KR102326970B1 - 전자기 기계용 권선 배열과 이를 이용한 이동 전자기 기계 - Google Patents

전자기 기계용 권선 배열과 이를 이용한 이동 전자기 기계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제 1 권선 배열과 제 2 권선 배열을 포함하되, 제 1 권선 배열과 제 2 권선 배열은 주기적 구조를 가지며 주기적 구조의 배열 방향 및 주기적 구조에서 전류가 흐르는 방향과 서로 수직한 방향에서 소정 간격 이격되고, 제 1 권선 배열과 제 2 권선 배열은 이격된 방향에서 미러 이미지를 가지고, 제 1 권선 배열에서 주기적 구조는 주기적 구조의 배열 방향을 따라 적어도 3개의 층을 포함한 제 1 반주기와 제 2 반주기를 가지고, 제 2 반주기는 주기적 구조의 배열 방향에서 제 1 반주기와 미러 이미지를 가지고, 제 1 반주기는 주기적 구조의 배열 방향을 따라 제 2 권선 배열과 인접한 제 1 층에 서로 다른 전류 방향을 가지는 제 1 층 권선 구조로 배치되고, 제 1 층 상부에 위치한 제 2 층에 제 1 층 권선 구조와 동일한 전류 방향을 가지나 제 1 층 권선 구조보다 바깥쪽에 위치한 제 2 층 권선 구조로 배치되고, 제 2 층 상부에 위치한 제 3 층에 제 2 층 권선 구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지나 제 2 층 권선 구조보다 안쪽에 위치한 제 3 층 권선 구조로 배치되되, 제 1 권선 배열과 제 2 권선 배열은 서로 마주보는 서로 마주보는 방향으로 자속이 강화되고 서로 마주보는 방향 이외의 방향으로 자속이 상쇄되는 것을 특징으로 전자기 기계용 권선 배열 및 이를 이용한 이동 전자기 기계에 관한 것으로, 누설 자속과 코어 손실을 최소화하여 효율을 극대화시키고 동력을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

전자기 기계용 권선 배열과 이를 이용한 이동 전자기 기계{Coil Array for Electromagnetic Machine and Moving Electromagnetic Machine by Using Thereof}
본 발명은 전자기 기계용 권선 배열 및 이를 이용한 이동 전자기 기계에 관한 것으로, 특히 이러한 권선 배열이 일 방향으로 자속이 강화되고 타 방향으로 자속이 상쇄되는 구조를 갖게 함으로써 강화된 자력을 이용하여 전자기 기계의 효율을 극대화하고, 동력을 높이거나 기계의 크기와 무게를 최소화할 수 있는 전자기 기계에 관한 것이다.
여러 산업 분야에서는 시스템 내에 회전 부재를 포함하는 가역의 전자기 기계(Electromagnetic machine)를 설치하고자 하는 많은 요구가 있다. 기계가 설치된 시스템의 동작 조건에 따라, 이러한 회전 부재의 회전 운동에 의한 기계적 에너지로 변환하고, 이러한 기계적 에너지로 전기 에너지를 생성하는 것은 발전기(Generator)이다. 이러한 발전기로부터 생성된 전력은 다른 시스템 요소에 공급하거나 저장할 수 있다. 또한, 기계에 전기 에너지를 공급해서 기계적 에너지로 변환시켜 회전 부재를 회전시켜 회전동력을 얻는 것은 모터(Motor)이다.
이러한 전자기 기계는 고정자(Stator)와 회전자(Rotor)를 포함해서 이루어진다. 일반적으로 고정자의 권선(Coil)에 전류가 흐를 때 발생하는 회전 자기장(Rotating magnetic field)에 의해서 회전자에 회전 토크(Torque)가 발생하는 원리로 작동한다. 회전 토크에 의해 회전자가 회전하는 힘을 회전동력으로 이용하게 된다.
일반적으로 유도 모터에서는 고정자가 내부 원주를 따라 일정한 간격으로 형성된 코어에 권선을 권선하여 제조되는 것이 일반적이나, 이와 같이 고정자 내부에 코어에 권선을 권선하는 것이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 코어 손실에 의한 모터의 효율이 저하되는 문제점이 발생하게 된다. 또한 코어를 사용한 모터의 경우, 코어 내의 자속이 포화되어 성능이 제한되거나 누설 자기 등이 늘어나 성능에 한계에 도달하는 문제점이 발생한다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전자기 기계용 권선 배열과 이를 이용하여 이동 전자기 기계를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전자기 기계용 권선 배열을 이용한 이동 전자기 기계를 이용하여 관심 영역에 자속을 강화함으로써 기계의 효율을 극대화하고 동력을 높일 수 있는 이동 전자기 기계를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 전자기 기계용 권선 배열을 이용한 이동 전자기 기계가 철심을 사용하지 않거나 최소로 사용하여 출력 대비 모터의 손실을 줄여줌으로써 구동 효율을 극대화하고 동력을 높일 수 있는 이동 전자기 기계를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 구현 예로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열은 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 이격된 방향에서 미러 이미지를 가지는 제1 권선 배열; 및 제2 권선 배열을 포함하고, 상기 제1 권선 배열은 서로 이웃하여 형성되는 적어도 하나의 제1 반주기 및 적어도 하나의 제2 반주기를 포함하고, 상기 제1 반주기는 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하되, 상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향에서 미러 이미지를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 반주기를 형성하는 두 개의 권선 사이에서 형성되는 자기장의 방향과 상기 제2 반주기를 형성하는 두 개의 권선 사이에서 형성되는 자기장의 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 반주기는, 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하고, 상기 제2 권선 배열과 인접하는 제1층; 상기 제1층의 권선 구조와 동일한 전류 방향을 가지나 상기 제1층의 권선 구조보다 바깥쪽에 위치한 제2층 권선 구조를 포함하고, 상기 제1층 상부에 위치하는 제2층; 및 상기 제2층 권선 구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지나 상기 제2층 권선 구조보다 안쪽에 위치한 제3층 권선 구조를 포함하고, 상기 제2층 상부에 위치하는 제3층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제3층 권선 구조와 동일한 전류 방향을 가지나 상기 제3층 권선 구조보다 바깥쪽에 위치한 제4층 권선 구조를 포함하고, 상기 제3층 상부에 위치하는 제4층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 반주기는, 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하고, 상기 제2 권선 배열과 인접하는 하층; 및 상기 하층의 권선 구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지는 상층 권선 구조를 포함하고, 상기 하층 상부에 위치하는 상층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 권선 배열은 복수의 제1 반주기 및 복수의 제2 반주기를 포함하되, 상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향으로 주기적으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 권선 배열은 또는 상기 제2 권선 배열은, 상기 전류가 흐르는 방향에 따라 길이가 연장될 수 있다.
또한, 상기 권선 배열은 적어도 두 개의 세트로 형성되되, 상기 각 세트를 구성하는 권선에 흐르는 전류는 서로 같은 위상을 갖거나 서로 다른 위상을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 각 세트를 구성하는 권선에 흐르는 전류가 위상차이 갖음으로써 이동 자계를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 구현 예로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 전자기 기계는 고정자 및 이동자를 포함하되, 상기 고정자는 제1 권선 배열을 포함하고, 상기 제1 권선 배열은, 서로 이웃하여 형성되는 적어도 하나의 제1 반주기 및 적어도 하나의 제2 반주기를 포함하고, 상기 제1 반주기는 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하되, 상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향에서 미러 이미지를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정자는, 상기 제1 권선 배열과 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 이격된 방향에서 미러 이미지를 가지는 제2 권선 배열을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 권선 배열 및 제2 권선 배열은 적어도 두 개의 세트로 형성되되, 상기 각 세트를 구성하는 권선에 흐르는 전류는 서로 다른 위상을 갖음으로써 이동 자계를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 이동자는, 상기 제1 권선 배열과 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 이격된 방향에서 미러 이미지를 가지는 제2 권선 배열을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 반주기를 형성하는 두 개의 권선 사이에서 형성되는 자기장의 방향과 상기 제2 반주기를 형성하는 두 개의 권선 사이에서 형성되는 자기장의 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 반주기는, 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하고, 상기 제2 권선 배열과 인접하는 제1층; 상기 제1층의 권선 구조와 동일한 전류 방향을 가지나 상기 제1층의 권선 구조보다 바깥쪽에 위치한 제2층 권선 구조를 포함하고, 상기 제1층 상부에 위치하는 제2층; 및 상기 제2층 권선 구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지나 상기 제2층 권선 구조보다 안쪽에 위치한 제3층 권선 구조를 포함하고, 상기 제2층 상부에 위치하는 제3층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 반주기는, 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하고, 상기 제2 권선 배열과 인접하는 하층; 및 상기 하층의 권선 구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지는 상층 권선 구조를 포함하고, 상기 하층 상부에 위치하는 상층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 권선 배열은 복수의 제1 반주기 및 복수의 제2 반주기를 포함하되, 상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향으로 주기적으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 권선 배열은, 상기 전류가 흐르는 방향에 따라 길이가 연장되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 이동자는 회전자인 것을 특징으로 할 수 있다.
이에 따라, 상기한 과제 해결 수단을 통하여 다음과 같은 효과가 기대된다.
본 발명에 따른 전자기 기계용 권선 배열은 일 방향으로 자속이 강화되고 타 방향으로 자속이 상쇄되는 구조를 갖게 함으로써 관심 영역 외부에 누설 자장이 거의 없게 할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 전자기 기계는 강화된 자력을 이용하여 기계의 효율을 극대화하고, 동력을 높일 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 전자기 기계는 철심을 사용하지 않거나 최소로 사용함으로써 코어 손실을 최소화하며, 그 크기와 무게를 최소화할 수 있다. 본 발명에 따른 전자기 기계는 철심을 사용하지 않거나 최소로 사용함으로써 성능 한계나 제한에 여유도가 큰 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열에 따른 전류 흐름과 자속 크기를 개략적으로 도시한 예시 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열을 2 개의 위상차 권선 세트로 도시한 개략적 예시 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열에 따른 전류 흐름과 자속 크기를 개략적으로 도시한 예시 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열 구조의 개략적인 예시 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열 구조에 의해 생성한 자기장과 전류의 상호 작용을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 적층형 권선을 가지고 수평 방향으로 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 적층형 권선을 가지고 입체적 구조로 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 입체적 구조 적용한 구조에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 입체적 구조 적용한 구조에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 평면 권선 구조를 가지고 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 평면 권선 구조를 가지고 입체적 구조로 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 평면 권선 구조를 가지고 입체적으로 적용한 구조에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다 (comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 성분이나 부품이 언급되는 경우나 그 이외의 성분이나 부품이 배제되는 것이 아니고 필요한 경우 다른 성분이나 부품도 추가로 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 제공된 설명 및 예시들은 설명적인 목적으로 제시된 것이며 첨부된 청구항의 범주(scope)를 제한하도록 의도되지 아니한다. 본 명세서는 본 발명의 원리를 예시하기 위한 것으로 고려되어야 하며 기술된 실시예의 청구항들 및/또는 본 발명의 사상(spirit) 및 범주를 제한하도록 의도되지 아니한다. 본 기술 분야에 속한 통상의 기술자는 본 발명의 특정한 어플리케이션에 대하여 본 발명을 변형할 수 있을 것이다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도를 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들어, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들을 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열에 따른 전류 흐름과 자속 크기를 개략적으로 도시한 예시 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열(100)은 제 1 권선 배열(110)과 제 2 권선 배열(120)을 포함한다. 이때 제 1 권선 배열(110)과 제 2 권선 배열(120)은 x 축 방향을 따라 공간적 주기(
Figure 112019011192547-pat00001
) 마다 동일한 구조를 반복한다. 또한, 제 1 권선 배열(110)은 x 축을 대칭 축으로 제 2 권선 배열과 미러 이미지(Mirror image)를 가진다. 또한, 제 1 권선 배열(110)의 한 주기에서는 제 1 반주기(150)와 제 2 반주기(160)를 포함한다. 이때, 제 1 반주기(150)는 z 축을 대칭 축으로 제 2 반주기(160)와 미러 이미지를 가진다.
도 1을 참조하면, 제 1 권선 배열(110)과 제 2 권선 배열(120)은 z 축 방향으로 소정 간격, 즉 공극(air gap, d)으로 이격되어 있다. 또한, 제 1 권선 배열(110)과 제 2 권선 배열(120)은 적어도 3개 층을 포함한다. 여기서는 제 1 권선 배열(110)과 제 2 권선 배열(120)은 예시적으로 4개 층으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 추가층을 더 포함할 수 있다.
제 1 반주기(150)의 제 1 층은 서로 다른 방향으로 전류가 흐르는 적어도 2 개의 권선을 포함한다. 예를 들어, 상기 제 1 층의 좌측 권선이 평면 내로 흐르는 전류를 표시하는 권선이고, 우측 권선이 평면 밖으로 흐르는 전류를 표시하는 권선이다. 제 1 반주기(150)의 제 2 층은 상기 제 1 층의 권선 전류 방향과 동일하나, 상기 제 1 층의 권선보다 상대적으로 바깥쪽에 배치된다.
또한 제 1 반주기(150)의 제 3 층은 상기 제 2 층의 권선 전류 방향과 반대이다. 즉, 상기 제 3 층의 좌측 권선이 평면 밖으로 흐르는 전류를 표시하는 권선이고, 우측 권선이 평면 내로 흐르는 전류를 표시하는 권선이다. 한편, 상기 제 3 층의 권선은 상기 제 2 층의 권선보다 상대적으로 안쪽에 배치된다. 제 1 반주기(150)의 제 4 층은 상기 제 3 층의 권선 전류 방향과 동일하나, 상기 제 3 층의 권선보다 상대적으로 바깥쪽에 배치된다.
한편, 도 1에 도시된 제 1 반주기(150)와 제 2 반주기(160)의 전류 방향은 설명을 위해 예시적으로 표시한 것으로서, 이에 한정되지 않고 시간에 따라 변화하는 전류 방향에서 상술한 관계를 갖고 권선 내의 전류 방향은 시간에 따라 변화할 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 상기 각 층 내의 권선의 상대적 위치나 권선의 개수는 설명을 위해 예시적으로 나타낸 것으로서, 이에 한정되지 않고 본 발명의 사상에 위배되지 않는 범위에서 권선의 위치나 권선 개수를 변경할 수 있다.
제 1 권선 배열(110)은 상술한 전류 분포를 가지는 권선 구조로 형성할 수 있다. 여기서는 제 1 권선 배열(110)과 제 2 권선 배열(120)은 적층된 권선 구조(130)나, 수평 적층된 권선 구조(140)와 수직 적층된 권선 구조(145)로 예시적으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 3 차원 적층 구조를 대신하여 도 1에 도시된 전류 분포를 가지는 평면 구조로 대체할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열(100)은 일 방향으로 자속(Magnetic flux)이 강화되고 타 방향으로 자속이 상쇄되는 구조를 갖게 된다. 즉 도 1을 참조하면, 제 1 권선 배열(110)과 제 2 권선 배열(120)은 z 축 방향에서 서로 마주보는 방향으로 자속이 강화되고, 이외의 방향에서는 자속이 상대적으로 상쇄되거나 거의 무시할 수 있을 정도로 나타난다. 따라서, 본 발명에 따른 전자기 기계용 권선 배열(100)은 관심 영역 외부에 누설 자장이 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열을 2 개의 위상차 권선 세트로 도시한 개략적 예시 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열(200)은 서로 90˚ 위상차가 나는 위상 A를 위한 권선 배열 세트(201)과 위상 B를 위한 권선 배열 세트(202)를 포함한다. 또한 전자기 기계용 권선 배열(200)은 세트를 교대로 배치하도록 위상 B를 위한 권선 배열 세트(202)를 위상 A를 위한 권선 배열 세트(201)에 사이에 배치한다.
따라서, 위상 A를 위한 권선 배열 세트(201)와 위상 B를 위한 권선 배열 세트(202)에 시간에 따라 변화하는 전류를 순차적 위상차로 공급함으로써 이동 자계(미도시)를 형성할 수 있다. 이러한 이동 전자계를 이용하면 전자기 기계의 고정자와 같은 효과를 낼 수 있다. 한편, 도 2에서는 전자기 기계용 권선 배열(200)의 위상이 2 상으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 세트를 추가하고 순차적으로 교대로 중첩함으로써 3 상 이상의 권선 배열도 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열에 따른 전류 흐름과 자속 크기를 개략적으로 도시한 예시 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열(300)에서는 제 1 권선 배열(310)과 제 2 권선 배열(320)을 포함한다. 이때, 제 2 권선 배열(320)은 도 1에 도시되고 상술한 권선 배열과 동일하나, 제 1 권선 배열(310)은 도 1에 도시되고 상술한 권선 배열의 특수한 구조인 할바흐 배열(Halbach Array)로 배치할 수 있다. 또한 이러한 전자기 기계용 권선 배열(300)은 제 1 권선 배열(310)과 제 2 권선 배열(320) 사이에서 자속이 강화되고, 이외에서 자속이 상대적으로 무시할 정도로 작거나 상쇄될 수도 있다. 한편 도 3에서는 제 1 권선 배열(310)을 할바흐 배열로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 제 2 권선 배열(220)을 할바흐 배열로 사용할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열 구조의 개략적인 예시 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열(400)에서는 제 1 권선 배열(410)과 제 2 권선 배열(420)이 x 축 방향을 따라 공간적 주기마다 동일한 구조를 반복한다. 또한 제 1 권선 배열(410)과 제 2 권선 배열(420)은 주기적 구조에서 전류가 흐르는 방향(즉 y축 방향)으로 길이가 연장된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열(400)을 포함한 이동 전자기 기계(미도시)는 무철심 구조나 최소한의 철심으로 구현할 수 있다. 따라서, 전자기 기계에 최소 철심을 사용함으로써 효율을 극대화시킬 수 있고, 무게와 크기를 최소화 수 있으며, 철심 사용으로 인한 코어 손실을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열에 의해 생성된 자기장은 일 방향으로 주기적으로 변한다. 이러한 모든 속성은 철심 코어를 사용하지 않고서도 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열만으로도 가능하다. 특히 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열에 의해 생성된 자기장은 다음과 같은 정현파로서 근사 될 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00002
여기서
Figure 112019011192547-pat00003
는 자기장의 공간적 주기이다. 이것은 전자기 기계의 고정자의 권선 설계 요소 중의 하나이다. 고정자 권선은 전자기 기계의 여러 사이클을 포함 할 수 있습니다. 즉, 위첨자(A)는 권선(위상) A를 표시한다. 자속 밀도는 대부분 z 축 방향으로 강화되고 있다.
한편, 자속 밀도의 다른 방향 성분은 무시할만 하다고 가정하고, 본 발명의 일 실시예의 전자기 기계용 권선 배열과 같이 상보적 권선 배열 사이의 공간에서는 특히 다른 방향 성분은 무시할만하다. 고정자의 자기장은 고정자 전류에 비례하는 다음 수학식으로 표현할 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00004
또한, 권선(위상) B에 대해 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열은 다른 자속을 생성 할 수 있다. 권선(위상) B는 권선(위상) A 보다
Figure 112019011192547-pat00005
만큼 물리적으로 이동한 것이며, 다음식으로 표현할 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00006
여기서
Figure 112019011192547-pat00007
이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열의 분석은 예시적으로 2상 권선 구조를 사용하여 수행한다. 이와 같은 2 상 권선 구조로 가정한다고 하여도 개념은 동일하며, 일반성이 손상되지 않는다. 이러한 분석은 3상 권선 구조와 같이 다상 권선 구조로 확장시킬 수 있으며, 분석 결과 및 결론은 다상 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다. 필요하다면 2 상 시스템과 3 상 시스템의 차이가 언급될 수 있다. 한편, 3 상 시스템의 경우 일반적으로 U, V 및 W 권선이라고 불리는 3 세트의 권선이 필요합니다. V와 W 권선은 U 권선에 비해 공간 위상이
Figure 112019011192547-pat00008
,
Figure 112019011192547-pat00009
이동한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열에서는 상호 보완적인 제 1 권선 배열과 제 2 권선 배열에 의해 생성된 자기장은 다음과 같은 특성을 갖는다:
제 1 권선 배열과 제 2 권선 배열 사이의 자기장은 z축 방향 중 서로 마주보는 방향(즉, 권선 배열 사이)으로 강화된다. 자기장이 강화되는 서로 마주보는 방향을 제외하고 서로 마주보는 방향 이외의 방향(즉, 권선 배열 외부)으로는 거의 상쇄된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열의 권선(위상) A와 권선(위상) B에서 생성되는 자기장은 독립적으로 발생하고, 중첩된다. 또한 권선 A와 권선 B는 전기적으로 90˚ 위상차를 가지고 구동되어 이동 자계를 생성한다. 이러한 권선 A와 권선 B에 의해 중첩 변조된 자기장은 다음식으로 표현할 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00010
한편, 수학식 1과 수학식 3을 참조하면 위 수학식 4는 다음식으로 표현할 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00011
여기서
Figure 112019011192547-pat00012
이다.
위와 같은 자속 밀도는, 파형 패턴이 다음 속도와 함께 x 축 양의 방향으로 이동하는 이동 자계의 형태이다.
Figure 112019011192547-pat00013
권선 쌍에 전류의 부호의 변화나 시간 변조에 의해 x 축 음의 방향으로 움직이는 파동 패턴의 방향을 변경할 수 있습니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 포함한 고정자 권선을 통해 전류를 공급함으로써 생성한 자기장에 수직으로 전류가 흐를 수 있는 권선에 따라 이동자를 제공함으로써 전자기 기계를 제작할 수 있다.
전류가 y 축 양의 방향으로 흐를 수 있는 전선을 가정하고, 이동자가 x 축 방향으로 이동하는 것이 허용된다고 가정하자. 전선을 통해 흐르는 전류의 양이 i라고 하면, 로렌츠 힘은 전선의 길이 l(또는 l은 자속이 일정한 영역의 길이임)에 대해 다음식으로 표현할 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00014
x의 함수로서 전류가 흐르는 전선 배열을 형성할 수 있다. 특히, 이동자 상에 분포된 전류는 고정자와 동일한 (공간적) 주기를 갖는다.
Figure 112019011192547-pat00015
따라서 이동자 상의 전류가 발생하여 이러한 전류가 이동자(또는 회전자일 수 있음)에 상대적으로 움직이게 할 수 있는 것을 의미한다. 원칙적으로, 전류의 정현파 분포는 매우 작은 전선 루프를 함께 적층함으로써 실현될 수 있으며, 단위 길이 당 전선의 수는 다음식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00016
만약 전선을 통해 작은 전류 i가 흐를 경우, 다음식으로 표현할 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00017
정현파 전류 밀도 분포를 실현하는 것은 쉽지 않을 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00018
Figure 112019011192547-pat00019
의 경우,
Figure 112019011192547-pat00020
이며,
Figure 112019011192547-pat00021
의 경우,
Figure 112019011192547-pat00022
이다.
여기서,
Figure 112019011192547-pat00023
은 주기
Figure 112019011192547-pat00024
를 갖는 주기함수이다. 예를 들어,
Figure 112019011192547-pat00025
는 이동자의 임의의 초기 위상 값이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 배열 구조에 의해 생성한 자기장과 전류의 상호 작용을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열에 의해 생성한 자기장과 전류의 상호 작용에 의해 전류가 흐르는 전선에서 발생하는 로렌츠 힘은 x 축 방향으로 다음식으로 나타낼 수 있다. 한편, 고정자에 발생하는 힘은 x축 방향에 따라 반주기 마다 같은 크기지만 반대 방향으로 발생한다.
Figure 112019011192547-pat00026
Figure 112019011192547-pat00027
이
Figure 112019011192547-pat00028
에 대한 속도
Figure 112019011192547-pat00029
로 움직이고 있다고 가정한다. 그 관계는 다음과 같다.
Figure 112019011192547-pat00030
주기당 힘은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00031
수학식 14는 다음식과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00032
수학식 15의 첫 항은 공간과 시간 모두에서 급속히 변한다. 시간과 무관하게 많은 공간 주기에 걸쳐 힘이 누적되면 평균값은 사라진다. 공간적 주기
Figure 112019011192547-pat00033
당 힘(M이 충분히 크고, M 사이클에 걸쳐 통합)은 다음식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00034
임의의 주기적 전류 분포에 대한 주기 평균 힘은 계산될 수 있다. 이는 동일한 푸리에 급수 전개의 고조파 성분이 현재 평균값 0으로 생성됨으로써 동일한 결과가 나타난다.
이동자에 구동하는 전류가 다음식과 같다면,
Figure 112019011192547-pat00035
즉, 이동자에 발생한 이동 자계는 합성된 자계가 고정자에 의해 생성된 이동 자계와 동기가 되는 것을 의미합니다.
Figure 112019011192547-pat00036
여기서
Figure 112019011192547-pat00037
가 양이고 일정하다면, 고정자와 이동자(또는 회전자)의 상호 작용으로부터 이동자에 정상 상태 힘이 발생하고, 힘은 마찰에 대항하여 이동자를 밀고있다. 이 경우, 고정자와 이동자의 전원 공급 장치는 마찰에 대해 느린 가속이나 정상 상태를 위해 이동자를 움직이기 위해 동력을 공급합니다.
Figure 112019011192547-pat00038
인 경우 최대 힘이 발생한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동 전자기 기계가 모터로 사용될 때, 전류가 공급되는 동안 다음식과 같은 조건이 유지된다.
Figure 112019011192547-pat00039
Figure 112019011192547-pat00040
인 조건은 이동자(회전자)가 외력에 의해 밀고 있을 때의 정상 상태 조건이다. 음의 힘은 외력에 의해 일이 수행됨을 의미한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 전자기 기계가 발전기로 작동 중일 때이다. 전류는 이동자 권선을 통해 흐르기 때문에 전력이 생성된다.
정상 상태 힘의 경우에서는 이동자가 속도
Figure 112019011192547-pat00041
으로 이동하고, 전류가 고정자에 의해 생성된 자기장과 동일한 속도로 움직인다.
고정자에서의 자기장은 속도
Figure 112019011192547-pat00042
로 이동할 때 다음식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019011192547-pat00043
정상 상태 힘은 이동자에서 생성될 때, 이동자(회전자)는 매우 느린 가속도로 움직이거나 그 힘이 외력과 균형을 이룰 경우이고, 이때 등속도로 움직인다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 적층형 권선을 가지고 수평 방향으로 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 6를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열(600)은 적층형 권선을 가지고 x 축 방향으로 주기적 구조로 구현한다. 이때, 전자기 기계용 권선 배열(600)은 z 축 방향으로 소정 간격 이격된 제 1 권선 배열(610)과 제 2 권선 배열(620)로 구현한다. 또한, 제 1 권선 배열(610)과 제 2 권선 배열(620) 사이인 서로 마주보는 방향으로 자속 밀도가 강화되고, 제 1 권선 배열(610)과 제 2 권선 배열(620) 내부의 서로 마주보는 방향 이외는 자속 밀도가 상쇄되고, 외부에서는 누설 자계를 최소화할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 적층형 권선을 가지고 입체적 구조로 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열(700)은 적층형 권선을 가지고 원형으로 구현한다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열(700)은 방사(radial) 방향으로 소정 간격 이격되고, 제 1 권선 배열(710)과 제 2 권선 배열(720)은 접선 방향을 따라 공간적 주기마다 동일 구조를 반복한다. 또한, 제 1 권선 배열(710)과 제 2 권선 배열(720)은 서로 상보적으로 구현된다. 즉, 제 1 권선 배열(710)은 접선 방향을 기준으로 제 2 권선 배열(720)과 전류 분포는 미러 이미지를 갖는 것으로 볼 수 있다. 또한, 원형으로 배치한 제 1 권선 배열(710)과 제 2 권선 배열(720)은 방사 방향으로 이들 사이의 서로 마주보는 방향으로 자속 밀도가 강화되고, 이들 외부의 서로 마주보는 방향 이외의 방향으로 자속 밀도가 상쇄된다.
한편, 여기서는 제 1 권선 배열(710)과 제 2 권선 배열(720)은 원주상에 배치되고 크기가 짧아 거의 동일한 크기로 예시적으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 본 발명의 사상을 해치지 않는 범위에서 필요에 따라 안쪽 원주상의 권선 배열의 크기를 줄이거나 바깥쪽 원주상의 권선 배열의 크기를 증가시킬 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 입체적 구조 적용한 구조에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
본 시뮬레이션 결과도는 python 프로그램을 이용하고, Biot-Savart 법칙을 기본으로 계산하였다. 도 8을 참조하면, 도 7에 도시된 전자기 기계용 권선 배열(700)의 제 1 권선 배열(710)과 제 2 권선 배열(720)에 대한 에어갭 중간 부근에서 얻는 결과를 나타낸다. 따라서, 제 1 권선 배열(710)과 제 2 권선 배열(720) 사이에 있는 에어갭 중심에서 방사(radial) 방향으로 자속이 강화되고, 축(axial) 방향이나 접선(tangential) 방향으로는 자속이 상대적으로 거의 없다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 입체적 구조 적용한 구조에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
도 9를 참조하면, 도 7에 도시된 전자기 기계용 권선 배열(700)의 제 1 권선 배열(710)과 제 2 권선 배열(720)로부터 에어갭 절반의 크기의 관심 영역 바깥 부근에서 얻는 결과를 나타낸다. 따라서, 모든 방향에서 누설 자속이 거의 없는 것으로 확인된다. 한편, 관심 영역이라 함은 제 1 권선 배열(710)과 제 2 권선 배열(720)을 포함한 그 내부를 의미한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 평면 권선 구조를 가지고 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열(1000)은 평면 권선 구조를 x 축과 z 축 방향으로 주기적으로 구현할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 평면 권선 구조를 가지고 입체적 구조로 적용한 개략적 도시한 예시 단면도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열(1100)은 평면 권선 구조를 가지고 원형으로 구현한다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열(1100)은 방사 방향으로 소정 간격 이격되고, 서로 상보적인 제 1 권선 배열(1110)과 제 2 권선 배열(1120)로 구현된다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 평면 권선 구조를 가지고 입체적으로 적용한 구조에 대한 시뮬레이션 결과도이다. 도 12를 참조하면, 관심 영역 중 에어갭 중심 부근에서의 방사 방향으로 강한 자기장을 나타내고, 축 방향이나 접선 방향으로는 자기장은 무시할 수 있을 정도로 상쇄된다. 도시되지는 않았지만, 도 9과의 결과와 같이 관심 영역 밖에서는 누설 자기장이 거의 없는 것을 확인하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 기계용 권선 배열을 이용한 이동 전자기 기계는 관심 영역 내의 서로 마주보는 방향 자장을 강화시키고 관심 영역 밖의 누설 자장을 거의 없게 한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 전자기 기계는 철심을 사용하지 않거나 최소로 사용함으로써 그 크기와 무게를 최소화하고, 코어 손실을 줄이고, 성능 한계 등을 극복할 수 있다.
100, 200, 400, 600, 700, 800, 1000, 1100: 전자기 기계용 권선 배열
110, 310, 410, 610, 710, 1010, 1110: 제 1 권선 배열
120, 320, 420, 620, 720, 1120: 제 2 권선 배열
130: 적층된 권선 구조
140: 수평 적층된 권선 구조
145: 수직 적층된 권선 구조
150: 제 1 반주기
160: 제 2 반주기
201: 위상 A를 위한 권선 배열 세트
202: 위상 B를 위한 권선 배열 세트

Claims (19)

  1. 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 이격된 방향에서 미러 이미지를 가지는 제1 권선 배열; 및 제2 권선 배열을 포함하고,
    상기 제1 권선 배열은 서로 이웃하여 형성되는 적어도 하나의 제1 반주기 및 적어도 하나의 제2 반주기를 포함하고,
    상기 제1 반주기는 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하되,
    상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향에서 미러 이미지를 가지는 것을 특징으로 하는 권선 배열.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반주기를 형성하는 두 개의 권선 사이에서 형성되는 자기장의 방향과 상기 제2 반주기를 형성하는 두 개의 권선 사이에서 형성되는 자기장의 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 권선 배열.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반주기는,
    전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하고, 상기 제2 권선 배열과 인접하는 제1층;
    상기 제1층의 권선 구조와 동일한 전류 방향을 가지나 상기 제1층의 권선 구조보다 바깥쪽에 위치한 제2층 권선 구조를 포함하고, 상기 제1층 상부에 위치하는 제2층; 및
    상기 제2층 권선 구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지나 상기 제2층 권선 구조보다 안쪽에 위치한 제3층 권선 구조를 포함하고, 상기 제2층 상부에 위치하는 제3층을 포함하는 것을 특징으로 하는 권선 배열.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3층 권선 구조와 동일한 전류 방향을 가지나 상기 제3층 권선 구조보다 바깥쪽에 위치한 제4층 권선 구조를 포함하고, 상기 제3층 상부에 위치하는 제4층을 더 포함하는 권선 배열.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반주기는,
    전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하고, 상기 제2 권선 배열과 인접하는 하층; 및
    상기 하층의 권선 구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지는 상층 권선 구조를 포함하고, 상기 하층 상부에 위치하는 상층을 포함하는 것을 특징으로 하는 권선 배열.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 권선 배열은 복수의 제1 반주기 및 복수의 제2 반주기를 포함하되,
    상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향으로 주기적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 권선 배열.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 권선 배열은 또는 상기 제2 권선 배열은,
    상기 전류가 흐르는 방향에 따라 길이가 연장되는 것을 특징으로 하는 권선 배열.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 권선 배열은 적어도 두 개의 세트로 형성되되,
    상기 각 세트를 구성하는 권선에 흐르는 전류는 서로 같은 위상을 갖거나 서로 다른 위상을 갖는 것을 특징으로 하는 권선 배열.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 각 세트를 구성하는 권선에 흐르는 전류가 위상차이 갖음으로써 이동 자계를 형성하는 것을 특징으로 하는 권선 배열.
  10. 고정자 및 이동자를 포함하되,
    상기 고정자는 제1 권선 배열을 포함하고,
    상기 제1 권선 배열은, 서로 이웃하여 형성되는 적어도 하나의 제1 반주기 및 적어도 하나의 제2 반주기를 포함하고,
    상기 제1 반주기는 전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하되,
    상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향에서 미러 이미지를 가지는 것을 특징으로 하는 이동 전자기 기계.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고정자는,
    상기 제1 권선 배열과 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 이격된 방향에서 미러 이미지를 가지는 제2 권선 배열을 더 포함하는 이동 전자기 기계.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 권선 배열 및 제2 권선 배열은 적어도 두 개의 세트로 형성되되,
    상기 각 세트를 구성하는 권선에 흐르는 전류는 서로 다른 위상을 갖음으로써 이동 자계를 형성하는 것을 특징으로 하는 이동 전자기 기계.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 이동자는,
    상기 제1 권선 배열과 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 이격된 방향에서 미러 이미지를 가지는 제2 권선 배열을 포함하는 이동 전자기 기계.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1 반주기를 형성하는 두 개의 권선 사이에서 형성되는 자기장의 방향과 상기 제2 반주기를 형성하는 두 개의 권선 사이에서 형성되는 자기장의 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 이동 전자기 기계.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반주기는,
    전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하고, 상기 제2 권선 배열과 인접하는 제1층;
    상기 제1층의 권선 구조와 동일한 전류 방향을 가지나 상기 제1층의 권선 구조보다 바깥쪽에 위치한 제2층 권선 구조를 포함하고, 상기 제1층 상부에 위치하는 제2층; 및
    상기 제2층 권선 구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지나 상기 제2층 권선 구조보다 안쪽에 위치한 제3층 권선 구조를 포함하고, 상기 제2층 상부에 위치하는 제3층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 전자기 기계.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반주기는,
    전류가 흐르는 방향이 서로 다른 적어도 두 개의 권선을 포함하고, 상기 제2 권선 배열과 인접하는 하층; 및
    상기 하층의 권선 구조와 서로 반대 방향의 전류 방향을 가지는 상층 권선 구조를 포함하고, 상기 하층 상부에 위치하는 상층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 전자기 기계.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제1 권선 배열은 복수의 제1 반주기 및 복수의 제2 반주기를 포함하되,
    상기 제1 반주기 및 상기 제2 반주기는 이웃하는 방향으로 주기적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이동 전자기 기계.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 제1 권선 배열은,
    상기 전류가 흐르는 방향에 따라 길이가 연장되는 것을 특징으로 하는 이동 전자기 기계.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 이동자는 회전자인 것을 특징으로 하는 이동 전자기 기계.
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