KR102315932B1 - 전동기 - Google Patents

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KR102315932B1
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권병일
아유브
굴람
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한양대학교 에리카산학협력단
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022—Synchronous motors
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/10—Synchronous motors for multi-phase current
    • H02K19/12—Synchronous motors for multi-phase current characterised by the arrangement of exciting windings, e.g. for self-excitation, compounding or pole-changing

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는 고정자 필드를 생성하도록 제1 주파수를 가지되 서로 다른 상(phase)을 가지는 제1 전류와 서드 하모닉을 생성하도록 상기 제1 주파수보다 소정의 배수로 이루어진 제2 주파수를 가지는 제2 전류가 혼합된 혼합 전류를 인가받는 메인 권선들을 포함하는 고정자; 및 상기 제2 전류에 의하여 생성된 서드 하모닉으로부터 하모닉 전류를 생성하는 하모닉 권선 및 상기 하모닉 전류에 기반하여 회전자 필드를 생성하는 필드 권선을 포함하는 회전자를 포함할 수 있다.

Description

전동기{Motor}
본 발명은 전동기에 관련된 것으로 보다 구체적으로는 고정자의 메인 권선에 고정자 필드를 생성하는 제1 전류와 회전자 필드를 유도하는 제2 전류를 포함하는 혼합 전류를 공급하는 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.
나아가, 최근의 WFSM(wound-field synchronous machine)이 개발되고 있으나, 회전자 필드를 유도하기 위한 전류 공급을 위하여 별도의 구성이 요구됨에 따라 어려움이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 최소한의 인버터로 구동하는 전동기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 브러시 및 슬립링을 사용하지 않는 전동기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 메인 권선들이 연결된 스타 포인트(star point)에서의 발열을 최소화하는 전동기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는 고정자 필드를 생성하도록 제1 주파수를 가지되 서로 다른 상(phase)을 가지는 제1 전류와 서드 하모닉을 생성하도록 상기 제1 주파수보다 소정의 배수로 이루어진 제2 주파수를 가지는 제2 전류가 혼합된 혼합 전류를 인가받는 메인 권선들을 포함하는 고정자; 및 상기 제2 전류에 의하여 생성된 서드 하모닉으로부터 하모닉 전류를 생성하는 하모닉 권선 및 상기 하모닉 전류에 기반하여 회전자 필드를 생성하는 필드 권선을 포함하는 회전자를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 주파수를 가지는 제1 신호와 상기 제2 주파수를 가지는 제2 신호를 믹싱하는 믹싱부; 및 상기 믹싱부에서 믹싱된 제1 신호 및 제2 신호에 기반하여, 상기 혼합 전류를 생성하는 혼합 전류 생성부를 가지는 인버터를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 인버터의 갯 수는 1개일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 혼합 전류는 상기 제1 전류의 상이 다른 경우에도 동일한 상의 제2 전류를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 메인 권선들은 상기 상에 따라 그룹핑되며, 각각의 메인 권선의 일 단은 상기 혼합 전류를 제공하는 단자와 전기적으로 연결되며, 각각의 메인 권선의 타 단은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 각각의 메인 권선의 타 단이 서로 전기적으로 연결된 연결 노드에서 상기 각각의 혼합 전류에 포함된 제2 전류는 같은 전위 부호를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연결 노드는 상기 메인 권선 외에 다른 전기 라인과 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 라인의 일 단은 일 다이오드와 타 다이오드 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 메인 권선의 극 수는, 상기 필드 권선의 극 수와 동일할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 주파수가 상기 제1 주파수보다 n 배 많은 경우, 상기 하모닉 권선의 극 수는 상기 메인 권선보다 n 배 많을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 회전자의 원주 방향을 따라 회전자 치가 마련되며, 상기 회전자 치에는 슬롯이 마련되며, 상기 하모닉 권선은 상기 회전자 치에 형성되며, 상기 필드 권선은 상기 회전자 치와 상기 슬롯에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기에 공급되는 혼합 전류는 단일 인버터에서 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는 고정자에서 생성된 서드 하모닉에 기반하여 회전자가 회전자 필드를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는 메인 권선들이 연결된 스타 포인트에서의 발열을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기를 회로 관점에서 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전자를 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼합 전류를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연결 노드에서의 발열과 발열에 대한 해결 수단을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 winding factor order를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예의 winding factor order를 고려한 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
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 일 실시 예에 따른 전동기를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기를 회로 관점에서 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전자를 상세하게 설명하기 위한 도면이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터를 설명하기 위한 도면이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼합 전류를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 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(111)는, 고정자(100)의 원통형 내측에 원주 방향으로 배열될 수 있다.
고정자(100)는, 회전자(200)가 회동할 수 있도록 자계를 생성하는 메인 권선(120)을 포함할 수 있다. 상기 메인 권선(120)은 인가받는 전류의 상(phase)에 따라 그룹핑 될 수 있다. 예를 들어, Iu, Iv, Iw로 이루어진 3 상 전류가 인가되는 메인 권선(120)은 Iu 전류를 인가받는 제1 메인 권선(120u), Iv 전류를 인가받는 제2 메인 권선(120v), Iw 전류를 인가받는 제3 메인 권선(120w)를 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 각각의 메인 권선(120u, 120v, 120w)는 상기 치(110)에 형성되되, 이중 레이어로 형성될 수 있다. 이 경우, 특정 치에는 동일한 그룹의 메인 권선이 형성되고, 특정 치에는 이종 그룹의 메인 권선이 형성될 수 있다.
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.
이를 위하여, 회전자(200)는 하모닉 권선(220)과 정류기(230), 필드 권선(240)을 포함할 수 있다. 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.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 하모닉 권선(220)은 치(211) 및 치의 일 측에 형성된 슬롯(213)에 형성될 수 있다. 이 때, 슬롯(213)에 마련된 하모닉 권선(220)은 이중 레이어로 이루어질 수 있다.
상기 필드 권선(240)은 상기 치(211)에 마련될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 메인 권선(120)의 극 수는 상기 필드 권선(240)의 극 수와 동일할 수 있다. 이는, 상기 메인 권선(120)에서 생성되는 고정자 필드와 상기 필드 권선(240)에서 생성되는 회전자 필드의 상호 작용으로 토크가 발생하도록 하기 위함이다.
상기 하모닉 권선(220)의 극 수는 상기 메인 권선(120)의 극 수 보다 n 배 많을 수 있다. 예를 들어, 메인 권선(120)에 공급되는 서드 하모닉(third harmonic) 생성을 위한 전류의 주파수가 메인 권선(120)에 공급되는 고정자 필드를 생성을 위한 전류의 주파수보다 n 배 많은 경우, 상기 하모닉 권선(220)의 극 수는 상기 메인 권선(120)의 극 수 보다 n 배 많을 수 있다. 이는, 메인 권선(120)에서 생성된 서드 하모닉에 의하여 상기 하모닉 권선(220)에서 하모닉 MMF가 유도되도록 하기 위함이다.
혼합 전류
상기 메인 권선(120)에는 혼합 전류가 인가될 수 있다.
상기 혼합 전류는 고정자 필드를 생성하도록 제1 주파수를 가지는 제1 전류와 서드 하모닉을 생성하도록 상기 제1 주파수보다 소정의 배수로 이루어진 제2 주파수를 가지는 제2 전류가 혼합된 성분을 가질 수 있다. 이 때, 제1 전류의 크기는 제2 전류보다 클 수 있다.
상기 혼합 전류는 단일 인버터에서 생성될 수 있다. 이하 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 혼합 전류를 생성을 설명하기로 한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 인버터는, 믹서(10), 비교기(20), 및 혼합 전류 생성부(30) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 믹서(10)는 제1 주파수를 가지는 제1 신호(S1)과 제2 주파수를 가지는 제2 신호(S2)를 혼합할 수 있다. 앞서 설명한 데로, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수 보다 클 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수 보다 3 배 클 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 상기 제1 주파수는 60Hz이고 제2 주파수는 180Hz인 것을 상정하기로 한다.
상기 믹서(10)는 제1 신호(S1)와 제2 신호(S2)를 혼합함으로써, 혼합 신호(S3)를 생성할 수 있다. 상기 혼합 신호(S3)는 아래 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112021083739524-pat00001
이 때, Vmodref_singnal은 혼합 신호(S3)를 전압을 기준으로 표현한 것이다. Vmodref_singnal의 첫 번째 부분은 제1 신호(S1)에 의한 성분이고, 두 번째 부분은 제2 신호(S2)에 의한 성분이다.
상기 비교기(20)는 혼합 신호(S3)와 캐리어 신호(CS)를 비교하여 인버터 게이팅 펄스(GP)를 생성할 수 있다.
상기 인버터 게이팅 펄스(GP)는 각 상에 대응하도록 생성될 수 있다. 즉, 3 상 전류의 경우, Iu 생성을 위한 제1 인버터 게이팅 퍽스(GP1), Iv 생성을 위한 제2 인버터 게이팅 퍽스(GP2), Iw 생성을 위한 제3 인버터 게이팅 퍽스(GP3)가 각각 생성될 수 있다.
상기 인버터 게이팅 펄스(GP)은 혼합 전류 생성부(30)의 스위칭 게이트로 공급될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 인버터 게이팅 펄스(GP1)는 Iu 전류 생성을 위한 스위칭 게이트로 공급되고, 제2 인버터 게이팅 펄스(GP2)는 Iv 전류 생성을 위한 스위칭 게이트로 공급되고, 제3 인버터 게이팅 펄스(GP3)는 Iw 전류 생성을 위한 스위칭 게이트로 공급될 수 있다.
이로써, 상기 혼합 전류 생성부(30)는 상기 스위칭 게이트로 공급되는 인버터 게이팅 펄스(GP)로 전압원(36)에 의한 전류의 흐름을 제어됨으로써 혼합 전류를 생성할 수 있다. 즉, 상기 혼합 전류 생성부(30)는 Iu, Iv, Iw를 생성할 수 있다.
생성된 Iu, Iv, Iw는 아래와 같이 수학적으로 표현될 수 있다.
Figure 112021083739524-pat00002
I1은 제1 전류의 전류 피크를 의미하고, k는 제1 전류에 대한 제2 전류의 피크 비율이고, w는 전기각 주파수를 의미하고, t는 시간을 의미한다.
도 6을 참조하면, 각각의 상에 대응하여, Iu, Iv, Iw가 제대로 생성된 것을 확인할 수 있다. 도 6의 시뮬레이션 결과 중 Iu를 푸리에 변환하게 되면, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 주파수인 60Hz를 가지는 제1 전류와 제2 주파수인 180Hz를 가지는 제2 전류가 독립적으로 혼재함을 확인할 수 있다.
생성된 Iu, Iv, Iw 전류는 각각 제1 메인 권선(120u), 제2 메인 권선(120v) 및 제3 메인 권선(120w)로 공급될 수 있다.
이에 따라, 상기 메인 권선(120)은 고정자 필드 즉 MMF를 생성할 수 있다. 상기 메인 권선(120)이 Iu, Iv, Iw 전류를 공급받아 생성하는 MMF는 아래와 같이 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112021083739524-pat00003
NΦ각 상 당 턴 수를 의미하고, 는 전기각을 의미한다. 이 때, MMF의 수식 중 두 번째 부분은 서드 하모닉을 수학적으로 표현한 것이다.
이상 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼합 전류를 설명하였다.
이하 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 구동 방법이 설명된다.
전동기(1000)의 메인 권선(120)으로 혼합 전류가 인가될 수 있다. 즉, 메인 권선(120u)로 혼합 전류(Iu)가 인가되고, 메인 권선(120v)로 혼합 전류(Iv)가 인가되고, 메인 권선(120w)로 혼합 전류(Iw)가 인가될 수 있다.
상기 혼합 전류 중 제1 주파수를 가지는 제1 전류는 고정자 필드를 생성할 수 있다. 이와 달리, 상기 혼합 전류 중 제2 주파수를 가지는 제2 전류는 서드 하모닉을 생성할 수 있다.
상기 서드 하모닉은 상기 회전자(200)의 하모닉 권선(220)을 유도시킬 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 하모닉 권선(220)의 극 수가 상기 서드 하모닉에 대응하도록 설계되었기 때문에, 하모닉 권선(220)은 서드 하모닉에 의하여 유도될 수 있다.
상기 하모닉 권선(220)이 유도되어 생성된 하모닉 전류는 정류기(230)에 의하여 정류될 수 있다. 상기 정류기(230)에 의하여 정류된 하모닉 전류는 필드 권선(240)으로 제공될 수 있다. 상기 필드 권선(240)은 정류된 하모닉 전류를 통하여 회전자 필드를 생성할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 메인 권선(120)의 극 수와 필드 권선(240)의 극 수가 동일하므로 메인 권선(120)에 의하여 생성된 고정자 필드와 필드 권선(240)에 의하여 생성된 회전자 필드의 상호 작용으로 회전자(200)가 회전할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연결 노드에서의 발열과 발열에 대한 해결 수단을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 메인 권선(120u), 제2 메인 권선(120u), 제3 메인 권선(120u)의 일 단은 혼합 전류를 공급 받기 위하여 혼합 전류 생성부(30)와 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 메인 권선(120u), 제2 메인 권선(120u), 제3 메인 권선(120u)의 타 단은 서로 연결 노드(N, 도 2 참조)에서 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 연결 노드(N)에는 혼합 전류를 구성하는 제1 전류와 제2 전류가 흐르게 된다. 이 때, 제 1 전류는 연결 노드의 발열에 큰 영향을 미치지 않으나, 제2 전류 각 상은 같은 부호의 전위를 가지기 때문에 연결 노드에 열이 발생할 수 있다.
구체적인 설명을 위하여, 도 8을 참조하기로 한다. 도 8은, 혼합 전류 중 제1 전류(Iu_Fun, Iv_Fun, Iw_Fun) 성분 만을 나타낸 것이다. 즉, 제1 메인 권선(120u)로는 혼합 전류 중 제1 전류인 Iu_Fun이 흐르고, 제2 메인 권선(120v)로는 혼합 전류 중 제1 전류인 Iv_Fun이 흐르고, 제3 메인 권선(120w)로는 혼합 전류 중 제1 전류인 Iu_Fun이 흐르게 된다.
각각의 메인 권선을 흐르는 전류는 연결 노드(N)에서 합류하게 된다. 이 때, 각각의 메인 권선을 흐르는 전류는 연결 노드(N)에서 서로 다른 부호의 전위를 가지게 된다. 도 8의 T1 시점을 참조하면, T1 시점의 연결 노드(N)에는 양의 전압의 Iv_Fun과 음의 전압의 Iu_Fun 및 Iw_Fun이 합류하는 것으로 볼 수 있다. 이 경우, 제2 메인 권선(120v)에서, 제1 및 제3 메인 권선(120u, 120w) 방향으로 전기 라인이 자연적으로 형성될 수 있다. T2 시점의 연결 노드(N)에는 양의 전압의 Iv_Fun, Iw_Fun과 음의 전압의 Iu_Fun이 합류하는 것으로 볼 수 있다. 이 경우, 제2 및 제3 메인 권선(120v, 120w)에서 제1 메인 권선(120u) 방향으로 전기 라인이 자연적으로 형성될 수 있다. 즉, 전기 라인이 자연적으로 형성되므로 각 상의 제1 전류(Iu_Fun, Iv_Fun, Iw_Fun)를 연결 노드(N)를 통과하여 흐를 수 있다.
이와 달리, 혼합 전류 중 제2 전류는 연결 노드(N)에서 발열을 야기할 수 있다. 구체적인 설명을 위하여 도 9를 참조하면, 혼합 전류 중 제2 전류는, 각 상의 구분 없이 동일한 주파수 및 위상을 가진다. 즉, 제1 메인 권선(120u)에 공급되는 혼합 전류 중 제2 전류(Iu_3rd) 성분과 제2 메인 권선(120v)에 공급되는 혼합 전류 중 제2 전류(Iv_3rd) 성분과 제3 메인 권선(120w)에 공급되는 혼합 전류 중 제2 전류(Iw_3rd) 성분은 서로 동일한 주파수 및 위상을 가진다. 이는 제1 전류 대비 제2 전류가 n배 예를 들어, 앞서 상정한 바와 같이 3배의 주파수를 가지기 때문이다.
즉, T3 시점에서의 연결 노드(N)에는 양의 전압으로만 이루어진 Iu_3rd, Iv_3rd , Iw_3rd가 합류하게 된다. 또한 T4 시점에서의 연결 노드(N)에는 음의 전압으로만 이루어진 Iu_3rd, Iv_3rd , Iw_3rd가 합류하게 된다. 즉 각 상의 제2 전류가 합류할 때는 전위 부호의 차이가 없기 때문에 전류의 흐름에 장애가 발생하고, 전류 흐름의 장애는 연결 노드(N)에 의도치 않은 발열이 발생함을 의미할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기(1000)는 상기 연결 노드(N)와 전기적으로 연결된 전기 라인(40)을 더 포함하도록 구성하였다. 상기 전기 라인(40, 도 2 및 도 5 참조)은 상기 메인 권선들(120) 외의 경로로 연결 노드(N)에서 합류된 제2 전류를 제거하기 위함이다. 이를 위하여 상기 전기 라인(40)의 일 단은 상기 연결 노드(N)에 연결되고, 상기 전기 라인(40)의 타 단은 직렬로 마련된 제1 다이오드(32) 및 제2 다이오드(34) 사이에 마련될 수 있다. 즉 백투백(back to back) 다이오드 사이에 전기 라인(40)이 연결됨으로써, 저렴한 비용으로 연결 노드(N)의 의도치 않은 발열 문제를 해소할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 winding factor order를 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 발명의 일 실시 예의 winding factor order를 고려한 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 제1 전류에 의한 KW1과 제2 전류에 의한 KW3을 모두 활용할 수 있는 전동기 구조로써, 4 극 18 슬롯과 9극 42 슬롯이 적절함을 확인할 수 있었다. 즉, 4 극 18 슬롯과 9극 42 슬롯 전동기는 KW1과 KW3을 모두 활용할 수 있는 구조로 선정될 수 있다. 4극 18슬롯의 경우 도 1에 도시된 바와 같이 전동기가 구비될 수 있고, 9극 42 슬롯의 경우, 도 11에 도시된 바와 같이 전동기가 구비될 수 있다. 이하 4극 18슬롯은 제1 실험 예로 호칭하고, 9극 42 슬롯은 제2 실험 예로 호칭하기로 한다. 이하 이들 실시 예에 따른 전동기의 시뮬레이션 결과를 설명하기로 한다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 12를 참조하면, No-load EMF가 제1 및 제2 실험 예 모두 정현파를 이루며 잘 나오는 것을 확인할 수 있다.
도 13을 참조하면, 하모닉 권선에 의하여 생성된 하모닉 전류를 확인할 수 있고, 도 14를 참조하면, 하모닉 전류가 정류기에 의하여 정류된 필드 전류를 확인할 수 있다.
도 15를 참조하면, 제1 실험 예의 경우, 토크 리플 41.96%, 평균 토크 5.28727Nm인 것을 확인할 수 있고, 제2 실험 예의 경우 토크 리플 34.05%, 평균 토크 5.2724Nm인 것을 확인할 수 있다.
즉, 도 12 내지 도 15를 참조하여 설명한 시뮬레이션 결과에 따르면, 제1 실험 예 및 제2 실험 예 모두 혼합 전류에 기반하여 제대로 동작함을 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 (2)

  1. 고정자 필드를 생성하도록 제1 주파수를 가지되 서로 다른 상(phase)을 가지는 제1 전류와 서드 하모닉을 생성하도록 상기 제1 주파수보다 소정의 배수로 이루어진 제2 주파수를 가지는 제2 전류가 혼합된 혼합 전류를 인가받는 메인 권선들을 포함하는 고정자; 및
    상기 제2 전류에 의하여 생성된 서드 하모닉으로부터 하모닉 전류를 생성하는 하모닉 권선 및 상기 하모닉 전류에 기반하여 회전자 필드를 생성하는 필드 권선으로 이루어진 회전자를 포함하되,
    단일 인버터를 더 포함하며,
    상기 단일 인버터는,
    상기 제1 주파수를 가지는 제1 신호와 상기 제2 주파수를 가지는 제2 신호는 혼합하여 혼합 신호를 생성하는 믹서;
    상기 혼합 신호에 기반하여 상기 서로 다른 상에 대응되는 인버터 게이팅 펄스를 각각 생성하는 비교기; 및
    상기 각각의 인버터 게이팅 펄스가 공급되는 복수 개의 스위칭 게이트를 구비하며, 상기 복수 개의 스위칭 게이트에 각각 공급되는 상기 인버터 게이팅 펄스에 기반하여 상기 서로 다른 상에 대응되는 혼합 전류를 생성하는 혼합 전류 생성부를 포함하며,
    상기 메인 권선들의 일 단은 상기 혼합 전류를 공급 받기 위하여 상기 혼합 전류 생성부와 전기적으로 연결되고, 상기 메인 권선들의 타 단은 연결 노드에서 전기적으로 연결되며,
    전기 라인을 더 포함하되,
    상기 혼합 전류 생성부는 전압원에 대하여 순 방향으로 직렬 접속되며, 상기 복수 개의 스위칭 게이트와 병렬로 연결되는 제1 다이오드 및 제2 다이오드를 더 구비하며,
    상기 전기 라인의 일 단은 상기 연결 노드에 연결되고, 상기 전기 라인의 타 단은 상기 직렬로 마련된 제1 다이오드 및 제2 다이오드 사이에 연결되고,
    상기 혼합 전류는 상기 제1 전류의 상이 다른 경우에도 동일한 상의 제2 전류를 포함하며,
    상기 연결 노드에서 상기 각각의 혼합 전류에 포함된 제2 전류는 같은 전위 부호를 가지고,
    상기 메인 권선의 극 수는, 상기 필드 권선의 극 수와 동일하며,
    상기 제2 주파수가 상기 제1 주파수보다 n 배 많은 경우, 상기 하모닉 권선의 극 수는 상기 메인 권선보다 n 배 많은, 전동기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 회전자의 원주 방향을 따라 회전자 치가 마련되며,
    상기 회전자 치에는 슬롯이 마련되며,
    상기 하모닉 권선은 상기 회전자 치에 형성되며,
    상기 필드 권선은 상기 회전자 치와 상기 슬롯에 형성되는, 전동기.
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