KR102036994B1 - 스텝 고정자 구조의 2상 srm - Google Patents

Abstract

본 발명은 스텝 고정자 구조의 2상 SRM에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고정자의 구조를 변경하여 회전자의 편심을 방지하면서 토크 데드구간(dead zone)을 해결하기 위한 '스텝 고정자 구조의 2상 SRM'에 관한 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 스텝 고정자 구조의 2상 SRM은 복수의 고정자극을 구비한 권선으로 둘러싸인 고정자와, 상기 고정자의 내부에 수용되고 외측을 향한 복수의 회전자극을 구비한 회전자를 포함하여 이루어지되, 상기 고정자극의 표면에는 상기 회전자극과 이루는 제1 공극 및 상기 제1 공극보다 큰 제2 공극이 형성되고, 상기 제1 및 제2 공극은 두 개의 서로 다른 반경으로 서로 접속하여 형성된다.
또한, 상기 고정자극은 일측으로 돌기되어 상기 제2 공극이 형성된다.
또한, 상기 고정자는 8개의 고정자 극을 구비하고, 상기 회전자는 4개의 회전자 극을 구비하며, 상기 SRM은 2상이다.

Description

스텝 고정자 구조의 2상 SRM{2-phase Switched Reluctance Motor with step stator structure}

본 발명은 스텝 고정자 구조의 2상 SRM에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고정자의 구조를 변경하여 회전자의 편심을 방지하면서 토크 데드구간(dead zone)을 해결하기 위한 '스텝 고정자 구조의 2상 SRM'에 관한 것이다.

스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, 이하 'SRM'이라 함)는 이중 돌극형과 고정자에만 권선이 위치한 집중권 방식의 전동기구이다.

SRM에서는 고정자 권선에서 발생한 자속에 의한 릴럭턴스에 의해 토크가 발생하므로, SRM은 타전동기와 달리 회전자에 자속을 생성하기 위한 영구자석 및 권선이 존재하지 않는다.

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.

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.

SRM은 도 2에 도시된 바와 같이, 에머드릴, 블로워, 세탁기, 전기자동차, 항공우주산업 등 많은 분야에서 연구가 진행되고 있다.

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.

도 3은 종래의 단상 SRM의 구조를 도시한 예시적인 도면이고, 도 4는 종래의 이상적인 인덕턴스와 토크 프로파일에 대한 예시적인 도면이다.

한편, 단상 SRM은 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 토크가 발생하지 않는 데드존 구간이 발생하며, 이에 따른 자기기동과 토크리플 개선이 어려운 문제점이 있다.

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.

따라서, 단상 SRM은 회전자 및 영구자석의 구조가 복잡하여 제작이 어렵고 성능이 개선되지 못하는 문제점을 해결할 필요가 있었다.

한국 특허등록번호 제10-1020994호, 발명의 명칭 '하이브리드 극 구조의 베어링리스 스위치드 릴럭턴스 모터' (등록일자 2011.03.02.)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 고정자의 구조를 변경하여 회전자의 편심을 방지하면서 토크 데드구간(dead zone)을 해결할 수 있는 스텝 고정자 구조의 2상 SRM을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 스텝 고정자 구조의 2상 SRM은 복수의 고정자극을 구비한 권선으로 둘러싸인 고정자와, 상기 고정자의 내부에 수용되고 외측을 향한 복수의 회전자극을 구비한 회전자를 포함하여 이루어지되, 상기 고정자극의 표면에는 상기 회전자극과 이루는 제1 공극 및 상기 제1 공극보다 큰 제2 공극이 형성되고, 상기 제1 및 제2 공극은 두 개의 서로 다른 반경으로 서로 접속하여 형성된다.

또한, 상기 고정자극은 일측으로 돌기되어 상기 제2 공극이 형성된다.

또한, 상기 고정자는 8개의 고정자 극을 구비하고, 상기 회전자는 4개의 회전자 극을 구비하며, 상기 SRM은 2상이다.

본 발명에 따르면, 종래 회전자에 비균일 공극을 구현하므로 편심이 발생하여 축 정렬 불량이 발생하는 등 기계적 문제점을 해결할 수 있는 이점이 있다.

또한, 회전자의 편심으로 인하여 온도가 상승할 수 있도록 더욱 심한 진동 발생하는 문제점을 해결할 수 있능 이점이 있다.

또한, 심한 회전자의 편심 발생으로 야기될 수 있는 대형사고 가능성을 방지할 수 있는 이점이 있다.

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 일반적인 2상 SRM의 경우 토크 데드구간을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 6은 회전자의 가변공극에 따른 편심을 도시한 예시적인 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 스텝 고정자 구조의 2상 SRM을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 8은 도 7의 'A' 부분을 확대하여 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명이 제안하는 스텝 고정자 구조의 2상 SRM에 따른 토크 비교그래프이다.
도 10은 본 발명이 제안하는 스텝 고정자 구조의 2상 SRM에 따른 인덕턴스 비교그래프이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

도 5는 일반적인 2상 SRM의 경우 토크 데드구간(dead zone)을 나타내는 예시적인 도면이고, 도 6은 회전자의 가변공극에 따른 편심을 도시한 예시적인 도면이며, 도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 스텝 고정자 구조의 2상 SRM을 나타내는 예시적인 도면이다.

또한, 도 8은 도 7의 'A' 부분을 확대하여 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명이 제안하는 스텝 고정자 구조의 2상 SRM에 따른 토크 비교그래프이며, 도 10은 본 발명이 제안하는 스텝 고정자 구조의 2상 SRM에 따른 인덕턴스 비교그래프이다.

먼저, 본 발명의 개념에 대해 설명한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 가장 흔한 2상의 SRM은 4/2 구조이다. 4/2 SRM은 4-고정자 및 2-회전자 극을 갖는다. 이러한 구조는 SRM에서 서로 다른 개수의 고정자-회전자 극들을 나타낸다. SRM은 일반적으로 동일하지 않은 개수의 고정자-회전자 극을 갖는다. 동일하지 않은 개수의 고정자-회전자 극은 데드구간(dead zone) 토크 생성 가능성을 피하도록 적용된다.

데드구간(dead zone)은 모든 회전자 극들이 고정자 극들과 정렬될 때 발생하는 상태이며, 출력 토크를 생성할 수 없다. 이 상태에서는, 모터가 자기기동(self starting) 회전을 생성할 수 없다. 또한, 자기기동 문제는 1상 또는 2상 SRM에서 발생한다.

따라서, 이러한 데드구간(dead zone)은 일반적으로 회전자에 가변 공극을 줌으로서 해결한다.

그러나 2상 SRM과 같이 가변 공극을 가지는 회전자의 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 기계 회전에 있어 편심이 유발된다.

이러한 편심 회전자의 문제점은 1) 축 정렬 불량과 같은 기계적 문제, 2) 온도가 상승할수록 더욱 심한 진동 발생, 3) 전동기 운용에 있어 대형사고 발생 가능 등이 있다.

이와 같이 회전자의 편심으로 유발되는 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 새로운 2상의 SRM의 설계를 제안한다.

본 발명에서 제안하는 스텝 고정자 구조의 2상 SRM(100)은 복수의 고정자극(111)을 구비한 권선으로 둘러싸인 고정자(110)와, 상기 고정자(110)의 내부에 수용되고 외측을 향한 복수의 회전자극(121)을 구비한 회전자(120)를 포함하여 이루어지되, 상기 고정자극(111)의 표면에는 상기 회전자극과 이루는 제1 공극(T1) 및 상기 제1 공극(T1)보다 큰 제2 공극(T2)이 형성되고, 상기 제1 및 제2 공극(T1, T2)은 두 개의 서로 다른 균일한 반경으로 서로 접속하여 형성된다.

또한, 상기 고정자극(111)은 일측으로 돌기부(112)가 돌출되어 회전자극(121)과 사이에 상기 제2 공극(T2)이 형성되어 스텝(step) 공극을 이루되, 인접한 고정자극과 이격되어 있다.

또한, 상기 고정자(110)는 8개의 고정자극(111)을 구비하고, 상기 회전자는 4개의 회전자극(121)을 구비하며, 상기 SRM(Switched Reluctance Motor)은 2상이다.

그럼, 본 발명의 일실시 예에 따른 스텝 고정자 구조의 2상 SRM(100)의 구성 및 작용을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 SRM(100)은 8개의 고정자극(111) 및 4개의 회전자극(121)을 사용한다.

또한, 본 발명에서는 고정자극 표면에 2가지 유형의 공극인 제1 및 제2 공극(T1, T2)을 사용한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 2상의 SRM(100)은 고정자(110, Stator)와 축(Shaft)의 외주에 마련된 회전자(120, Rotor)로 이루어지고, 상기 고정자(110)는 8개의 고정자극(111)을 구비하고, 상기 회전자(120)는 4개의 회전자극(121)을 구비한 2상의 모터이다.

본 발명에 따른 모터의 고정자(110) 표면에는 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 공극을 사용한다. 이 공극은 스텝(step) 공극이라 부르며, 모터가 임의의 회전자 위치에서 제로 토크를 생성하는 가능성을 감소시킨다. 결국, 이러한 유형의 공극은 한 방향 회전에 대해서만 양호하다.

스텝 공극은 고정자 극 표면의 두 개의 서로 다른 반경을 서로 접속함으로써 얻는다. 본 발명에 따른 모터에서는 도 8에 도시된 바와 같이, θ_st 간격으로 턱이 진 스텝(step) 개념을 이용한다.

즉, 본 발명에서 제안하는 스텝 고정자 구조의 2상 SRM(100)은 크게 고정자(110)와, 회전자(120)를 포함하고, 고정자(110)는 복수의 고정자극(111)을 구비한 권선으로 둘러싸이고, 회전자(120)는 상기 고정자(110)의 내부에 수용되고 외측을 향한 복수의 회전자극(121)을 구비한다.

또한, 고정자극(111)의 표면에는 회전자극(121)과 이루는 제1 공극(T1) 및 제2 공극(T2)이 형성된다.

특히, 제2 공극(T2)은 고정자극(111) 일측으로 돌기부(112)가 돌기되어 소정 깊이 턱이지게 함몰되어 제1 공극(T1)보다 더 크게 생성되며, 스텝(step) 공극이라고도 부른다.

따라서, 고정자극(111)과 회전자극(121) 사이의 공극은 고정자극(111)이 두 개의 서로 다른 반경으로 서로 접속하여 형성된다.

이와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 스텝 고정자 구조의 2상 SRM(100)은 고정자극(111)에 스텝 공극이 형성되게 하여 종래 회전자극에 비균일 공극을 형성으로 인하여 발생하는 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에서 제안하는 스텝 고정자 구조의 2상 SRM(100)은 도 9에 도시된 바와 같이, 종래 SRM과 토크를 비교하였을 때 종래보다 균일하고 안정적인 분포를 보여주고 있다.

또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제안하는 스텝 고정자 구조의 2상 SRM(100)은 종래 SRM과 인덕턴스을 비교하였을 때 종래보다 인덕턴스(inductance) 값을 형성하는 것을 잘 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 일실시 예에 따른 스텝 고정자 구조의 2상 SRM(100)은 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래 회전자에 비균일 공극을 구현하므로 편심이 발생하여 축 정렬 불량이 발생하는 등 기계적 문제점을 해결할 수 있는 이점이 있다.

또한, 회전자의 편심으로 인하여 온도가 상승할 수 있도록 더욱 심한 진동 발생하는 문제점을 해결할 수 있능 이점이 있다.

또한, 심한 회전자의 편심 발생으로 야기될 수 있는 대형사고 가능성을 방지할 수 있는 이점이 있다.

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.

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.

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.

100 : 본 발명이 제안하는 2상 SRM
110 : 고정자
111 : 고정자극
120 : 회전자
121 : 회전자극

Claims (3)

1. 복수의 고정자극을 구비한 권선으로 둘러싸인 고정자와,
   상기 고정자의 내부에 수용되고 외측을 향한 복수의 회전자극을 구비한 회전자를 포함하여 이루어지되,
   상기 고정자극의 표면에는 상기 회전자극과 이루는 제1 공극 및 상기 제1 공극보다 큰 제2 공극이 형성되고,
   상기 제1 및 제2 공극은 두 개의 서로 다른 균일한 반경으로 서로 접속하여 형성되며,
   상기 고정자극은 일측으로 돌기되어 상기 제2 공극이 형성되어 스텝(step) 공극을 이루되, 인접한 고정자극과 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 스텝 고정자 구조의 2상 SRM(Switched Reluctance Motor).
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 고정자는 8개의 고정자극을 구비하고,
   상기 회전자는 4개의 회전자극을 구비하며,
   상기 SRM(Switched Reluctance Motor)은 2상인 것을 특징으로 하는 스텝 고정자 구조의 2상 SRM(Switched Reluctance Motor).

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