KR102188707B1

KR102188707B1 - 전동기

Info

Publication number: KR102188707B1
Application number: KR1020190017811A
Authority: KR
Inventors: 권병일; 아유브; 굴람
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2020-12-08
Also published as: KR20200099776A

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는 구동 전류가 인가되는 적어도 하나의 직렬 서브 권선 및 상기 적어도 하나의 직렬 서브 권선을 통과한 구동 전류가 분기되어 인가되도록 서로 병렬로 연결된 적어도 두 개의 병렬 서브 권선들을 포함하는 고정자 권선이 형성된 고정자; 및 상기 병렬 서브 권선들에서 발생하는 서브 하모닉에 기반하여 회전자 필드를 생성하는 회전자 권선이 형성된 회전자를 포함할 수 있다.

Description

전동기{Motor}

본 발명은 전동기에 관련된 것으로서, 서브 하모닉을 발생시키기 위하여, 서로 병렬로 연결된 적어도 두 개 이상의 서브 권선을 포함하는 전동기에 관련된 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.

이에 본 발명자들은 브러쉬 또는 슬립링을 최소화하면서도 간이한 구성으로, 구동 토크를 생성하는 전동기를 발명하게 되었다.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 간이한 구성으로 서브 하모닉을 발생시키는 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 인버터의 사용을 최소화하는 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 대칭적인 고정자 권선을 가지는 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 고정자 필드를 생성하는 권선과 서브 하모닉을 생성하는 권선이 서로 대응하는 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 높은 초기 토크를 생성하는 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는, 구동 전류가 인가되는 적어도 하나의 직렬 서브 권선 및 상기 적어도 하나의 직렬 서브 권선을 통과한 구동 전류가 분기되어 인가되도록 서로 병렬로 연결된 적어도 두 개의 병렬 서브 권선들을 포함하는 고정자 권선이 형성된 고정자; 및 상기 병렬 서브 권선들에서 발생하는 서브 하모닉에 기반하여 회전자 필드를 생성하는 회전자 권선이 형성된 회전자를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 직렬 서브 권선은 상기 구동 전류로부터 고정자 필드를 생성하고, 상기 고정자 필드와 상기 회전자 권선이 생성한 회전자 필드의 상호 작용에 의하여 상기 회전자에 토크가 발생할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 회전자 권선은 상기 서브 하모닉으로부터 하모닉 전류를 생성하는 하모닉 권선, 상기 하모닉 전류를 정류하는 정류기 및 상기 정류된 하모닉 전류로부터 상기 회전자 필드를 생성하는 필드 권선을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 적어도 두 개의 병렬 권선은 상기 회전자를 사이에 두고 서로 마주보는 방향에 배치될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 직렬 서브 권선은 두 개 이상의 짝수로 이루어지고, 상기 직렬 서브 권선들은 상기 회전자를 사이에 두고 서로 마주보는 방향에 배치될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 직렬 서브 권선과 상기 병렬 서브 권선은 상기 고정자의 원주 방향을 따라, 교번하여 배치될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 적어도 하나의 직렬 서브 권선 중 특정 직렬 서브 권선을 흐르는 구동 전류의 양은, 상기 서로 병렬로 연결된 적어도 두 개 이상의 병렬 서브 권선들을 흐르는 구동 전류의 양과 같을 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 적어도 하나의 직렬 서브 권선 중 특정 직렬 서브 권선을 흐르는 구동 전류의 양은, 상기 서로 병렬로 연결된 적어도 두 개 이상의 병렬 서브 권선들 중 특정 병렬 서브 권선을 흐르는 구동 전류의 양 보다 많을 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 직렬 서브 권선과 상기 병렬 서브 권선의 턴 수는 서로 동일할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 구동 전류는 단일 인버터로부터 공급될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 회전자에는 상기 회전자의 원주 방향을 따라 치가 형성되며, 상기 치에는 상기 치와 상기 고정자가 대향하는 면 방향으로 영구 자석이 형성될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 회전자는, 상기 회전자 필드를 생성하는 필드 권선을 더 포함하며, 상기 필드 권선과 상기 영구 자석은 상기 회전자의 원주 방향을 따라 서로 교번하여 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는, 간이한 구성으로 서브 하모닉을 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는 고정자 필드 및 서브 하모닉 생성을 위한 전류를 하나의 인버터에서도 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시 에에 따른 전동기는 고정자 필드를 생성하는 권선과 서브 하모닉을 생성하는 권선이 대칭 구조를 이룰 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는 높은 초기 토크를 제공할 수 있다.

본 발명의 효과는 언급된 효과에 제한되지 아니한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전동기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전동기의 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전동기의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전동기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 내지 도 15는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전동기의 구동 토크를 설명하기 위한 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 제 3의 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 제1 실시 예에 따른 전동기의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전동기의 회로를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 전동기(1000)는 고정자(100)와 회전자(200)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, 메인 권선이 안착되는 복수의 치(110)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 치(110)는, 고정자(100)의 원통형 내측에 원주 방향으로 배열될 수 있다.

고정자(100)는, 회전자(200)가 회동할 수 있도록 고정자 권선(120)을 포함할 수 있다. 상기 고정자 권선(120)은 인가받는 전류의 상(phase)에 따라 그룹될 수 있다. 예를 들어, 상기 고정자 권선(120)에 A, B, C의 3 상이 인가되는 경우, 상기 고정자 권선(120)은 제1 고정자 권선(120A), 제2 고정자 권선(120B), 및 제3 고정자 권선(120C)으로 그룹핑될 수 있다. 이하 고정자 권선(120)에 3 상의 전류가 인가되는 경우를 상정하여 설명하기로 한다.

일 예에 따르면, 고정자 권선(120) 중 A 상의 구동 전류를 인가 받는 서브 권선은 120A1, 120A2, 120A3, 120A4 권선으로 이루어지고, 고정자 권선(120) 중 B 상의 구동 전류를 인가 받는 서브 권선은 120B1, 120B2, 120B3, 120B4로 이루어지고, 고정자 권선(120) 중 C 상의 구동 전류를 인가 받는 서브 권선은 120C1, 120C2, 120C3, 120C4로 설정될 수 있다. 각각의 서브 권선은 고정자(100)의 치(110)에 형성되되, 더블 레이어로 형성될 수 있다.

이 때, 각 상의 구동 전류를 인가받는 서브 권선은 직렬 서브 권선과 병렬 서브 권선으로 분류될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 120A1, 120A3은 직렬 서브 권선에 해당하고, 120A2, 120A4는 병렬 서브 권선에 해당할 수 있다. 마찬가지로, 120B1, 120B3은 직렬 서브 권선에 해당하고, 120B2, 120B4는 병렬 서브 권선에 해당할 수 있다. 또한 120C1, 120C3은 직렬 서브 권선에 해당하고, 120C2, 120C4는 병렬 서브 권선에 해당할 수 있다.

또한, 상기 직렬 서브 권선과 병렬 서브 권선은 상기 고정자(100)의 원주 방향을 따라 교번하여 배열될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 고정자(100)의 원주 방향을 따라 직렬 서브 권선(120A1, 120B1, 120C1), 병렬 서브 권선(120A2, 120B2, 120C2), 직렬 서브 권선(120A3, 120B3, 120C3), 병렬 서브 권선(120A4, 120B4, 120C4)이 순서대로 배열될 수 있다.

다른 관점에서, 120A1, 120B1, 120C1로 이루어진 직렬 서브 권선과 120A3, 120B3, 120C3으로 이루어진 직렬 서브 권선은 회전자(200)를 사이에 두고 대칭할 수 있고, 120A2, 120B2, 120C2로 이루어진 병렬 서브 권선과 120A4, 120B4, 120C4으로 이루어진 병렬 서브 권선은 회전자(200)를 사이에 두고 대칭할 수 있다. 이 때, 각각의 서브 권선들은 동일한 턴 수를 가질 수 있다.

각각의 서브 권선들이 고정자의 원주 방향을 따라 교번하여 배치되고, 동일한 턴 수를 가지기 때문에 권선의 대칭성이 우수해진다. 기계적으로 대칭성이 우수해지기 때문에 권선에 의한 무게가 균일하게 분산되어, 회전 안전성이 향상될 수 있다.

상기 직렬 서브 권선(120A1, 120A3, 120B1, 120B3, 120C1, 120C3)을 따라서는 구동 전류가 인가되고, 상기 병렬 서브 권선(120A2, 120A4, 120B2, 120B4, 120C2, 120C4)을 따라서는 구동 전류가 분기되어 인가될 수 있다. 이 경우, 각각의 직렬 서브 권선(120A1, 120A3, 120B1, 120B3, 120C1, 120C3)을 흐르는 구동 전류는 동일할 수 있다. 또한, 서로 병렬을 이루는 서브 권선들에 흐르는 전류의 합은 단일 직렬 서브 권선을 흐르는 전류의 합과 같을 수 있다. 즉, 각각의 직렬 서브 권선(120A1, 120A3, 120B1, 120B3, 120C1, 120C3)을 흐르는 구동 전류의 양은 각각의 병렬 서브 권선(120A2, 120A4, 120B2, 120B4, 120C2, 120C4) 보다 많으며 보다 정확히는, 각각의 병렬 서브 권선(120A2, 120A4, 120B2, 120B4, 120C2, 120C4)을 흐르는 전류의 양의 두 배가 될 수 있다.

이 경우, 직렬 서브 권선(120A1, 120A3, 120B1, 120B3, 120C1, 120C3)은 고정자 필드를 생성할 수 있다. 이와 달리, 병렬 서브 권선(120A2, 120A4, 120B2, 120B4, 120C2, 120C4)은 회전자(200)의 하모닉 권선(220)을 여기시키는 서브 하모닉을 생성할 수 있다. 흐르는 구동 전류의 차이를 통하여 단일 인버터(300)로 고정자 필드 및 서브 하모닉이 동시에 생성될 수 있는 것이다.

회전자(200)

회전자(200)는, 회전자(200)가 생성한 회전자 필드와 고정자(100)가 생성한 고정자 필드에 의하여 고정자(100)에 대하여 회전할 수 있다.

보다 구체적으로 회전자(200)의 원주 방향을 따라 복수의 치(211)가 마련되며, 상기 복수의 치(211)에는 회전자 권선이 마련될 수 있다. 예를 들어, 회전자 권선은 하모닉 권선(220) 및 필드 권선(240)을 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 고정자(100)에서 생성된 서브 하모닉은 상기 회전자(200)의 하모닉 권선(220)을 여기시킬 수 있다. 여기된 하모닉 권선(220)은 하모닉 전류를 생성할 수 있다. 정류자(230)는 상기 하모닉 전류를 정류할 수 있다. 상기 필드 권선(240)은 상기 정류된 하모닉 전류를 인가받아 회전자 필드를 생성할 수 있다.

이를 위하여, 상기 고정자 권선(120)의 극 수는 상기 필드 권선(240)의 극 수와 동일할 수 있다. 또한 상기 하모닉 권선(220)의 극 수는 상기 고정자 권선(120)의 극 수 보다 n 배 적을 수 있다. 이는 고정자 권선(120)에서 생성되는 서브 하모닉에 의하여 상기 하모닉 권선(220)이 여기되도록 하기 위함이다.

이상 설명한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전동기의 시뮬레이션 결과를 도 3 내지 도 10을 참조하여 설명하기로 한다. 시뮬레이션을 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 고정자 권선의 극 수가 8극이고 48개의 슬롯을 가진 고정자, 8 극의 필드 권선 및 4 극의 하모닉 권선을 준비하였다.

도 3은 제1 실시 예에 따른 전동기의 고정자의 각 서브 권선에 흐르는 전류 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도 3을 참조하면, 직렬 서브 권선(120A1, 120B1, 120C1)에는 병렬 서브 권선(120A2. 120B2, 120C2) 보다 많은 전류가 흐름을 확인할 수 있다. 이는 병렬 서브 권선에서는 구동 전류가 분기되어 공급되기 때문에, 키르(히)호(르)프 (Kirchhoff)의 법칙에 따라 병렬 서브 권선을 흐르는 전류는 직렬 서브 권선을 흐르는 전류보다 적어지게 된다. 이는 직렬 서브 권선(120A3, 120B3, 120C3)에는 병렬 서브 권선(120A4. 120B4, 120C4)에서도 마찬가지일 것으로 예상된다.

도 4는 제1 실시 예에 따른 전동기의 구동 토크 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도 4를 참조하면, 특정 시점 t=o에서, 각각의 서브 권선에 의하여 발생하는 토크를 확인할 수 있다. 즉, 직렬 서브 권선(120A1, 120A3, 120B1, 120B3, 120C1, 120C3)이 위치하는 0 내지 90도 범위, 180 내지 270도 범위에서는, 병렬 서브 권선(120A2, 120A4, 120B2, 120B4, 120C2, 120C4)이 위치하는 90도 내지 180도 범위, 270도 내지 360도 범위보다 큰 MMF(magneto-motive force)가 발생함을 확인할 수 있다. 이는 도 5를 참조한 푸리에 변환(FFT) 시뮬레이션에서도, 폴 페어가 4 개인 경우의 MMF(고정자 필드)가 폴 페어가 2 개인 경우의 MMF(서브 하모닉)의 보다 큰 것으로도 확인할 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 고정자 필드와 관련된 MMF와 서브 하모닉과 관련된 MMF는 다음과 같이 수학적으로 정리될 수 있다.

위 수학식은 아래와 같이 간략하게 정리될 수 있다.

여기서, F는 MMF를 의미하고, 우변의 첫 번째 항목은 고정자 필드와 관련된 MMF를 의미하고, 우변의 두 번째 항목은 서브 하모닉과 관련된 MMF를 의미한다.

도 6은 제1 실시 예에 따른 전동기의 플럭스 밀도(Flux density)와 플럭스 라인(Flux line)의 FFT(Fast Fourier Transform) 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도 6을 참조하면, 직렬 서브 권선(120A1, 120B1, 120C1)을 120_1으로 표현하고, 병렬 서브 권선(120A2, 120B2, 120C2)을 120_2로 표현하고, 직렬 서브 권선(120A3, 120B3, 120C3)을 120_3으로 표현하고, 병렬 서브 권선(120A4, 120B4, 120C4)를 120_4로 표현하였다.

시뮬레이션 결과, 직렬 서브 권선에 의해 생성되는 고정자 필드 MMF가 병렬 서브 권선에 의해 생성되는 서브 하모닉 MMF 보다 높은 플럭스 밀도 및 플럭스 라인을 가지는 것을 확인할 수 있다.

도 7 및 도 8은 제1 실시 예에 따른 전동기의 에어갭(Air gap) FEA(finite-element analysis) 및 에어갭 FFT 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 직렬 서브 권선 및 병렬 서브 권선에 의하여 4 극 페어 플럭스 밀도와 2 극 페어 서브 하모닉 플럭스 밀도가 생성되었고, 그에 따라 하이 피크와 로우 피크를 가지는 에어갭 플러스 밀도가 생성됨을 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전동기의 하모닉 전류 및 필드 전류 FEA 분석 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도 9를 참조하면, 고정자 권선 중 병렬 서브 권선에 의하여 서브 하모닉이 생성되었기 때문에 하모닉 권선(220)에서 5.77Arms 크기의 하모닉 전류가 생성되었음을 확인할 수 있다. 또한 정류기(230)에 의하여 정류된 하모닉 전류에 의하여 필드 권선(240)에 10.29A의 직류가 흐르는 것을 확인할 수 있다.

도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전동기의 토크 FEA 분석 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도 10을 참조하면, 필드 권선(240)에 의하여 회전자 필드가 생성되었고, 생성된 회전자 필드와 고정자 권선 중 직렬 서브 권선에 의하여 생성된 고정자 필드의 상호 작용에 의하여 8.21Nm의 평균 토크가 생성되었음을 확인할 수 있다.

이상 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전동기를 설명하였다. 이하 도 11 및 도 16을 참조하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전동기에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명의 제2 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 제1 실시 예와 중복되는 부분은 생략하고 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.

도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전동기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 11을 참조하면 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전동기(1000’는 제1 실시 예에 따른 전동기(1000)와 같이 직렬 서브 권선과 병렬 서브 권선을 포함할 수 있다. 도 11에 직렬 서브 권선이 배치되는 영역을 120_direct로 표기하고, 병렬 서브 권선이 배치되는 영역을 120_parallel으로 표기하였다.

제2 실시 예에 따른 전동기(1000’는 제1 실시 예에 따른 전동기(1000)와 달리, 영구 자석(270)을 더 포함할 수 있다. 상기 영구 자석(270)은 상기 회전자(200)의 치(211)의 일 측에 마련될 수 있다. 예를 들어, 상기 영구 자석(270)은 상기 회전자(200)의 치(211)의 일 측에 마련되되, 고정자(100)의 내 측과 대향하는 면에 마련될 수 있다.

나아가, 영구 자석(270)은 필드 권선(240)과 상기 회전자(200)의 원주 방향을 따라 교번하여 배치될 수 있다. 이에 따라, 고정자(100)의 고정자 필드와 회전자(200)의 회전자 필드가 상호 작용하는 과정에 있어서, 상기 영구 자석(270)은 추가적인 자계를 제공함으로써, 초기 토크를 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전동기를 설명하였다. 이하 도 12 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전동기의 시뮬레이션 결과를 설명하기로 한다. 참고로, 시뮬레이션을 위하여, 도 11에 도시된 바와 같이, 12 슬롯과 8 극을 가지는 고정자 및 8극 필드 권선 및 4극 하모닉 권선을 포함하는 회전자를 가지는 전동기(1000’를 제조하였다.

도 12 내지 도 15를 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전동기의 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도 12는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전동기의 플럭스 라인을 도시한다. 도 12를 참조하면, 직렬 서브 권선이 배치된 120_direct 영역에서 병렬 서브 권선이 배치된 120_parallel 영역에서 보다 많은 플럭스 라인이 생성됨을 확인할 수 있다.

도 13은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전동기의 하모닉 전류 FEA 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 13을 참조하면, 병렬 서브 권선에 의하여 생성된 서브 하모닉에 의하여 하모닉 권선(220)에서 하모닉 전류가 생성됨을 확인할 수 있다.

도 14는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전동기의 필드 권선 전류 FEA 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 14를 참조하면, 하모닉 권선(220)에 의하여 생성된 하모닉 전류가 정류기(230)에 의하여 정류되고, 정류된 하모닉 전류가 필드 권선(240)으로 공급됨에 있어서, 필드 권선을 흐르는 전류를 확인할 수 있다. 즉, 필드 권선(240)으로 직류가 인가됨을 확인할 수 있다.

도 15는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전동기의 토크 FEA 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 15를 참조하면, 영구 자석(270)에 의하여 6.05Nm의 초기 토크가 제공됨을 확인할 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.

Claims

구동 전류가 인가되는 적어도 하나의 직렬 서브 권선 및 상기 적어도 하나의 직렬 서브 권선을 통과한 구동 전류가 분기되어 인가되도록 서로 병렬로 연결된 적어도 두 개의 병렬 서브 권선들을 포함하는 고정자 권선이 형성된 고정자; 및
상기 병렬 서브 권선들에서 발생하는 서브 하모닉에 기반하여 회전자 필드를 생성하는 회전자 권선이 형성된 회전자를 포함하되,
상기 직렬 서브 권선과 상기 병렬 서브 권선은 상기 고정자의 원주 방향을 따라, 교번하여 배치되는, 전동기.
제1 항에 있어서,
상기 직렬 서브 권선은 상기 구동 전류로부터 고정자 필드를 생성하고,
상기 고정자 필드와 상기 회전자 권선이 생성한 회전자 필드의 상호 작용에 의하여 상기 회전자에 토크가 발생하는, 전동기.
제1 항에 있어서,
상기 회전자 권선은 상기 서브 하모닉으로부터 하모닉 전류를 생성하는 하모닉 권선, 상기 하모닉 전류를 정류하는 정류기 및 상기 정류된 하모닉 전류로부터 상기 회전자 필드를 생성하는 필드 권선을 포함하는, 전동기.
제1 항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 병렬 권선은 상기 회전자를 사이에 두고 서로 마주보는 방향에 배치된, 전동기.
제1 항에 있어서,
상기 직렬 서브 권선은 두 개 이상의 짝수로 이루어지고,
상기 직렬 서브 권선들은 상기 회전자를 사이에 두고 서로 마주보는 방향에 배치된, 전동기.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 직렬 서브 권선 중 특정 직렬 서브 권선을 흐르는 구동 전류의 양은, 상기 서로 병렬로 연결된 적어도 두 개 이상의 병렬 서브 권선들을 흐르는 구동 전류의 양과 같은, 전동기.
제1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 직렬 서브 권선 중 특정 직렬 서브 권선을 흐르는 구동 전류의 양은, 상기 서로 병렬로 연결된 적어도 두 개 이상의 병렬 서브 권선들 중 특정 병렬 서브 권선을 흐르는 구동 전류의 양 보다 많은, 전동기.
제1 항에 있어서,
상기 직렬 서브 권선과 상기 병렬 서브 권선의 턴 수는 서로 동일한 전동기.
제1 항에 있어서,
상기 구동 전류는 단일 인버터로부터 공급되는, 전동기.
제1 항에 있어서,
상기 회전자에는 상기 회전자의 원주 방향을 따라 치가 형성되며,
상기 치에는 상기 치와 상기 고정자가 대향하는 면 방향으로 영구 자석이 형성된, 전동기.
제11 항에 있어서,
상기 회전자는, 상기 회전자 필드를 생성하는 필드 권선을 더 포함하며,
상기 필드 권선과 상기 영구 자석은 상기 회전자의 원주 방향을 따라 서로 교번하여 배열되는, 전동기.