에 전압을 인가하지 않는다.
인덕턴스 증가 시작점(θs)은 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)이 시작하는 회전각으로서, 고정자 볼록극과 회전자 볼록극이 상호 대향하기 시작하는 시점이다.
인덕턴스 증가 종료점(θ1)은 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)이 끝나는 회전각으로서, 정렬되기 직전의 위치에 해당된다.
턴온 회전각(θon)은 여자코일에 전기를 공급하기 시작하는 회전각으로서, 인덕턴스 증가 시작점(θs)에 맞출 수도 있지만 유효 토크각을 최대화하기 위해서 일반적으로 인덕턴스 증가 시작점(θs)보다 앞서도록 설정한다. 이에, 일반적으로 소정의 전압에서 여자코일에 흐르는 전류가 충분히 증가하면 인덕턴스 증가 구간에서 더이상 전류가 상승하지 못하고 평형을 이루는 정상 평형 전류(Flat-Topped Phase Current)가 흐르게 된다. 그런데, 턴온 회전각(θon)은 인덕턴스 증가 시작점(θs)보다 앞서게 설정하더라도 초기 전류가 과도하게 상승하지 않게 하거나 또는 회전자 돌극이 이전 고정자 돌극의 역 릴럭턴스 토크에 영향받지 않게 하는 범위로 설정한다. 턴온 회전각(θon)을 인덕턴스 증가 구간 뒤로 하게 되면 토크를 감소시키고 속도를 제어할 수 있다.
턴오프 회전각(θoff)은 인덕턴스 증가 종료점(θ1)에 맞추어 여자코일에 공급하던 전기를 끊는 시점이며, 일반적으로 인덕턴스 증가 종료점(θ1)의 이전에 맞춘다. 이러한 턴오프 회전각은 일반적으로 여자코일에 축적된 자기유도 전기가 적어도 정렬 회전각(θ1~θ2)의 끝나는 시점 이전에 소멸되게 하여 역토크 영향을 받지 않게 하기 위해서 회전자 위치 검출 인코더에 의하거나 아니면 프로그램적으로 설정된다.
여자 통전구간(θon-θoff)은 여자코일에 전압을 인가하여 전기를 공급하는 회전각 범위로서, 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)과 동일하게 할 수도 있으나, 상기한 바와 같이 일반적으로 인덕턴스 증가 구간에 정상 평형 전류(Flat-Topped Phase Current)를 흐르게 하고 여자코일의 소자(消磁, demagnetization) 특성을 고려하여 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)과는 약간 차이 나게 한다. 즉, 실질적인 여자 통전구간은 정토크를 발생시키기 위해 인덕턴스 증가 구간에 대응되게 미리 또는 프로그램적으로 설정한 구간으로 정의할 수 있다.
자속 통로는 자기력선속이 공극을 사이에 두고 고정자와 회전자 간을 일주하는 닫힌 회로이며, 본 발명에서는 폐경로의 일부분을 나타내는 용어로도 사용한다. 예를 들면, 철심에 의해 형성되는 서로 다른 고정자 극 간의 자속 통로와 서로 다른 회전자 극 간의 자속 통로가 공극에 의해 서로 이어져 일주하는 폐경로를 구성한다고 설명한다. 누설자속이 지나가는 자속 통로도 존재하지만 대부분의 자기력선속이 지나는 경로를 지칭한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 고정자(200)와 회전자(100)가 결합된 부분의 단면도이고, 도 4는 고정자(200) 및 회전자(100)의 분리 단면도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 구성도로서 회전 위치 센서(300)의 설치위치를 보여주기 위해 상면도로 도시한 도면이다.
도 6은 회전자(100)의 회전각 변동에 따른 극의 배치를 보여주는 단면도이고, 도 7은 회전자의 회전각 변동에 따른 인덕턴스의 그래프이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터는 회전자(100), 고정자(200), 회전 위치 센서(300) 및 컨트롤러(400)를 포함하여 구성되며, 회전자가 외륜형이고 1상 전기를 공급받으며 외륜 회전자(outer rotor) 타입을 갖는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터로 구성된다.
상기 회전자(100)는 내부가 비어있는 링 형상으로 구성되며 고정자(200)의 중심(230)을 지나는 선상의 회전축을 중심으로 회전할 수 있게 되어 있고, 고정자(200)의 중심을 기준으로 하는 원을 그리는 내면을 구비한다. 그리고, 상기 회전자(100)의 내면에는 원주방향을 따라 등 방사각으로 배치된 복수의 회전자 극(110)이 형성되어 있고, 회전자 극(110) 간의 경계에 요홈 형상의 피치 홀(120)을 구비하여서, 복수의 회전자 극(110)을 피치 홀(120)에 의해 구분할 수 있다.
여기서, 상기 회전자(100)은 일반적인 모터의 회전자처럼 적어도 한 장 이상의 전기 강판을 적층하여 조립한 강자성체로 구성할 수 있고, 예를 들어 순철 또는 규소강판으로 구성하거나 아니면 순철 또는 규소강판을 포함한 합금으로 구성할 수 있다. 이에 따라, 회전자 극(110) 간의 자속 통로가 피치 홀(120)를 외측으로 우회하여 형성된다. 물론, 피치 홀(120)을 경계로 상호 인접하는 회전자 극(110) 간에 피치 홀(120)을 통과하는 자속 통로도 존재하지만, 피치 홀(120)에 의한 공기층은 자기저항이 상대적으로 매우 크므로, 강자성체로 구성된 몸체를 통해서 자속 통로가 형성되는 것으로 볼 수 있다.
본 발명에 따르면, 각각의 회전자 극(110)은 내면에 단차(113)가 형성되어 높이가 다른 회전자 볼록극(111)과 회전자 오목극(112)으로 양분된다. 즉, 고정자 중심(230)을 기준으로 반경이 상이한 동심원 상에 회전자 볼록극(111)과 회전자 오목극(112)이 형성되어서, 회전자(100)의 내면은 원주방향을 따라 회전자 볼록극(111)과 회전자 오목극(112)이 서로 번갈아가며 배치된다.
이때, 인접하는 회전자 극(110)의 사이에 형성되는 피치 홀(120)은 어느 한쪽 회전자 극의 회전자 오목극(112)과 다른 한쪽 회전자 극의 회전자 볼록극 사이의 경계를 이루어서, 회전자(100)의 회전시에 후술하는 고정자 볼록극(211)과의 인덕턴스 변동이 피치 홀(120)에서 뚜렸하게 나타나게 한다. 즉, 피치 홀(120)을 설치하지 않는 경우보다 인덕턴스 변동을 크게 하여서, 릴럭턴스 토크를 증대시킨다.
본 발명의 실시예에서는 회전자(100)가 4극 구조이므로, 4개의 회전자 극(110)이 원주방향을 따라 등간격으로 배치되고, 4개의 피치 홀(120)도 등간격으로 조성되며, 회전자 극(110)의 극호각(arc angle, βr)은 피치 홀(120)의 입구의 원주 방향 폭(D1)에 의해서 2π/4보다 약간 작게 된다. 그리고, 상기 단차(113)가 회전자 극(110)의 내면 중심에 형성되어서, 회전자 극(110)을 회전자 볼록극(111)과 회전자 오목극(112)으로 이등분한다.
한편, 하기에서 도 7(c)을 먼저 참조하면, 단상 구조의 모터에 의해 인덕턴스 증가 구간이 간헐적으로 나타나므로, 정토크 구간도 간헐적으로 발생하여 정토크 구간 간의 사이는 비여자 통전구간이 되어 토크가 발생하지 아니한다. 이에, 상기 회전자(100)는 회전 관성력을 높여 부하 토크 리플을 줄이기 위한 플라이휠(flywhee)을 장착하거나 또는 외륜 회전자 자체의 관성력을 높이기 위한 중량을 크게 하는 것이 좋다.
상기 고정자(200)는 상기 회전자(100)의 내부에 고정 설치되며, 상기 회전자(100)의 내면과 마주하는 외면에 원주방향을 따라 배치되는 복수의 고정자 극(210)을 구비한다. 본 발명의 실시예에서 고정자 극(210)은 회전자(100)의 회전축 선상에 있는 중심을 기준점으로 하여 방사상으로 돌출되게 형성되되, 상기 회전자(100)의 내면과 공극(air gap)을 사이에 두고 마주하는 외면이 중심을 기준으로 하는 원호를 그리게 한다.
고정자(200)는 회전하지 않도록 고정설치되는 구성요소로서, 고정자의 자기코어가 정력 출력에서 자속 포화되지 않을 정도의 자속 통로와 부피를 갖추면 되므로, 필요 이상의 부피에 해당되는 중심부위에 구멍(230)을 형성하고, 이 구멍(230)을 이용하여 회전하지 않도록 고정설치한다.
그리고, 고정자 극(210)은 여자코일(214)이 권선되어 있어서 여자코일(214)에 전기를 공급함에 따라 여자되어 자성을 띄게 되며, 쌍으로 배치되어 동일한 쌍에 속하는 고정자 극(210)이 서로 다른 회전자 극(110)에 하나씩 동시에 정렬(align)된다. 따라서, 적어도 한쌍의 고정자 극(210)이 상기 고정자(200)에 구비되며, 도 3 내지 도 5에 도시한 모터에는 1쌍의 고정자 극(210)만 구비되어 있다. 이때, 고정자 극(210)은 중심(230)을 기준으로 대칭구조를 갖게 되므로, 고정자 극(210) 간에 180°의 회전각 차이가 난다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고정자는 회전자 극(110)의 개수만큼 등 방사각(원주방향으로 등간격)으로 배치한 극(210, 220)을 구비하되, 회전자의 회전축 선상에 있는 중심점(230)을 기준으로 대칭인 한쌍의 극을 기동극 여자코일(221)을 권선한 기동극(220)으로 사용하고, 나머지 극을 상기한 고정자 극(210)으로 사용한다. 따라서, n을 자연수라 하고 고정자 극(210)의 개수를 2n이라 하면, 회전자 극(110)의 개수는 2n+2가 된다. 도 3 내지 도 5에 도시한 바에 따르면 n=1이고, 고정자 극(210)은 2x1=2개이며, 회전자 극(110)은 2x1+2=4개이다.
그리고, 고정자(200)는 회전자(100)처럼 통상의 모터 코어 재질 및 적층구조를 갖게 되어서, 고정자 극(210) 간에 자속 통로를 형성하고, 기동극(220) 간에도 자속 통로를 형성한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 단상 스위치드 릴럭턴스 모터로 구성되므로, 쌍으로 배치되는 모든 고정자 극(210)이 회전자 극(110)에 하나씩 동시 정렬되고 비정렬될 시에도 동시에 비정렬된다. 또한, 각각의 고정자 극(210)에 권선된 여자코일(214)에 전압을 인가할 시에도 동시에 전압을 인가한다.
여기서, 쌍으로 구비되는 기동극(220)은 고정자 극(210)이 회전자 극(110)에 정렬될 시에, 고정자 극(210)에 정렬되지 아니하고 남는 2개의 회전자 극(110)의 단차(113)와 하나씩 일대일로 대향한다.
상기 고정자 극(210)은 회전자 극(110)과 마찬가지로 단차(213)가 형성되어 높이가 다른 고정자 볼록극(211)과 고정자 오목극(212)으로 양분되며, 단차(213)가 고정자 극(210)의 중간에 형성되어 고정자 볼록극(211)과 고정자 오목극(212)으로 이등분된다. 이때, 고정자 극(210)의 단차(213)는 고정자 극(210)이 회전자 극(110)에 정렬될 시에 단차(213)의 형성방향이 회전자 극(110) 단차(113)과 동일하여서, 공극을 사이에 두고 회전자 볼록극(111)과 고정자 오목극(212)이 마주하고 회전자 오목극(112)과 고정자 볼록극(211)이 마주하게 한다.
도 3 및 도 4에 도시한 실시예에 따르면, 고정자 극(210)의 극호각(βs)이 회전자 극(110)의 극호각(βr)과 동일하지만, 회전자 극(110)의 극호각(βr)보다 약간 크게 하여서, 회전자 극(110)을 고정자 극(210)에 정렬할 시에 회전자 볼록극(111)의 일부가 고정자 볼록극(211)과 마주하거나 아니면 적어도 근접하게 할 수 있으며, 이 경우에는 정렬 상태에서도 고정자 극(210)을 여자하여 모터를 기동시킬 수 있는 상태가 된다.
상기 기동극(220)은 단차가 형성되지 아니하고 고정자 극(210)의 극호각(βs)보다는 작은 극호각을 갖추되, 고정자 극(210)이 회전자 극(110)에 정렬될 시에, 마주하는 회전자 극(110)의 단차(113)에 이어지는 회전자 볼록극(111)의 일부 및 회전자 오목극(112)의 일부와 마주할 수 있는 극호각을 갖춘다. 이와 같이 형성되는 기동극(220)은 기동극 여자코일(221)로 여자될 시에 회전자 볼록극(111)과 정렬하려는 릴럭턴스 토크를 발생시킨다.
상기 회전자 극(110)과 고정자 극(210)에 형성한 단차(113, 213) 및 상기 회전자 극(110)에 형성한 피치 홀(120)에 대해서 도 4를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 회전자 극(110)의 단차(113)의 높이(H) 및 고정자 극(210)의 단차(213)의 높이(h)는 회전자 볼록극(111)과 고정자 볼록극(211)이 정렬될 시의 공극(air gap)의 1~5배로 하였다. 이는, 고정자 극(210)의 여자코일(214)에 전기를 공급할 시에 고정자 볼록극(211)과 마찬가지로 여자되는 고정자 오목극(212)의 영향 및 고정자 극(210)과 마주하는 2단 구조의 회전자 극(110)의 영향을 반영하여 충분한 토크를 발생시키면서 토크 리플을 줄이기 위함이다. 이에 대해서는 하기에서 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.
여기서, 회전자 극(110)의 단차(113)의 높이(H) 및 고정자 극(210)의 단차(213)의 높이(h)는 서로 상이한 값을 갖게 하여도 되지만, 동일한 값을 갖게 할 수도 있다.
그리고, 회전자 극(110)의 단차(113)는 회전자 볼록극(111)에서 회전자 오목극(112)을 향해 하향 경사지게 형성되고, 고정자 극(210)의 단차(213)도 고정자 볼록극(211)에서 고정자 오목극(212)을 향해 하향 경사지게 형성된다. 본 발명의 실시예에서는 이때의 하향 경사각(R)을 30°~60°으로 하였다. 하향 경사각(R)이 30°보다 작을 경우, 단차(113, 213)의 원주방향 폭(D, d)이 지나치게 커져서 볼록극(111, 211)과 오목극(112, 212)의 면적이 줄어들고, 하향 경사각(R)이 60°보다 클 경우, 고정자 볼록극(211)과 회전자 볼록극(111)이 턴온 회전각(θs)에서 역토크의 우려가 있을 뿐만 아니라 풍손도 증가하므로, 상기한 각도가 바람직하다.
그리고, 회전자 극(110)의 단차(113)의 경사각(R)과 고정자 극(210)의 단차(213)의 경사각(r)을 동일하게 하여서, 회전자 극(110)을 고정자 극(210)에 정렬할 시에 단차(113, 213) 간에 평행을 이루게 하는 것이 좋다.
상기 피치 홀(120)의 입구의 원주방향 폭(D1)은 회전자 볼록극(111) 및 회전자 오목극(112)에 비해 상대적으로 매우 작게 형성한다. 이에 따라, 고정자 볼록극(211)이 어느 하나의 회전자 극(110)의 회전자 볼록극(111)과 마주하기 시작할 시에, 고정자 오목극(212)이 피치 홀(120)을 경계로 인접하는 다른 하나의 회전자 극(110)의 회전자 볼록극(111)과 정렬된 상태에서 비정렬된 상태로 전환된다.
결국, 고정자 볼록극(211)이 어느 하나의 회전자 극(110)의 회전자 볼록극(111)과 정렬하기 위해 마주하는 면의 면적이 증가할 시에, 고정자 오목극(212)이 피치 홀(120)을 경계로 인접하는 다른 하나의 회전자 극(110)의 회전자 볼록극(111)과 마주하는 면의 면적은 감소하게 된다.
그리고, 고정자 볼록극(211)이 어느 하나의 회전자 극(110)의 회전자 볼록극(111)에 정렬될 시에, 고정자 극(210)의 단차(213)가 피치 홀(120)과 마주하고, 고정자 오목극(212)은 피치 홀(120)을 경계로 인접하는 다른 하나의 회전자 극(110)의 회전자 오목극(112)에 정렬된다.
바람직하게는 상기 피치 홀(120)의 입구의 원주방향 폭(D1)은 회전자 극(110)의 단차(113)의 원주방향 폭(D)으로 하는 것이고, 회전자 극(110)의 단차(113)의 원주방향 폭(D)도 고정자 극(210)의 단차(213)의 원주방향 폭(d)으로 하는 것이다.
이와 같이 회전자(100) 및 고정자(200)를 구성함으로써, 여자코일에 의해 고정자 볼록극(211)과 고정자 오목극(212)이 동시에 여자된다. 이에 따라, 고정자 볼록극(211)과 회전자 볼록극(111) 간의 자기 저항이 점차 감소하는 중에, 고정자 오목극(212)을 통한 자기 저항은 점차 증가하여서, 자기 저항의 변동 폭이 감소한다. 결국, 토크 리플을 줄일 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 6(a)는 회전자(100)가 턴온 회전각(θs)의 위치에 있는 상태이다. 즉, 회전자 볼록극(111)이 고정자 볼록극(211)과 마주하기 시작하는 시점의 상태이다.
도 6(b)는 인덕턴스 증가 시작점(θs)에서 회전자를 회전시켜 회전자 볼록극(111)과 고정자 볼록극(211) 간의 마주하는 면의 면적을 넓히는 중의 상태이다. 즉, 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1) 내에 있는 상태이다.
도 6(c)는 회전자를 더욱 회전시켜 회전자 볼록극(111)을 고정자 볼록극(211)에 정렬시킨 상태이다. 즉, 회전자가 정렬 회전각(θ1~θ2)에 놓였을 때의 상태이다.
도 6(d)은 회전자 볼록극(111)과 고정자 볼록극(211)이 정렬된 상태에서 회전자를 회전시켜 비정렬(unalign) 상태로 전환되는 시점이다. 즉, 인덕턴스 감소 구간(θ2~θ3)에 놓인 상태이다.
또한, 도 6은 고정자 볼록극(211)이 회전자 볼록극(111)과 마주할 시의 제1 공극(G1), 고정자 볼록극(211)이 회전자 오목극(112)과 마주할 시의 제2 공극(G2), 고정자 오목극(212)이 회전자 볼록극(111)과 마주할 시의 제3 공극(G3) 및 고정자 오목극(212)이 회전자 오목극(112)과 마주할 시의 제4 공극(G4)도 보여준다.
이와 같이 회전자를 반시계방향으로 회전시킴에 따라 고정자 볼록극(211)과 회전자 볼록극(111) 간에 형성되는 인덕턴스 파형은 도 7(a)에 도시한 바와 같이 인덕턴스 증가 시작점(θs)에서 시작하여 인덕턴스 증가 구간(θs-θ1) 동안 양(+)의 기울기로 증가하고, 정렬 회전각(θ1-θ2)에서 최대점(L11)으로 정체되고, 이후, 비정렬 상태로 전환되는 중에 부(-)의 기울기로 감소하여 비정렬 상태에서 최저점(L12)에 이른다. 그리고, 고정자 볼록극(211)과 회전자 볼록극(111)이 비정렬된 상태에서 인덕턴스 증가 시작점(θs)까지는 최저점(L12)을 유지하며, 이후 동일한 파형이 주기적으로 반복된다. 반복 주기는 회전자가 4극 구조이므로 전기각은 90°이다.
여기서, 고정자 볼록극(211)과 회전자 볼록극(111) 간에 형성되는 인덕턴스에 있어서, 최대점(L11)은 제1 공극(G1)의 크기에 좌우되고, 최저점(L12)은 제2 공극(G2)의 크기에 좌우된다. 즉, 최대점과 최저점의 차이로 나타나는 인덕턴스 파형의 진폭은 회전자 극(110)의 단차(113)의 높이(H)에 의해서 결정되며, 본 발명의 실시예에 따르면, 회전자 극(110)의 단차(113)의 높이(H)를 제1 공극(G1)의 1~5배로 하므로, 진폭이 종래기술에 비해 상대적으로 작다.
아울러, 본 발명에 따르면 회전자 극(110)이 2단 직경의 단면을 갖추어 상기 고정자 볼록극(211)과 동시에 여자되는 고정자 오목극(212)이 존재한다.
도 6을 다시 참조하면, 고정자 오목극(212)과 회전자 볼록극(111) 간의 마주하는 면의 면적은 회전자 볼록극(111)과 고정자 볼록극(211) 간의 마주하는 면이 증가하면 할수록 감소하고, 회전자 볼록극(111)과 고정자 볼록극(211)이 상호 정렬될 시에 최저점(L22)이 되며, 회전자 볼록극(111)과 고정자 볼록극(211) 간의 마주하는 면이 감소하면 할수록 증가하여서, 회전자 볼록극(111)과 고정자 볼록극(211)이 비정렬될 시에 최대점(L21)이 된다.
여기서, 고정자 오목극(212)에 의한 인덕턴스 파형에 있어서, 최대점(L21)은 고정자 오목극(212)이 회전자 볼록극(111)에 정렬될 시의 제3 공극(G3)에 의해 좌우되고, 최저점(L22)은 고정자 오목극(212)이 회전자 오목극(112)에 정렬될 시의 제4 공극(G4)에 의해 좌우된다. 이때, 제3 공극(G3)은 제1 공극(G1)보다 고정자 극(210)의 단차(213)의 높이(h)만큼 크고, 제4 공극(G4)도 제2 공극(G1)보다 고정자 극(210)의 단차(213)의 높이(h)만큼 크다.
이에 따라, 도 7(b)에 도시한 바와 같이 고정자 오목극(212)에 의한 인덕턴스 파형은 고정자 볼록극(211)에 의한 인덕턴스 파형과 전기각으로 180°위상차(기계적 각도로 보면 4극 구조이므로 45°위상차)를 갖고, 최대점(L21) 및 최저점(L22)이 각각 고정자 볼록극(211)에 의한 인덕턴스의 최대점(L11) 및 최저점(L12)보다 상대적으로 작다.
결국, 고정자 극(210)과 회전자 극(110) 간에 형성되는 인덕턴스 파형은 도 7(a)에 도시한 고정자 볼록극(211)에 의한 인덕턴스와 도 7(b)에 도시한 고정자 오목극(212)에 의한 인덕턴스의 합성에 의해서 도 7(c)에 도시한 바와 같이 나타난다.
즉, 합성된 인덕턴스 파형은 고정자 오목극(212)에 의한 인덕턴스를 반영하기 이전과 대조하면, 고정자 오목극(212)이 회전자 볼록극(111)과 상호작용하여 댐핑(damping) 역할을 하므로, 최대점(Lmax)는 미약하게 감소하고, 최저점(Lmin)은 최대점(Lmax)의 감소폭보다 상대적으로 크게 증가한다. 한편, 본 발명에 따른 모터는 도 7(d)와 같이 비여자 통전구간 대비 정토크 유효 면적율이 높아 종래의 단상 스위치드 릴럭턴스 모터(도 2)보다 토크 퍼포먼스가 뛰어나고, 기구적으로 안정적이며, 리플이 적은 토크를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터는 턴온 회전각(θs)에서 여자 코일(214)로 고정자 극(210)을 여자할 시에 순간 돌입전류(Rush current)를 완화시키고, 모터의 구동 중에 스위칭 인덕턴스 손실을 줄여 효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 자기적 릴럭턴스 토크 충격을 줄여 토크 리플과 소음을 줄인다. 즉, 정토크로 돌입할 시에 전기적 및 자기-기계적 충격을 완화한다.
상기와 같이 구성되어 결합되는 고정자 및 회전자는 회전 위치 센서(300) 및 컨트롤러(400)에 의해서 회전자를 회전 구동시킨다.
상기 회전 위치 센서(300)는 회전자(100)의 회전 위치를 감지한다.
여기서 감지하는 회전자(100)의 회전 위치는 여자 통전구간(θon-θoff)을 얻기 위한 턴온 회전각(θon)과 턴오프 회전각(θoff)이다. 일반적으로, 턴온 회전각(θon)은 여자코일에 전압을 인가할 시에 전류를 충분히 상승시킨 후 인덕턴스 증가 구간에 돌입하도록 인덕턴스 증가 시작점(θs)보다 앞에 설정하되 과도한 돌입 전류가 발생하거나 역토크가 발생하지는 않는 회전각으로 설정하고, 턴오프 회전각(θoff)은 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1) 내에 설정하여서 전압 인가를 종료(off)한 후 여자코일의 자기 유도전력이 역토크가 발생하는 지점(θ2) 이전에 충분히 소멸되게 한다.
이러한 회전 위치 센서(300)는 종래기술에서 언급한 다양한 방식을 채용할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 예시적으로 상기 회전 위치 센서(300)를 발광부와 수광부를 갖는 광센서로 구성하여 고정자 볼록극(211)의 상부에 설치하고, 발광부의 빛을 반사하여 수광부에서 감지하게 하는 반사판(310)을 회전자 볼록극(111)의 상부에 설치하였다.
여기서, 본 발명처럼 단상 스위치드 릴럭턴스 모터로 구성하는 경우, 회전 위치 센서(300)는 복수 고정자 볼록극(211) 중에 어느 하나에 설치하면 되고, 반사판(310)은 회전자(100)에 구비된 모든 회전자 볼록극(111)에 하나씩 설치하여야 한다.
그리고, 회전자의 회전방향을 결정하고, 결정한 회전방향으로 회전자를 회전시킬 시에 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)에 대응되게 미리 설정한 여자 통전구간(θon-θoff)에 맞춰 반사판(310)을 설치한다. 이에 따라, 회전 위치 센서(300)가 턴온 회전각(θon)에서 제1 신호를 발생시키고, 턴오프 회전각(θoff)에서 제2 신호를 발생시키게 한다.
예시적으로, 본 발명의 실시예에서 상기 회전 위치 센서(300)는 고정자 볼록극(211)에 설치되되, 회전자 볼록극(111)과 마주하기 시작하는 부위의 끝단에 설치된다. 그리고, 상기 반사판(310)은 여자 통전구간(θon-θoff)의 회전각 범위를 갖는 원호 형상으로 길게 형성되어 회전자 볼록극(111)에 여자 통전구간(θon-θoff)의 위치에 맞게 설치된다. 도면에는 여자 통전구간(θon-θoff)을 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)과 동일하게 하였으나, 상기한 바와 같이, 턴온 회전각(θon)을 인덕턴스 증가 시작점(θs)보다 앞서게 할 경우, 상기 반사판(310)은 피치 홀(120)을 향해 약간 치우치게 한다.
이와 같이 설치한 상기 회전 위치 센서(300)는 반사판에 반사되는 빛을 감지할 시에 'Low' 신호를 발생시키고, 빛을 감지하지 못할 시에 'High'신호를 발생시키게 구성된다. 이에 따라, 여자 통전구간(θon-θoff)에 돌입하는 시점에 'High'에서 'Low'로 전환하는 제1 신호를 생성하고, 여자 통전구간(θon-θoff)을 벗어날 시에 'Low'에서 'High'로 전환하는 제2 신호를 생성하여서, 컨트롤러(400)에 전달한다.
상기 컨트롤러(400)는 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)에 대응되게 미리 설정한 여자 통전구간(θon-θoff)을 상기 회전 위치 센서(300)의 제1 신호 및 제2 신호로 감지하여, 여자 통전구간(θon-θoff)에만 여자코일(214)에 전기를 공급하는 펄스 파형의 구동 전압을 여자코일(214)에 인가한다. 이에 따라, 회전자는 릴럭턴스 토크에 의한 회전력으로 일방향 회전한다.
또한, 상기 컨트롤러(400)는 회전 정지된 상태의 회전자를 회전 구동시키려 할 시에 회전자의 회전 위치가 회전 구동할 수 없는 위치에 있는 경우, 펄스 파형의 기동 전압을 기동극 여자코일(221) 또는 고정자 극 여자코일(214)에 인가하여서, 회전 구동이 가능한 위치로 될 때에 상기한 구동 전압을 여자코일(214)에 인가한다.
도 8은 컨트롤러(400)의 회로구성도이다.
상기 컨트롤러(400)는 외부로부터 직류(DC) 전기를 공급받아 충전하는 콘덴서(C), 콘덴서(C)에 병렬연결되어 콘덴서(C)에 축전된 전기를 스위칭소자(Q1, Q2)를 통해 고정자 극 여자코일(214)에 공급하여 여자하는 비대칭 컨버터(440), 콘덴서(C)에 병렬연결되어 콘덴서(C)에 축전된 전기를 스위칭소자(Q3)를 통해 기동극 여자코일(221)에 공급하여 여자하는 싱글 스위칭 회로(450), 마이크로프로세서(410)의 구동 신호에 따라 비대칭 컨버터(440)의 스위칭소자(Q1, Q2)를 턴온하는 제1 게이트 구동회로(420), 마이크로프로세서(410)의 기동 신호에 따라 싱글 스위칭 회로(450)의 스위칭소자(Q3)를 턴온하는 제2 게이트 구동회로(430), 콘덴서(C)의 (-)단과 접지(Ground) 사이에 저항(R0)이 연결되고 저항(R0)의 양단 전압을 전류값으로 변환 증폭하여 마이크로 프로세서(410)에 입력하는 전류 감지회로(460), 상기 회전 위치 센서(300)로 감지한 회전자의 회전 위치에 따라 기동 제어 동작 및 구동 제어 동작을 수행하고 전류 감지 회로(460)로 감지한 전류값에 따라 모터의 이상적인 제어와 보호 제어 동작을 수행하는 마이크로프로세서(410)를 포함한다.
상기 마이크로프로세서(410)는 기동 제어 동작 및 구동 제어 동작을 수행할 시에 고정자 극 여자코일에 전압을 인가하는 구동 신호 또는 기동 신호를 상기 제1 게이트 구동회로(420)에 전달하고, 기동극 여자코일에 전압을 인가하는 기동 신호를 출력하여 제2 게이트 구동회로(430)에 전달한다.
여기서, 구동 신호는 모터를 정격 속도로 회전시키기 위해 여자 통전구간(θon-θoff)에 맞춰 고정자 극 여자코일에 전압을 인가하는 펄스 파형의 신호이다. 기동 신호는 구동 신호의 펄스 파형에 비해 매우 짧은 주기를 갖고 파형의 길이도 미리 설정된 길이로 이루어지는 PWM(pulse width modulation) 파형으로 이루어져서 모터를 기동할 시에 고정자 극 여자코일 또는 기동극 여자코일에 인가된다.
한편, 상기 마이크로프로세서(410)는 사용자에 의해 지정되는 속도로 회전자를 시킬 수 있게 할 수 있으며, 이를 위해서, 상기 마이크로프로세서(410)는 지정된 속도에 대응되는 PWM(pulse width modulation) 신호를 여자 통전구간(θon-θoff)에 인가할 수 있다.
상기 마이크로프로세서(410)에서 출력하는 구동 신호 및 기동 신호는 미약하므로, 고정자 극 여자코일(214)에 전압을 인가하기 위한 구동 신호 또는 기동 신호를 상기 제1 게이트 구동회로(420)로 증폭하여 비대칭 컨버터(440)의 스위칭소자(Q1, Q2)의 게이트(gate)에 인가하고, 기동극 여자코일(221)에 인가할 기동 신호를 제2 구동회로(420)로 증폭하여 싱글 스위칭 회로(450)의 스위칭소자(Q3)의 게이트(gate)에 인가한다.
상기 비대칭 컨버터(440)는 고정자 극 여자코일(214)의 양단에 연결되어 턴온(turn on)에 의해 고정자 극 여자코일(214)을 콘덴서(C)에 병렬로 연결하는 스위칭소자(Q1, Q2), 및 스위칭소자(Q1, Q2)의 턴오프(turn off) 시에 고정자 극 여자코일(214)에 축적된 전기 에너지를 콘덴서(C)에 반환하여 소자(消磁, demagnetization)하는 환류 다이오드(D1, D2)를 포함하여 구성되며, 예를 들어 등록특허 제10-0991923호에 의해 개시된 기술이므로 상세한 설명을 생략한다. 여기서, 스위칭소자(Q1, Q2)는 게이트(gate)를 통해 인가받는 구동신호 또는 기동신호에 따라 고속 스위칭 동작하는 전력전자 소자로 구성되며, 예를 들어, FET(Field Effective Transistor) 또는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)로 구성할 수 있다.
상기 싱글 스위칭 회로(450)는 기동극 여자코일(221)의 일단을 콘덴서(C)의 (+)단에 연결하고 타단을 스위칭소자(Q3)를 통해 콘덴서(C)의 (-)단에 연결하여 스위칭소자(Q3)의 턴온으로 기동극 여자코일(221)을 여자하게 구성되며, 기동극 여자코일(221)에 병렬연결되는 프리휠링 다이오드(D3, freewheeling diode)를 포함한다. 여기서, 스위칭소자(Q3)는 기동신호에 의해 고속 스위칭 동작하는 FET(Field Effective Transistor) 또는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)로 구성할 수 있다.
상기 마이크로 프로세서(410)에 의한 기동 제어 동작에 대해서는 도 9를 참조하여 설명한다.
도 9는 컨트롤러(400)의 제어에 의한 기동 방법의 순서도이다.
도 9를 참조하면, 컨트롤러(400)는 회전 정지된 회전자를 회전 기동할 시에 회전자 위치 검출단계(S10), 기동 시도단계(S20), 구동 결정단계(S30) 및 회전자 위치 조절단계(S40)를 포함하는 기동 방법에 따라 모터를 구동한다.
상기 회전자 위치 검출단계(S10)는 회전자 위치를 회전 위치 센서(300)를 통해 검출하는 단계이다.
상기 기동 시도단계(S20)는 회전 위치 센서(300)로부터 전달받는 신호에 근거하여 파악하는 회전자 위치가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있을 경우, 구동 신호에 대응되는 전압 파형을 고정자 극 여자코일에 인가하는 단계이다. 본 발명의 실시예에 첨부한 도면에서는 여자 통전구간(θon-θoff)이 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)과 동일하게 하였으므로, 회전자의 회전 위치가 인덕턴스 증가 구간(θs~θ1)에 있을 때에 구동 신호에 따라 고정자 극 여자코일에 전압이 인가된다.
상기 구동 결정단계(S30)는 기동 시도단계(S20) 이후에 회전자가 회전하는지를 상기 회전 위치 센서(300)로 감지하여 회전하면 이후 구동 신호를 지속적으로 인가하여 모터를 구동하고, 회전하지 아니하면 회전자 위치 조절단계(S40)로 넘어가는 단계이다. 여기서, 상기 회전 위치 센서(300)로 감지하는 여자 통전구간(θon-θoff)에 맞춰 고정자 극을 여자하는 모터 구동 동작이 정상적으로 이루어지고 있는지를 판단하여 회전 여부를 결정한다.
상기 회전자 위치 조절단계(S40)는 상기 회전자 위치 검출단계(S10)에서 검출한 회전자 위치가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있지 아니한 경우 또는 구동 결정단계(S30)에서 넘어온 경우에, 기동 신호에 따라 기동극 또는 회전자 극을 여자하여 회전자의 회전각 위치를 변경한 후 상기 회전자 위치 검출단계(S10)로 넘어가는 단계이다.
여기서, 기동 신호는 회전자를 소정의 회전각 위치를 변경시켜 기동 가능하게 하는 신호이므로, 예를 들면 1sec 이하의 길이를 갖는 PWM 신호로 할 수 있다. 또한 기동 신호는 회전자 극의 극호각이 작을수록 위치 변경할 각을 작게 하여야 하고, 기동 신호의 인가를 중지하더라도 관성에 의해 회전자가 회전할 수 있으므로, 회전자 극의 개수 및 회전자의 관성력을 고려하여 기동 신호의 길이 및 PWM 신호의 폭(Pulse Width)을 결정하는 것이 좋다.
이와 같은 상기 회전자 위치 조절단계(S40)는 기동 신호에 따라 기동극(220)을 여자하여 회전자의 회전각 위치를 변경하는 기동극 여자단계(S41), 기동극(220)을 여자한 이후 회전자 위치를 회전 위치 센서(300)를 통해 검출하여 회전자 위치가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있는지를 확인하여 여자 통전구간(θon-θoff)에 있으면 상기 기동 시도단계(S20)로 넘어가는 위치 확인단계(S42), 확인 단계(S42)의 확인 결과, 여자 통전구간(θon-θoff)에 있지 아니하면 기동 신호에 따라 고정자 극(210)을 여자한 후 상기 회전자 위치 검출단계(S10)로 넘어가는 고정자 극 여자단계(S43)를 포함한다.
즉, 상기 컨트롤러(400)는 모터를 기동할 시에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있으면 회전 위치 센서(300)로 감지하는 여자 통전구간(θon-θoff)에 맞춰 고정자 극 여자코일에 전압을 인가하여 기동을 시도하고, 모터를 기동할 시에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있지 아니하거나 또는 기동 시도가 실패할 시에, PWM 파형을 이루는 기동 신호에 따라 기동극을 여자하는 동작과 고정자 극을 여자하는 동작을 반복하는 중에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있게 될 시에 기동을 재시도한다.
예를 들어 설명하면, 도 6(c)에 도시한 상태를 참조하면 고정자 볼록극(211)과 회전자 볼록극(111)이 정렬된 상태이므로 여자 통전구간(θon-θoff)에서 벗어나 있지만, 기동극(220)이 피치 홀(120)과 마주하므로, 기동극(220)의 여자에 의해 반시계방향으로 소정 각도 회전한 후 멈추므로, 여자 통전구간(θon-θoff)에 들어갈 확률이 높다.
만약, 회전자의 회전각 위치가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있지만 정렬 회전각(θ1~θ2)에 근접한 상태라면, 모터의 기동이 실패할 수 있다. 그렇지만, 기동이 실패하더라도 피치 홀(120)에 근접하게 마주하는 기동극(220)을 기동 신호로 여자하게 되므로, 회전자를 회전시켜 회전각 위치를 조절할 수 있다.
또한, 도 6(b)를 참조하면 회전자의 회전각 위치가 여자 통전구간(θon-θoff)에 들어가 있고, 기동극(220)은 회전자 오목극(112)의 중간을 마주하므로, 기동극(220)의 여자로는 회전력을 발생시키기 어렵고, 대신에 고정자 극(210)의 여자에 의해서, 회전자의 회전각 위치가 여자 통전구간(θon-θoff)에 들어갈 확률이 높다. 이와 같은 알고리듬으로 첫 모터 시동시 회전자가 기동 불능위치에 있더라도 기동극과 고정자극의 상호 작용으로 회전자가 기동 가능 위치에 놓이게 하는 것이 가능하고, 원활한 기동을 하게 할 수 있는 것이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 10극 고정자에 12극 회전자를 외륜 타입으로 결합한 부분의 단면도이다.
상기 도 10을 참조하면, 외륜 회전자 타입이고, 단상 구조로 극이 배치되며, 기동극을 포함한다.
이에, 회전자(100)의 내주면에는 동일한 극호각을 갖는 복수의 12개 회전자 극(110)이 내주면의 원주 방향을 따라 등간격으로 배치되고, 인접하는 회전자 극(110)의 사이에 피치 홀(120)이 형성된다.
그리고, 고정자(200)의 외주면에는 회전자 극(110)의 개수와 동일하게 12 개의 극이 원주 방향을 따라 등간격으로 배치되어서, 회전자 극(110)에 정렬될 시에 12개의 극이 동시에 정렬되고, 회전자 극(110)에 비정렬될 시에는 12개의 극이 동시에 비정렬된다. 여기서, 고정자(200)의 12개 극 중에 회전 중심을 기준으로 대칭되는 한쌍을 기동극(220)으로 구성하고 나머지 10개의 극을 고정자 극(210)으로 구성한다. 그리고, 10개의 고정자 극(210)에는 여자코일(214)이 각각 권선되어 동시에 여자되거나 소자되게 한다.
도 10에는 도시하지 아니하였지만, 각 회전자 극(110)의 회전자 볼록극(111)의 상단에는 반사판(310)이 여자 통전구간(θon-θoff)에 맞게 설치되고, 복수의 고정자 극(210) 중에 어느 하나의 고정자 극 상단에는 회전 위치 센서(300)가 설치된다.
이와 같이 12극의 회전자 극(110)을 갖는 회전자(100)에 10극의 고정자 극(210)을 갖는 고정자(200)를 결합하여 회전자(100)를 회전시키게 구성하더라도, 고정자 극(210)의 극호각을 회전자 극(110)의 극호각과 동일하게 할 수 있고, 이에, 고정자 극(210) 간의 간격도 기동극(220)과 인접하는 것을 제외하고 회전자 극(110)의 피치 홀(120)의 원주 방향 폭만큼 줄일 수 있다.
따라서, 도 10에 도시한 실시예는 도 3 내지 도 6에 도시한 실시예에 비해 실질적으로 회전자 극(110)의 내주면 전체를 이용하여 릴럭턴스 토크를 발생시키고, 퍼미언스를 증대시키므로, 그만큼 토크를 크게 할 수 있다.
도면에는 도시하지 아니하였지만, 본 발명의 제2 실시예에 있어서도, 도 8에 도시한 컨트롤러(400)를 포함하여서, 도 9에 도시한 기동방법에 따라 모터를 기동할 수 있다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터를 설명하기 위한 도면으로서, 도 11에는 고정자(200)와 회전자(100)의 결합된 상태를 단면도로 도시하고, 도 12에는 고정자와 회전자의 분리된 상태를 단면도로 도시하였다.
그리고, 도 13에는 회전자의 위치에 따른 고정자 볼록극과 영구자석 간의 배치 상태 및 회전 위치 센서(300)와 반사판(310) 간의 배치 상태를 보여주기 위해 상면도로 도시하였다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 회전자(100)는 제1 실시예와 동일하게 단차(113)에 의해 서로 다른 내경을 갖는 회전자 볼록극(111)과 회전자 오목극(112)으로 양분되는 복수개의 회전자 극(110)을 피치 홀(120)에 의해 구분되도록 내면에 원주방향을 따라 등간격으로 구비한다. 여기서, 회전자 극(110)은 쌍으로 구비되므로, n을 자연수라고 한다면 2n개이다.
하지만, 고정자(200)는 제1 실시예에 구비하였던 기동극(220)을 구비하지 아니하며, 대신에, 기동극(220)이 형성되었던 위치에도 고정자 극(210)이 형성되어서, 회전자(100)의 회전자 극(110)의 개수와 동일하게 2n개의 고정자 극(210)을 외면에 원주방향을 따라 등간격으로 구비한다. 이에 따라, 회전자(100)가 회전할 시에 모든 회전자 극(110)에는 하나도 빠짐 없이 고정자 극(210)에 일대일로 동시 정렬되거나 동시에 비정렬된다.
물론, 각각의 고정자 극(210)은 단차(213)에 의해서 2단 직경을 갖추므로, 서로 다른 외경을 갖는 고정자 볼록극(211)과 고정자 오목극(212)으로 양분되어서, 회전자 극(110)이 고정자 극(210)에 정렬될 시에 회전자 볼록극(111)과 고정자 오목극(212)이 마주하고 회전자 오목극(112)과 고정자 볼록극(211)이 마주한다.
이에 따라, 본 발명의 제3 실시예는 컨트롤러(400)를 구성할 시에 상기한 싱글 스위칭 회로(450)를 구비하지 아니하여도 되며, 도 9를 참조하여 설명한 기동방법을 위한 프로세서를 마이크로프로세서(410)에 탑재하지 아니하여도 된다.
대신에, 본 발명의 제3 실시예는 회전 정지한 회전자(100)를 기동 가능한 회전각에 위치하게 하는 영구자석(130)을 회전자 오목극(112)에 장착하여서, 마이크로프로세서(410)가 회전 위치 센서(300)로 감지한 회전자 회전각에 따라 여자코일(214)에 전압을 인가하여 기동한다.
상기 영구자석(130)은 2개가 하나의 쌍을 이루어 서로 다른 위치의 회전자 오목극(112)에 하나씩 밀착되게 장착되되, 고정자(200)가 설치된 내부를 향하는 극성이 서로 상이하게 한다. 즉, 하나의 영구자석(130)은 N극이 내부를 향하고 다른 하나의 영구자석(130)은 S극이 내부를 향한다.
그리고, 2개가 한쌍을 이루는 영구자석은 복수의 쌍으로 마련하여 장착할 수 있다. 즉, 회전자 극(110)의 개수가 2n이고, k를 n보다 작거나 같은 자연수라고 할 시에, 2n개의 회전자 오목극(112) 중에 2k개의 회전자 오목극(112)에 각각 하나의 영구자석(130)을 밀착되게 장착한다. 이때, k개의 영구자석(130)은 N극을 내부로 향하게 하고, 나머지 k개의 영구자석(130)은 S극을 내부로 향하게 한다. 이때, N극을 내부로 향하게 한 영구자석과 S극을 내부로 향하게 한 영구자석이 회전축을 중심으로 대향하게 배치하여도 된다.
그리고, 각각의 영구자석(130)은 회전자 오목극(112)의 극호각(βrc)보다 상대적으로 작은 극호각(βm)을 갖는 원호 형상으로 형성되고, 외면을 회전자 오목극(112)에 밀착되게 장착할 시에 피치홀(120)에 치우치게 장착한다. 이에 따라, 영구자석(130)은 장착된 회전자 오목극(112)의 일측에 있는 단차(113)와는 이격된다.
바람직하게는, 영구자석(130)이 피치홀(120)의 개구된 입구(120a)를 가로질러 회전자 볼록극(111)의 원주방향 측면(111a)에 밀착되게 하는 것이다.
이와 같이 N극을 내부로 향하게 한 영구자석과 S극을 내부로 향하게 한 영구자석(130)을 1쌍으로 하여 회전자 오목극(112)에서 일측의 단차(113)와는 이격되고 타측의 피치홀(120)의 입구를 가로질러 회전자 볼록극(111)의 원주방향 측면에 밀착되게 장착함으로써, 회전자 오목극(112)의 중심에서 피치홀(120)을 향해 치우친 지점을 중심점으로 하는 영구자석(130)의 자기력선속이 자기 저항이 작아지는 경로로 고정자(200)를 통과하여 반대측의 영구자석으로 향하게 된다.
이에 따라, 회전자에 장착한 영구자석(130)은 마주할 시의 공극이 고정자 오목극(212)에 비해 상대적으로 작고 자기회로가 짧은 고정자 볼록극(211)과 정렬하려는 자기 릴럭턴스 토크를 받아서, 회전자를 항상 기동 가능한 위치로 정렬되게 한다.
여기서, 영구자석(130)은 토크 프리(free) 상태에서 회전자를 기동 가능한 위치로 정렬시키기 위한 목적으로 사용되므로, 모터를 구동하기 위해 여자코일(214)로 여자한 고정자 볼록극(211)의 자기력에 비해 상대적으로 매우 작은 자기력을 갖는 자석을 채용하여서 회전자의 기동 및 운전 중 원활한 회전을 방해할 정도의 역토오크나 저항으로 작용하지 않게 한다.
그리고, 모터를 정지하기 위해 여자코일(214)를 소자시키면, 회전자와 고정자 사이에는 영구자석(130)에 의한 자기력선속만 남는다. 이에 따라, 회전자(100)가 관성력이 소진될 때까지 속도가 줄어든 후 영구자석(130)과 정렬하게 되고, 모터를 정지한 이후에 외부 충격에 의한 진동이 발생하더라도 영구자석(130)이 고정자 볼록극(211)과 정렬하려는 릴럭턴스 토크가 발생하여서, 도 13의 (a), (b), (c)에 예시한 바와 같이 영구자석(130)의 전체면이 고정자 볼록극(211)과 마주하는 상태로 된다.
이때에는, 고정자 볼록극(211)이 도 13(b)에 도시한 바와 같이 회전자 볼록극(211)과 마주하기 시작하는 회전각에 있거나 또는 도 13(c)에 도시한 바와 같이 적어도 고정자 볼록극(211)의 극호각에서 영구자석(130)의 극호각(βm)을 감산한 극호각만큼 회전자 볼록극(211)과 마주하므로, 고정자 볼록극(211)을 여자 통전구간(θon-θoff)에 맞춰 여자시켜 회전자를 회전시킬 수 있다.
그런데, 모터를 정지시키거나 또는 모터를 기동 대기시킨 상황에서, 도 13의 (e), (f), (g)에 도시한 바와 같이 영구자석(130)의 전면이 고정자 오목극(212)과 마주한 상태가 될 수 있다. 이때에는, 정토크를 발생시키기 위해 인덕턴스 증가 구간에 대응되게 설정된 여자 통전구간(θon-θoff)에 맞춰 설치한 반사판(310)이 회전 위치 센서(300)와 마주하지 아니한 상태이어서, 고정자 극(210)를 여자하면 부토크에 의해 역회전한다.
이에, 본 발명의 제3 실시예에서 컨트롤러(400)는 모터를 기동할 시에 회전 위치 센서(300)로 감지한 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있으면, 회전 위치 센서(300)로 감지하는 여자 통전구간(θon-θoff)에 맞춰 고정자 극 여자코일에 전압을 인가하여 구동 제어한다.
또한, 컨트롤러(400)는 기동할 시에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있지 아니하면, 제1 실시예에서처럼 PWM 파형의 기동 신호에 따라 여자코일에 전압을 인가하여 회전자를 소정의 각도로 회전시키는 동작을 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있게 될 때까지 반복하고, 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있게 되면 이후 구동 신호에 따라 구동 제어한다.
한편, 영구자석(130)의 극호각(βm)은 아래의 수학식1로 표시한 바와 같이 회전자 오목극 극호각(βrc)의 1/5배 내지 2/3배로 하는 것이 좋다.
Figure 112014066889590-pat00001
영구자석(130)의 극호각(βm)이 회전자 오목극 극호각(βrc)의 1/5배보다 작게 되면 도 13(c)의 상황에 놓일 시에 고정자 볼록극(211)과 회전자 볼록극(111) 간의 정렬 회전각(θ1~θ2)에 근접하여 기동 순간에 충분한 기동 회전력을 얻지 못하고, 회전자 오목극 극호각(βrc)의 2/3배보다 크면 도 13(b)의 상황에 놓일 시에 회전자 볼록극(111)이 고정자 볼록극(211)과 마주하기 시작하는 위치까지 도달하지 못할 수도 있다. 따라서, 상기 수학식 1로 표현한 범위로 하는 것이 좋다.
그런데, 상기 영구자석(130)은 피치 홀(120)의 개구된 입구를 가로지르므로 자기 저항이 큰 재질로 구성되어서, 여자된 고정자 극(210)의 자기력선속 중에 영구자석(130)을 통해 경로 형성하는 자기력선속의 양을 낮게 하는 것이 좋다. 이를 위해서, 상기 영구자석(130)은 고무자석, 훼라이트 자석(Ferrite Magnet), 플라스틱 자석 또는 유기물 자석을 예로 들 수 있는 비금속 자석으로 구성하여도 된다. 그런데, 모터에서 발생하는 열에 의해 손상될 수도 있으므로, 가능하면 내열성을 가지면서 자기 저항이 큰 자석을 사용하는 것이 좋다.
또한, 도면에는 상기 영구자석(130)을 회전자 오목극(112)에 부착 또는 고정하는 것으로 도시하였으나, 회전자 오목극(112)에 홈을 형성하여 상기 영구자석(130)을 홈에 끼움 고정하거나 또는 피치 홀을 이용하여 고정되게 하여도 된다.
도 14는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터를 실제 제작하여 구동시킨 상태에서 여자 코일에 흐르는 전류를 오실로스코프로 검출한 후, 검출한 데이터를 그래프로 도시한 도면이다.
상기 도 14에 도시한 전류(current) 파형에 따르면, 회전 위치 센서(300)로 감지한 턴온 회전각(θon)에서 여자 코일에 전압을 인가할 시에 완만한 전류 증가(C1)를 보이고, PWM제어를 가미한 실제에 있어서는 지수함수의 곡선(C2) 형태로 증가한다. 이는, 도 7(b)에 도시한 바와 같이 여자 코일에 전압을 인가할 시에 고정자 볼록극(211)과 회전자 볼록극(111) 간의 인덕턴스가 증가(릴럭턴스는 최대에서 감소시작)하기 시작함과 동시에 정렬된 상태에 가까운 고정자 오목극(212)과 회전자 볼록극(111) 간의 공극(G3)의 인덕턴스가 서서히 감소(릴럭턴스는 최소에서 증가시작)하기 때문이다. 즉, 고정자 오목극(212)과 회전자 볼록극(111) 간의 인덕턴스가 댐핑(damping) 작용을 하여서, 초기에 전류가 완만하게 상승한다.
따라서, 본 발명은 여자 코일에 전압을 인가할 시에 전류 파형이 완만한 곡선으로 이루어지므로, 도 2에 도시한 전류파형처럼 급격하게 증가하는 종래기술에 비해 토크 및 코깅 충격 소음을 현격하게 줄일 수 있다.
이후, 고정자 볼록극(211)과 회전자 볼록극(111) 간의 인덕턴스 증가 영향으로, 더 이상 전류가 증가하지 않고 정상 평형 전류(Flat-Topped Phase Current)에 이르게 되며, 이후, 턴오프 회전각(θoff)에 도달해서 여자 전압이 오프(off)되면 여자코일에서의 자기 유도 전류 발생이 볼록극과 오목극의 전체적인 인덕턴스 영향으로 θ2까지 완만하게 소멸되고(C4) 실제 제작품의 콘트롤에서와 같이 θ1 이전부터 PWM 파형으로 여자전압을 제어할 경우 더욱 완만하게 감소하고(C3)과 자기 유도 전력을 억제하게되는 것을 볼 수 있다.
그리고, 여자 코일에 인가한 전압을 턴오프 회전각(θoff)에서 중단하면, 여자 코일에 축적된 전기가 환류 다이오드를 통해 콘덴서에 충전되면서 소자(消磁, demagnetization)되는 데, 이때, 전류가 급격히 줄어든다(C3, C4).
이와 같이 본 발명은 돌극의 오목극과 볼록극의 자기-기구적인 구조에 의해 턴오프 회전각(θoff) 이후에 여자코일에 자기 유도 잔류 전기를 억제시키는 효과를 가지며, 따라서, 축적된 전기를 콘덴서에 반환하여 소자시키는데 더 짧은 시간이 소요되며, 턴오프 회전각(θoff)에서 발생하는 역토크 발생에 의한 진동 소음과 효율 저하를 저감시키는 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
100 : 회전자
110 : 회전자 극 111 : 회전자 볼록극 112 : 회전자 오목극
113 : 단차
120 : 피치 홀
130 : 영구자석
200 : 고정자
210 : 고정자 극 211 : 고정자 볼록극 212 : 고정자 오목극
213 : 단차 214 : 운전극 여자코일
220 : 기동극 221 : 기동극 여자코일
300 : 회전 위치 센서 310 : 인코딩 센서판(반사판)
400 : 컨트롤러
410 : 마이크로프로세서 420 : 제1 게이트 구동회로
430 : 제2 게이트 구동회로 440 : 비대칭 컨버터
450 : 싱글 스위칭 회로 460 : 전류 감지회로
βr : 회전자 극 극호각 βs : 고정자 극 극호각
βrc : 회전자 오목극 극호각 βm : 영구자석 극호각

Claims (14)

  1. 내면에 원주방향을 따라 등 방사각으로 형성한 복수의 회전자 극(110) 간에 자로(磁路)를 형성하는 회전자(100);
    회전자의 내부에 고정 설치되며, 외면에 원주방향을 따라 형성하여 상호 간에 자로를 형성하는 복수의 고정자 극(210)에 여자코일(214)을 권선하고, 적어도 한쌍의 고정자 극(210)이 공극을 사이에 두고 서로 다른 회전자 극(110)에 하나씩 동시에 정렬(align)되는 고정자(200);
    회전자(100)의 회전 위치를 감지하는 회전 위치 센서(300); 및
    정토크를 발생시키기 위해 인덕턴스 증가 구간에 대응되게 미리 설정한 여자 통전구간(θon-θoff)에 여자코일(214)에 전압을 인가하는 컨트롤러(400);
    를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서,
    상기 회전자 극(110) 및 고정자 극(210)은 각각 단차(113, 213)가 형성되어 높이가 상이한 볼록극(111, 211)과 오목극(112, 212)으로 양분되되, 상호 정렬(align)될 시에 회전자 볼록극(111)과 고정자 오목극(212)이 마주하고 회전자 오목극(112)과 고정자 볼록극(211)이 마주하며,
    고정자 볼록극(211)이 어느 하나의 회전자 극(110)의 회전자 볼록극(111)과 마주하기 시작하여 마주하는 면의 면적이 증가할 시에, 고정자 오목극(212)은 인접하는 다른 하나의 회전자 극(110)의 회전자 볼록극(111)과 마주하는 면의 면적이 감소하게 되고,
    상기 컨트롤러(400)는 회전자 볼록극(111)과 고정자 볼록극(211) 간에 형성되는 인덕턴스 증가 구간에 대응되도록 상기 여자 통전구간이 설정되어 설정된 여자 통전구간(θon-θoff)에 여자코일(214)에 전압을 인가함을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 회전자(100)는 회전자 극(110) 간의 경계에 요홈 형상의 피치홀(120)을 구비하여, 복수의 회전자 극(110)이 피치 홀(120)에 의해 구분되어 형성되게 함을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    회전자 극(110) 및 고정자 극(210)의 단차(113, 213)는 각각 볼록극(111, 211)에서 오목극(112, 212)을 향해 하향 경사지게 형성됨을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
  5. 제 2항에 있어서,
    회전자 극(110) 및 고정자 극(210)의 단차(113, 213)는 각각 회전자 극(110) 및 고정자 극(210)의 중심에 형성됨을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 피치 홀(120)의 입구의 원주 방향 폭은 고정자 극(210)의 단차(213)의 횡방향 폭과 동일함을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
  7. 제 2항에 있어서,
    회전자 극(110) 및 고정자 극(210)의 단차(113, 213)는 회전자 볼록극(111)과 고정자 볼록극(211)이 정렬될 시의 공극(G1)의 1~5배임을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 단차(113, 213)의 경사각은 30~60°임을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
  9. 제 2항에 있어서,
    쌍으로 구비되는 고정자 극(210)은 각각 서로 다른 회전자 극(110)에 동시 정렬되고, 상기 컨트롤러(400)는 각각의 고정자 극(210) 여자코일(214)을 동시에 여자하여서, 단상 스위치드 릴릭턴스 모터로 동작함을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 회전자(100)의 회전자 극(110)의 개수는 2n+2개이고, n은 자연수이며,
    상기 고정자(200)는 회전자 극(110)에 동시 정렬되는 2n개의 고정자 극(210)을 구비하고, 고정자 극(210)이 회전자 극(110)에 정렬될 시에, 고정자 극(210)에 정렬되지 아니하는 2개의 회전자 극(110)의 단차(113)와 하나씩 마주하고 기동극 여자코일(221)이 권선되는 2개의 기동극(220)을 구비하며,
    상기 컨트롤러(400)는 모터를 기동할 시에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있으면 회전 위치 센서(300)로 감지하는 여자 통전구간(θon-θoff)에 맞춰 고정자 극 여자코일에 전압을 인가하여 기동을 시도하고, 모터를 기동할 시에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있지 아니하거나 또는 기동 시도가 실패할 시에, 마이크로프로세서에서 출력하는 PWM 파형을 이루는 기동 신호에 따라 기동극을 여자하는 동작과 고정자 극을 여자하는 동작을 반복하는 중에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있게 될 시에 기동을 재시도함을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
  11. 제 2항에 있어서,
    상기 회전자(100)는 k를 자연수라고 할 시에 복수의 회전자 오목극 중에 2k개의 회전자 오목극(112)에 각각 하나씩 장착하는 영구자석(130)을 구비하되,
    상기 영구자석(130)은 피치홀(120)에 치우치게 회전자 오목극(112)에 장착되고, k개의 영구자석(130)과 나머지 k개의 영구자석(130)이 서로 다른 극성으로 내부를 향하게 장착됨을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 영구자석(130)은 피치홀(120)의 입구를 가로질러 회전자 볼록극(111)의 원주방향 측면에 밀착되게 장착됨을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 영구자석(130)은 회전자 오목극(112)의 극호각(βrc)의 1/5배 내지 2/3배의 극호각(βm)을 갖는 원호 형상으로 형성되어 외면을 회전자 오목극(112)에 밀착되게 장착되게 하고 공극(G1)을 유지하게 함을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 컨트롤러(400)는
    모터를 기동할 시에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있으면 회전 위치 센서(300)로 감지하는 여자 통전구간(θon-θoff)에 맞춰 고정자 극 여자코일에 전압을 인가하여 기동을 시도하고, 모터를 기동할 시에 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있지 아니하면 마이크로프로세서에서 출력하는 PWM 파형을 이루는 기동 신호에 따라 기동극을 여자하는 동작을 반복하여 회전자가 여자 통전구간(θon-θoff)에 있게 될 시에 기동함을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
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