KR20030022281A - 경제적인 비마모성 전기 드라이브 장치 - Google Patents

경제적인 비마모성 전기 드라이브 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전자 위치를 세 가지 자유 각도로 활성적으로 제어하는 경제적이며 비마모성을 갖는 전기 영구자석에 관한 것이다. 고정자 권선은 비대칭 기전력 분산에 의하여 극 피치에 상이한 극수를 가진 겹쳐진 자계를 형성한다.

Description

경제적인 비마모성 전기 드라이브 장치{ECONOMICAL, NON-WEARING ELECTRICAL DRIVE DEVICE}
종래의 자기 저널식 기계(도 1 참조)는, 기계 유닛(1) 외에, 2개의 반경방향 자기 베어링(2, 3), 축방향 자기 베어링(4), 2개의 기계 터치 다운 베어링(5, 6)은 물론, 모터 상(phase) 및 자기 베어링 상을 제어하기 위한 총 10개의 파워 컨버터 스테이지(7, 8, 9, 10)가 필요하다.
자기 베어링 기술은 드라이브 시스템의 회전 속도 범위, 작업 수명, 청결성 및 밀봉성에 대한 요구가 매우 높은 기계 및 장치 구조의 응용 분야, 즉 종래의 베어링 기술을 사용하여서는 실현불가능하거나 또는 어렵게 실현될 수 있는 응용 분야를 포함한다. 각종의 실시예, 예를 들면 고순도 화학 및 의학 제품용의 고속 밀링 및 그라인딩 스핀들, 터보 컴프레서, 진공 펌프 또는 펌프들에는 이미 자기 베어링이 구비되어 있다.
도면에 도시되어 있는 기계 단면은 단지 예를 든 것으로서 부분적으로 매우 간단하게 도시되어 있으며 전적으로 동작 원리를 보다 정확하게 설명하기 위한 것이다.
도 1은 종래의 자기 저널식 시스템의 도면이다.
도 2는 종래 기술의 베어링이 없는 다상 모터의 도면이다.
도 3은 종래 기술의 베어링이 없는 단상 모터의 도면이다.
도 4는 비대칭 고정자 섹션 및 집중형 권선을 구비한 베어링이 없는 다상 모터의 도면이다.
도 5는 x방향으로의 일정한 부상력에 대한 상 전류의 각-종속 변형예의 도면이다.
도 6은 고정자의 외주에 걸친 비대칭 기자력(magnetomotive force: MMF)의 도면이다.
도 7은 일정한 토크에 대한 상 전류의 각-종속 변형예의 도면이다.
도 8은 약해진 영구 자계를 가진 공기 갭 외주에서의 비대칭 자계 형상의 도면이다.
도 9는 비대칭 고정자 코어(회전자: 2극)를 가진 모터의 부상력 권선(4극)의 플럭스 밀도 변형예의 도면이다.
도 10은 비대칭 고정자 코어(회전자: 2극)를 가진 모터의 토크 권선(2극)의 플럭스 밀도 변형예의 도면이다.
도 11은 분산형 권선(개별 코일)을 가진 베어링이 없는 모터의 도면이다.
도 12는 분산형 코일(코일 그룹)을 가진 베어링이 없는 모터의 도면이다.
도 13은 부상력 및 토크를 형성시키는 별개의 권선 세트를 가진 베어링이 없는 모터의 도면이다.
도 14는 고정자 요크 둘레의 베어링이 없는 모터 권선의 도면이다.
본 명세서에서는 기계 및 반경방향 자기 베어링을 하나의 자기 고정자 유닛으로 일체화 시키는 제안(도 2 참조)을 제공한다. 하나의 고정자에는 복수층의 슬롯 내에 삽입되는 토크 권선 및 부상력 권선(levitation forcc winding)을 위한 두 개의 각기 다른 권선 시스템(11, 12)이 있다. 관계식 p1=p2±2는 권선 극수(pole number) 사이의 대부분 결합해제된 부상력 형성 및 토크 형성을 위한 베어링이 없는 모터에 기본적으로 적용되며, p1또는 p2또한 회전자의 극수를 나타낸다. 도 2에 도시된 모터의 권선 시스템 양자는 모두 3상이다. 코일이 여러 개의 슬롯에 걸쳐 코드형으로 권취되어 분산되므로, 대략 사인 플럭스 연결이 달성된다. 2개의 권선은 다음과 같이 구성된다.
4극 기계 권선(11)(외측): 상 1(13), 상 2(14), 상 3(15)
2극 부상 권선(12)(내측): 상 1(16), 상 2(17), 상 3(18)
비용 효율적인 전체 시스템을 달성하기 위하여, 권선 시스템의 개수를 감소시킬 수 있으므로 기계 설계 외에 제어 전자를 간단하게 할 수 있다.
권선 개수가 감소된 모터의 예로서, 4개의 집중형 코일로 구성된 공통의 토크 권선 시스템 및 부상력 권선 시스템을 구비한 모터에 관하여 설명하며, 이것을 이하 베어링이 없는 단상 모터라고 한다.
도 3은 4극 모터의 회전자 및 고정자의 외부 회전자 실시예의 도면이다. 상기 실시예에서 회전자(35)는 링 형상 또는 벨 형상(bell-shaped) 설계로 구성되는 것이 바람직하다. 4개의 집중형 코일(31, 32, 33, 34)의 도움으로 2극 및 4극 순환 분산이 형성될 수 있으므로, x방향 및 y방향의 부상력 및 토크가 서로 독립적으로 형성될 수 있다. 회전자 위치 및 회전 속도, 회전자 위치(x, y) 및 회전자 회전 각도(φ)에 대한 센서 신호 평가 후의 회전자 각도 및 토크에 대하여 설정된 원하는 값을 염두에 두고 개별 상 전류가 결정된다.
종래 기술에 대한 전술한 설명에서는 베어링이 없는 단상 모터 및 다상 회전 자계 모터가 개시되어 있다.
실시예 양자 모두는 기술적 및 경제적인 면에서 부분적으로 상당한 단점을 갖고 있다.
베어링이 없는 단상 모터(도 3 참조)는 개시 토크가 적게 필요한 응용에 적합하다. 여기에는 예를 들면, 펌프, 송풍기, 팬 또는 환풍기용 드라이브가 포함된다. 가장 간단한 구조 형태에 있어서, 베어링이 없는 단상 모터는 단지 4개의 개별적인 코일만 필요하다. 단상 드라이브는 설계로 인하여 시작이 약하다. 반면, 회전 자계 권선을 사용하여 반경방향 부상력을 형성함으로써 모터부는 단지 하나의 단상 교호 자계 권선을 갖는다. 따라서 개시 토크가 선택된 전류 진폭과 관계없이 제로인 회전자의 임계 각위치가 있다. 따라서 임계 각위치와 상이한 위치에 놓일 수 있도록 회전자가 설계되어야 한다. 드라이브의 관성 모멘트가 특히 개시 상 뿐만 아니라 정지 상태 동작에서도 임계점을 극복할 수 있다. 수많은 다른 드라이브 작업에 있어서, 이러한 유형의 모터의 개시 토크는 지나치게 적다.
종래 기술에 대응하는 베어링이 없는 다상 모터(도 2 참조)는 저토크 각위치의 단점을 갖지 않는다. 단상 변형예와는 다르게 베어링부 뿐만 아니라 모터부에도 자체 회전 자계 권선을 갖는다. 그러나, 2개의 회전 자계 권선과 결합된 개수가 많은 코일은 바람직하지 않다. 상기와 같은 베어링이 없는 모터의 일반적인 코일 개수는 대체적으로 36(3상 권선으로 분산)과 12(간단한 2상 권선) 사이의 범위이다.
코일 개수가 적고 단상 기술로 인한 응용 분야에 제한이 없는, 베어링이 없는 모터는 전술한 내용을 고려하고 드라이브 시장에서 기술적으로 및 경제적으로 관심이 매우 높다는 점에서 바람직하다.
상기 과제의 해소책은 특허청구범위 독립항에서 찾을 수 있고, 바람직한 변형예는 종속항에 정의되어 있다.
실질적으로 간단한 구조로 된 자기 저널식 기계 및 공지의 해소책에 비하여 간단한 전기 제어가 과제를 해소하는 본 발명의 특정한 장점이다.
특허청구범위에 정의된 본 발명은 전술한 요구를 상당히 충족시킨다. 다른 중요한 장점은, 비대칭 권선 구조로 인하여, 권선이 확실하게 코드형으로 권취되고 이로 인한 자계 배치 및 회로 배치에서의 조파(harmonics)의 높은 감쇠에 있다. 상기 특징으로 인하여 위치 및 회전 속도 컨트롤러의 안정성 범위, 정확한 설정 및 자기 저널식 드라이브 시스템의 소음없는 작동이 향상된다.
다음에, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 가능한 실시예를 예를 들어 후술한다.
도 4는 5개의 집중형 개별 코일(41, 42, 43, 44, 45)을 가진 모터의 도면이다. 상기 고정자 배열에 있어서, 2개의 극 및 4개의 극 회전 자계, 즉 2극 및 4극 MMF 양자 모두는 겹쳐진 전류 성분을 가진 코일에 대응하는 전류를 공급함으로써 동시에 달성될 수 있다. 따라서, 2개의 극을 가진 MMF와의 협동으로, 2극 회전자 상에 토크가 달성되고 4극 MMF와의 협동으로 반경방향 부상력이 달성될 수 있다.
사용된 2극수 4 및 2에 의하여 나뉘어질 수 있는 정수가 아닌 코일 또는 림(limb)의 홀수 5로 인하여 비대칭 고정자 코어 및 상기 고정자 또는 공기 갭의 외주에 비대칭 MMF 또는 자계 분산이 이루어진다. 따라서, 회전자의 각위치, 부상력의 요구 및 토크 필요량에 따라, 원하는 동작점이 달성되도록 코일 전류가 결정된다.
도 5는 상기 목적을 위하여, 사인 플럭스 밀도 분산을 가진 2극 영구자석 회전자의 회전자 각 φ와는 관계없이 x방향으로의 일정한 부상력에 대한 결합된 부상력 코일 전류 성분의 도면으로서, I1은 코일(41)을 통과하는 전류, I2는 코일(42)을 통과하는 전류, I3는 코일(43)을 통과하는 전류, I4는 코일(44)을 통과하는 전류 및 I5는 코일(45)을 통과하는 전류를 나타낸다. 도 6에는, 초기 각위치(φ = 0)에 대한 공기 갭(61)(약해진 회전자의 영구자석 자계를 가진) 내 권선 자계의 플럭스 밀도 구성이 이상적인 사인 4극 플럭스 밀도 구성(62)과 비교하여 개략적으로 도시되어 있다. 4극 비대칭 자계의 형상은 플럭스 밀도 도표로부터 알 수 있다. 림 개수 5 대 상 전류를 거쳐 실현된 권선 극수 4의 비정수 비율에 따라 비대칭이 형성된다.
도 7은 상기와 같은 방식으로, 회전자 각 φ에 따라 일정한 토크에 대한 결합된 토크 코일 전류 성분을 나타내는 도면으로서, I1은 코일(41)을 통과하는 전류, I2는 코일(42)을 통과하는 전류, I3는 코일(43)을 통과하는 전류, I4는 코일(44)을 통과하는 전류, 및 I5는 코일(45)을 통과하는 전류를 나타낸다. 도 5 및 도 7에 도시된 전류 성분은 원하는 토크 및 원하는 반송력이 달성될 수 있도록 5개의 모터 코일에 겹쳐진다.
고정자 외주에 걸친 모터의 총 MMF는 전류가 전기적으로 겹치고 코일이 기하학적으로 분산됨으로써 형성된다. 도 8은 이상적인 사인 2극 플럭스 밀도 구성(82)에 비하여 회전자(φ = 0)의 초기 각위치에 대한 공기 갭(81)(마찬가지로 약해진 회전자의 영구자석 자계를 가짐) 내 권선 자계의 플럭스 밀도 구성이 도시된 도면이다. 2극 비대칭 자계의 형상은 플럭스 밀도 도표로부터 알 수 있다. 림 개수 5 대 상 전류를 거쳐 실현된 권선 극수의 비정수 비율에 따라 비대칭이 형성한다.
동일한 방식으로, 베어링이 없는 회전 자계는 예를 들어 6개 또는 7개의 집중형 개별 코일로 또한 설계될 수 있다. 3개의 코일을 갖는 해소책으로 인하여 기계 비용 및 복잡함이 감소된 베어링이 없는 단상 모터가 실현된다.
플럭스 밀도의 차이를 대칭으로 설계된 모터에 나타내기 위하여, 4극 MMF 및8개의 집중형 개별 코일을 가진 모터에서 형성하는 플럭스 밀도 구성(91)이 이상적인 사인 4극 MMF 및 플럭스 밀도 구성(92)과 비교하여 도 9에 도시되어 있다. 상기 모터 구성에 대하여, 도 10에 결합된 방식으로, 사인 회로 및 플럭스 밀도 구성(10)과 비교하여 2극 MMF 및 플럭스 밀도 구성(101)이 도시되어 있다.
집중형 개별 권선 대신에, 분산형 및 선택적으로 코드형으로 권취된 권선이 고정자 내에 구현될 수 있다. 본 명세서에서는 전술한 이유 때문에 고정자의 이(tooth) 개수 또는 슬롯 개수는 실현될 수 있는 두 개의 권선 극수를 곱한 임의의 정수에 해당하지 않도록 선택된다.
도 11에는 구조 원리를 설명하는 예가 도시되어 있다. 상기 도면에는 도 4에서보다 코일 폭이 더 큰 5개의 코일(111, 112, 113, 114, 115)이 슬롯 내에 배치되어 있다. 코일 각각은 2개의 이를 둘러싸고 있으므로 집중 코일이 아니다. 도 12는 변형예의 도면으로서, 인접하는 슬롯 내에 2개의 코일이 직렬 또는 병렬로 함께 전기적으로 연결된 코일 그룹을 형성하는 추가 코일 분산이 예시되어 있다.
전술한 권선 변형예는 부상력 및 토크를 동시에 형성할 수 있는 일체식 변형예이지만, 도 13은 대응하는 기능을 위한 각기 다른 권선 세트를 가진 실시예가 도시되어 있다. 3상 2극 권선 시스템(131a-131b, 132a-132b, 133a-133b)은 2극 영구자석을 여자하여 토크를 형성시킨다. 3상 권선 시스템(1345a-134b, 135a-135b, 136a-136b)의 도움으로, 부상력을 형성시키는데 사용될 수 있는 4극 플럭스 밀도 분산이 형성될 수 있다. 본 발명의 특징은 상기 변형예에서도 알 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같은 기계 배열에 의하여 매우 간단하고 비용효율적인구조가 달성될 수 있다. 상기 도면에서 코일(141, 142, 143, 144, 145)은 고정자 림 대신에 고정자 요크(146)를 둘러싼다. 고정자 요크가 세그먼트로 조립되는 경우 간단한 형상의 코일이 삽입될 수 있다. 개개의 세그먼트는 예를 들면, 고정자 외형에 일치되는 플라스틱 부품 등의 세그먼트 캐리어 및 대응하는 고정 수단을 거쳐 설치 및 배치될 수 있다.
도 14에 도시된 변형예는 고정자 표면으로부터 돌출하는 부품(권선)이 공기 갭에 근접한 고정자 이 영역에 배치되지 않는다는 장점을 갖는다. 따라서, 펌프, 송풍기, 팬, 환풍기 부품 또는 다른 부품이 응용에 따라 고정자의 두 개의 표면에 부착될 수 있다.
도 15는 상기와 같은 유형의 배열이 도시된 도면이다. 상기 도면에는 펌프 하우징 부품이 고정자 이의 표면 상에 직접 배치된다.

Claims (29)

  1. 자기 저널식 전기 드라이브에 있어서.
    토크 및 부상력 형성을 위하여 고정자 또는 회전자 내에 삽입된 권선을 구비한 자기 저널식 전기 기계,
    상기 회전자의 위치를 결정하는 센서 시스템, 및
    상기 자기 저널식 기계의 제어, 조정, 감시 및 공급을 위한 아날로그 또는 디지털 전자 시스템
    을 포함하고,
    상기 전기 기계는 적당한 전류 흐름으로 회전자, 특히 영구 자석 회전자의 극수 p1또는 p2를 나타내며 조건 p1=p2±2를 충족시키는 극수 p1및 p2를 갖는 기자력(magnetomotive force: MMF) 또는 자계를 형성할 수 있는 권선을 가지며,
    상기 전기 기계에는 고정자에 p1및 p2극 자계 형성 또는 MMF 형성을 위하여 극수 p1및 극수 p2의 정수 배수를 동시에 나타내지 않는 n개의 고정자 림(limb)(집중형 권선), 고정자 이(teeth)(분산형 권선) 또는 고정자 슬롯이 구비되는
    자기 저널식 전기 드라이브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 중간점을 통과하는 두 개의 축 사이의 고정자 세그먼트는 형상이 구별되어 상기 두 개의 축이 서로 직교하는 상태를 유지하는 전기 드라이브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고정자의 코어는 서로 직교 상태를 유지하는 고정자면 내의 두 개의 축 중 많아야 어느 하나와 축방향으로 대칭인 전기 드라이브.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자 중간점을 통과하는 두 개의 축 사이의 권선 세그먼트는 형상이 구별되어 상기 두 개의 축이 서로 직교하는 상태를 유지하는 전기 드라이브.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 권선의 배열은 서로 직교 상태를 유지하는 고정자면 내의 두 개의 축 중 많아야 어느 하나와 축방향으로 대칭인 전기 드라이브.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개의 p1및 p2극을 갖는 MMF 또는 권선 자계 분산 중 적어도 하나는 고정자 또는 하나 이상의 극 피치 간격 내의 공기 갭 외주에 걸쳐 비대칭이거나, 또는 비-주기적 섹션으로 구성되는 전기 드라이브.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비대칭 MMF 분산은 두 개의 겹쳐진 p1및 p2극을 갖는 MMF 기능의 코스에 따른 단차형 형태이고, 상기 두 가지 기능 중 적어도 한 가지는 하나 또는 두 개의 극 피치의 임의의 정수 배수에 해당하지 않는 계단형 단차의 각 단차 폭을 갖는 전기 드라이브.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자 권선은 전체적으로 또는 부분적으로 서로 연결된 상호 변위를 갖는 개별 코일로 구성되는 코일 그룹을 구비한 분산형 권선으로서 설계되는 전기 드라이브.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자 권선은 전체적으로 또는 부분적으로 모터 내의 극 폭 중 하나와 유사하지 않은 코일 폭을 가진 코드형 권선(chorded winding)으로서 설계되는 전기 드라이브.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자 권선은 각각이 하나의 고정자 림을 둘러싸는 집중형 코일로 조립되는 전기 드라이브.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    권취되지 않은 적어도 하나의 림 또는 이가 집중형 코일로 권취된 두 개의 고정자 림 사이에 배치되는 전기 드라이브.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    별개의 권선 세트가 자기 저널링을 위한 부상력 형성 및 모터 드라이브를 위한 토크 형성에 사용되고, 하나의 권선 세트에는 부상력 형성을 위한 전류만 공급되고 다른 하나의 권선 세트에는 토크 형성을 위한 전류만 공급되는 전기 드라이브.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    단지 하나의 공통 권선 세트만이 자기 저널링을 위한 부상력 형성 및 모터 동작을 위한 토크 형성에 사용되고, 상기 권선 세트의 코일은 지지력을 형성시키는 성분 및 토크를 형성시키는 성분 양자 모두를 포함하는 전류로 동작되는 전기 드라이브.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 권선 세트는 겹쳐진 전류 성분을 가진 권선 상(phase)을 통과하는 적절한 전류 흐름으로 부상력 형성을 위한 회전 자계, 및 토크 형성을 위한 회전 자계또는 교호 자계가 동시에 형성될 수 있도록 설계되는 전기 드라이브.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부상력 형성을 위한 권선 세트는 회전 자계 권선으로서 설계되는 전기 드라이브.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토크 형성을 위한 권선 세트는 회전 자계 권선으로서 설계되는 전기 드라이브.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토크 형성을 위한 권선 세트는 교호 자계 권선으로서 설계되는 전기 드라이브.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일은 코일 축이 주로 원주 방향을 따르거나 또는 고정자의 중심점을 통과하는 선과 수직 상태를 유지하여 공기 갭에 근접한 고정자 림 및 고정자 이의 영역에서 기계 또는 전기 어셈블리, 특히 펌프, 컴프레서, 팬 또는 환풍기 부품용의 공간을 확보하도록 고정자 요크를 둘러싸는 전기 드라이브.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자 요크는 상기 코일을 간단하게 조립할 수 있도록 별개의 분리 섹션으로 기계적으로 분할되는 전기 드라이브.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자 요크의 일부분은 상기 고정자 요크의 일부분 사이에 가능한 한 상당한 크기의 공기 갭이 형성되지 않도록 장착 캐리어에 고정되는 전기 드라이브.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터는 2극 또는 4극 영구자석 회전자 및 3, 5, 6 또는 7개의 집중형 고정자 코일을 가지며, 상기 코일에는 부상력 형성 성분 및 토크 형성 성분 양자 모두를 포함하는 전류가 공급되는 전기 드라이브.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터는 개별 코일로 구성되거나, 또는 전기적으로 함께 연결된 코일, 특히 풀-피치 코일, 코드형 코일 또는 분산형 코일로 구성되는 복수의 상(phase)을 갖는 전기 드라이브.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터의 상은 스타 모양으로 연결되는 전기 드라이브.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스타 모양으로 연결된 모터 상에 있어서, 스타-포인트는 전기적으로 연결되지 않는 전기 드라이브.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터 상은 링-형 방식으로 연결되는 전기 드라이브.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결된 상 연결부는 파워 하프 브릿지(power half bridge)를 거쳐 구동되는 전기 드라이브.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결된 상 연결부는 파워 풀 브릿지(power full bridge)를 거쳐 구동되는 전기 드라이브.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자 외주에 분산된 상기 모터 상의 전류 분산은, 외주에 걸쳐서 보았을 때, p1극 기본 웨이브(fundamental wave) 및 p2극 기본 웨이브를 포함하는종류의 고정자 MMF를 발생시키는 전기 드라이브.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 드라이브는 영구자석을 가진 p1또는 p2극 회전자를 갖는 전기 드라이브.
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