KR20000070440A - 개선된 고속 전기 모터 - Google Patents

Abstract

고속 비엘디시 모터는 직경 방향으로 자화된 희토류 자석심(17)을 포함하는 회전자(10)를 가진다. 회전자(16)는 모터가 고속으로 회전하는 동안 자석심을 방사상으로 속박하기 위해 자석심(17)을 둘러싸는 슬리브(18)를 포함한다. 슬리브(18)는 샤프트를 위한 속이 빈 샤프트를 형성하기 위해 자석심의 축상의 양방향으로 연장된다. 슬리브(18)는 비자성의 낮은 전도도를 갖는 물질로 형성된다. 제어 회로(14)는 특정 정격의 전자 인버터를 포함하고, 제어 회로(14)는 역율을 1에 근점하게 유지한 상태에서 모터의 속력을 기적 속력에서 최고 속력까지 변하는 범위에서 일정한 전력을 유지하는 수단을 포함한다.

Description

개선된 고속 전기 모터{IMPROVEMENTS IN HIGH SPEED ELECTERIC MOTORS}

압축기로 사용되는 고속 비엘디시 모터의 디자인 및 구조는 많은 문제를 일으킨다.

고속 비엘디시 모터는 특정 범위의 부하에 대해 압축기로서 효율적으로 작동하기 위해서 충분한 전력을 발생해야 한다. 모터와 압축기의 합쳐진 부피를 감소시키기 위해서 고효율, 고속, 저 토크의 모터를 디자인할 것이 요구된다.

고속, 비엘디시 모터는 널리 알려져 있는데, Say와 Taylor 의 "직류 기계(Direct Curren Machnes)" (2판, Pitman International)에 나타나 있고, 특히 그 책의 섹션 4.8, 5.10, 11.4에 나타나 있다. 고속 비엘디시 모터는 일반적으로 냉각용 압축기 모터가 필요한 전력보다 적은 전력을 출력한다. 고속 비엘디시 모터의 한 종류는 자속 밀도가 높은 희토류 자석(rare earth magnet)-특히 붕화 네오디뮴 철(Neodymium-Iron-Boron)-을 사용한다. 그러나 이러한 물질을 비롯한 다른 희토류 자석 물질은 장력이 낮고 또한 깨어지기가 쉽다. 희토류 자석 물질은 이러한 특성 때문에 압축기용 모터에 부적합한 저전력의 고속 전기 모터에는 잘 사용되지 않는다.

환경에 무해하다고 인정되어 현재 사용되고 있는 R134A와 다른 CFC 냉각제와 그외 새로운 냉각제를 이용한 냉각용 압축기를 이용할 때 화학적으로 냉각제와 같이 사용될 수 없는 윤활유를 사용하는 것은 불가능하다. 이러한 특성으로 인해 압축기에서 종래의 베어링(bearing)을 사용할 수 없고, 자기(magnetic) 베어링 또는 호일(foil) 베어링과 같은 비접촉식 베어링을 사용할 수 없다. 그러한 베어링은 구동 모터에 사용된다.

본 발명의 목적은 상대적으로 높은 전력을 출력하고 부피에 비해 매우 높은 전력을 출력하는 고속 전기 모터를 디자인하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 회전자가 자기 베어링, 호일 베어링과 같은 오일이 없고 비접촉식인 베어링에 의해 지지되는 냉각용 압축기용으로 사용되고, 또한 일반적 베어링을 이용해 다양하게 적용할 수 있는 전기모터를 디자인하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 압축기용 모터로 사용되는 모터를 제공하고 그 모터를 비교적 낮은 비용의 제어 회로로써 제어하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 회전자가 필수적인 기계적 힘을 제공하는 구조에서 희토류 자석이 사용된 전기 모터를 제공하는 것이다.

본 발명은 전기 모터의 스피드를 향상 시키는 것에 관한 것으로서,

특히 고속의 브러쉬 없는 직류 모터(brushless direct current motor, BLDC motor: 이하 비엘디시 모터)에 관한 것이다.

비록 본 발명은 다른 종류의 모터에도 적용가능하지만, 본 발명은 냉각용 모터와 공기나 가스 압축기용 모터를 참조하여 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 모터의 부분 구성도이고,

도2는 기저 속력과 최고 속력에서 다양한 선속의 상도이고,

도3은 모터 제어기의 다이어그램도이다.

본 발명의 하나의 특징에 따른 고속 비엘디시 모터는 직경 방향으로 자화된 희토류 자석심, 모터가 고속 회전하는 동안에 상기 자석심을 방사상으로 고정하는 상기 자석심을 둘러싼 슬리브를 가지는 회전자를 포함하며, 슬리브는 회전자를 위한 빈 샤프트를 형성하기 위해 자석심으로부터 축방향의 양쪽 방향으로 확장하며, 상기 슬리브는 낮은 전기 전도도를 갖는 비자극성 물질로 형성된다.

빈 샤프트를 형성하기 위해 회전자 슬리브를 이용하는 것은, 여전히 필요한 샤프트의 단단함과 효율적인 비용 구성 방법을 제공하면서 회전자의 무게와 베어링에 가해지는 부하를 감소시킨다.

본 발명의 모터는 최대 효율과 최소 손실을 위해 회전자에 대해 희토류 자석심을 사용한다. 모터는 20,000rpm 내지 50,000rpm 범위 내의 속도에서 동작하도록 디자인되고, 이로 인해 모터와 압축기의 부피가 감소된다. 그러한 고속의 회전 속력 때문에 회전자는 높은 원심력을 견뎌야 하는 엄격한 기계적 요구사항이 부여한다. 회전자는 회전자의 공명 주파수가 최고 회전 주파수를 초과할 수 있을 정도로 충분히 견고해야 한다. 회전자는 또한 회전자 베어링에 대한 부하를 최소화할 수 있을 정도로 가벼워야 한다.

냉각용 압축기에 사용되는 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 회전자는 회전자의 축방향과 방사상의 위치를 정하는 동적 자기 베어링에 의해 지지된다. 그러나, 다른 형태의 정상적 기계적 베어링 또는 비접촉 방식의 베어링에도 본 발명의 모터는 사용되어질 수 있다.

회전자 슬리브는 상대적으로 높은 영 계수(Young's modulus)를 가지고 회전자 샤프트가 필요한 휨 강도를 제공하는 인코넬(Inconel)과 같은 비자성, 고강도의 금속으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 희토류 자석심은 슬리브에 미리 압력을 가함으로써 압축성 부하 아래에서 유지되고, 또한 슬리브에 미리 가해지는 압력은 실질적인 열 차(heat differential)를 이용해 자석심과 슬리브를 조립함으로써-예를 들면 슬리브를 가열시킴으로써- 발생할 수 있다. 자석심의 외경과 슬리브의 내경은 세밀한 자석의 간섭(interference fit)을 제공함으로써 형성된다. 슬리브가 자석심쪽으로 줄어들 때, 자석심의 축방향과 방사방향으로의 압력을 주기 위해 슬리브의 상대적 크기는 방사상으로 그리고 축방향으로 변한다. 회전자가 회전하면, 발생된 원심력이 슬리브 내의 장력에 의해 방해받는다. 왜냐 하면, 최고 회전 속력 상태에서 가능하면 자석심 내에서 최소의 장력을 발생시키기 위해서이다. 따라서, 슬리브에 의해 가해지는 자석심에 대한 압축력으로 인해 낮은 장력을 갖는 자석심의 물질이 회전자에 가해지는 회전력에 의해 부숴지거나 움직이거나 파손되지 않게 된다.

본 발명의 또다른 특징에 따른 고속 비엘디시 모터는 속박 슬리브에 의해 둘러싸인 희토류 자석심, 특정 비율의 전자 인버터, 역기전력에 대한 전기자에 공급된 전류의 상대적 진행각을 변화시켜 정전력 속력 범위를 통해 자속을 감소시킴으로써 역율을 1에 근사하게 유지하는 동안 모터 속력이 기저 속력에서 최고 속력까지의 범위에서 일정한 전력을 유지하는 수단을 포함하는 제어회로를 가지는 회전자를 포함한다. 전류가 전압을 기저 속력에서 위상이 뒤지고 최고 속력에서 위상이 앞섬으로써 최고 전력 속력 범위에서 전류와 역율이 동일하도록 디자인된다.

주어진 속력과 토크에서 전류의 최적의 진행각은 철과 구리의 손실의 열적 의미 뿐만 아니라 상대적 모터 물질 비용과 인버터 비용(또는 주어진 인버터 정격에 대한 증가된 출력치)에 따라 달라진다. 기저 속력에서 전류의 진행이 기저 속력에서의 역율각과 같거나 거의 같게 설정되면, 최종 역율은 기저 속력에서 자속을 감소시키지 않으면 얻을 수 있는 역율을 초과한다.

이러한 제어 방법은 자석 자속의 전기자 자속에 대한 비를 최적화하여 저비용의 구성요소를 사용함으로써 전자 제어 회로의 비용을 감소시킨다. 기저 속력에서 최고 속력까지 자속을 감소시키는 모터를 디자인함으로써 구리 손실을 증가시키더라도 인버터 정격과 철 손실을 낮출수 있다.

본 발명의 특수한 형의 모터에서, 최고 전력일 때 전류의 진행은 기저 속력(예를 들면, 약 32,000rpm)에서 15。내지 20。정도여야 하고, 최고 속력(예를 들면, 약 48,000rpm)에서 50。내지 55。정도여야 한다. 모터는 피크치의 전력에서 전기자 자속(flux)의 자석 자속에 대한 비가 요구치를 갖도록 디자인하고, 철이 포함되지 않은 회전자를 사용하는 것은 필요한 자속의 비에 대한 모터의 크기를 감소시킨다.

본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위해서 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조하여 이하에서 설명한다.

도1에 도시된 바와 같이, 모터(10)는 냉각용 원심 압축기를 구동하기 위해 디자인된 고속 비엘디시 슬롯 모터이다. 결합된 모터와 압축기의 전체 크기를 가능한한 줄이기 위해 모터(10)는 가능한한 꽉 채워지도록 구성한다. 그러나, 모터(10)는 제어 회로(14)의 전자 인버터(12)의 비와 AC 전원 공급 장치(11)에 상응하는 압축기에 충분한 전압을 보내는 것이 필요하다. 도시한 실시예에서, 전자 인버터(12)의 비용을 감소시키기 위해서 인버터의 비는 200A를 최대치로 제한되었다. 이러한 사실은 415Vrms의 전압의 3상 전원 공급 장치에서 출력 전력이 70 내지 85kW 범위내에서 값을 결정한다.

회전자(16)는 높은 자기 에너지 밀도, 낮은 장력을 가진 침전물인 붕화 네오디뮴 철(Neodymium-Iron-Boron)로 된 자석심(17)을 포함한다. 자석심(17)은 비자성, 낮은 전기 전도도의 금속 합금인 인코넬(INCONEL) 718 로 형성된 슬리브(18)내에 들어 있다. 슬리브(18)는 자석심(17)을 회전자가 고속으로 회전하는 동안 발생하는 힘에 대해 속박한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 회전자가 정지하고 있을 때 압축력을 자석심에 유지하기 위해 슬리브(18)는 미리 충격을 가한다. 접하는 부분을 정확히 맞도록 자석심의 외경과 슬리브의 내경을 같은 크기로 제조하고 자석심이 슬리브 사이에 삽입될 수 있도록 열을 가함으로써 슬리브를 확장한다. 이러한 과정에 의해 미리 가하는 충격은 수행된다. 슬리브(18)를 냉각시킴으로 인해 방사 방향과 축방향으로 슬리브(18)가 줄어들게 되고, 그로 인해 자석을 방사 방향으로 압박하고 축방향으로 압력을 가한다. 이상적으로, 슬리브(18)에 미리 충격을 가함으로써 회전자가 고속으로 회전할 때 자석심(17)에 장력이 존재하지 않는다. 실제로 어느 정도의 장력은 견딜 수 있다. 고속으로 모터가 회전할 때 축방향의 압축력은 자석의 장력을 낮추는데 도움을 준다.

슬리브(18) 자석심(17)을 속박하는 것 외에 회전자(16)에 대해 빈 샤프트로서 동작하도록 하기 위해 자석심(17)으로부터 축방향 양쪽으로 확장된다. 빈 샤프트는 회전자를 지지하는 자기 베어링에 근접할 정도까지 확장하고, 빈 샤프트는 모터의 동작 중에 공기 갭(21)을 유지하기 위해 회전자(16)에 대해 필수적인 휨 강도를 제공한다.

자기 스텁(stub) 샤프트(22, 23)는 슬리브(18)의 외부 끝(24, 26) 내부와 맞물린다. 스텁 샤프트(22, 23)는 자기 베어링(19)에 의해 필요한 반응성 샤프트 요소를 제공한다.

모터의 디자인에서 최소의 전자 인버터 정격을 얻기 위해서 모터는 가능한한 최대 상전류와 최대 선전압의 곱보다 작은 속력 범위 내에서 정전력 동작을 해야 한다. 따라서, 역율은 속력 범위 내에서 1에 가까워야 할 뿐만 아니라 전류와 전압이 가능한한 적게 변해야 한다. 영구 자석 모터에 대해 가장 일반적인 제어 방법에서 고정자 전류로부터의 자속은 최소 구리손을 갖기 위해서 자석으로부터의 자속에 비해 90。위상차가 나고, 정전력 범위에서 최대 전류는 최소 속력에서 발생하고 최대 전압은 최고 속력에서 발생하고, 여기서 최대 전류와 최대 전압의 곱은 어떠한 속력에서의 전압과 전류의 곱보다 크다. 이러한 향상을 위해서, 통상 전압의 제한치에 이르고 자속을 감소시킴으로써 최고 속력까지 정전력를 유지할 때, 전류는 기저 속력에 이를 때의 자석의 역기전력(본 발명에서는 등방성 인덕턴스의 경우)과 관련된다. 자속을 감소시키는 동안, 자석의 자속은 부가적인 토크를 발생 않는 전류 요소와 관계되는 고정자 전류로부터 발생되는 자속에 의해 방해받는다. 이 고정자 전류는 최고 토크 배열보다 위상이 앞서는 총 전류 벡터보다 90。 위상이 앞선다.

본 발명에 따르면, 첫째, 정전력을 유지하는 범위에서 최고 속력인 상태의 역율과 전류는 같도록 디자인한다. 이 때 전류는 기저 속력(base speed)에서 전압보다 위상이 뒤지고, 최고 속력에서 전압보다 위상이 앞선다. 이러한 관계는 도2에 도시되었다. 둘째, 기저 속력을 초과하는 속력에서 자속을 점진적으로 단순히 감소시키는 것 대신에, 기저 속력에서 상당한 자속의 감소를 수행한다. 감소된 자속의 양은 유동적이고, 실제로는 충분히 많은 전류가 흐르면 1에 근접한 역율은 얻을 수 있다. 이러한 동작은 모터로 하여금 냉각 문제를 발생시키는데, 그에 대한 대응책으로, 도2에 도시된 바와 같이, 기저 속력에서 전류의 진행각을 그 때의 역율 각과 거의 같게 한다.

도2에 도시된 바와 같이, 기저 속력을 최고 속력으로 나눈 비가 s 이면, 자속에 수직인 전기자 자속의 요소의 비도 또한 s 이다. 전류 진행(current advance)과 역율각이 같기 위해서는 전류 진행과 역율각이 아래의 수학식 1과 같이 되어야 함을 도2에서 알 수 있다.

여기서, 도2에 대해 설명하면 다음과 같다.

도2의 기호는 각각 다음을 지시한다.

즉,

= 부하각,

{ alpha }_{ 1} = 기저 속력에서 전류 진행각,

{ alpha }_{ 2} = 최고 속력에서 전류 진행각,

{ theta }_{1 } = 기저 속력에서 역율각,

{ theta }_{2 } = 최고 속력에서 역율각,

{ v}_{1 } = 기저 속력에서 총 자속(전압에 비례),

{ v}_{2} = 최고 속력에서 총 자속(전압에 비례),

{ i}_{1 } = 기저 속력에서 전기자 자속(전류에 비례),

{ i}_{2 } = 최고 속력에서 전기자 자속(전류에 비례)을 나타낸다.

도시된 실시예에 의하면, 필요한 정전력 구간은 약 32,000rpm 정도의 기저 속력으로부터 약

48,000 정도의 속력까지인데, 이는 1에서 1.5의 비율이다. 이 속력 범위 동안, 전류의 진행각( { alpha }_{ 1} )과 역율 각( { theta }_{1 } )은 모두 17。에 가까우면 기저 속력 32,000 rpm에서 같아진다. 이것은 가장 좋은 역율(pf)인 0.96과 일치한다. 최고 속력 48,000 rpm에서 전류 진행각( { alpha }_{ 2} )은 50。이어야 한다. 필요한 부하각(), 즉 전압이 자석의 역기전력보다 앞선 위상,은 34。이고, 기저 속력과 최고 속력에서 일치한다. 이 전류의 진행은, 모터는 기저 속력에서 자속을 감소시키지 않는 것으로 가정한 상태에서, 기저 속력에서 토크를 제공할 수 있는 최소 전류치보다 4% 정도 증가된다는 것을 의미한다. 매우 큰 전류를 흘리면 다소 큰 역율을 얻을 수 있을지 모르나, 모터가 대형화되고 가열된다.

정전력 영역의 최고치에서 역율, 전류, 출력 전력은 같기 때문에 전압(V)도 같아야 한다. 그러나, 중간 영역의 속력에서는 역율은 증가하고, 1을 지나가고, 역율각은 양에서 음으로 변한다. 만약 정전력 상태에서 정전류가 유지된다면, 전압(V)은 중간 속력 영역에서 다소 떨어져야 한다. 이에 대신하여 중간 속력 영역에서 전압(V)은 정전압 상태로 유지하고 전류는 떨어질 수 있고, 또는 전압과 전류는 일정하게 유지하고 전력을 높일 수 있다.

모터 제어기는 도3에 도시되었다. 모터 제어기는 마이크로 컨트롤러(30), 전력 스테이지(32), 모터(10), 센서(33)를 포함한다. 센서(33)는 회전자 주위에 120。 마다 위치한 3개의 센서를 포함하고, 신호를 계산부(34)에 공급한다. 계산부(34)는 회전자의 속도와 비교기(36)의 지시 속력( omega )에 대한 회전자의 위치를 결정한다. 비교기(36)는 스위칭 신호를 포함하는데, 이 스위칭 신호는, 역율이 1에 가깝게 유지하기 위한 적절한 위상각에서 모터에 전력을 공급하기 위해서, 출력이 전력 스테이지(32)에서 사용되는 제어기의 인버터(37)에 공급될 수 있다.

증가 또는 감속가 필요한가에 따라 모터 속력을 모니터링하고 전압 벡터를 변화시킴으로써 모터 속력 범위를 통한 필수적인 상전력이 유지된다.

본 발명의 모터는 특히 R134A 와 같은 현대적 냉각제를 염두에 두고 구성되었으나, 냉각제로서 암모니아르 사용한 시스템의 압축기를 구동하는 모터에도 적용가능하다. 이와 같은 목적을 위해 모터의 와인딩(winding) 또는 다른 어떤 와이어링(wiring)도 동을 포함하지 않은 금속으로 구성되고, 바람직하게는 은이나 알미늄으로 구성된다. 회전자의 자석심은 암모니아 냉각제와 접촉이 없게 하기 위해서 봉(seal)해지는 것이 바람직하다.

본 발명의 모터는 냉장 시스템 내에 사용될 때 모터를 통해 회전하는 냉각제에 의해 냉각될 것이다.

Claims (12)

1. 직경 방향으로 자화된 희토류 원소 자석심, 모터가 고속 회전하는 동안에 상기 자석심을 방사상으로 고정하며 상기 자석심을 둘러싼 슬리브를 가지는 회전자를 포함하며,

   상기 슬리브는 회전자를 위한 속이 빈 샤프트를 형성하기 위해 자석심으로부터 축방향의 양쪽 방향으로 연장하며, 낮은 전기 전도도를 갖는 비자성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 고속 비엘디시(BLDC) 모터.
2. 제1항에서,

   상기 자석심이 붕화 네오디뮴 철로 형성되는 고속 비엘디시 모터.
3. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 자석심이 슬리브 내에 압축 방식으로 보유되는 고속 비엘디시 모터.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

   상기 회전자의 공명 주파수가 최대 회전 주파수를 초과하는 고속 비엘디시 모터.
5. 제1항에서,

   상기 회전자가 축방향과 방사방향 양쪽으로 자신을 위치시키는 활성 자기 베어링 상에 지지되는 고속 비엘디시 모터.
6. 제1항에서,

   상기 회전자 슬리브가 인코넬(Inconel)로 형성되는 고속 비엘디시 모터.
7. 제3항에서,

   상기 자석심은 상기 슬리브에 미리 압력을 가함으로써 압축 부하가 걸린 상태로 유지되는 고속 비엘디시 모터.
8. 제7항에서,

   상기 슬리브에 미리 가해지는 압력은 실질적인 열의 차이를 이용해 상기 자석심과 상기 슬리브를 조립함으로써 발생하고, 상기 슬리브는 자석심상으로 축소되는 고속 비엘디시 모터.
9. 속박 슬리브에 의해 둘러싸인 희토류 자석심, 및

   특정 비율의 전자 인버터, 역기전력에 대한 전기자에 공급되는 전류의 상대적 진행각을 변화시켜 정전력 속력 범위 전체에 걸쳐 자속을 감소시킴으로써 역율을 1에 가깝게 유지하는 동안 모터 속력이 기저 속력에서 최고 속력까지의 전체 범위에서 일정한 전력을 유지하는 수단을 포함하는 제어회로

   를 구비한 회전자를 포함하는 고속 비엘디시 모터.
10. 제9항에서,

    기저 속력에서 전류가 전압보다 위상이 뒤지고, 최고 속력에서 전류가 전압보다 위상이 앞섬으로써 전력 속력 범위의 양극단에서 전류와 역율이 동일하도록 설계된 고속 비엘디시 모터.
11. 제9항 또는 제10항에서,

    상기 기저 속력은 약 32,000 rpm 이고, 상기 최고 속력은 약 48,000 rpm 이며, 최고 전력에서 전류 진행각은 상기 기저 속력에서 약 15。 내지 20。인 고속 비엘디시 모터.
12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에서,

    기저 속도에서 전류가 전압보다 위상이 뒤지고, 최고 속도에서 전류가 전압보다 위상이 앞서는 고속 비엘디시 모터.