KR20020058182A

KR20020058182A - 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를결합한 시스템

Info

Publication number: KR20020058182A
Application number: KR1020000086054A
Authority: KR
Inventors: 강도현; 전영환; 전정우
Original assignee: 권영한; 한국전기연구원
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2002-07-12
Also published as: US20020093252A1; JP2002218729A; US6580185B2; KR100392308B1; JP3672530B2

Abstract

본 발명은 양측식 영구자석 선형 동기 전동기 추진시스템을 그대로 이용하면서 이동자에 비접촉의 전원공급을 행할 수 있도록 한 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템에 관한 것으로, 선형 추진력을 발생시키는 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기; 및 상기 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기로부터의 전기에너지를 기계적 접촉없이 제공받는 비접촉 전원공급수단을 구비하고, 상기 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기는, 공극이 형성되고 고주파수의 전원이 인가되는 고정자 철심; 상기 고정자 철심에 이동자계를 발생시키는 고정자 전동기 권선; 상기 고정자 철심의 양측을 각각 길이방향으로 감싸는 고정자 변압기 권선; 및 상기 고정자 철심의 공극을 따라 길이방향으로 이동하는 전동기 이동자를 구비하며, 상기 비접촉 전원공급수단은, 변압기 2차 철심에 해당되는 철심; 및 그 철심을 일정회수 감고 있는 변압기 2차 권선에 해당되는 권선을 구비하여, 종래의 영구자석 여자 선형 동기 전동기의 구조를 그대로 이용하면서 고정자 변압기 권선과 간단히 이동자의 한 부분에 길이가 긴 철심을 설치하고 거기에 권선을 감는 것만으로도 비접촉 전원공급이 가능하기 때문에 비용이 적게 든다.

Description

영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템{An integrated system of permanent magnet excited synchronous motor and non-contact power feed apparatus}

본 발명은 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기 부분과 비접촉 전원공급장치를 하나로 결합시켜 비접촉의 전원공급이 가능하도록 한 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 선형 전동기의 이동부분에서 전원이 필요할 경우 케이블(cable)이나 버스 바(bus bar)로 접촉식 전원공급을 하고 있다.

예를 들어, 크레인의 전원은 케이블을 감거나 풀어서 전원을 받고, 자기부상열차 혹은 전기철도 차량은 버스 바 혹은 집전장치에 의해 전기를 공급받고 있다.

그런데, 이동부분(이동자)에 케이블 또는 버스 바로 접촉식 전원공급을 하는 것은 구조적으로 복잡할 뿐만 아니라 마찰로 인한 고장이 발생하기 쉽다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 양측식 영구자석 선형 동기 전동기 추진시스템을 그대로 이용하면서 이동자에 비접촉의 전원공급을 행할 수 있도록 한 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템의 전체 구성도,

도 2는 도 1의 고정자 철심을 상세하게 도시한 도면,

도 3은 도 1의 고정자 전동기 권선을 상세하게 도시한 도면,

도 4는 도 1의 고정자 변압기 권선을 상세하게 도시한 도면,

도 5는 도 1의 전동기 이동자를 상세하게 도시한 도면,

도 6은 도 1의 비접촉 전원공급장치의 이동자를 상세하게 도시한 도면,

도 7은 본 발명의 실시예에 적용되는 추력 발생 동작을 설명하는 도면,

도 8은 본 발명의 실시예의 전동기에 3상 전원을 제공하는 회로도,

도 9는 본 발명의 실시예에 적용되는 비접촉 전원공급 동작을 설명하는 도면,

도 10은 본 발명의 실시예의 비접촉 전원공급장치로 단상 전원을 제공하는 회로도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 전동기 이동자4 : 비접촉 전원공급장치의 이동자

5 : 고정자 전동기 권선6 : 고정자 변압기 권선

7 : 고정자 철심8 : 전동기 영구자석

9 : 전동기 철심10 : 비자성체

11 : 비접촉 전원공급장치의 철심

12 : 비접촉 전원공급장치의 권선

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템은, 선형 추진력을 발생시키는 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기; 및 상기 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기로부터의 전기에너지를 기계적 접촉없이 제공받는 비접촉 전원공급수단을 구비하고,

상기 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기는, 공극이 형성되고 고주파수의 전원이 인가되는 고정자 철심; 상기 고정자 철심에 이동자계를 발생시키는 고정자 전동기 권선; 상기 고정자 철심의 양측을 각각 길이방향으로 감싸는 고정자 변압기 권선; 및 상기 고정자 철심의 공극을 따라 길이방향으로 이동하는 전동기 이동자를 구비하며,

상기 비접촉 전원공급수단은, 변압기 2차 철심에 해당되는 철심; 및 그 철심을 일정회수 감고 있는 변압기 2차 권선에 해당되는 권선을 구비하고,

상기 비접촉 전원공급수단의 철심 및 권선은 상기 공극을 따라 길이방향으로 이동하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템의 전체 구성도로서, 본 발명의 실시예에 따른 시스템은 선형 추진력을 발생시키는 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기; 및 기계적 접촉없이 이동하는 부분에 전기에너지를 상기 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기의 공극을 통해 제공받는 비접촉 전원공급장치로 구성된다.

상기 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기는 고정자 전동기 권선(5), 고정자 변압기 권선(6), 고정자 철심(7) 및 전동기 이동자(2)로 구성된다. 상기 전동기 이동자(2)는 2개의 전동기 영구자석(8) 및 전동기 철심(9), 비자성체(10)로 구성된다. 상기 2개의 전동기 영구자석(8)은 그 비자성체(10)를 사이에 두고 나란히 배열되는데 그 각각의 영구자석(8)의 극성 형태는 상호 반대된다.

상기 고정자 철심(7)은 상기 비접촉 전원공급장치에서도 공동으로 사용하므로, 상기 고정자 변압기 권선(6) 및 고정자 철심(7)은 상기 비접속 전원공급장치의 구성요소도 된다.

상기 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기는 주어진 체적에서 많은 힘을 발생시키고 효율을 높이기 위해 이동자에 영구자석을 사용하였고, 또한 공극을 양측으로 구성하여 기존의 전동기보다 힘 발생면적을 2배로 증가시켰다. 3상 전원이 인가될 때 고정자 전동기 권선(5)에서 3상 전류가 흐르고, 이 전류에 의한 자속이 고정자 철심(7)에 발생한다.

여기서, 상기 고정자 철심(7)은 높은 주파수의 전원이 인가되므로 철손을 줄이기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이, 여러 겹의 철심으로 성층시켰으며, 중공(中空)이다.

그 고정자 철심(7)의 상부에는 공극(gap)이 형성되는데, 그 공극 사이를 따라 상기 이동자 부분이 이동한다.

또한, 상기 고정자 철심(7)의 상부는 상기 고정자 전동기 권선(5)이 잘 감겨질 수 있도록 길이방향으로 즉 공극의 양쪽으로 다수의 요부 및 철부가 혼합된 요철(凹凸)형상을 이루고 있다.

그리고, 상기 고정자 전동기 권선(5)은 고정자에 이동자계를 발생시키기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 상기 고정자 철심(7)의 상부의 요철부위를 일정 회수 감는다. 도 3의 고정자 전동기 권선은 3상 전동기 고정자 권선이다.

그리고, 상기 고정자 변압기 권선(6)은 도 4에 도시된 바와 같이 형성되어, 상기 고정자 철심(7)의 양 측부를 감싼다.

그리고, 상기 전동기 이동자(2)는 도 5에 도시된 바와 같이 자속을 발생시키기 위한 2개의 전동기 영구자석(8) 및 전동기 철심(9), 상기 영구자석(8)에 의한 자속이 상기 고정자 철심(7)으로 통하게 하는 상기 2개의 전동기 영구자석(8) 사이에 위치하는 비자성체(10)로 구성된다. 상기 2개의 전동기 영구자석(8)은 그 비자성체(10)를 사이에 두고 나란히 배열되는데 그 각각의 영구자석(8)의 극성 형태는 상호 반대된다.

한편, 상기 비접촉 전원공급장치는 상기 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기의 고정자 철심(7)을 공동으로 이용하고, 공극을 가진 일종의 변압기이다.

상기 비접촉 전원공급장치는 변압기의 1차 권선에 해당되는 고정자 변압기권선(6), 변압기 1차 철심에 해당되는 고정자 철심(7), 변압기 2차 철심에 해당되는 철심(11) 및 변압기 2차 권선에 해당되는 권선(12)으로 구성된다. 상기 철심(11)과 권선(12)을 통칭하여 비접촉 전원공급장치의 이동자(4)라고 한다.

보다 상세하게, 상기 비접촉 전원공급장치의 이동자(4)는 도 6에 도시된 바와 같이, 여러 겹의 성층된 철심(11); 및 그 철심(11)을 소정의 회수 감고 있는 권선(12)으로 구성된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 구성을 다르게 표현하면, 크게 고정자 부분과 그 고정자내에서 이동가능한 이동자 부분으로 구성된다고 할 수 있다. 즉, 상기 고정자 부분은 고정자 전동기 권선(5), 고정자 변압기 권선(6) 및 고정자 철심(7)으로 구성되고, 상기 이동자 부분은 전동기 영구자석(8), 전동기 철심(9), 비자성체(10), 비접촉 전원공급장치의 철심(11) 및 비접촉 전원공급장치의 권선(12)으로 구성된다고 볼 수 있다.

이어, 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템의 동작에 대해 도 7 및 도 8의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 적용되는 추력 발생 동작을 설명하는 도면으로서, 고정자 전동기 권선(5)에 도 8의 3상 전원회로로부터 3상 전원을 인가하면 고정자에 이동하는 자속(N_2,S₂)이 발생하여 전동기 영구자석(8)에서 발생하는자속(N_1,S₁)과의 상호작용, 즉 같은 자극은 밀어내고 다른 자극은 당기는 원리에 의해서 힘(F1_,F2_,F3_,F4)이 발생하여 합성된 직선 추력(F)이 발생한다. 이때, 이동자계의 속도와 이동자(2; 전동기 영구자석(8), 전동기 철심(9), 비자성체(10))의 속도는 같기 때문에 비접촉 전원공급장치의 권선(12)에 기전력이 유기되지 않는다.

도 9는 본 발명의 실시예에 적용되는 비접촉 전원공급 동작을 설명하는 도면으로서, 고정자 변압기 권선(6)에 도 10의 단상 전원회로로부터 높은 주파수의 단상의 전원을 인가하면 변압기 원리에 의해서 자속ø가 발생하여 교번자계에 의해 비접촉 전원공급장치의 권선(12)에 기전력이 유기된다.

따라서 고정자 전동기 권선(5)에 3상 전원을 인가하고, 고정자 변압기 권선(6)에 높은 주파수의 단상의 전원을 인가하면 상기 이동자(4; 비접촉 전원공급장치의 철심(11) 및 비접촉 전원공급장치의 권선(12))는 추진력과 비접촉식으로 전기에너지를 동시에 제공받게 된다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 영구자석 여자 선형 동기 전동기를 추진시스템에 적용시켰기 때문에 고효율·고추력 추진시스템을 구성할 수 있으므로 경량화·에너지 절약화 할 수 있다.

그리고, 이동자에 전기에너지가 필요한 경우 종래의 접촉식 전원공급방식과는 달리 비접촉의 전원공급방식을 채용하였기 때문에 구조적으로 복잡하고 마찰로 인한 고장이 발생하는 문제점을 모두 해결할 수 있다.

또한, 종래의 영구자석 여자 선형 동기 전동기의 구조를 그대로 이용하면서 고정자 변압기 권선과 간단히 이동자의 한 부분에 길이가 긴 철심을 설치하고 거기에 권선을 감는 것만으로도 비접촉 전원공급이 가능하기 때문에 비용도 적게 든다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims

선형 추진력을 발생시키는 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기; 및

상기 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기로부터의 전기에너지를 기계적 접촉없이 제공받는 비접촉 전원공급수단을 구비하고,

상기 양측식 영구자석 여자 동기형 전동기는, 공극이 형성되고 고주파수의 전원이 인가되는 고정자 철심; 상기 고정자 철심에 이동자계를 발생시키는 고정자 전동기 권선; 상기 고정자 철심의 양측을 각각 길이방향으로 감싸는 고정자 변압기 권선; 및 상기 고정자 철심의 공극을 따라 길이방향으로 이동하는 전동기 이동자를 구비하며,

상기 비접촉 전원공급수단은, 변압기 2차 철심에 해당되는 철심; 및 그 철심을 일정회수 감고 있는 변압기 2차 권선에 해당되는 권선을 구비하고,

상기 비접촉 전원공급수단의 철심 및 권선은 상기 공극을 따라 길이방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 고정자 철심은 상부에 상기 전동기 이동자 및 비접촉 전원공급수단의 철심 및 권선이 이동가능한 공극이 형성되고, 상기 공극을 따라 마주보는 형태로 다수의 요부 및 철부가 혼합된 요철형상을 이루는 일정길이의 도체가 여러 겹으로성층된 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 고정자 전동기 권선에는 3상 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 고정자 변압기 권선에는 단상의 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 동기형 전동기와 비접촉 전원공급장치를 결합한 시스템.