KR101893262B1 - Hybrid single-phase SRM with combined air gap - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전자의 구조를 일정 구간 비균일 공극 및 균일 공극을 복합 형성시켜 토크 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있기 위한 '복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM'에 관한 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM은 선단부와 중후단부로 구분될 수 있는 외측을 향한 복수의 회전자극을 구비한 원통 형상의 회전자, 상기 회전자를 내부에 수용하고 내측을 향한 복수의 고정자극을 구비한 권선으로 둘러싸인 사각 프레임 형상의 고정자 및 상기 고정자 일측에 장착되어 상기 회전자에 보조 자력을 제공하는 한 쌍의 자석부재를 포함하여 이루어진다.
또한, 선단부는 회전자의 중심으로부터 소정 반경이 일정한 선단양단부에 고정자와 균일 공극(uniform air gap)이 형성되고, 회전자의 중심으로부터 비선형적 반경을 가지는 선단중간부에 고정자와 비균일 공극(non-uniform air gap)이 형성되며, 중후단부는 회전자의 중심으로부터 소정 반경이 일정하여 고정자와 균일 공극(uniform air gap)이 형성된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single-phase hybrid SRM having a composite cavity, and more particularly, to a single-phase hybrid SRM having a composite cavity for effectively improving the torque performance by forming a non- Hybrid SRM '.
A single-phase hybrid SRM having a composite cavity according to an embodiment of the present invention includes a cylindrical rotor having a plurality of rotating magnetic poles facing outwardly, which can be divided into a front end portion and a middle end portion, And a pair of magnet members mounted on one side of the stator and providing an auxiliary magnetic force to the rotor. The stator includes a stator having a rectangular frame surrounded by windings having a plurality of stationary magnetic poles facing the rotor.
The tip portion has a uniform air gap with the stator at both ends of the tip, the predetermined radius of which is constant from the center of the rotor, and a stator and a non-uniform gap (non a uniform air gap is formed between the stator and the stator so that the stator has a uniform air gap.

Description

복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM{Hybrid single-phase SRM with combined air gap}Single-phase hybrid SRM with hybrid pore (Hybrid single-phase SRM with combined air gap)

본 발명은 복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전자의 구조를 일정 구간 비균일 공극 및 균일 공극을 복합 형성시켜 토크 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있기 위한 '복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM'에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single-phase hybrid SRM having a composite cavity, and more particularly, to a single-phase hybrid SRM having a composite cavity for effectively improving the torque performance by forming a non- Hybrid SRM '.

스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, 이하 'SRM'이라 함)는 이중 돌극형과 고정자에만 권선이 위치한 집중권 방식의 전동기구이다.The Switched Reluctance Motor (SRM) is a concentric winding type power system with a double pole type and a stator only winding.

SRM에서는 고정자 권선에서 발생한 자속에 의한 릴럭턴스에 의해 토크가 발생하므로, SRM은 타전동기와 달리 회전자에 자속을 생성하기 위한 영구자석 및 권선이 존재하지 않는다.In SRM, torque is generated by the magnetic flux generated from the stator winding. Therefore, unlike other motors, SRM does not have permanent magnets and windings for generating magnetic flux in the rotor.

따라서 SRM은 하나의 예로서, 도 1에 도시된 바와 같이 기계적으로 강인하며, 고속운전에 대해 안정적이고, 가격이 저렴하며, 고열 또는 격렬한 온도 변화에서도 가동 가능한 점과 같은 유리한 특징이 있다.Thus, the SRM is advantageous in that it is mechanically robust as shown in Fig. 1, is stable to high-speed operation, is inexpensive, and can operate at high temperature or intense temperature changes.

즉, SRM은 이중 돌극형 구조로 고정자에만 여자권선이 존재하며, 회전자에는 여자권선이나 자석이 없는 단순한 구조의 전동기로 저가형으로 제작이 가능하며 기구적으로 강인하고 고속이나 열악한 환경 적용이 유리한 전동기이다.In other words, the SRM is a dual-pole-type structure, and there is a excitation winding only in the stator, and a simple structure motor without a winding or a magnet is used as a rotor. The motor can be manufactured at low cost, and is mechanically robust, to be.

SRM은 도 2에 도시된 바와 같이, 에머드릴, 블로워, 세탁기, 전기자동차, 항공우주산업 등 많은 분야에서 연구가 진행되고 있다.As shown in FIG. 2, SRM is being studied in many fields such as an emer drill, a blower, a washing machine, an electric vehicle, and an aerospace industry.

현재까지 SRM은 6/4, 12/8, 8/6의 극조합이 실용성이 가장 큰 것으로 입증되고 있다. 하지만, 6/4, 12/8, 8/6 SRM은 스위치를 6개 이상 사용함으로 인버터의 가격 경쟁력이 낮은 것에 비해 단상 SRM은 스위치를 2개만 사용함으로 스위치 소자에 따른 인버터 가격 경쟁력이 높아, 가정용 및 산업기기의 적용이 점점 늘고 있다.To date, SRM has proven to be the most practical combination of 6/4, 12/8 and 8/6 pole combinations. However, since 6/4, 12/8, and 8/6 SRM use more than 6 switches, inverter's price competitiveness is low. Single-phase SRM uses only two switches, And industrial appliances are increasingly being applied.

도 3은 종래의 단상 SRM의 구조를 도시한 예시적인 도면이고, 도 4는 종래의 이상적인 인덕턴스와 토크 프로파일에 대한 예시적인 도면이다.FIG. 3 is an exemplary diagram illustrating the structure of a conventional single-phase SRM, and FIG. 4 is an exemplary diagram of a conventional ideal inductance and torque profile.

한편, 단상 SRM은 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 토크가 발생하지 않는 데드존 구간이 발생하며, 이에 따른 자기기동과 토크리플 개선이 어려운 문제점이 있다.Meanwhile, as shown in FIGS. 3 and 4, the single-phase SRM has a dead zone in which no torque is generated, and it is difficult to improve the self-starting and torque ripple.

즉, 단상 SRM은 출력토크가 발생되지 않는 데드존 구간이 존재하고, 자기기동이 불가능하며, 토크리플이 높으며 이를 줄이기 위한 고정자 및 회전자, 영구자석의 형상 설계가 필수적인 어려운 문제점을 가지고 있다.That is, in the single-phase SRM, there is a dead zone section in which output torque is not generated, the self-starting is impossible, the torque ripple is high, and the shape design of the stator, rotor and permanent magnet is necessary.

따라서, 단상 SRM은 회전자 및 영구자석의 구조가 복잡하여 제작이 어렵고 성능이 개선되지 못하는 문제점을 해결할 필요가 있었다.Therefore, it is necessary to solve the problem that the structure of the rotor and the permanent magnet is complicated and the manufacturing is difficult and the performance is not improved.

한국 특허등록번호 제10-1020994호, 발명의 명칭 '하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터' (등록일자 2011.03.02.)Korean Patent Registration No. 10-1020994, entitled 'Hybrid Polar Structure Bearingless Switched Reluctance Motor' (Registered on Mar. 23, 2011).

본 발명은 상기한 문제점 및 필요성에 의해서 창출된 것으로, 회전자의 형상 일정 구간을 비균일 공극 및 균일 공극을 복합 형성시켜 회전자의 구조를 변화시키므로 토크 특성을 효과적으로 향상시킬 수 있는 '복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM'을 제공하는 데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems and needs, and it is an object of the present invention to provide a composite cavity capable of effectively improving torque characteristics by forming a rotor with a non- The goal is to provide a single-phase hybrid SRM '.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM은 선단부와 중후단부로 구분될 수 있는 외측을 향한 복수의 회전자극을 구비한 원통 형상의 회전자, 상기 회전자를 내부에 수용하고 내측을 향한 복수의 고정자극을 구비한 권선으로 둘러싸인 사각 프레임 형상의 고정자 및 상기 고정자 일측에 장착되어 상기 회전자에 보조 자력을 제공하는 한 쌍의 자석부재를 포함하여 이루어진다.According to an aspect of the present invention, there is provided a single-phase hybrid SRM having a composite cavity according to an embodiment of the present invention includes a cylindrical rotor having a plurality of outwardly directed rotating magnetic poles that can be divided into a front end portion and a middle- And a pair of magnet members mounted on one side of the stator and providing an auxiliary magnetic force to the rotor, the rectangular frame-shaped stator being surrounded by a winding having a plurality of stationary magnetic poles accommodating the rotor therein and facing inward .

또한, 선단부는 회전자의 중심으로부터 소정 반경이 일정한 선단양단부에 고정자와 균일 공극(uniform air gap)이 형성되고, 회전자의 중심으로부터 비선형적 반경을 가지는 선단중간부에 고정자와 비균일 공극(non-uniform air gap)이 형성되며, 중후단부는 회전자의 중심으로부터 소정 반경이 일정하여 고정자와 균일 공극(uniform air gap)이 형성된다.The tip portion has a uniform air gap with the stator at both ends of the tip, the predetermined radius of which is constant from the center of the rotor, and a stator and a non-uniform gap (non a uniform air gap is formed between the stator and the stator so that the stator has a uniform air gap.

본 발명에 따르면, 회전자의 구조를 변경시켜 토크 특성을 보다 향상시키고 SRM 제작이 용이하게 하는 이점이 있다.According to the present invention, there is an advantage that the structure of the rotor is changed to further improve the torque characteristics and make the SRM easy to manufacture.

또한, 회전자 제작이 용이함에 따라 영구자석의 형상도 간단하게 변경할 수 있는 이점이 있다.In addition, since the rotor is easily manufactured, the shape of the permanent magnet can be easily changed.

또한, 제작이 용이하므로 제작 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다. 또한, 외형치수는 동일 범위 내이지만 성능은 향상되는 이점이 있다.In addition, since it is easy to manufacture, there is an advantage that manufacturing cost can be reduced. In addition, the external dimensions are within the same range, but the performance is improved.

또한, SRM 동일 기술 분야에 범용적으로 적용할 수 있는 이점이 있다.In addition, there is an advantage that SRM can be universally applied to the same technical field.

도 1은 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)를 도시한 예시적인 도면이다.
도 2는 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)가 적용되는 분야를 예시적으로 표시한 도면이다.
도 3은 종래의 단상 SRM의 구조를 도시한 예시적인 도면이다.
도 4는 종래의 이상적인 인덕턴스와 토크 프로파일에 대한 예시적인 도면이다.
도 5는 고정자 및 회전자로 구성된 SRM의 조립 전후(a, b)를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 6은 도 5의 특성을 해석한 그래프이다.
도 7은 균일 공극(uniform air gap)을 가지는 SRM의 조립 전후(a, b)를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 8은 도 7의 토크 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 비균일 공극(non-uniform air gap)을 가지는 회전자를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 10은 균일 공극 및 비균일 공극을 설명하기 위한 개략도이다.
도 11은 회전자가 중심에서 이루는 각도 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 회전자극의 각도 및 비균일 공극 각도를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 13은 고정자극의 각도를 도시한 도면이다.
도 14는 도 13의 'P' 부분을 확대 해석한 도면이다.
도 15는 본 발명에서 제안하는 복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM의 조립 전후(a, b)를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 16은 도 15의 회전자를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 17은 회전자극의 균일 공극 및 비균일 공극 비율을 40%:60%일 때 토크 특성을 해석한 그래프이다.
도 18은 회전자극의 균일 공극 및 비균일 공극 비율을 20%:80%일 때 토크 특성을 해석한 그래프이다.
도 19는 회전자극의 균일 공극 및 비균일 공극 비율을 10%:90%일 때 토크 특성을 해석한 그래프이다.
도 20은 도 17 내지 도 19의 토크 특성 결과를 종합적으로 해석한 그래프이다.
도 21은 토크 특성 비교 종합결과 도표이다.1 is an exemplary diagram showing a switched reluctance motor (SRM).
2 is a diagram illustrating an example of a field to which a switched reluctance motor (SRM) is applied.
3 is an exemplary diagram showing the structure of a conventional single-phase SRM.
4 is an exemplary diagram of a conventional ideal inductance and torque profile.
Fig. 5 is an exemplary view showing the assembled SRM composed of a stator and a rotor before and after assembling (a, b).
FIG. 6 is a graph analyzing the characteristics of FIG. 5; FIG.
Fig. 7 is an exemplary view showing before and after assembly (a, b) of an SRM having a uniform air gap.
8 is a graph showing the torque characteristics of Fig.
9 is a schematic perspective view showing a rotor having a non-uniform air gap.
10 is a schematic view for explaining uniform air gap and non-uniform air gap.
FIG. 11 is a view for explaining an angle relation formed at the center of the rotor.
12 is a diagram exemplarily showing the angle of the rotating magnetic pole and the nonuniform air gap angle.
13 is a view showing the angle of the stationary magnetic pole.
14 is an enlarged view of the portion 'P' in FIG.
Fig. 15 is a schematic perspective view showing a single-phase hybrid SRM having a composite cavity proposed by the present invention before and after assembly (a, b).
16 is a schematic perspective view showing the rotor of Fig.
17 is a graph showing torque characteristics when the uniform air gap and the non-uniform air gap ratio of the rotating magnetic pole are 40%: 60%.
18 is a graph showing torque characteristics when the uniform pore and the non-uniform pore ratio of the rotating magnetic pole are 20%: 80%.
19 is a graph showing torque characteristics when the uniform air gap and the non-uniform air gap ratio of the rotating magnetic pole are 10%: 90%.
20 is a graph comprehensively analyzing the torque characteristic results of Figs. 17 to 19. Fig.
Fig. 21 is a graph showing the torque characteristic comparison result.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. The singular forms as used herein include plural forms as long as the phrases do not expressly express the opposite meaning thereto. Means that a particular feature, region, integer, step, operation, element and / or component is specified, and that other specific features, regions, integers, steps, operations, elements, components, and / And the like.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Commonly used predefined terms are further interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the present disclosure, and are not to be construed as ideal or very formal meanings unless defined otherwise.

도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시 예는 본 발명의 이상적인 실시 예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시 예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 편평하다고 도시되거나 설명된 영역은 일반적으로 걸치거나/거칠고 비선형인 특성을 가질 수 있다.The embodiments of the present invention described with reference to the drawings specifically illustrate an ideal embodiment of the present invention. As a result, various variations of the illustration, for example variations in the manufacturing method and / or specification, are expected. Thus, the embodiment is not limited to any particular form of the depicted area, but includes modifications of the form, for example, by manufacture. The regions shown or described as being flat may have characteristics that are generally wavy / rough and nonlinear.

또한, 날카로운 각도를 가지는 것으로 도시된 부분은 라운드질 수 있다. 따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것도 아니다.Also, the portion shown as having a sharp angle may be rounded. Thus, the regions shown in the figures are merely approximate, and their shapes are not intended to depict the exact shape of the regions, nor are they intended to limit the scope of the present invention.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시 예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.The drawings are schematic and illustrate that they are not drawn to scale. The relative dimensions and ratios of the parts in the figures are shown exaggerated or reduced in size for clarity and convenience in the figures, and any dimensions are merely illustrative and not restrictive. And to the same structure, element, or component appearing in more than one of the figures, the same reference numerals are used to denote corresponding or similar features in other embodiments.

도 5는 고정자 및 회전자로 구성된 SRM의 조립 전후(a, b)를 나타내는 예시적인 도면이고, 도 6은 도 5의 특성을 해석한 그래프이다.Fig. 5 is an exemplary view showing a state before and after assembly (a, b) of an SRM composed of a stator and a rotor, and Fig. 6 is a graph analyzing the characteristics of Fig.

영구자석을 가지는 단상 4/4극 SRM은 도 5의 (a) 및 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 원통 형상의 회전자, 상기 회전자를 내부에 수용할 수 있는 공간이 형성된 고정자가 구성되어 있고, 고정자 사이에 영구자석을 배치하여 회전자가 항상 영구자석의 정렬위치에 놓여 자기기동이 가능하게 된다.As shown in Figs. 5 (a) and 5 (b), a single-phase 4/4 pole SRM having permanent magnets has a cylindrical rotor, a stator having a space capable of accommodating the rotor therein And a permanent magnet is disposed between the stator so that the rotor can always be placed at the alignment position of the permanent magnet and self-starting is possible.

또한, 영구자석을 가지는 단상 4/4극 SRM은 자기기동이 가능하고 전력스위치가 최소화되는 등 장점이 있으나, 도 5에 도시된 바와 같이 회전자 형상에 따라 영구자석의 형상이 또한 변경해야 하는 등 그 구조가 복잡하고 제작이 어려운 단점이 있다.In addition, the single-phase 4/4 pole SRM having a permanent magnet has advantages such as self-starting and minimizing the power switch. However, as shown in Fig. 5, the shape of the permanent magnet also needs to be changed It has a complicated structure and is difficult to manufacture.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 영구자석을 가지는 단상 4/4극 SRM은 ① 운전토크(Rated torque)가 0.4[N.m], ② 기동토크(Starting torque)가 0.1368[N.m], ③ 연결토크(Connecting torque)가 0.2383[N.m], 및 ④ 최소토크(Minimum torque)가 0.07882[N.m]인 토크 특성을 가진다.As shown in FIG. 6, the single-phase 4/4 pole SRM having the permanent magnet has the following characteristics: 1) Rated torque is 0.4 [Nm], 2) Starting torque is 0.1368 [Nm] , The connecting torque is 0.2383 [Nm], and the minimum torque is 0.07882 [Nm].

따라서 본 발명은 상기 영구자석을 가지는 단상 4/4극 SRM과 동일 외형치수 범위 내에서 제작이 가능하고 회전자극의 형상을 변경하면서 토크 성능은 향상될 수 있도록 제안된 결과물이다.Therefore, the present invention can be manufactured within the same external dimension range as the single-phase 4/4 pole SRM having the permanent magnet, and the torque performance can be improved while changing the shape of the rotating magnetic pole.

도 7은 균일 공극(uniform air gap)을 가지는 SRM의 조립 전후(a, b)를 나타내는 예시적인 도면이고, 도 8은 도 7의 토크 특성을 나타내는 그래프이다.FIG. 7 is an exemplary view showing a state before and after assembly (a, b) of SRM having a uniform air gap, and FIG. 8 is a graph showing the torque characteristics of FIG.

먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 회전자 형상이 단순하면서 회전자극이 중심에서 일정한 곡률 가지는 단상 4/4극 SRM(실험용 SRM)을 실험하였다.First, as shown in FIG. 7, a single-phase 4/4 pole SRM (experimental SRM) having a simple rotor shape and a constant curvature at the center of the rotating magnetic pole was tested.

즉, 상기 실험용 SRM은 회전자극 곡률이 일정하여 고정자극과 일정한 공극(air gap)이 형성되는 회전자극을 가지므로, 제작하기 단순한 구조를 가진다.That is, the experimental SRM has a simple structure because it has a rotating magnetic pole in which a rotating magnetic pole curvature is constant and a fixed gap and an air gap are formed.

참고로, 본 발명에서 공극은 공기 간극 또는 에어 갭(air gap)이라고 하는데, SRM에서 회전자극과 고정자극 사이에 생기는 간격 또는 틈을 말한다.For reference, the air gap in the present invention is an air gap or an air gap, which refers to a gap or gap between a rotating magnetic pole and a stationary magnetic pole in SRM.

그러나 상기 실험용 SRM은 도 8에 도시된 바와 같이 기동토크 및 최소토크에 있어서 성능이 매우 저하하는 결과가 나왔다.However, in the experimental SRM, as shown in FIG. 8, the performance of the starting torque and the minimum torque was very poor.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 실험용 SRM은 ① 운전토크(Rated torque)가 0.52[N.m], ② 기동토크(Starting torque)가 -0.0005[N.m], ③ 최소토크(Minimum torque)가 -0.183[N.m], 및 ④ 연결토크(Connecting torque)가 0.0319[N.m]인 토크 특성을 나타내고 있다.As shown in FIG. 8, the experimental SRM has 1) a rated torque of 0.52 [Nm], 2) a starting torque of -0.0005 [Nm], 3) a minimum torque of -0.183 [ Nm], and (4) the connecting torque is 0.0319 [Nm].

따라서, 본 발명자는 상기 성능 저하를 극복하고자 회전자 및 고정자 사이에 비균일 공극(non-uniform air gap)이 형성될 수 있는 회전자를 가지는 실험하였다.Accordingly, the present inventor has experimented with a rotor capable of forming a non-uniform air gap between the rotor and the stator in order to overcome the performance degradation.

다음은 본 발명을 제안하기 앞서서 비균일 공극(non-uniform air gap)을 가지는 회전자의 이해를 돕기 위한 설명이다.The following is an explanation for assisting understanding of a rotor having a non-uniform air gap before the present invention is proposed.

도 9는 비균일 공극(non-uniform air gap)을 가지는 회전자를 도시한 개략적인 사시도이다.9 is a schematic perspective view showing a rotor having a non-uniform air gap.

도 9에 도시된 바와 같이, 회전자는 선단부 및 중후단부로 구분할 수 있는 회전자극이 구비된다. 또한, 회전자극은 중심축에서 극호각(θr)을 가지고, 선단부는 회전자의 중심축에서 극호각(θ)을 가진다.As shown in FIG. 9, the rotor is provided with a rotating magnetic pole that can be divided into a front end portion and a middle end portion. Further, the rotating magnetic pole has a polar angle? R at the central axis, and the leading end has a polar angle? At the central axis of the rotor.

도 10은 균일 공극(uniform air gap) 및 비균일 공극(non-uniform air gap)을 설명하기 위한 개략도이고, 도 11은 회전자가 중심에서 이루는 각도 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 12는 회전자극의 각도 및 비균일 공극 각도를 예시적으로 도시한 도면이고, 도 13은 고정자극의 각도를 도시한 도면이며, 도 14는 도 13의 'P' 부분을 확대 해석한 도면이다.FIG. 10 is a schematic view for explaining a uniform air gap and a non-uniform air gap, FIG. 11 is a view for explaining the angular relationship formed by the rotor at the center, FIG. 12 is a cross- FIG. 13 is a view showing an angle of a stationary magnetic pole, and FIG. 14 is an enlarged view of a portion 'P' in FIG.

회전자극은 도 10에 도시된 바와 같이, 비균일 공극(non-uniform air gap) 영역 및 균일 공극(uniform air gap) 영역이 혼합적으로 적용되도록 한다.The rotating stimulus allows a non-uniform air gap region and a uniform air gap region to be applied in combination as shown in FIG.

또한, 회전자극은 도 11에 도시된 바와 같이, 회전자 중심을 기준으로 n 등분되며, n 등분됨으로써 회전자극 원호상에 생성되는 절점들은 회전자에 구속된 극좌표(rk, φk)에 의해 위치가 결정되어 진다(k=1,2,…,n).Further, the rotating magnetic pole is a, and n equal parts based on the rotor center, n equal parts whereby the joints produced in the rotating magnetic pole arc shape as shown in Figure 11 are by a polar coordinate (r k, φ k) constrained to the rotor The position is determined (k = 1, 2, ..., n).

회전자 형상을 최적화하기 위해서 각 절점의 φk값 및 rk값을 변화시킴으로써, 토크 특성이 최적화되는 비균일 공극(non-uniform air gap) 각도를 찾아낸다.In order to optimize the rotor geometry, non-uniform air gap angles in which the torque characteristics are optimized are found by varying the values of φ k and r k at each node.

회전자극 원호 상의 절점에 대해 FEA(Finite Element Analysis)를 개시할 수 있다.Finite Element Analysis (FEA) can be initiated for nodal points on a rotary stimulus arc.

도 12에 도시된 바와 같이, 회전자극의 극호각이 θr이고, 선단부(111a)의 극호각이 θ이며, 선단부(111a)는 비선형적 곡률을 갖고 중후단부(111b)는 일정 곡률을 갖는다. 즉, 선단부(111a)는 회전자 중심으로부터 비선형적 반경을 가져 비균일 공극(non-uniform air gap)이 형성되도록 하고 중후단부(111b)는 회전자 중심으로부터 일정 반경을 갖는 호(arc)를 유지하여 균일 공극(uniform air gap)이 형성되도록 한다.12, the pole tip angle of the rotating magnetic pole is? R, the pole tip angle of the tip portion 111a is?, The tip portion 111a has a non-linear curvature, and the middle end portion 111b has a certain curvature. That is, the tip portion 111a has a non-linear radius from the center of the rotor to form a non-uniform air gap and the middle end portion 111b has an arc having a certain radius from the center of the rotor Thereby forming a uniform air gap.

고정자는 도 13에 도시된 바와 같이, 내부에 회전자를 수용할 수 있는 공간이 형성되고 내측을 향하여 복수의 고정자극을 구비하며 권선으로 둘러싸인 사각 프레임 형상이다.As shown in FIG. 13, the stator has a rectangular frame shape in which a space capable of accommodating a rotor is formed therein and has a plurality of stationary magnetic poles facing inward and is surrounded by a coil.

즉, 고정자는 사각 프레임 내부에 중앙에 원형의 공간이 형성되고 중심 방향으로 돌출된 고정자극이 구비된다. 고정자극은 고정자극의 끝단에 형성된 호(arc)에 대한 극호각(θs)을 갖는다.That is, the stator is provided with a fixed magnetic pole having a circular space formed at the center thereof and protruding toward the center in the rectangular frame. The fixed magnetic pole has a polar angle [theta] s for an arc formed at the end of the stationary magnetic pole.

또한, 비균일 공극(non-uniform air gap)을 가지는 회전자는 도 14에 도시된 바와 같이, 회전자 및 고정자 사이에 발생되는 비균일 공극(non-uniform air gap)이 회전자극의 선단부에 형성된다.In addition, a rotor having a non-uniform air gap has a non-uniform air gap generated between the rotor and the stator, as shown in Fig. 14, formed at the tip of the rotating magnetic pole .

도 15는 본 발명에서 제안하는 복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM의 조립 전후(a, b)를 도시한 개략적인 사시도이고, 도 16은 도 15의 회전자를 도시한 개략적인 사시도이다.Fig. 15 is a schematic perspective view showing a single-phase hybrid SRM having a composite cavity proposed by the present invention before and after assembly (a, b), and Fig. 16 is a schematic perspective view showing the rotor of Fig.

그럼, 본 발명에서 제안하는 복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM(100)에 대해서 다음과 같이 더욱 구체적으로 설명하고자 한다.The single-phase hybrid SRM 100 having the composite cavity proposed in the present invention will now be described in more detail as follows.

본 발명의 일실시 예에 따른 복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM(100)은 도 15에 도시된 바와 같이 회전자(110), 고정자(120) 및 상기 고정자(130)에 탑재되는 자석부재(130)로 구성된다.A single-phase hybrid SRM 100 having a composite cavity according to an embodiment of the present invention includes a rotor 110, a stator 120 and a magnet member 130 mounted on the stator 130, .

또한, 회전자(110)는 도 16에 도시된 바와 같이 선단부(111a) 및 중후단부(111b)로 구분할 수 있는 회전자극(111)이 구비되고, 고정자(120)는 고정자극(121)이 구비된다.16, the rotor 110 is provided with a rotating magnetic pole 111 which can be divided into a front end portion 111a and a middle rear end portion 111b. The stator 120 has a stationary magnetic pole 121 do.

특히, 회전자극(111)의 선단부(111a)는 도 16에 도시된 바와 같이 회전자(110)의 중심으로부터 소정 반경이 일정한 선단양단부(2×α) 및 회전자의 중심으로부터 비선형적 반경을 가지는 선단중간부(β)가 형성된다.Particularly, the tip portion 111a of the rotating magnetic pole 111 has a tip end portion (2 x alpha) having a predetermined radius from the center of the rotor 110 and a non-linear radius from the center of the rotor as shown in Fig. 16 Leading end intermediate portion? Is formed.

여기서, 선단양단부(2×α)는 회전자극(111)의 회전방향으로 양측단에 위치하여 균일 공극(uniform air gap) 영역이 형성되고 선단중간부(β)는 상기 양측단의 사이 부분을 차지하여 비균일 공극(non-uniform air gap) 영역이 형성된다.A uniform air gap region is formed at both ends of the tip portion (2 占 at the both ends in the rotational direction of the rotating magnetic pole 111, and a tip middle portion (β) occupies a portion between the both end portions A non-uniform air gap region is formed.

또한, 중후단부(111b)는 회전자(110)의 중심으로부터 소정 반경이 일정하여 고정자(120)와 균일 공극(uniform air gap)이 형성되고, 상기 선단중간부(β)는 상기 비선형적 반경이 상기 소정 반경에 수렴하여 상기 중후단부(111b)와 완만하게 연결된다.The distal end portion 111b is formed to have a uniform radius from the center of the rotor 110 and a uniform air gap with the stator 120. The distal end portion has a non- Converges to the predetermined radius and is smoothly connected to the middle end portion 111b.

따라서, 본 발명에서는 선단양단부(2×α) 및 선단중간부(β) 비율을 조절하여 다음과 같이 실험을 실시하였다.Therefore, in the present invention, experiments were conducted as follows by controlling the ratio of both end portions (2 x alpha) and the tip intermediate portion (beta).

도 17은 회전자극의 균일 공극 및 비균일 공극 비율을 40%:60%일 때 토크 특성을 해석한 그래프이고, 도 18은 회전자극의 균일 공극 및 비균일 공극 비율을 20%:80%일 때 토크 특성을 해석한 그래프이며, 도 19는 회전자극의 균일 공극 및 비균일 공극 비율을 10%:90%일 때 토크 특성을 해석한 그래프이다.17 is a graph in which torque characteristics are analyzed when the uniform air gap and the non-uniform air gap ratio of the rotating magnetic pole are 40%: 60%, and FIG. 18 is a graph showing the torque characteristics when the uniform air gap and nonuniform air gap ratio of the rotating magnetic pole are 20% FIG. 19 is a graph showing torque characteristics when the uniform air gap and the non-uniform air gap ratio of the rotating magnetic pole are 10%: 90%. FIG.

도 17은 선단양단부(2×α) 및 선단중간부(β) 비율이 40%:60% 일 때 토크 특성을 해석한 그래프로 ① 운전토크(Rated torque)가 0.5[N.m], ② 기동토크(Starting torque)가 0.336[N.m], ③ 최소토크(Minimum torque)가 0.084[N.m], 및 ④ 연결토크(Connecting torque)가 0.2839[N.m]인 토크 특성을 도시하고 있다.Fig. 17 is a graph showing torque characteristics when the ratio of both end portions (2 占 and tip end portion) is 40%: 60%; (1) Rated torque is 0.5 Nm; The starting torque is 0.336 [Nm], the minimum torque is 0.084 [Nm], and the connecting torque is 0.2839 [Nm].

도 18은 선단양단부(2×α) 및 선단중간부(β) 비율이 20%:80% 일 때 토크 특성을 해석한 그래프로 ① 운전토크(Rated torque)가 0.5[N.m], ② 기동토크(Starting torque)가 0.3496[N.m], ③ 최소토크(Minimum torque)가 0.114[N.m], 및 ④ 연결토크(Connecting torque)가 0.2823[N.m]인 토크 특성을 도시하고 있다.Fig. 18 is a graph showing torque characteristics when the ratio of both end portions (2 占 and tip end portion) is 20%: 80%; (1) Rated torque is 0.5 Nm; The starting torque is 0.3496 Nm, the minimum torque is 0.114 Nm and the connecting torque is 0.2823 Nm.

도 19는 선단양단부(2×α) 및 선단중간부(β) 비율이 10%:90% 일 때 토크 특성을 해석한 그래프로 ① 운전토크(Rated torque)가 0.5[N.m], ② 기동토크(Starting torque)가 0.3249[N.m], ③ 최소토크(Minimum torque)가 0.122[N.m], 및 ④ 연결토크(Connecting torque)가 0.2827[N.m]인 토크 특성을 도시하고 있다.Fig. 19 is a graph showing torque characteristics analyzed when the tip ends (2 占 and the tip midpoint ratio) are 10%: 90%; (1) Rated torque is 0.5 [Nm] The starting torque is 0.3249 [Nm], the minimum torque is 0.122 [Nm], and the connecting torque is 0.2827 [Nm].

도 20은 도 17 내지 도 19의 토크 특성 결과를 종합적으로 해석한 그래프이고, 도 21은 토크 특성 비교 종합결과 도표이다.20 is a graph comprehensively analyzing the torque characteristic results of Figs. 17 to 19, and Fig. 21 is a torque characteristic comparison result chart.

상기와 같이 실험결과를 토대로 다음과 같은 결과를 도출하였다.Based on the experimental results, the following results were obtained.

본 발명의 일실시 예에 따른 복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM(100)은 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 선단부(111a)와 중후단부(111b)로 구분될 수 있는 외측을 향한 복수의 회전자극(111)을 구비한 원통 형상의 회전자(110), 상기 회전자(110)를 내부에 수용하고 내측을 향한 복수의 고정자극(121)을 구비한 권선으로 둘러싸인 사각 프레임 형상의 고정자(120) 및 상기 고정자(120) 일측에 장착되어 상기 회전자(110)에 보조 자력을 제공하는 한 쌍의 자석부재(130)를 포함하여 이루어진다.As shown in FIGS. 15 and 16, the single-phase hybrid SRM 100 having a composite cavity according to an embodiment of the present invention includes a plurality of outwardly facing pluralities of A rectangular frame-shaped stator 110 surrounded by a winding having a cylindrical rotor 110 having a rotating magnetic pole 111, a plurality of stationary magnetic poles 121 accommodating the rotor 110 therein, And a pair of magnet members 130 mounted on one side of the stator 120 to provide an auxiliary magnetic force to the rotor 110.

또한, 선단부(111a)는 회전자(110)의 중심으로부터 소정 반경이 일정한 선단양단부(2×α)에 고정자(120)와 균일 공극(uniform air gap)이 형성되고, 회전자(110)의 중심으로부터 비선형적 반경을 가지는 선단중간부(β)에 고정자(120)와 비균일 공극(non-uniform air gap)이 형성된다.The tip portion 111a is formed with a uniform air gap with the stator 120 at both ends (2xa) of the tip having a predetermined radius from the center of the rotor 110 and a center of the rotor 110 A non-uniform air gap is formed between the stator 120 and the tip middle portion? Having a non-linear radius.

또한, 중후단부(111b)는 회전자(110)의 중심으로부터 소정 반경이 일정하여 고정자(120)와 균일 공극(uniform air gap)이 형성되며, 상기 선단중간부(β)는 상기 비선형적 반경이 상기 소정 반경에 수렴하여 상기 중후단부(111b)와 완만하게 연결된다.The distal end portion 111b is formed with a uniform air gap with the stator 120 by a predetermined radius from the center of the rotor 110. The distal end portion has a non- Converges to the predetermined radius and is smoothly connected to the middle end portion 111b.

또한, 선단양단부(2×α) 및 선단중간부(β)의 길이 비는 1:9(10%:90%)이다.The ratio of lengths of both ends of the tip (2 占 and tip end middle portion) is 1: 9 (10%: 90%).

또한, 자석부재(130)는 영구자석(permanent magnet)이다.Further, the magnet member 130 is a permanent magnet.

또한, 회전자(110)는 4개의 회전자극(111)을 구비하고, 고정자(120)는 4개의 고정자극(121)을 구비한다. 다만, 본 발명의 일실시 예로 4/4극을 예시적으로 적용하였으나 회적자극 및 고정자극의 수량을 각각 달리하여 범용적으로 적용할 수 있다.The rotor 110 has four rotating magnetic poles 111 and the stator 120 has four stationary magnetic poles 121. However, in the embodiment of the present invention, the 4/4 pole is applied as an example, but the number of the spiral pole and the fixed pole can be differently applied to the general purpose.

이와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM(100)은 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.As described above, the single-phase hybrid SRM 100 having a composite cavity according to an embodiment of the present invention can expect the following effects.

회전자의 구조를 변경시켜 토크 특성을 보다 향상시키고 SRM 제작이 용이하게 하는 이점이 있다. 또한, 회전자 제작이 용이함에 따라 영구자석의 형상도 간단하게 변경할 수 있는 이점이 있다. 또한, 제작이 용이하므로 제작 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다. 또한, 외형치수는 동일 범위 내이지만 성능은 향상되는 이점이 있다. 또한, SRM 동일 기술 분야에 범용적으로 적용할 수 있는 이점이 있다.There is an advantage that the torque characteristics can be further improved by changing the structure of the rotor and manufacturing of the SRM is facilitated. In addition, since the rotor is easily manufactured, the shape of the permanent magnet can be easily changed. In addition, since it is easy to manufacture, there is an advantage that manufacturing cost can be reduced. In addition, the external dimensions are within the same range, but the performance is improved. In addition, there is an advantage that SRM can be universally applied to the same technical field.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the essential characteristics of the invention. will be.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.Therefore, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are intended to illustrate and not to limit the technical spirit of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments and the accompanying drawings .

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

100 : 본 발명이 제안하는 단상 하이브리드 SRM
110 : 회전자
120 : 고정자
130 : 자석부재100: Single-phase hybrid SRM proposed by the present invention
110: rotor
120: stator
130: Magnet member

Claims (3)

선단부와 중후단부로 구분될 수 있는 외측을 향한 복수의 회전자극을 구비한 원통 형상의 회전자,
상기 회전자를 내부에 수용하고 내측을 향한 복수의 고정자극을 구비한 권선으로 둘러싸인 사각 프레임 형상의 고정자, 및
상기 고정자 일측에 장착되어 상기 회전자에 보조 자력을 제공하는 한 쌍의 자석부재를 포함하여 이루어지되,
상기 선단부는 상기 회전자의 중심으로부터 소정 반경이 일정한 선단양단부에 상기 고정자와 균일 공극(uniform air gap)이 형성되고, 상기 회전자의 중심으로부터 비선형적 반경을 가지는 선단중간부에 상기 고정자와 비균일 공극(non-uniform air gap)이 형성되며,
상기 중후단부는 상기 회전자의 중심으로부터 소정 반경이 일정하여 상기 고정자와 균일 공극(uniform air gap)이 형성되며,
상기 선단양단부 및 선단중간부의 길이 비는 1:9이고,
상기 선단중간부는 상기 비선형적 반경이 상기 소정 반경에 수렴하여 상기 중후단부와 완만하게 연결되며,
상기 회전자는 4개의 회전자극을 구비하고 상기 고정자는 4개의 고정자극을 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 공극을 가지는 단상 하이브리드 SRM.A cylindrical rotor having a plurality of rotating magnetic poles facing outward which can be divided into a front end portion and a middle end portion,
A stator in the form of a rectangular frame surrounded by a winding having a plurality of stationary magnetic poles which receive the rotor therein and face inward,
And a pair of magnet members mounted on one side of the stator and providing an auxiliary magnetic force to the rotor,
Wherein the tip portion has a uniform air gap with the stator at both ends of the tip with a predetermined radius from the center of the rotor and a non-linear portion having a non-linear radius from the center of the rotor, A non-uniform air gap is formed,
The middle and rear ends of the stator are fixed in a predetermined radius from the center of the rotor to form a uniform air gap with the stator,
The ratio of lengths of both ends of the tip and the center of the tip is 1: 9,
Wherein the non-linear radius of the distal end intermediate portion converges to the predetermined radius and is gently connected to the middle end,
Wherein the rotor has four rotating magnetic poles and the stator has four stationary magnetic poles. 삭제delete 삭제delete
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