KR101748829B1

KR101748829B1 - 융합형 직류 전동기

Info

Publication number: KR101748829B1
Application number: KR1020150173215A
Authority: KR
Inventors: 황갑열; 지경하; 김정규
Original assignee: (주)대영전장시스템
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2017-07-03
Anticipated expiration: 2035-12-07
Also published as: KR20170066949A

Abstract

본 발명은 융합형 직류 전동기에 관한 것으로서, 원통형의 하우징과, 상기 하우징 내부에 고정 설치되되, 일단이 N극이고 타단이 S극인 반호형의 제1 자석과, 상기 제1 자석으로부터 소정간격 이격되어 제1 자석과 서로 같은 극성끼리 마주보도록 대향 배치되는 반호형의 제2 자석과, 상기 제1 자석 및 상기 제2 자석의 N극 단면 사이와 S극 단면 사이에 각각 배치되어 상기 하우징의 내면에 서로 마주보는 상태로 설치되는 두 개의 철심을 포함하는 고정자와; 상기 철심에 각각 권선되는 코일과; 상기 제1 자석의 내면, 상기 제2 자석의 내면 및 상기 철심의 외면과 서로 마주하여 소정의 공극을 두고 회전 가능하게 설치되는 회전자를 포함하며, 상기 제1 자석 및 상기 제2 자석에서 발생하는 제1 자속 또는 상기 코일에 소정의 전류가 흐를 때 발생하는 제2 자속에 의해 상기 회전자가 회전하고, 상기 회전자의 외면과 마주하는 상기 철심의 외면은 상기 회전자의 외주면의 곡률에 대응하는 곡률을 가지며, 상기 철심의 하단은 양옆으로 일정 길이만큼 돌출 형성되는 돌출부를 가지며, 상기 돌출부는 상기 회전자의 외주면과 상기 제1 자석 및 상기 제2 자석의 내측면 사이에 위치하여 상기 돌출부의 양측단은 상기 철심의 중심점과 상기 회전자의 중심점을 지나는 가상의 선을 기준으로 예각의 기울기를 가지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 영구자석에 의한 자속과 또는 코일에 의해 유기되는 자속에 의해 회전자를 회전시킬 수 있어 하나의 모터로 경부하일 때와 중부하 이상일 때의 운조건을 달리하여 모터를 구동할 수 있는 효과가 있다.

Description

융합형 직류 전동기{CONVERGENCE-TYPE DC MOTOR}

본 발명은 직류 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 영구자석 전동기와 권선형 전동기를 결합한 형태의 융합형 직류 전동기에 관한 것이다.

일반적으로 직류 전동기는 고정자와 회전자로 구성되는데, 고정자는 계자극(field pole)과 프레임(frame)으로 되어 있으며, 계자극은 대개 스크류나 볼트로 프레임에 고정되어 있고, 상기 회전자는 전기자(amature)와 정류자(commutator) 및 브러쉬(brush)로 구성된다.

이러한 직류 전동기는 계자극이 자기장을 형성하는 방법에 따라 권선형 계자극 전동기(wound-field motor)와 영구자석 전동기(permanent motor)로 분류할 수 있다. 영구자석 전동기는 계자극으로 영구자석을 사용하고, 권선형 계자극 전동기는 계자극으로 계자철심(pole piece)과 계자권선(field winding)으로 구성된 전자석을 사용한다.

그러나 종래의 영구자석 전동기의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 전기자전류(I_a)가 큰 중부하 이상일 때에는 전기자 반작용의 영향으로 인해 유효자속이 감소하게 되어 최대 토크(T)가 감소하는 문제점이 있었다.

KR

10-2005-0112604

A

KR

10-1200267

B1

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 영구자석 전동기와 권선형 전동기를 결합한 형태의 융합형 직류 전동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 융합형 직류 전동기는, 원통형의 하우징과, 상기 하우징 내부에 고정 설치되되, 일단이 N극이고 타단이 S극인 반호형의 제1 자석과, 상기 제1 자석으로부터 소정간격 이격되어 제1 자석과 서로 같은 극성끼리 마주보도록 대향 배치되는 반호형의 제2 자석과, 상기 제1 자석 및 상기 제2 자석의 N극 단면 사이와 S극 단면 사이에 각각 배치되어 상기 하우징의 내면에 서로 마주보는 상태로 설치되는 두 개의 철심을 포함하는 고정자와; 상기 철심에 각각 권선되는 코일과; 상기 제1 자석의 내면, 상기 제2 자석의 내면 및 상기 철심의 외면과 서로 마주하여 소정의 공극을 두고 회전 가능하게 설치되는 회전자를 포함하며, 상기 제1 자석 및 상기 제2 자석에서 발생하는 제1 자속과 상기 코일에 소정의 전류가 흐를 때 발생하는 제2 자속에 의해 상기 회전자가 회전하고, 상기 회전자의 외면과 마주하는 상기 철심의 외면은 상기 회전자의 외주면의 곡률에 대응하는 곡률을 가지며, 상기 철심의 하단은 양옆으로 일정 길이만큼 돌출 형성되는 돌출부를 가지며, 상기 돌출부는 상기 회전자의 외주면과 상기 제1자석 및 상기 제2자석의 내측면 사이에 위치하여 상기 돌출부의 양측단은 상기 철심의 중심점과 상기 회전자의 중심점을 지나는 가상의 선을 기준으로 예각의 기울기를 가지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 회전자의 외면과 마주하는 상기 철심의 외면은 상기 회전자의 외주면의 곡률에 대응하는 곡률을 가지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 철심의 하단은 양옆으로 일정 길이만큼 돌출 형성되는 돌출부를 가지며, 상기 돌출부는 상기 회전자의 외주면과 상기 제1 자석 및 상기 제2 자석의 내측면 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 회전자는 외면에 상기 코일 각각의 일단에 각각 연결되는 한 쌍의 브러시를 구비하고, 상기 코일로 제1방향의 전류 흐름을 가지는 전원을 공급하는 제1 전원부와, 상기 코일로 상기 제1방향과 반대되는 제2방향의 전류 흐름을 가지는 전원을 공급하는 제2 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일단은 상기 코일의 타단에 연결되고 타단은 상기 제1 전원부와 상기 제2 전원부 중 하나에 연결되어 전원의 공급을 허용하거나 차단하는 두 개의 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 영구자석에 의한 자속과 코일에 의해 유기되는 자속에 의해 회전자를 회전시킬 수 있어 하나의 모터로 경부하일 때와 중부하 이상일 때의 운전조건을 달리하여 모터를 구동할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 융합형 직류 전동기를 도시한 단면도이고,
도 2는 종래 직류 전동기가 이상 조건일 때와 실제 조건일 때의 전기자 전류의 범위에 따른 토크와, 본 발명의 일 실시예에 따른 융합형 직류 전동기에서의 전기자 전류의 범위에 따른 토크를 함께 나타내는 그래프이다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 융합형 직류 전동기를 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 융합형 직류 전동기는 크게 하우징(100)과, 상기 하우징(100) 내부에 고정 설치되는 고정자(200)와, 상기 고정자(200)와 소정 공극을 두고 회전 가능하게 설치되는 회전자(400)를 포함하여 구성된다.

하우징(100)은 원통형으로 마련되고, 도 1에 도시된 바와 같이 고정자(200) 중 철심(220)이 상기 하우징(100)의 내면에 서로 마주보는 상태로 설치될 수 있다.

고정자(200)는 일단이 N극이고 타단이 S극인 제1 자석(211)과, 상기 제1 자석(211)으로부터 소정간격 이격되어 제1 자석(211)과 서로 같은 극성끼리 마주보도록 대향 배치되는 제2 자석(212)과, 상기 제1 자석(211) 및 상기 제2 자석(212)의 N극 단면 사이와 S극 단면 사이에 각각 배치되는 두 개의 철심(220)을 포함한다.

여기서, 상기 회전자(400)의 외면과 마주하는 상기 철심(220)의 외면은 상기 회전자(400)의 외주면의 곡률에 대응하는 곡률을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 철심(220)의 하단은 양옆으로 일정 길이만큼 돌출 형성되는 돌출부를 가지며, 상기 돌출부는 상기 회전자(400)의 외주면과 상기 제1 자석(211) 및 상기 제2 자석(212)의 내측면 사이에 위치할 수 있다.

예컨대, 도 1을 참조하면, 상기 철심(220)의 돌출부의 양측단은 상기 철심(220)의 중심점과 상기 회전자(400)의 중심점을 지나는 가상의 선을 기준으로 예각(0°< θ < 90°)의 기울기를 가지게 된다.

코일(300)은 복수 개로 마련되어 상기 철심(220)에 각각 권선된다.

회전자(400)는 상기 제1 자석(211)의 내면, 상기 제2 자석(212)의 내면 및 상기 철심(220)의 외면과 서로 마주하여 소정의 공극을 두고 회전 가능하게 설치된다.

이 경우, 상기 회전자(400)는 상기 제1 자석(211) 및 상기 제2 자석(212)에 의해 발생하는 제1 자속과 상기 코일(300)에 소정의 전류가 흐를 때 발생하는 제2 자속에 의해 회전하게 된다.

여기서, 상기 회전자(400)는 외면에 상기 코일(300) 각각의 일단에 각각 연결되는 한 쌍의 브러시(B1,B2)를 구비할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 융합형 직류 전동기는, 상기 코일(300)로 제1방향의 전류 흐름을 가지는 전원을 공급하는 제1 전원부(510)와, 상기 코일(300)로 상기 제1방향과 반대되는 제2방향의 전류 흐름을 가지는 전원을 공급하는 제2 전원부(520)를 더 포함할 수 있다.

이때, 일단은 상기 코일(300)의 타단에 연결되고 타단은 상기 제1 전원부(510)와 상기 제2 전원부(520) 중 하나에 각각 연결되어 전원의 공급을 허용하거나 차단하여 회전자(400)의 회전 방향을 제어하는 두 개의 스위치(SW1,SW2)를 더 포함할 수도 있다.

예컨대, 도 1을 참조하면, 제1 자석(211) 및 제2 자석(212) 각각의 N극이 마주보도록 회전자(400)의 상부에 배치되고 제1 자석(211) 및 제2 자석(212) 각각의 S극이 마주보도록 회전자(400)의 하부에 배치된 상태에서 제1 스위치(SW1)를 온 하고 제2 스위치(SW2)를 오프 시키게 되면, 전류의 방향에 따라 네 손가락을 말아쥐고 오른손 엄지가 가리키는 방향을 N극이라고 판단하는 원형도선에 대한 오른나사의 법칙(right handed screw rule)에 따라, 회전자(400)의 상부에 위치하는 철심(220a)은 N극을 나타내고 회전자(400)의 하부에 위치하는 철심(220b)은 S극을 나타내게 된다. 이 경우, 제1 자석(211) 및 제2 자석(212)에 의한 제1 자속과 두 개의 철심(220)으로부터 발생하는 제2 자속의 영향으로 회전자(400)가 시계 방향으로 회전하게 된다.

반대로, 제1 자석(211) 및 제2 자석(212) 각각의 S극이 마주보도록 회전자(400)의 상부에 배치되고 제1 자석(211) 및 제2 자석(212) 각각의 N극이 마주보도록 회전자(400)의 하부에 배치된 상태에서 제1 스위치(SW1)를 오프 시키고 제2 스위치(SW2)를 온 하게 되면, 전술한 바와 같은 오른나사의 법칙에 따라 회전자(400)의 상부에 위치하는 철심(220a)은 S극을 나타내고 회전자(400)의 하부에 위치하는 철심(220b)은 N극을 나타내게 된다. 이 경우, 제1 자석(211) 및 제2 자석(212)에 의한 제1 자속과 두 개의 철심(220)으로부터 발생하는 제2 자속의 영향으로 회전자(400)가 반시계 방향으로 회전하게 된다.

또한, 추가로 일단은 상기 코일(300)의 타단에 연결되고 타단은 상기 제1 전원부(510)와 상기 제2 전원부(520)에 연결되어 회전자(400)가 회전 또는 정지하도록 제어하는 스위치(SW3)를 더 포함할 수도 있다.

단, 본 발명의 일 실시예에 따른 융합형 직류 전동기는 도 1에 도시된 바와 같이 코일(300)의 권선방향을 그대로 유지하면서 제1 자석(211) 및 제2 자석(212)의 배치 상태를 변경하는 것으로만 한정하지 않으며, 제1 자석(211) 및 제2 자석(212)의 배치 상태를 유지하면서 코일(300)의 권선방향을 변경하는 것도 가능하다.

도 2는 종래 직류 전동기가 이상 조건일 때와 실제 조건일 때의 전기자 전류의 범위에 따른 토크와, 본 발명의 일 실시예에 따른 융합형 직류 전동기에서의 전기자 전류(I_a)의 범위에 따른 토크(T)를 함께 나타내는 그래프이다.

도 2를 참조하면, 영구자석을 고정자로 가지는 종래의 직류 전동기의 경우, 이상적으로는 토크(T)가 전기자 전류(I_a)에 비례하는 값을 나타내는 그래프[1]를 나타내야 하나, 실제로는 전기자 전류(I_a)가 큰 중부하 이상부터는 전기자 반작용의 영향으로 유효자속(φ)이 감소하여 최대(구속) 토크(T)가 다소 감소하는 형태의 그래프[2]를 나타내는 데 반해, 본 발명에 따른 융합형 직류 전동기의 경우, 전기자전류(I_a)가 작은 경부하일 때에는 전류(I_a)에 비례하다가 중부하 이상부터는 전기자전류(I_a)의 제곱에 비례하는 형태의 그래프[3]를 나타내게 된다.

이에 따라, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 융합형 직류 전동기를 이용하면, 영구자석에 의한 자속과 또는 코일에 의해 유기되는 자속에 의해 회전자를 회전시킬 수 있어 하나의 모터로 경부하일 때와 중부하 이상일 때의 운전조건을 달리하여 모터를 구동할 수 있는 효과가 있다.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.

100: 하우징 200: 고정자
211: 제1 자석 212: 제2 자석
220: 철심 300: 코일
400: 회전자 510: 제1 전원부
520: 제2 전원부

Claims

원통형의 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정 설치되되, 일단이 N극이고 타단이 S극인 반호형의 제1 자석과, 상기 제1 자석으로부터 소정간격 이격되어 제1 자석과 서로 같은 극성끼리 마주보도록 대향 배치되는 반호형의 제2 자석과, 상기 제1 자석 및 상기 제2 자석의 N극 단면 사이와 S극 단면 사이에 각각 배치되어 상기 하우징의 내면에 서로 마주보는 상태로 설치되는 두 개의 철심을 포함하는 고정자;
상기 철심에 각각 권선되는 코일; 및
상기 제1 자석의 내면, 상기 제2 자석의 내면 및 상기 철심의 외면과 서로 마주하여 소정의 공극을 두고 회전 가능하게 설치되는 회전자를 포함하며,
상기 제1 자석 및 상기 제2 자석에서 발생하는 제1 자속 또는 상기 코일에 소정의 전류가 흐를 때 발생하는 제2 자속에 의해 상기 회전자가 회전하고,
상기 회전자의 외면과 마주하는 상기 철심의 외면은 상기 회전자의 외주면의 곡률에 대응하는 곡률을 가지며,
상기 철심의 하단은 양옆으로 일정 길이만큼 돌출 형성되는 돌출부를 가지며, 상기 돌출부는 상기 회전자의 외주면과 상기 제1 자석 및 상기 제2 자석의 내측면 사이에 위치하여 상기 돌출부의 양측단은 상기 철심의 중심점과 상기 회전자의 중심점을 지나는 가상의 선을 기준으로 예각의 기울기를 가지는 것을 특징으로 하는 융합형 직류 전동기.
제1항에 있어서,
상기 회전자의 외면과 마주하는 상기 철심의 외면은 상기 회전자의 외주면의 곡률에 대응하는 곡률을 가지는 것을 특징으로 하는 융합형 직류 전동기.
제1항에 있어서,
상기 철심의 하단은 양옆으로 일정 길이만큼 돌출 형성되는 돌출부를 가지며, 상기 돌출부는 상기 회전자의 외주면과 상기 제1 자석 및 상기 제2 자석의 내측면 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 융합형 직류 전동기.
제1항에 있어서,
상기 회전자는 외면에 상기 코일 각각의 일단에 각각 연결되는 한 쌍의 브러시를 구비하고,
상기 코일로 제1방향의 전류 흐름을 가지는 전원을 공급하는 제1 전원부와,
상기 코일로 상기 제1방향과 반대되는 제2방향의 전류 흐름을 가지는 전원을 공급하는 제2 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 융합형 직류 전동기.
제4항에 있어서,
일단은 상기 코일의 타단에 연결되고 타단은 상기 제1 전원부와 상기 제2 전원부 중 하나에 연결되어 전원의 공급을 허용하거나 차단하는 두 개의 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 융합형 직류 전동기.