KR102015214B1 - 돌극성을 갖는 엔드 플레이트가 적용된 회전자 - Google Patents

Abstract

돌극성을 갖는 엔드 플레이트가 적용된 회전자가 개시된다. 회전자는, 회전자의 축방향 양단에 부착되는 자성 재질의 엔드 플레이트(end-plate)를 포함하되, 엔드 플레이트는 돌극성을 가지는 구조로 형성된다.

Description

돌극성을 갖는 엔드 플레이트가 적용된 회전자{Rotor by application of end-plate with saliency}

본 발명은 돌극성을 갖는 엔드 플레이트가 적용된 회전자에 관한 것이다.

최근 다량의 에너지 사용으로 인해 지구온난화와 같은 환경문제가 대두되고 있다. 이런 환경문제에 대응하고자 선진국을 중심으로 산업용 전동기의 효율을 규제하는 제도가 시행되고 있다. 일반적으로, 산업용 전동기는 경제적, 구조적 이점을 갖는 전동기 타입인 유도전동기가 40%이상을 차지하고 있다. 그런데, 효율 규제가 시행되면서 일정 효율에 이하의 전동기는 사용이 불가하게 되었다. 그래서, 유도전동기를 동기형 릴럭턴스 전동기로 교체하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

동기형 릴럭턴스 전동기는 D축과 Q측의 인덕턴스의 차인 돌극비를 이용하여 토크를 발생시키는 전동기이며, 회전자가 철심으로만 이루어져 있어 구조가 간단하고 제작에 소모되는 비용이 적은 이점이 있다.

일반적인 산업용 전동기의 경우, 회전자 적층을 고정하기 위해 축방향 상단과 하단에 엔드 플레이트(end-plate)가 설치된다. 또한, 산업용 전동기의 엔드 플레이트는 가격 경쟁력 확보를 위해 S20C와 같은 저렴한 자성재질을 사용하여 제작된다.

하지만, 자성재질이 사용되면, 축방향으로 누설이 발생하여 전동기 출력이 저하되는 문제가 발생하게 되고, 이로 인하여 전동기의 효율이 저하되는 문제가 발생한다.

등록특허 10-0690668

본 발명은 돌극성을 가지는 구조로 형성된 자성재질의 엔드 플레이트가 적용된 회전자를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 동기형 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor)의 회전자가 개시된다.

본 발명의 실시예에 따른 회전자는, 상기 회전자의 축방향 양단에 부착되는 자성 재질의 엔드 플레이트(end-plate)를 포함하되, 상기 엔드 플레이트는 돌극성을 가지는 구조로 형성된다.

상기 회전자는 베리어(barrier), 세그먼트(segment) 및 립(rib)이 형성되어 돌극성을 가지는 구조로 형성되며, 상기 엔드 플레이트는 상기 회전자의 단면과 동일한 형상으로 형성된다.

본 발명의 실시예에 따른 회전자는, 돌극성을 가지는 구조로 형성된 자성재질의 엔드 플레이트가 적용되어 축방향 누설이 방지됨으로써, 전동기의 출력 및 효율 저하를 방지하여 에너지가 절감될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor)의 회전자의 주요 파라미터를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기의 단면 형태를 나타낸 도면.
도 3은 기존 엔드 플레이트(end-plate)가 적용된 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 형상을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔드 플레이트가 적용된 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 형상을 나타낸 도면.
도 5 내지 도 9는 도 3 및 도 4의 기존 엔드 플레이트와 본 발명의 실시예에 따른 엔드 플레이트의 출력 특성을 분석한 결과를 나타낸 도면.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor)의 회전자의 주요 파라미터를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기의 단면 형태를 나타낸 도면이다. 이하에서는, 도 1 및 도 2를 참조하여 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자(100)의 설계 예시에 대하여 설명하기로 한다.

동기형 릴럭턴스 전동기는 철심과 구리 권선으로만 구성된 전동기로, 구조가 단순하여 내구성이 뛰어나고 영구자석과 같은 고가의 재료가 사용되지 않아 가격이 매우 저렴한 이점을 가지고 있다.

도 1을 참조하면, 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자(100)는 돌극비가 극대화되도록 베리어(barrier), 세그먼트(segment), 립(rib) 등이 배치된 구조로 설계될 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기의 설계를 위한 스펙(specification)은 하기 표 1과 같이 나타낼 수 있다.

Contents	Value	Unit
Rated Power	5.5	kW
Rated torque/speed	29.2/1800	Nm/rpm
Voltage limit	264	Vph,max
Dia. Stator	228	mm
THB limit	10	%
Stack Length limit	140	mm

표 1은 전동기의 목표 출력, 구동속도 및 사이즈 제한을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기는 4극 유도 전동기를 대체하고자 설계된다. 그래서, 표 1의 스펙에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기는 1800RPM의 정격속도가 채택되고, 5.5kW의 출력을 만족하기 위하여 토크가 29.3Nm로 설계된다. 그리고, 기존 유도 전동기의 프레임을 사용하기 위하여 고정자 외경 제한치는 228mm이고, 적층길이의 제한치는 140mm이다.

일반적으로, 영구자석 전동기는 회전자 영구자석의 자속의 방향이 D축으로 정의되고, D축과 전기각이 90도 차이가 나는 축이 Q축으로 정의된다.

하지만, 동기형 릴럭턴스 전동기의 경우, 회전자에서 인덕턴스가 가장 높은 축이 D축, 인덕턴스가 가장 낮은 축이 Q축으로 정의된다. 즉, 동기형 릴럭턴스 전동기의 D축과 Q축은 하기 수학식으로 정의될 수 있다.

동기형 릴럭턴스 전동기는 D축과 Q축의 인덕턴스의 차인 돌극비를 이용하여 토크를 발생시킨다.
여기서,

는 A상 인덕턴스의 최대값,

는 A상 쇄교자속의 최대값,

는 A상 인덕턴스의 최소값,

는 A상 쇄교자속의 최소값이다.
동기형 릴럭턴스 전동기의 토크 발생 원리는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.

삭제

그리고, 동기형 릴럭턴스 전동기의 성능을 평가하는 지표인 효율, 역률 및 THD는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.

여기서,

는 역기전력의 1차 내지 4차 고조파 성분이다.

이와 같은 설계 파라미터에 수학적인 기법을 적용하여 파라메트릭(parametric) 해석이 가능하도록 드로잉(drawing)을 진행하고, 2D-FEA를 이용하여 최적의 전동기 형상이 도 2와 같이 도출되었다.

그 결과, 4개의 베리어가 배치되었고, 베리어의 두께와 각도는 각각 3.4mm 및 139도로 설계되었다. 그리고, 회전자가 정격속도로 회전할 때 비산을 방지해주는 구조인 립은 기계적 강성을 확보하는 이점이 있는 동시에, 자속 누설로 인해 전자계 출력을 감소시킨다. 그래서, 립은 기계적 응력을 지지할 수 있는 한도 내에서 최소의 두께로 설계하는 것이 이로우나, 양산시 편의성을 위하여 1mm로 설계되었다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기는 유도 전동기의 고정자 형상과 적층 길이를 고정하고, 회전자 형상만을 변경하여 설계한 전동기이다. 이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기와 기존 유도 전동기의 특성은 하기 표 2와 같이 나타낼 수 있다.

Contents	IM	SynRM	Unit
Output Power	5.5		kW
Rotating Speed	1800		RPM
Input Current(Zc)	11.6(22)	13.7(17)	Arms
Current Angle	-	60	deg
Power Factor	79.8	76.1	%
Efficiency	90.01	92.4	%

표 1을 통해 확인할 수 있는 가장 큰 차이점은 효율이다. 즉, 기존 유도전동기의 효율은 5.5kW 출력 영역에서 90.01%이다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기는 92.4%로서, 5.5kW 용량대의 IE4 CLASS를 달성할 수 있다.

도 3은 기존 엔드 플레이트(end-plate)가 적용된 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 형상을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔드 플레이트가 적용된 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 형상을 나타낸 도면이고, 도 5 내지 도 9는 도 3 및 도 4의 기존 엔드 플레이트와 본 발명의 실시예에 따른 엔드 플레이트의 출력 특성을 분석한 결과를 나타낸 도면이다.

일반적으로, 회전자 양산과정에서 엔드 플레이트의 재질로서 자성체와 비자성체 둘다 사용된다. 하지만, 자성체 또는 비자성체의 사용은 각각 장점과 단점이 동시에 존재하게 된다.

엔드 플레이트를 제작하는 과정은, 표면을 매끄럽게 하고, 양단의 밸런스를 맞춰주는 연마 공정이 포함된다. 연마 공정에서 대상물을 고정하기 위하여 자석(magnet)이 이용된다.

자성체가 사용되는 경우, 연마 공정에서 자석을 통해 대상물이 고정될 수 있어 제작이 용이한 장점이 있다. 하지만, 구동 시에 고정자에서 발생하는 자속이 엔드 플레이트를 통해 축방향으로 누설되어 출력이 감소된다.

비자성체가 사용되는 경우, 엔드 플레이트가 비자성체이므로 연마 공정에서 자석을 이용한 고정이 불가능하고, 고정을 위한 별도의 지그가 필요하게 되어 제작 단가가 상승하는 단점이 발생한다. 이와 같은 이유로 저렴한 가격이 주된 경쟁력인 동기형 릴럭턴스 전동기는 비자성체로 제작되는 엔드 플레이트의 적용이 부적합할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서는 엔드 플레이트가 자성재질로 제작된 것으로 가정한다.

우선, 도 3 및 도 4를 참조하면, 엔드 플레이트(10, 20)는 회전자(100)의 적층을 고정하기 위하여 회전자(100)의 축방향 양측 즉, 상단 및 하단에 부착된다.

기존 엔드 플레이트(10)는 도 3에 도시된 바와 같이, 돌극성을 갖는 회전자(100)의 단면 형상과 상관없이, 단순히 회전자(100)의 적층을 고정하기 위한 구조로 형성된다.

반면에, 본 발명의 실시예에 따른 엔드 플레이트(20)는 돌극성을 갖는 회전자(100)의 단면 형상처럼, 돌극성을 가지는 구조로 형성된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 엔드 플레이트(20)는 회전자(100)와 같이, 돌극비가 극대화되도록 베리어(barrier), 세그먼트(segment), 립(rib) 등이 배치된 구조를 가진다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 엔드 플레이트(20)에는 전동기의 극수가 4가 되도록 4개의 배리어군이 형성될 수 있다.

도 5는 3D-FEA 해석을 통해 도출한 회전자(200)와 기존 엔드 플레이트(10)의 자속 밀도를 나타낸 것이다. 3D-FEA 해석을 위하여, 기존 엔드 플레이트(10)는 두께가 양산에 적합한 9mm로 설정되었고, 재질이 S20C로 적용되었다.

도 5에 도시된 바와 같이, 기존 엔드 플레이트(10)는 다량의 자속이 누설됨이 확인된다. 즉, 전동기의 MTPA 점은 60도인데, d축 기준으로 40~60도 부근에 위치하는 기존 엔드 플레이트(10)의 바(bar)를 통해 다량의 자속이 누설된다. 이로 인하여, q축 인덕턴스가 증가할 수 있다.

예를 들어, 비자성체로 제작된 엔드 플레이트의 출력 특성(Case 1), Case 1과 동일한 전류가 입력된 상태에서 자성체로 제작된 엔드 플레이트의 출력 특성(Case 2) 및 Case 2에서의 출력 저하를 보강하기 위하여 입력전류를 증가시킨 자성체로 제작된 엔드 플레이트의 출력 특성(Case 3)은 하기 표 3과 같이 나타낼 수 있다.

Contents	Case 1	Case 2	Case 3	Unit
Output Power	5.5	4.7	5.5	kW
Torque	29.1	24.6	29.1
Rotating Speed	1800			RPM
Input Current	13.5	13.5	15.2	Arms
Current Angle	60			deg
Ld	72.1	71,9	66.9	mH
Lq	8	16.8	15.6	mH
Ld-Lq	64.1	55.1	51.3	mH
Power Factor	76.1	63.8	63.7	%
Efficiency	92.4	91.2	91.7	%

Case 1과 Case 2의 출력 특성에 따르면, 자성체로 제작된 엔드 플레이트를 통해 자속 누설이 발생한다. 뿐만 아니라, 자성체로 제작된 기존 엔드 플레이트(10)는 q축에 자로를 생성하는 형상으로 제작되므로, d축 인덕턴스는 감소하고, q축 인덕턴스는 증가하게 되어 출력 토크가 감소하는 현상이 발생한다.

즉, 표 3을 참조하면, 비자성체로 제작된 엔드 플레이트의 출력은 5.5kW인데, 자성체로 제작된 엔드 플레이트의 출력은 4.7kW로 15% 가량 감소하였다.

한편, Case 3는 Case 2에서 저하된 출력을 보강하기 위하여 입력전류를 증가시킨 경우인데, 전류의 증가로 인한 자속 증가로 인하여 회전자에 포화가 발생하였고, 돌극비는 더욱 낮아졌다. 그리고, 전류의 증가로 인하여 동손이 증가하여 효율이 Case 1에 비하여 0.7% 가량 감소하였다.

Case 2 및 Case 3은 돌극비 감소를 인하여 역률도 저하되었다.

자성체로 제작된 엔드 플레이트는 도 5에 도시된 바와 같이, 자속 누설이 발생한다. 이를 다른 관점에서 살펴보면, 누설 자속은 고정자에서 생성되는 자속으로 토크를 발생시키는 회전자와 마찬가지로, 주파수에 따라 회전하는 자속으로 판단될 수 있다. 이를 확인하기 위하여 3D-FEA를 이용하여 엔드 플레이트만이 존재하는 경우의 토크 발생 정도가 분석되었다.

도 6은 기존 엔드 플레이트(10)만이 존재하는 경우의 자속 밀도를 나타내고, 도 7은 돌극성을 가지는 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자와 동일한 형상으로 제작된 엔드 플레이트(20)만이 존재하는 경우의 자속 밀도를 나타내고, 도 8은 도 6 및 도 7의 엔드 플레이트 각각에서 발생한 토크를 나타낸다.

도 6은 전동기의 MTPA 점인 60도로 전류가 인가되었을 때의 자속 밀도를 나타내는 것으로, 기존 엔드 플레이트(10)의 경우, 다량의 자속이 누설되고 있으며, 도 8에 도시된 바와 같이, 약 0.2의 미소한 토크가 발생한다. 기존 엔드 플레이트(10)에서 미소한 토크가 발생하는 이유는 엔드 플레이트의 형상이 돌극성을 가지는 형상이 아니니 때문이다.

한편, 도 7에 도시된 돌극성을 가지는 엔드 플레이트(20)에서는, 누설 자속 자체가 감소되며, 도 8에 도시된 바와 같이, 기존 엔드 플레이트(10)와 달리 토크가 발생되고 있다.

도 9는 돌극성을 가지는 회전자의 단면 형상과 동일한 형상으로 제작된 엔드 플레이트(20)가 적용된 경우의 3D-FEA 분석 결과이다. 전술한 분석과 마찬가지로, 축방향 누설 자속이 감소된 것이 확인된다.

기존 엔드 플레이트(10)가 적용된 모델(Existing Plate)과 본 발명의 실시예에 따른 엔드 플레이트(20)가 적용된 모델(Optimal Plate)에 대한 3D-FEA 분석 결과는 하기 표 4와 같다.

Contents	Existing Plate	Optimal Plate	Unit
Output Power	4.7	5.42	kW
Torque	24.6	28.7
Rotating Speed	1800		RPM
Input Current	13.5		Arms
Current Angle	60		deg
Ld	71,9	74.5	mH
Lq	16.8	9.9	mH
Ld-Lq	55.1	64.6	mH
Power Factor	63.8	74.3	%
Efficiency	91.2	92.4	%

표 4를 참조하면, 기존 엔드 플레이트(10)가 적용된 모델은 10% 가량의 출력 저하가 발생하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 엔드 플레이트(20)가 적용된 모델은 회전자와 동일하게 돌극비를 갖는 형상을 가짐으로써, 자속 누설에 의한 출력 저하 현상이 발생하지 않는 것이 확인된다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔드 플레이트(20)가 적용된 모델은 효율도 비자성체로 제작된 엔드 플레이트와 비등하게 나타난다.

기존 엔드 플레이트(10)가 적용된 모델(Existing Plate)과 본 발명의 실시예에 따른 엔드 플레이트(20)가 적용된 모델(Optimal Plate)에 대한 실험 결과는 하기 표 5와 같다.

Contents	Existing Plate	Optimal Plate	Unit
Output Power	5.5	5.5	kW
Rotating Speed	1800		RPM
Input Current	16.3	14.1	Arms
Current Angle	64	59	deg
Efficiency	90.9	92.4	%

표 5에 도시된 바와 같이, 실험 결과도 3D-FEA 분석 결과와 마찬가지로, 자성재질로 제작된 기존 엔드 플레이트(10)가 적용된 경우, 누설 자속으로 인하여 출력 저하 현상이 발생하고, 이를 보완하기 위하여 16.3Arms가 인가되었음이 확인된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔드 플레이트(20)가 적용된 경우, 3D-FEA 분석 결과와 비등하게 입력 전류에서 목표 출력이 발생하고, 효율도 92.4%로 3D-FEA 분석 결과와 동일함이 확인된다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

10, 20: 엔드 플레이트(end-plate)
100: 회전자

Claims (3)

1. 동기형 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor)의 회전자에 있어서,
   상기 회전자의 축방향 양단에 부착되는 자성 재질의 엔드 플레이트(end-plate)를 포함하되,
   상기 회전자는 베리어(barrier), 세그먼트(segment) 및 립(rib)이 형성되어 돌극성을 가지는 구조로 형성되며,
   상기 엔드 플레이는 상기 회전자의 단면과 동일하게, 배리어(barrier), 세그먼트(segment) 및 립(rib)을 포함하는 돌극성을 가지는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전자.
   
2. 삭제
3. 제1항에 따른 회전자를 포함하는 동기형 릴럭턴스 전동기.
   
   
   

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