KR19990076698A

KR19990076698A - 전기모터

Info

Publication number: KR19990076698A
Application number: KR1019980704812A
Authority: KR
Inventors: 칼 에이. 토마센
Original assignee: 칼 아스본 토마센; 엘렉트레트 아스
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1999-10-15
Also published as: CA2244965A1; AU704303B2; WO1997023940A1; NO302850B1; NO955282L; NO955282D0; PL182068B1; PL327293A1; CZ198098A3; JP2000502875A; US5994811A; EP0888664A1; AU1401497A

Abstract

본 신규한 전기모터는 상호 분리되어 동축적으로 배치된 두개의 전기자(1, 3) 및 두 개의 전기자 사이에 배치된 자석을 구비하는 회전자(2)를 가진다. 일측 전기자(1)는 모터하우징(9)에 고정되어 고정전기자로 되어 있고, 타측 전기자는 그 중앙 및 내측 부분으로서 모터출력샤프트(5)를 가지고 자유회전가능하다. 회전자는 양측 전기자(1, 3)의 회전자로서 작옹하고 각 전기자와 상호 작용하기 위해 양측에 전극쌍을 가지고 있다. 이에 의해, 모터는 통을 회전자(2)를 가지는 양측 모터를 형성한다.

Description

전기모터

본 발명은 전기모터에 관한 것이다.

일반적인 전기모터에 관한 문제점은, 구동샤프트의 저속구동시 특히 효율성이 낮다는 것이다. 예를 들어, 크레인(Crane)을 들어 올릴때에는, 저속에서 효율적으로 작동하는 특성을 가지는 모터를 사용하는 것이 매우 바람직하며, 이에 의해, 중립위치에서 강한 토오크를 유지하면서 회전방향을 용이하고 효율적으로 변환시킬 수 있다.

독일 공개공보번호 2237099 및 2928770호에는, 샤프트가 구동모터에 연결되어 자기유도전압을 발생시키는 토오크변환기들이 개시되어 있으며, 여기서 변환기의 일측은 발전기로서 작동하고 타측은 모터로서 작동한다. 양측 사이의 전압을 조절하면, 구동모터의 회전수에 의존하지 않고 구동축의 토오크 및 회전수를 조절할 수 있다. 하지만, 이러한 경우, 토오크변환기의 발전기측에 연결된 구동모터에 전적으로 의존하게 된다. 변환유니트들은 실제에서, 수경성(水硬性)용해제(Hydraulics Solution)를 위한 대체품으로서 고안되어 있다.

미국특허번호 4,532,447호에는 또한, 토오크변환기 또는 속도변환기가 개시되어 있다. 이 변환기는 외측에 고정된 전기자(Armature or Stator), 중간회전자(Intermediate Rotor) 및 그 내부의 중심에 배치된 회전자(Rotor)로 구성되어 있다. 중간회전자는 두 벌의 권선(Two Sets Of Winding) 즉, 외측에 고정된 전기자와 상호 작용하는 외부 권선 및 내부 회전자에 영향을 미치는 내부 권선을 가지고 있다.

특허에는, 내부회전자가 구동유니트(예를 들어, 자동차엔진)에 연결되고, 중간회전자가 기어박스에 연결됨으로써, 변환기가 토오크변환기로서 작동하는 것이 제안되어 있다. 회전수와 토오크의 조정은 매우 복잡하지만, 반대측 자극이 작동중에 정확하게 중립위치에 있도록 연속적으로 조절함으로써, 달성된다. 그리고, 전송될 전원은 중간회전자에 대한 권선의 크기에 의존하기 때문에, 상대적으로 큰 구성을 갖지 아니하면 전송될 전원크기(Power Magnitude)에 제한이 있는 것 같다.

영국에 특허출원된 공개번호 GB-A-2,271,025호에는 본 발명의 특성과 다소 관련있는 특성을 가지는 전기모터가 개시되어 있다. 종래 기술의 모터는 모터하우징에 고정되고, 그들 사이에 배치된 환상의 회전자를 가지는 두개의 고정자로 구성되어 있다. 회전자는 몇 개의 작은 영구자석, 또는 스포크(Spoke)나 아암수단에 의해 주샤프트에 고정된 자화유니트(즉, 코일)로 구성되어 있다.

영국 특허출원에서는 또한, 모든 코일 또는 자석이 그 각각의 축선에 대해 회전가능하고, 외측 전기자에 전압이 공급될 때 발생되는 토오크를 완화시키도록 하여, 구동축이 회전하지 않도록 한 것이 도시되어 있다. 전압을 내부전기자 및/또는 회전유니트에 공급하여, 각 회전유니트의 회전을 정지시키고, 또한, 샤프트의 회전을 개시할 수 있다.

종래 기술의 모터는, 속도를 조절하기 위하여 양측 전기자에 주파수 또는 전압변화를 실시한다.

하지만 회전자는, 샤프트에 고정되어 있고, 전기자 사이에 회전가능하게 부착되어 구동축에 대해 원주방향을 따라 배치된 몇개의 작은 회전자를 가지고 있다. 전압은 슬립링(Slip ring)과 같은 것을 매개하여 작은 회전자에 공급될 수 있다. 전기자 사이에서 각 축에 대해 회전하며, 샤프트에 고정된 아암상에 설치되어 샤프트에 대해 방사상을 형성하는 몇몇 코일들과 자석을 가지는 구성은, 비교적 복잡한 구성을 이루며, 이러한 구성은 고전원크기를 전송시키기 위하여 모터의 크기가 상대적으로 커야만 할 것이다.

독일 공개공보 DE 4341128호에는 공주(空走, free-Running)회전자를 가지는 원통상의 모터가 개시되어 있으며, 이 모터는 양측 모터(Double Motor)로서, 출력샤프트의 회전수가 그 양측에서 상이하다. 하지만, 모터는 원통형상의 제한된 구성을 가지며, 거의 제로영역의 회전수범위내에서 사용하기 위해 제작된 것은 아님이 명백하다. 초기에 이러한 종래기술의 모터는, 고속의 출력을 위해 디자인 되었다.

따라서, 회전수를 정지상태까지 조절가능한 특성을 가지는 전기모터를 제공하여, 정지상태에서 구동샤프트를 위해 최대 토오크를 사용할 수 있고, 이에 의해 모터의 작동중단없이 모터구동축의 회전을 변환시키고, 이 후, 다시 재구동될 수 있도록 할 필요성이 있다.

본 발명은 상술한 필요성을 만족하는 전기모터이며, 본 발명에 따른 모터는, 첨부된 청구항 1에 보다 정확하게 나타나 있다. 본 발명의 보다 구체적인 실시예는, 기재된 특허청구항들에 나타나 있다.

다음에서는, 본 발명을 약간의 실시예를 상세히 언급함으로써 보다 구체적으로 설명하고, 동시에 첨부된 도면을 언급한다. 여기서,

도 1은 본 발명에 따른 디스크형상의 AC모터의 종단면도,

도 2는 본 발명에 따른 유사한 방법으로 제작된 디스크형상의 AC모터를 나타낸 도면,

도 3은 회전자가 축선방향을 따라 연장되어 있는 디스크형상의 모터를 나타낸 도면,

도 4는 양측 모터의 상이한 회전수 사이의 관계를 보이는 도표, 및

도 5는 본 발명에 따른 모터의 실시예를 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.

도 1에는 본 발명에 따른 제 1실시예의 모터로, 디스크형상의 AC모터의 종방향 단면이 개략적으로 도시되어 있다. 여기에서 "디스크형상"은, 고정된 전기자(1), 회전하는 자극휠(Pole Wheel 또는 회전자 및 회전전기자(3)가 횡방향으로 나란하게 배치된 디스크형상을 가지며, 회전자(2) 및 회전전기자(3)가 그를 중심으로 회전하는 공동축(4)을 가지고 있다는 것을 설명한다.

전술한 바와 같이, 전기자(1)는 모터하우징(9)에 고정되어 있고, 이 전기자의 권선 또는 코일은 접속박스(8)를 매개하여 주파수변환기(10)으로부터의 AC전압을 인가한다. 이와 동일하게, 주파수변환기(10)의 타측은 자체적으로, 브러시 및 슬립링(7)을 매개하여 회전전기자(3)의 권선/코일에 AC전압을 동일방식으로 공급한다.

회전전기자(3)는 중앙에 모터출력샤프트(5)를 가지고 있고, 이 샤프트(5)는 모터하우징(9)에 부착된 볼 또는 롤러베어링(6)에 의해 회전한다. 회전 자극휠(2)은 대체로, 일측에서 고정된 전기자(1)와 상호 작용하고 타측에서 회전 전기자(3)와 작용하는 영구자석을 구비하고 있다. 따라서, 모터는 대체로, 회전자(2)가 전기자(1)/회전자(2)로 구성된 부분모터시스템 및 전기자(3)/회전자(2)로 구성된 부분모터시스템 양측의 회전자로 되어 있는 "양측부모터(Two Part Motor)를 포함한다. 전기자(1)/회전자(2)를 가지는 부분모터는 다음의 M1으로 언급되어 있고, 고정자(3)/회전자(2)를 가지는 부분모터는 M2로서 언급되어 있다.

공주(空走)회전자의 영구자석은, 이러한 기술분야에서 통상적으로 볼 수 있듯이, 코일에 의해 동일하게 대체될 수 있지만, 이 때, 자기전류는 브러시/슬립링을 매개하여 회전자에 공급되어야 한다. 회전자(2)의 영구자석 또는 코일은 회전자의 각 측연에 자극쌍을 형성한다. 전기자(1, 3) 사이에 배치되어 동시에 이들 양측 전기자를 위한 회전자로서 역할을 하는 회전자 또는 자극휠(2)은 모터하우징(9)의 중앙 및 내향 돌출부에 부착되어 있는 롤러나 볼베어링에 의해 회전하며, 또한, 샤프트(5)에 대한 롤러나 볼베어링에 의해 지지되어 회전가능하다.

M1에 전압이 공급되면, 공주회전자(2)가 일정한 각속도 ω1으로 회전하게 되고, 동시에 전압을 M2에 공급하면 회전전기자(3)에 대해 동일한 회전속도(ω2 =ω1)가 회전자(2)에 제공되지만, 반대방향회전시, 샤프트의 회전속도(ωs)는 거의 제로(Zero)로 될 것이고, 샤프트(5)의 토오크는 전원크기, 및 M1 및 M2를 위한 회전속도에 의해 결정될 것이다.

ω1 및 ω2 중 어느 일측, 또는 ω1 및 ω2 를 동시에 고려하여, 속도를 변환시키기 위해 주파수변환기(10)로 부터의 주파수를 가변시키면, 본 발명에서는 샤프트가 ωs의 속도로 회전하여 속도 ω1과 ω2의 차이에 대응하게 될 것이다. 샤프트의 출력은 M1과 M2를 위한 전원크기의 차이에 대응할 것이다.

총회전수를 일정하게 유지하면서, 속도 ω1 및 ω2를 대응하게 변환시키면, 본 발명에서는 샤프트의 속도 ωs를 속도 ω1과 ω2의 차이에 대응하는 속도로 변환시킬 수 있고, 동시에 샤프트토오크를 부하토오크에 해당 회전수로 적용할 수 있다.

또한, 속도 ω1과 ω2를 변화시켜, 그 변환동안, 샤프트의 회전속도를 일정하게 유지시킬 수 있고, 회전속도 ω1과 ω2의 차이에 의해 결정된 샤프트의 회전속도를 얻을 수 있으며, 동시에 샤프트의 토오크가 항상 부하토오크에 의해 결정될 수 있다.

상술과 같은 다양한 고찰은, 도 1과 거의 동일 구성을 보이며, 관련 설명을 위해 도 1과 동일한 참조번호를 사용한, 도 2의 실시예로 구성할 수 있으며, 이것은 전압조정기(13)로부터 구동전압을 공급받는 DC모터이다. 이 경우에서, 전압은 브러시나 슬립링(11)을 매개하여 회전자(2)에 공급되고, 또한, 브러시/정류자를 매개하여 양측 전기자(1, 3)의 권선에 공급된다. 이것은 도 1에서 볼 수 있는 모터와 거의 동일한 디스크형상의 모터실시예이다.

도 2의 DC모터의 작동은, 또한, AC모터와 관련하여 설명한 바와 동일하게 이루어지며, 하지만, 주파수변환기의 출력주파수를 변환하는 대신에, 전압조정기(13)로 부터의 출력전압을 변화시켜 각 M1 및 M2를 위한 회전속도 ω1과 ω2를 변화시킬 수 있다(AC모터에서 사용된 동일명칭을 사용).

도 3에서는, 두가지 형태의 DC 및 AC모터를 상술한 디스크모터의 개념의 변형예가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 모터는, 전술한 실시예들과 동일구성을 가지며, 특별히 회전자(2)만이 다른 구성을 가지고 있다. 이 경우에서, 회전자는 두 전기자(1, 3) 사이의 일측과 각 전기자의 외측에 배치된 일측을 가지는 실질적으로 3부분구성을 가지고 있으며, 3개의 회전자부분들은 두 전기자의 외측에 방사상으로 배치된 원통형 부분에 의해 상호 연결되어 있다. 3개의 회전자부분들은 각각, 전기자를 향하는 회전자부분의 측연상에서 전기자권선과 상호 작용하기 위해 마련된 자극쌍들을 가지는 자석을 구비하는 이러한 구성은, 모터의 직경을 증가시키지 아니하고도 고출력을 얻을 수 있다. 전기적 접속에 대해서는 도 3에 구체적으로 설명되어 있지 아니하지만, 이들은 DC 및 AC모터의 작동과 관련하여 각각 상술한 동일방법으로 구성될 수 있다.

도 4는 회전수값 사이의 관계도이다. 샤프트의 회전수는 회전수 n1과 n2의 차이와 동일하다. n1과 n2의 총회전수는 모터의 상대회전수로서 정의되고, 회전수가 대응하게 조절되는 경우 일정할 것이다. 수학적으로, 회전수관계는 다음과 같이 표현된다.

ns = n1 - n2 nr = n1 + n2 = 일정

n1 = (nr + ns)/2 n2 = (nr - ns)/2

여기서,

ns = 샤프트출력 nr = 모터의 상대회전수

n1 = 회전수 M1 n2 = 회전수 M2

토오크는 모터의 작동동안 동일할 것이며, 이에 의해

Tds = Td1 = Td2

이고, 수학적으로, 모터의 구동력은 다음과 같이 표현될 수 있다.

Ps = Tds × ωs = Tds × (ω1 - ω2)

= (Td1 × ω1 - Td2 × ω2) = P1 - P2

여기서,

Ps = 모터구동력

Tds = 샤프트토오크

ωs = 샤프트각속도

ω = 각속도 M1 ω2 = 각속도 M2

P1 = 전원 M1 Td1 = M1의 토오크

P2 = 전원 M2 Td2 = M2의 토오크

일반적으로, Ps 〉0(예를 들어 부하를 들어 올릴 경우)인 때, 출력샤프트에 대한 토오크방향에 따라, 고속의 모터부(예를 들어, M1)는 항상 모터의 역할을 할 것이고, 다른 부분(예를 들어, M2)는 항상 발전기의 역할을 할 것이다.

최종 전력의 합계는,

Pnet = (P1/η1 - P2 × η2) / ηm일 것이다.

여기서,

η1 = M1의 전기효율

η2 = M2의 전기효율

η3 = 모터의 기계적 효율이다.

일반적으로, 작동중인 모터는 예를 들어, 전도성 손실, 금속손실 및 마찰과 같은 전기적 기계적 손실과정(Loss Processes)때문에 열이 발생한다. 모터의 냉각은, 작동중 및 샤프트의 정지상태에서 항상 회전하는 자극휠/회전자(2)에 고정된 팬 즉, 모터에 냉각공기를 제공하는 팬에 의해 달성될 수 있으며, 이들은 모터에 냉기흐름을 유도한다.

본 발명에 따른 모터는, 정지상태 및 출력샤프트에 높은 토오크부하가 걸린상태에서, 전기적 및 기계적 손실고정에 의해 발생된 온기의 완전한 대체물을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 모터는 또한, 일측 모터 예를 들어, M1이 일정한 속도로 작동하고 타측 모터(본 실시예에서 M2)의 속도가 조정되는 상태에서 적절하게 작동될 수 있다. 따라서, 용이한 조정을 달성할 수 있다. 샤프트의 회전수는 항상, 각각의 모터를 위한 회전수 사이의 차이에 동일하게 될 것이다. 출력 및 토오크는 양측 회전수값을 조절할 때와 같은 동일한 방법으로 조절될 수 있다.

도 5에는, 도 2에서 개략적으로 볼 수 있는 실시예와 같은 본 발명에 따른 모터의 실시예가 구체적으로 도시되어 있다.

전술과 마찬가지로, 참조번호 1은 고정된 전기자이고, 코일의 코어(Core)는 전기철시트(Electro-Iron Sheet) 또는 철파우더(Iron Power)로 구성될 수 있다. 코일권선은 참조번호 14로 표시되어 있다. 고정전기자(1)는 모터하우징에 부착되어 있다. 자유회전 자극휠(2, 회전자)은 영구자석을 가지고 있다. 회전전기자(3)는 정지전기자(1)와 거의 마찬가지로, 동일구조를 가지고 있지만, 롤러나 볼베어링(6)을 매개하여 하우징에 지지되어 중앙 및 외향 돌출샤프트(5)에 부착되어 있다. 양측 전기자 및 회전자는 공통축(4) 주위에 배치되어 있다. 참조번호 11은 브러시/정류자를 매개하여 코일권선에 전압을 공급하기 위한 브러시 및 슬립링으로, 전압은 회전자(2)에 공급되고, 또한, 브러시와 정류자를 매개하여 양측 전기자의 코일권선에 공급된다. 참조번호 15는 정류자로부터 코일권선까지의 전도를 위한 접속박스이다. 회전자(2)는 적용을 위해, 적절하게 원주방향으로 연장된 구성을 가지며, 전압을 전기자의 코일권선으로 전달하는 역할을 하며, 또한, 안정된 지지 및 회전을 위해 중심방향으로 연장되어 있다.

Claims

전기모터에 있어서,

각기 전기자권선을 가지고 실질적으로 원형 대칭형상을 가지며, 동축적으로 이격배치되어 있는 두개의 전기자(1, 3); 두개의 전기자(1, 3)에 대해 동축적으로 배치되고, 모터내에 공주(空走)가능하게 지지되어 있는 자석 또는 전자석(2)을 가지는 회전자(2)를 구비하고; 상기 전기자(1)중의 어느 일측이 모우징(9)에 고정되어 고정전기자(1)를 구성하고; 회전자(2) 및 전기자(1, 3)와 동축적으로 배치된 출력샤프트(5)를 포함하며,

모터는, 전기자(1, 3)들이 실질적으로 동일한 외부직경을 가지고 평행하게 배치되어 실질적으로 디스크형상을 가지는 디스크모터로;

회전자(2)는 적어도 두 전기자(1, 3) 사이에 배치되어, 각 측연에 전기자(1, 3)를 향해 마련된 자극쌍들을 가지고;

타측 전기자(3)는 출력샤프트(5)에 고정되어 있으며;

모터로 채용시 동일한 구동전압이 양측 전기자(1, 3)에 공급되는 정지상태에서 출력샤프트(5)가 토오크부하를 얻을 수 있어서, 회전자(2)만이 회전하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
제 1항에 있어서,

AC실시예에서는,

어느 일측의 전기자(1, 3)의 전기자권선들이 일정 또는 주파수가변 전기AC구동전압을 공급하는 제 1수단(10)에 연결되어 있고, 타측 전기자(1, 3)의 전기자권선은 주파수가변 전기AC구동전압을 공급하는 제 2수단에 연결되어 있으며, 출력샤프트의 전기자(3)는 브러시들과 슬립링(7)을 매개하여 그 공급수단에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전기모터.
제 1항에 있어서,

DC실시예에서는,

양측 고정전기자(1) 및 회전전기자(3)의 고정자권선은 정류자/브러시수단을 매개해서 회전자(2)의 전도체에 연결되어 있고, 상기 전도체는 슬립링/브러시수단을 매개하여 전기자(1, 3)에 구동전압을 공급하는 수단에 연결되어 있으며, 적어도 일측의 구동전압공급수단(13)은 가변전압을 공급하는 전압조정기인 것을 특징으로 하는 전기모터.
제 1항, 2항 또는 제 3항에 있어서,

회전자(2)는, 일측이 두 전기자(1, 3) 사이에 배치되고 나머지 양측은 두 전기자(1, 3)의 각 외측 단부에 동축적으로 배치된 3개의 실체부를 가지며, 3개의 회전자부는 양측 전기자(1, 3) 외측에 반경방향으로 배치된 원통형상부에 의해 상호 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전기모터.
회전자(2)의 회전방향 및 회전자(2)에 대한 회전전기자(3)의 회전방향이 반대인 제 1항 내지 제 4항중 어느 한항에 따른 전기모터의 작동방법에 있어서,

양측 전기자(1, 3)의 각 전기자권선을 위한 주파수 또는 전압이 변화되어, 상기 양측의 회전속도가 대응하게 변화되고 총회전속도가 일정하게 유지되며, 이에 의해 출력샤프트(5)의 회전속도가 상기 양측 회전속도의 차이에 의해 변환되는 것을 특징으로 하는 전기모터의 작동방법.
제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 따른 전기모터의 작동방법에 있어서,

양측 전기자(1, 3)의 각 전기자권선을 위한 주파수 또는 전압이 변화되어 회전자(2)의 회전속도 및 회전자(2)에 대한 타측 전기자(3)의 회전속도가 변화되는 한편, 그들 사이의 차이가 일정하게 유지되어, 이에 의해 출력샤프트의 회전속도가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 전기모터의 작동방법.
제 1항 내지 제 4항중 어느 한항에 따른 전기모터의 작동방법에 있어서,

전기자(1, 3)의 어느 일측을 위해 전압크기 또는 주파수를 일정하게 유지시키는 한편, 전기자(1, 3)의 타측을 위한 전압의 크기 또는 주파수를 조절함으로써, 출력샤프트(5)의 회전수를 일정 또는 조정회전수 사이의 차이로 변환시키는 것을 특징으로 하는 전기모터의 작동방법.