KR101945118B1 - 전동기 및 이의 구동방법 - Google Patents

전동기 및 이의 구동방법 Download PDF

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권병일
후세인아시프
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

전동기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기는, 복수의 치(tooth)가 원주 방향으로 배열되고, 서로 다른 상(phase)의 전류를 인가 받는 메인 권선들로 이루어진 메인 권선 그룹과, 서로 다른 상의 전류를 인가 받는 서브 권선들로 이루어진 서브 권선 그룹이 상기 복수의 치에 마련된, 고정자; 및 상기 서브 권선 그룹에 인가된 전류를 통하여 회전자 필드를 형성시키고, 상기 회전자 필드와 상기 고정자에서 상기 메인 권선 그룹에 의하여 발생하는 메인 하모닉 필드의 상호 작용을 통해 회전하는 회전자를 포함하되, 상기 메인 권선 그룹을 이루는 상기 메인 권선이 상기 치를 감는 메인 권선수는, 상기 서브 권선 그룹을 이루는 서브 권선이 상기 치를 감는 서브 권선수 보다 많고, 상기 메인 권선과 상기 서브 권선은 전기적으로 직렬(series) 연결될 수 있다.

Description

전동기 및 이의 구동방법{Electric Motor and Method of Operating the Same}
본 발명은 전동기 및 이의 구동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메인 하모닉 필드를 생성하는 메인 권선과 서브 하모닉 필드를 생성하는 서브 권선이 직렬로 연결된 전동기 및 이의 구동방법에 관한 것이다.
전동기(electric motor)는, 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용해 전기에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이다. 그 중에서도 동기전동기(Synchronous Motor, SM)는, 고정자의 회전필드(field)에 동기하여 회전자가 일정한 속도로 회전할 수 있는 전동기를 말한다. 동기전동기의 회전자는 가변하는 전압 환경 속에서도 일정한 회전 속도를 유지할 수 있는 장점이 있다.
이러한 동기전동기에는 영구자석 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)와 계자권선형 동기전동기(Wound Rotor Synchronous Motor, WRSM)가 있다.
영구자석 동기전동기는, 회전자 자계(flux)를 발생시키기 위하여 영구자석을 이용할 수 있다. 영구자석 동기전동기는, 부하나 전압의 흔들림에도 불구하고 전력원의 주파수에 동기하여 고정된 속도를 제공할 수 있으며, 높은 효율과 높은 토크 밀도의 우수한 성능을 이유로 다양한 산업 및 가정용 응용 프로그램에 널리 사용되고 있다. 특히 영구자석 동기전동기는 모터의 설계 사양에 허락하는 범위 내에서 메인 주파수에 동기하여 고정된 속도를 제공할 수 있는 점에서 유용할 수 있다. 다만 영구자석 동기전동기에 사용되는 희토류 자석의 단가가 비싸기 때문에 적용상 한계를 가지고 있다.
이에 비해 계자권선형 동기전동기는, 영구자석 전동기와 달리 영구자석을 사용하지 않으므로 비용 면에서 저렴한 장점을 가지고 있다. 계자권선형 동기전동기는, 회전자에 영구자석 대신에 필드권선(field winding)을 사용하며, 이 때 필드권선은,회전자 자장을 생성하기 위하여 DC 전류를 인가 받는다.
일반적으로 회전자의 필드권선이 전류를 인가 받음에 있어서, 브러쉬(brush) 또는 슬립링(slip-ring)의 사용을 필요로 하기 때문에, 계자권선형 동기전동기는, 브러시 및 슬립링에 의한 전기적 및 기계적 손실이 발생하고, 자기장 손실 및 유지보수 관리에 어려움을 발생시키게 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0111680(2016.09.27)
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 최소한의 인버터로 구동하는 전동기 및 그 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 브러시 및 슬립링을 사용하지 않는 전동기 및 그 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고정자의 서브 권선으로부터 회전자 필드를 형성하는 전동기 및 그 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 상기 기술적 과제에 의하여 제한되지 아니하며 이하의 설명에 의하여 보다 명확하게 개시된다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 전동기를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는, 복수의 치(tooth)가 원주 방향으로 배열되고, 서로 다른 상(phase)의 전류를 인가 받는 메인 권선들로 이루어진 메인 권선 그룹과, 서로 다른 상의 전류를 인가 받는 서브 권선들로 이루어진 서브 권선 그룹이 상기 복수의 치에 마련된, 고정자; 및 상기 서브 권선 그룹에 인가된 전류를 통하여 회전자 필드를 형성시키고, 상기 회전자 필드와 상기 고정자에서 상기 메인 권선 그룹에 의하여 발생하는 메인 하모닉 필드의 상호 작용을 통해 회전하는 회전자를 포함하되, 상기 메인 권선 그룹을 이루는 상기 메인 권선이 상기 치를 감는 메인 권선수는, 상기 서브 권선 그룹을 이루는 서브 권선이 상기 치를 감는 서브 권선수 보다 많고, 상기 메인 권선과 상기 서브 권선은 전기적으로 직렬(series) 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 메인 권선과 상기 서브 권선은 전기적으로 직렬 연결되되, 상기 직렬로 연결된 상기 메인 권선과 상기 서브 권선은 서로 다른 치에 마련될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 메인 권선들 및 상기 서브 권선들은 다상(multi phases)의 전류를 인가 받되, 상기 메인 권선들과 상기 서브 권선들 중 서로 같은 상의 전류를 인가 받는 권선들은 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 인버터(inverter)를 더 포함하고, 상기 인버터는 상기 메인 권선 그룹을 이루는 상기 메인 권선들과 상기 서브 권선 그룹을 이루는 상기 서브 권선들 모두에 전류를 인가할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 메인 권선수는 상기 서브 권선수의 2배일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 메인 권선은 상기 서브 권선보다 큰 기자력(Magneto Motive Force, MMF)을 발생시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 메인 권선 그룹을 이루는 상기 메인 권선들 중 일부는 동일한 치에 적층되어 마련되고, 상기 서브 권선 그룹을 이루는 상기 서브 권선들 중 일부는 동일한 치에 적층되어 마련되되, 상기 메인 권선 그룹과 상기 서브 권선 그룹은 상기 고정자의 원주 방향을 따라 교번하여 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 메인 권선 그룹과 상기 서브 권선 그룹의 경계에서는, 상기 메인 권선과 상기 서브 권선이 동일한 치에 적층될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 메인 권선 그룹은 메인 권선 폴 수(number of pole)를 가지고, 상기 회전자는 하모닉 권선, 정류기 및 필드 권선을 포함하고, 상기 서브 권선 그룹에 제공된 전류에 의하여 발생하는 필드는 상기 하모닉 권선, 상기 정류기 및 상기 필드 권선을 거쳐 상기 회전자 필드로 변환되되, 상기 하모닉 권선이 가지는 하모닉 권선 폴 수는 상기 메인 권선 폴 수 보다 적고, 상기 필드 권선이 가지는 필드 권선 폴 수는 상기 메인 권선 폴 수와 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 구동방법은, 복수의 치가 원주 방향으로 배열되고, 서로 다른 상의 전류를 인가 받는 메인 권선들로 이루어진 메인 권선 그룹과, 서로 다른 상의 전류를 인가 받는 서브 권선들로 이루어진 서브 권선 그룹이 마련된 고정자가, 같은 인버터에 의하여 전류를 인가 받아, 상기 메인 권선으로부터 메인 하모닉 필드(main harmonic field)를 생성하고, 상기 서브 권선으로부터 서브 하모닉 필드(sub-harmonic field)을 생성하는 제1 단계; 상기 고정자의 일측에 위치한 회전자가, 상기 서브 하모닉 필드로부터 회전자 필드를 생성하는 제2 단계; 및 상기 회전자 필드 및 상기 메인 하모닉 필드의 상호 연동에 의해 상기 회전자에 회전자 토크가 발생하는 제3 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 단계는 상기 서브 하모닉 필드로부터 상기 회전자의 하모닉 권선과 정류기, 필드 권선을 거쳐서 회전자 필드를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는, 메인 하모닉 필드를 생성하는 메인 권선들과 서브 하모닉 필드를 생성하는 서브 권선들이 같은 인버터로부터 전류를 인가 받되, 메인 권선이 치를 감는 메인 권선수와 서브 권선이 치를 감는 서브 권선수가 서로 다를 수 있다.
이 때, 서브 하모닉 필드는 회전자를 여기시키고, 여기된 회전자는 회전자 필드를 생성할 수 있다. 생성된 회전자 필드는 메인 하모닉 필드와 상호 연동하여 토크를 발생시킬 수 있다.
이로써, 메인 권선과 서브 권선에 동일한 인버터를 통하여 전류를 인가할 수 있으므로 인버터 비용을 절감할 수 있음은 물론 구성을 단순화 시켜 유지 관리에 소요되는 비용을 최소화할 수 있다.
또한, 고정자의 권선에 의하여 하모닉 권선이 여기되므로 브러쉬와 슬립링 없이 전동기를 구동할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 고정자에서 메인 권선 그룹과 서브 권선 그룹을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자의 권선에 전류를 공급하는 인버터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 구동방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자의 메인 권선과 서브 권선에 의하여 발생하는 기자력(MMF)의 파형을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자의 메인 권선과 서브 권선 각각에 의하여 발생하는 기자력(MMF)의 파형을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기에서의 자속 밀도와 자속선의 분포도를 보여주는 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전자의 하모닉 권선과 필드 권선에 의하여 발생하는 전압과 전류 파형을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 토크 발생을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 고정자에서 메인 권선 그룹과 서브 권선 그룹을 설명하기 위한 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면,본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기(10)는, 고정자(100)와 회전자(200)를 포함하며, 고정자(100)는, 메인 권선(121)과 서브 권선(131)을 포함하며, 회전자(200)는, 하모닉 권선(harmonic winding, 220)과 정류기(230), 필드 권선(field winding, 240)를 포함할 수 있다. 이하 각 구성에 대하여 상술한다.
고정자(100)
고정자(100)는, 회전자(200)의 일 측 예컨대, 반경 방향 외측에 마련되어, 회전자(200)에 회전력을 제공할 수 있다. 이를 위하여, 고정자(100)는, 내측에 중공을 포함하는 원통형상으로 생성될 수 있고, 이에 회전자(200)는, 고정자(100)의 중공에 인입된 상태에서 회전할 수 있다.
실시 예에 따르면, 고정자(100)는, 권선이 안착되는 복수의 치(111)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 치(111)는, 고정자(100)의 원통형 내측에 원주 방향으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 치(111)는 48개일 수 있다.
고정자(100)는, 회전자(200)가 회동할 수 있도록 자계를 생성하는 권선을 포함할 수 있다. 고정자(100)의 권선은, 회전자(200)에 회전력을 제공할 수 있도록 자속을 생성하는, 메인 권선(121)들로 이루어진 메인 권선 그룹(120)과 서브 권선(131)들로 이루어진 서브 권선 그룹(130)을 포함할 수 있다. 메인 권선 그룹(120)과 서브 권선 그룹(130)은 교번하여 고정자(100)의 원주 방향을 따라 서로 다른 복수의 치(111)에 마련될 수 있다.
보다 구체적인 설명을 위하여, 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 기계각 0도를 기준으로 원주방향으로 배열된 권선을 확인할 수 있다. 고정자(100)의 메인 권선 그룹(120)은, 기계각을 기준으로 90도에서 180도(120a) 및 270도에서 360도(120b)에 배치될 수 있다. 이에 대응하여 서브 권선 그룹(130)은, 기계각을 기준으로 0도에서 90도(130a) 및 180도에서 270도(130b)까지의 권선 분포를 가질 수 있다. 이로써 메인 권선 그룹(120)과 서브 권선 그룹(130)은 교번하여 고정자(100)의 원주 방향을 따라 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면 특정 치에는 메인 권선(121) 또는 서브 권선(131)이 이중 레이어로 적층되어 마련될 수 있다. 즉 메인 권선 그룹(120)을 이루는 메인 권선(121)들 중 일부는 동일한 치(111)에 적층되어 마련될 수 있고, 서브 권선 그룹(130)을 이루는 서브 권선(131)들 중 일부는 동일한 치(111)에 적층되어 마련될 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 메인 권선 그룹(120a. 120b)에 해당하는 치의 경우, 메인 권선(121)들이 이중 레이어를 이루어 적층될 수 있다. 또한, 서브 권선 그룹(130a, 130b)에 해당하는 치의 경우, 서브 권선(131)들이 이중 레이어를 이루어 적층될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 고정자(100)의 메인 권선 그룹(120)과 서브 권선 그룹(130)의 경계(기계각 기준: 0, 90, 180, 270, 360)에서는, 메인 권선(121)과 서브 권선(131)이 동일한 치(111)에 적층되도록 배열될 수 있다. 즉 권선 그룹의 경계에서는 이종의 권선이 특정 치에 적층될 수 있다.
메인 권선 그룹(120)을 이루는 메인 권선(121)이 치(111)를 감는 메인 권선수는, 서브 권선 그룹(130)을 이루는 서브 권선(131)에서 치(111)를 감는 서브 권선수 보다 많을 수 있다. 예를 들어 메인 권선(121)은, 서브 권선(131)보다 n배의 권선수를 가질 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 메인 권선(121)이, 서브 권선(131) 대비 2배의 권선수를 가지는 경우를 상정하기로 한다. 메인 권선(121)과 서브 권선(131)이 서로 다른 횟수로 치를 감기 때문에 메인 하모닉 필드와 서브 하모닉 필드가 생성될 수 있는 바, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
일 실시 예에 따르면, 메인 권선(121)은, 8 폴 수를 가지도록 상술한 치(111)에 배열될 수 있다.
고정자(100)의 권선은 서로 다른 다상(phase)의 전류를 인가 받을 수 있다. 실시 예에 따르면, 고정자(100)의 권선은 3상의 전류를 인가 받을 수 있다. 예를 들어, 메인 권선(121)은 크기가 같고 위상이 서로 다른 A상, B상, C상의 전류를 인가 받을 수 있다. 또한 예를 들어, 서브 권선(131)도 크기가 같고 위상이 서로 다른 X상, Y상, Z상의 전류를 인가 받을 수 있다. 이때, 메인 권선(121)과 서브 권선(131)이 인가 받은 전류의 크기는 서로 동일할 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 A, B, C는, 각각 A상, B상, C상을 인가 받는 각각의 메인 권선(121)을 의미하며, X, Y, Z은 각각 X상, Y상, Z상을 인가 받는 각각의 서브 권선(131)을 의미할 수 있다. 이 때, 메인 권선(121)과 서브 권선(131)은, 같은 인버터(300)로부터 전기를 인가 받되, 전기적으로 직렬로 연결될 수 있는 바, 이에 대한 구체적인 설명은 도 3을 참조하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자의 권선에 전류를 공급하는 인버터를 설명하기 위한 회로도이다.
일 실시 예에 따르면, 메인 권선(121)들과 서브 권선(131)들 중 3상의 전류를 인가 받는 권선들은, 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3을 참조하면, 메인 권선(121) 중 A상을 인가 받은 권선은 서브 권선(131) 중 X상을 인가 받는 권선과 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 동일한 방식으로 메인 권선(121) 중 B상을 인가 받는 권선은 서브 권선(131) 중 Y상을 인가 받는 권선과 전기적으로 직렬 연결될 수 있고, 메인 권선(121) 중 C상을 인가 받는 권선은 서브 권선(131) 중 Z상을 인가 받는 권선과 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 즉, 동일한 위상의 전류를 인가 받는 메인 권선(121)과 서브 권선(131)이 전기적으로 직렬로 연결되어 있기 때문에 메인 권선(121)과 서브 권선(131) 각각에 전류를 인가하는 인버터가 없더라도 같은 인버터(300)에서 메인 권선(121)과 서브 권선(131) 각각에 전류를 인가할 수 있는 이점이 있다.
회전자(200)
이하 다시 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전자(200)를 설명하기로 한다.
회전자(200)는, 고정자(100)에 의하여 생성된 메인 하모닉 필드에 대응하여 축 방향으로 회전할 수 있다. 하모닉 권선(220)과 정류기(230), 필드 권선(240)을 포함하는 회전자(200)에 있어서, 하모닉 권선(220) 및 필드 권선(240)은, 회전자(200)의 원주 방향을 따라 배열될 수 있다. 보다 구체적으로 회전자(200)의 원주 방향을 따라 복수의 치(211)가 마련되며, 하모닉 권선(220) 및 필드 권선(240)은 복수의 치(211)에 각각 형성될 수 있다. 예를 들어, 다시 도 1을 참조하면, 필드 권선(240)의 폴 수는 하모닉 권선(220)의 폴 수보다 많을 수 있다. 보다 구체적으로 메인 권선(121)에서 치(111)를 감은 메인 권선수가 서브 권선(131)에서 치(111)를 감는 서브 권선수보다 2배 많은 경우, 필드 권선(240)의 폴 수는 하모닉 권선(220)의 폴 수 보다 2배 많을 수 있다. 다른 관점에서 메인 권선(121)의 폴 수는 필드 권선(240)의 폴 수와 동일할 수 있다 실시 예에 의하면, 회전자(200)는, 8개의 치(211)들로 이루어져, 그 중 하모닉 권선(220)은 하나의 치(211)만큼 떨어져 4 폴 수를 형성하고, 필드 권선(240)은 8 폴 수를 형성할 수 있다.
회전자(200)는, 고정자(100)의 서브 권선 그룹(130)에 의한 서브 하모닉 필드(sub-harmonic field)로부터 유도되는 회전자 필드를 생성할 수 있다. 예를 들어, 회전자(200)는, 서브 권선 그룹(130)에 전류가 인가되면 그로 인해 발생한 서브 하모닉 필드에 의하여 하모닉 권선(220)과 정류기(230), 필드 권선(240)을 거쳐서 회전자 필드를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로 하모닉 권선(220)은, 고정자(100)의 서브 권선(131)에 의하여 생성된 서브 하모닉 필드에 의해 여기되어 전류를 생성할 수 있다. 정류기(230)는, 하모닉 권선(220)에 의하여 여기된 전류를 정류할 수 있다. 필드 권선(240)은, 정류기(230)에 의하여 정류된 전류를 인가 받음으로써, 회전자 필드를 생성할 수 있다.
이때, 회전자(200)는, 회전자(200)에 의하여 생성된 회전자 필드와 고정자(100)의 메인 권선 그룹(120)에 의하여 생성된 메인 하모닉 필드의 상호 작용으로부터 토크를 생성할 수 있다.
도 1을 참조하면 회전자(200)의 필드 권선 폴 수는, 메인 권선 그룹(120)의 메인 권선 폴 수와 동일할 수 있다. 보다 구체적으로, 하모닉 권선(220)이 가지는 하모니 권선 폴 수는 메인 권선 폴 수 보다 적고, 필드 권선(240)이 가지는 필드 권선 폴 수는 메인 권선 폴 수와 동일 할 수 있다. 이에 따라 고정자(100)의 메인 권선(121)에 의하여 생성된 메인 하모닉 필드와 회전자(200)에 의하여 생성된 회전자 필드는 상호 연동할 수 있다.
이상 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기를 설명하였다. 이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 구동방법을 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 구동방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기(10)의 구동방법은, 고정자가 메인 하모닉 필드와 서브 하모닉 필드를 생성하는 단계[S100], 회전자가 서브 하모닉 필드로부터 회전자 필드를 생성하는 단계[S200], 메인 하모닉 필드와 회전자 필드의 상호 연동에 의해 토크가 생성되는 단계[S300]를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 단계에 대하여 설명하기로 한다.
S100 단계에서 복수의 치(111)가 원주 방향으로 배열되고, 서로 다른 상의 전류를 인가 받는 메인 권선(121)들로 이루어진 메인 권선 그룹(120)과, 서로 다른 상의 전류를 인가 받는 서브 권선(131)들로 이루어진 서브 권선 그룹(130)이 복수의 치(111)에 마련된 고정자(100)가, 같은 인버터에 의하여 전류를 인가 받아, 메인 권선(121)으로부터 메인 하모닉 필드를 생성하고, 서브 권선(131)으로부터 서브 하모닉 필드를 생성할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 메인 권선(121)이 치를 감는 메인 권선수가 서브 권선(131)이 치를 감는 서브 권선수의 2배인 경우에, 메인 권선(121)과 서브 권선(131)이 각각 발생시키는 메인 하모닉 필드의 기자력(MMF)은, 서브 하모닉 필드의 기자력(MMF) 대비 2배 클 수 있다. 주파수 관점에서, 메인 하모닉 필드는, 서브 하모닉 필드 대비 2배의 주파수를 가질 수 있다.
S200 단계에서, 회전자(200)가 서브 하모닉 필드로부터 하모닉 권선(220)과 정류기(230), 필드 권선(240)을 순차적으로 거쳐서 회전자 필드를 생성할 수 있다.
서브 권선(131)에 의하여 발생하는 서브 하모닉 필드는, 회전자(200)의 하모닉 권선(220), 정류기(230), 필드 권선(240)을 통과하면서 메인 하모닉 필드와 동기화될 수 있는 상태로 변화될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 메인 하모닉 필드는, 8폴인 반면, 하모닉 권선(220)은, 4폴로 구성된다. 이 경우, 서브 하모닉 필드는 정류기(230) 및 필드 권선(240)을 통과하면서 메인 하모닉 필드와 같은 8폴 수의 회전자 필드가 생성될 수 있다.
S300 단계에서, S100 단계에 따라 고정자(100)에서 생성된 메인 하모닉 필드는 S200 단계에 따라 회전자(200)에서 생성된 회전자 필드와 상호 연동하여 토크를 생성할 수 있다.
이상 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 구동방법을 설명하였다. 이하에서는 도 5 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 시뮬레이션 결과를 설명하기로 한다
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자에 대한 메인 권선과 서브 권선에 의하여 발생하는 기자력(MMF)의 파형을 보여주는 도면이다.
앞서 설명한 바와 같이, 서브 권선(131)은 0도 내지 90도 및 180도 내지 270도에 배열되고, 메인 권선(121)은, 서브 권선(131)과 교번하여 90도 내지 180도 및 270도 내지 360도에 배열된다. 이때, 메인 권선(121)은, 서브 권선(131) 대비 치를 감는 권선수가 2배이다.
도 5를 참조하면 메인 권선(121)에 의하여 발생하는 메인 하모닉 필드와 서브 권선(131)에 의하여 발생하는 서브 하모닉 필드의 통합 기자력(MMF)은 전체적으로 사인파 형을 가질 수 있다. 이 때, 서브 권선(131)이 배열된 0도 내지 90도 및 180도 내지 270도의 경우, 메인 권선(12이 배열된 90도 내지 180도 및 270도 내지 360도의 경우보다 작은 기자력(MMF)이 생성되는 것을 확인할 수 있다. 이는 메인 권선(121)이 치를 감는 메인 권선수가 서브 권선(131)이 치를 감는 서브 권선수 보다 크기 때문인 것으로 해석될 수 있다.
또한 도 6을 참조하면, 메인 하모닉 필드의 기자력(MMF) 주파수가 서브 하모닉 필드의 기자력(MMF) 주파수 보다 크기 및 주파수가 작음을 확인할 수 있다. 즉, 메인 권선(121)과 서브 권선(131)이 직렬로 연결된 상태에서 같은 인버터(300)로부터 전류를 인가 받더라도 권선수에 대응하여 독립적인 기자력(MMF)이 생성되는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기에서의 자속 밀도와 자속선의 분포도를 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면 서브 권선(131)와 메인 권선(121)의 자속 세기를 비교할 수 있다. 자속 밀도와 자속 선수를 비교하면, 메인 권선(121)의 자속 밀도와 자속 선수가 서브 권선(131)보다 더 많은 것을 확인할 수 있다. 서브 권선(131)에 비하여 메인 권선(121)이 더 많은 2배의 권선수를 가짐으로써, 메인 권선(121)이 더 높은 자속 밀도와 자속 선수를 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전자의 하모닉 권선과 필드 권선에 의하여 발생하는 전압과 전류 파형을 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 정상 상태일 때의 하모닉 권선(220)과 필드 권선(240)의 전압을 보여주고 있다. 하모닉 권선(220)에 유도된 전압은 정류된 후, 필드 권선(240)에 공급될 수 있다. 이로써,필드 권선(240)에 의하여 생성되는 회전자 필드는, 서브 하모닉 필드 대비 2배의 주파수를 가질 수 있다.
도 9를 참조하면, 하모닉 권선(220)과 필드 권선(240)의 전류를 보여주고 있다. 하모닉 권선(220) 전류에 대하여 필드 권선(240) 전류는 2배의 주파수 차이를 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 토크 발생을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 고정자(100)의 메인 하모닉 필드와 회전자의 회전자 필드의 상호 연동에 의하여 토크가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 특히 120ms 이후부터는 정상 상태에 도달하여 안정적인 토크가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
이상 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기 및 전동기의 구동방법은, 메인 하모닉 필드를 생성하는 메인 권선(121)들과 서브 하모닉 필드를 생성하는 서브 권선(131)들이 같은 인버터로부터 전류를 인가 받되, 고정자(100)의 메인 권선(121)과 서브 권선(131)이 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 또한 메인 권선(121)이 치를 감는 메인 권선수와 서브 권선(131)이 치를 감는 서브 권선수를 서로 달리 함으로써, 메인 하모닉 필드와 서브 하모닉 필드의 기자력(MMF)을 독립적으로 달리 생성하고, 결과적으로 메인 하모닉 필드와 서브 하모닉 필드로부터 생성된 회전자(200)의 회전자 필드의 상호 연동에 의하여 추가적인 인버터를 필요로 하지 않고서도, 안정적으로 토크를 발생시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10 : 전동기
100 : 고정자
111 : 치
120 : 메인 권선 그룹 121 : 메인 권선
130 : 서브 권선 그룹 131 : 서브 권선
200 : 회전자
211 : 치
220 : 하모닉 권선
240 : 필드 권선

Claims (11)

  1. 복수의 치(tooth)가 원주 방향으로 배열되고, 서로 다른 상(phase)의 전류를 인가 받는 메인 권선들로 이루어진 메인 권선 그룹과, 서로 다른 상의 전류를 인가 받는 서브 권선들로 이루어진 서브 권선 그룹이 상기 복수의 치에 마련된, 고정자; 및
    상기 서브 권선 그룹에 인가된 전류를 통하여 회전자 필드를 형성시키고, 상기 회전자 필드와 상기 고정자에서 상기 메인 권선 그룹에 의하여 발생하는 메인 하모닉 필드의 상호 작용을 통해 회전하는 회전자를 포함하되,
    상기 메인 권선 그룹을 이루는 상기 메인 권선이 상기 치를 감는 메인 권선수는, 상기 서브 권선 그룹을 이루는 서브 권선이 상기 치를 감는 서브 권선수 보다 많고, 상기 메인 권선과 상기 서브 권선은 전기적으로 직렬(series) 연결되되,
    상기 메인 권선 그룹은 메인 권선 폴 수(number of pole)를 가지고,
    상기 회전자는 하모닉 권선, 정류기 및 필드 권선을 포함하고, 상기 서브 권선 그룹에 제공된 전류에 의하여 발생하는 필드는 상기 하모닉 권선, 상기 정류기 및 상기 필드 권선을 거쳐 상기 회전자 필드로 변환되되,
    상기 하모닉 권선이 가지는 하모닉 권선 폴 수는 상기 메인 권선 폴 수 보다 적고, 상기 필드 권선이 가지는 필드 권선 폴 수는 상기 메인 권선 폴 수와 동일한, 전동기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 권선과 상기 서브 권선은 전기적으로 직렬 연결되되, 상기 직렬로 연결된 상기 메인 권선과 상기 서브 권선은 서로 다른 치에 마련된, 전동기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 권선들 및 상기 서브 권선들은 다상(multi phases)의 전류를 인가 받되, 상기 메인 권선들과 상기 서브 권선들 중 서로 같은 상의 전류를 인가 받는 권선들은 전기적으로 직렬 연결된, 전동기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    인버터(inverter)를 더 포함하고,
    상기 인버터는 상기 메인 권선 그룹을 이루는 상기 메인 권선들과 상기 서브 권선 그룹을 이루는 상기 서브 권선들 모두에 전류를 인가하는, 전동기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 권선수는 상기 서브 권선수의 2배인, 전동기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 권선은 상기 서브 권선보다 큰 기자력(MMF)을 발생시키는, 전동기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 권선 그룹을 이루는 상기 메인 권선들 중 일부는 동일한 치에 적층되어 마련되고, 상기 서브 권선 그룹을 이루는 상기 서브 권선들 중 일부는 동일한 치에 적층되어 마련되되,
    상기 메인 권선 그룹과 상기 서브 권선 그룹은 상기 고정자의 원주 방향을 따라 교번하여 배치되는, 전동기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 권선 그룹과 상기 서브 권선 그룹의 경계에서는, 상기 메인 권선과 상기 서브 권선이 동일한 치에 적층되는, 전동기.
  9. 삭제
  10. 복수의 치가 원주 방향으로 배열되고, 서로 다른 상의 전류를 인가 받는 메인 권선들로 이루어진 메인 권선 그룹과, 서로 다른 상의 전류를 인가 받는 서브 권선들로 이루어진 서브 권선 그룹이 마련된 고정자가, 같은 인버터에 의하여 전류를 인가 받아, 상기 메인 권선으로부터 메인 하모닉 필드(main harmonic field)를 생성하고, 상기 서브 권선으로부터 서브 하모닉 필드(sub-harmonic field)을 생성하는 제1 단계;
    상기 고정자의 일측에 위치한 회전자가, 상기 서브 하모닉 필드로부터 회전자 필드를 생성하는 제2 단계; 및
    상기 회전자 필드 및 상기 메인 하모닉 필드의 상호 연동에 의해 상기 회전자에 회전자 토크가 발생하는 제3 단계를 포함하되,
    상기 메인 권선 그룹은 메인 권선 폴 수(number of pole)를 가지고,
    상기 회전자는 하모닉 권선, 정류기 및 필드 권선을 포함하고, 상기 서브 권선 그룹에 제공된 전류에 의하여 발생하는 필드는 상기 하모닉 권선, 상기 정류기 및 상기 필드 권선을 거쳐 상기 회전자 필드로 변환되되,
    상기 하모닉 권선이 가지는 하모닉 권선 폴 수는 상기 메인 권선 폴 수 보다 적고, 상기 필드 권선이 가지는 필드 권선 폴 수는 상기 메인 권선 폴 수와 동일한, 전동기의 구동방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 단계는 상기 서브 하모닉 필드로부터 상기 회전자의 하모닉 권선과 정류기, 필드 권선을 거쳐서 회전자 필드를 형성하는, 전동기의 구동방법.
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