KR20040017568A

KR20040017568A - 외각회전자형 에스알엠 전동기

Info

Publication number: KR20040017568A
Application number: KR1020020049704A
Authority: KR
Inventors: 김진선
Original assignee: 김진선
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-02-27
Also published as: KR100462290B1

Abstract

본 발명은 외각 회전자용 SRM 전동기에 관한 것으로, 기존모터에서의 긴 자화거리를 축소시켜 일정한 부분 내에서만 자화가 되도록 설계하여 고속으로 철심이 스위칭 될 때 자화의 손실을 줄일 수 있게 설계되었다. 더욱 상세하게는 종래의 일체형 회전자 구조를 "U"자형 회전자구조로 분리 설계하여 "U"자형 내에만 자속 영역이 발생하도록 구성하여 자속의 거리를 단축시키고 자화 손실을 줄여 열 생성을 극소화 하였으며 고속 회전을 실현시켰다.

본 발명은 회전자(140)의 내부 중앙에 고정설치되고 코일이 감겨진 코일부 (121)가 형성된 고정자(120); 중심의 고정축(131)을 지점으로 회동가능하도록 좌우측에 장치된 부강자성체의 회전판(130)(130'); 상기 고정자(120)의 외곽부에 대향위치되고 U자형 강자성체의 편철이 다수개 결합되어 좌우측단부가 상기 회전판(130)(130')에 각각 고정된 회전자(140); 상기 회전판(130')의 일측면에 반사경(150)이 고정설치되고 반사경의 위치를 감지할 수 있는 센서(160)가 고정판(170a)에 장치된 스위칭시스템(170)을 포함하여 구성된 것이다.

Description

외각회전자형 에스알엠 전동기 {Outer rotor Switched Reluctance Motor}

본 발명은 외각회전자형 SRM전동기(Switched Reluctance Motor)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 "U"자형 회전자 내에만 자속 영역이 발생하도록 구성하여 자속의 거리를 단축 시키고 자화 손실을 줄여 열 생성이 최소화되므로 고속 회전을 실현시킨 전동기에 관한 것이다.

일반적으로, 전동기는 전기 에너지를 입력 원으로 하고 회전 운동과 같은 운동 에너지를 출력으로 하는 일종의 에너지 변환장치로서, 회전 운동이나 왕복 운동과 같은 반복 작업이 필요한 산업 현장이나 생활 주변에서 동력원으로 주로 사용되고 있다.

전동기의 에너지 변환 과정에는 도선에 흐르는 전기로부터 유도되는 자기장과 유도 전류의 상호 작용과 같은 전기 공학적인 메커니즘과 회전이나 이동과 같은 기계 공학적인 메커니즘이 동시에 작용하는 것으로서, 전기 공학적인 측면과 기계 공학적인 측면에서 전동기의 에너지 변환에 따른 손실이 많이 발생된다.

종래 개발된 SRM전동기(Switched Reluctance Motor)가 있으며, 이는 스테핑모터의 일종으로, 내부에 일정 개수의 돌출부를 가진 철심으로 구성되어있는 회전자가 있고, 그 외부에 일정 개수의 돌출부와 그 돌출부주위에 코일이 감겨져있는 고정자로 구성되어 있다. 고정자의 일정 돌출부 주위에 감겨져있는 코일에 전류가 흐르면 모터 내의 일정 부분에 자기장이 생성되어 그 돌출부와 가장 가까운 회전자의 돌출된 철심을 끌어당기게 되며, 다음 순간 다른 일정 코일에 전류를 흘려 그 코일에 가까운 회전자 철심을 당기게 되어 회전자가 회전 하게 되는 과정이 반복적으로 실행되는 것이다.

상기 SRM전동기는 케이스 역할을 하는 하우징과, 회전축을 가지며 베어링에 의해 지지된 상태로 회전 가능하게 설치된 편철의 회전자, 회전자의 둘레에 위치되고 하우징에 고정되며 코일이 감겨진 편철의 고정자로 이루어진다.

그리고 회전자를 회전시키기 위하여 고정자의 해당 코일에 전원을 순차적으로 공급하여 코일부(코일이 권선되는 부분)를 자화시킨다.

그러나, 종래 SRM 전동기는, 고정자에 의해 생성되어지는 자기장은 회전자 전체가 강자성체의 편철로 이어져 이루어져 있기 때문에 코일에 의해 자화되는 부위가 고정자와 회전자의 전체에 걸쳐 형성되며, 이는 고속회전시 자화손실이 커지게되어 전동기의 효율을 낮추는 요인이 된다.

따라서 고정자와 회전자 전체에 걸쳐 자속 영역이 형성되며 자화로 인한 손실로 열 생성이 증가 되면 효율이 저하되어 고속운전을 할 수 없으므로, 결국 전동기의 기능상 큰 문제로 대두되었다.

본 발명은 상기한 문제점 해결하기 위하여 개발된 것으로서, "U"자형 회전자 내에만 자속 영역이 발생하도록 구성하여서, 자속의 거리를 단축 시켜 자화 손실을 줄이고 열 생성을 최소화하여 고속 회전을 실현시킬 수 있는 전동기를 제공함에 그 기술적 과제가 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 회전자의 회전시 공랭효과가 있으며, 노출형으로 구성되어 고정자의 열발산이 용이하게 이루어지므로 전동기가 과열되어 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 전동기 내부를 보인 정면도

도 2는 본 발명의 전동기 단면도

도 3은 본 발명의 실시예를 보인 정면도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

100 : 전동기

120 : 고정자

121 : 코일부

130, 130' : 회전판

131 : 고정축

140 : 회전자

150 : 반사경

160 : 센서

170 : 고정판

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 회전자의 내부 중앙에 고정 설치되고 코일이 감겨진 코일부가 형성된 고정자; 중심의 고정축을 지점으로 회동 가능하도록 좌우측에 장치된 부강자성체의 회전판; 상기 고정자의 외곽에 대향 위치되고 "U"자형 강자성체의 편철이 다수개 결합되어 좌우측단부가 상기 회전판에 각각 고정된 회전자; 상기 회전판의 일 측면에 상하 좌우로 반사경이 설치되고 반사경의 위치를 감지할 수 있도록 고정판에 센서가 배열된 스위칭 시스템으로 구성한다.

상기 고정자에 있어 코일부에 흐르는 전류는 서로 인접하는 코일부와 반대 방향으로 흘러야 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여, 이와 같이 구성된 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 전동기 내부를 보인 정면도이고, 도 2는 본 발명의 전동기 단면도이다.

도 1 과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전동기(100)의 구성은, 회전자(140)의 내부 중앙에 고정 설치되고 그 둘레에 코일을 권선하기 위한 코일부(121)가 형성된 고정자(120)와, 상기 고정자(120)의 좌우측에 일정 간격을 두고 중심의 고정축(131)을 지점으로 회전 가능하게 대향 설치된 부강자성체의 회전판 (130)(130')과, 상기 고정자(120)의 외곽에 대향 위치되고 "U"자형 강자성체의 편철이 다수개 결합되어 좌우측단부가 상기 회전판(130)(130')에 각각 고정되고 상기 회전판(130)(130') 사이에 일정 각도로 배열된 회전자(140)와, 상기 회전판(130)의 일 측면에 상하 좌우로 반사경이 설치되고 상기 반사경(150)의 위치를 감지할 수 있도록 고정판(170a)에 일정 각도로 센서(160)가 배열된 스위칭시스템(170)으로 구성한다.

더욱 상세하게, 회전자(140)의 내부에는 공간부가 형성되고, 그 공간부의 중앙에 고정자(120)가 고정축(131)에 고정설치된다.

고정자(120)는 다수의 편철로 이루어져 있으며, 그 둘레에는 방사상으로 코일을 권선하기 위한 코일부(121)가 12개 형성되어 있으며, 코일부(121)의 한개 간격으로 코일을 권선한다. 여기서 코일에 흐르는 전류는 인접 코일과 반대방향으로 흐르게 구성한다.

상기 고정자(120)의 코일부(121)에 권선된 각각의 코일은 설명의 편의상 순차적으로 A,B,C,A',B',C'로 지칭하기로 한다.

회전판(130)(130')은 베어링(B)에 의해 지지되는 고정축(131)을 지점으로 회동가능하게 장치하며, 회전판(130)(130')의 외측 중심에 외부로 회동력을 전달하기 위한 회동축(H)을 장치한다.

회전판(130)과 회전판(130') 사이에는 길이방향으로 6개의 "U"자형 회전자 (140)가 고정되며, 고정자(120)의 외곽에 대향 위치되도록 장치한다.

상기 "U"자형 회전자(140)는 회전판(130)(130')에 일정한 각도로 설치되어 회전자(140)와 회전자(140)사이에 공간이 발생하게 되는 데, 그 공간에 의해서 회전자(140)가 회전할 때 바람이 발생하여 고정자(120)를 신속히 냉각시킬 수 있을 뿐아니라, 고정자(120)와 회전자(40)가 노출형으로 되어 있어 쉽게 공냉될 수 있는 것이다.

상기 회전판(130)은 부도체이고 회전자(140)는 강자성체인 다수의 편철로 이루어져 있다. 따라서 자속이 회전자(140)에만 발생되도록 구성된다.

상기 회전판(130)의 일 측면에는 상하 좌우로 다수개의 반사경(150)이 설치되어 있다.

회전판(130)과 근접하는 위치에는 고정판(170)이 설치되는데, 고정판(170)에는 반사경(150)의 위치를 감지할 수 있도록 다수개의 센서(160)가 설치된다.

즉, 반사경(150)과 센서(160)의 설치갯수와 간격은 상기 회전자(140)와 고정자(120)의 코일부(121) 갯수에 따라 배열 조절되는 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

전원이 인가되면 고정자(120)의 코일부(121)에 감겨진 코일에 흐르는 전류는 평면에 대해 수직방향(코일에 표시된 점 표시는 전류가 들어가는 방향이고, 십자 표시는 전류가 나오는 방향임)으로 흐르며, 자속은 평면과 수평되도록 고정자(120)측에서 회전자(140)측으로 다시 회전자(140)측에서 고정자(120)측으로 폐 경로를 형성하며 발생된다.

이때, 생성된 자속에 의해 렌츠의 법칙으로 "U"자형 회전자(140)가 인접된 고정자(120)측으로 이동되며, 이러한 과정이 반복적으로 실행됨으로서 회동력을 얻을 수 있는 것이다.

회전판(130)이 회전할 때, 회전판(130)의 측면에 설치된 반사경(150)의 회전각을 센서(160)가 감지하여 해당 코일에 일정시점에서 전원을 온/오프 시킨다.

즉, 고정판(170)에는 각각의 센서(160)가 일정간격으로 다수개 배열되고, 회전판(130)에는 일정간격으로 다수개의 반사경(150)이 설치되는 데, 각각의 센서가 배열된 각도는 코일(A, B, C, A',B',C')에 순차적으로 전원을 온/오프 하도록 한다.

이하, 본 발명의 회전자(140)와 고정자(120)의 관계에 있어, 회전자(140)가 도1과 같은 위치에서 시계방향으로 회전시킬 경우 고정자(120)의 코일에 전류가 공급되는 스위칭 순서는 표1과 같다.

순서	스위칭 되는 고정자 코일	자력에 의하여 이용되는 회전자	회전각도
1	A,A'	140a, 140a'	0°
2	B,B'	140b, 140b'	10
3	C,C'	140c, 140c'	20
4	B,B'	140b, 140b'	30
5	C,C'	140c, 140c'	40
6	A,A'	140a, 140a'	50
7	B,B'	140b, 140b'	60
8	C,C'	140c, 140c'	70
9	A,A'	140a, 140a'	80
10	C,C'	140c, 140c'	90
11	A,A'	140a, 140a'	100
12	B,B'	140b, 140b'	110
13	C,C'	140c, 140c'	120
14	A,A'	140a, 140a'	130
15	B,B'	140b, 140b'	140
16	A,A'	140a, 140a'	150
17	B,B'	140b, 140b'	160
18	C,C'	140c, 140c'	170
19	A,A'	140a, 140a'	180

표1에서와 같이 각각의 고정자 코일(A, B, C, A',B',C')에 회전자(140a, 140b, 140c, 140a', 140b', 140c')가 끌어 당겨지며, 이러한 과정이 순차적으로 진행되므로서 회전자(140)에 고정된 회전판(130)이 회동되는 것이다.

즉, 고정자코일 A와 A'에 전류가 공급되어 자화되면 회전자 140a와 140a'가 당겨지며, 이때 회전판(130)이 시계방향으로 회동되어 도1과 같은 상태가 된다.

계속하여, 상기 고정자 코일 A와 A'에 전류의 공급이 차단됨과 동시에 고정자 코일 B와 B'에 전류가 공급되며 이러한 전류의 공급은 회전판(130)의 외부에 장치된 스위칭 시스템(S)의 반사경(150)과 센서(160)에 의하여 이루어진다.

고정자 코일 B와 B'가 스위칭되어 자화되면 근접된 위치에 있던 140b와 140b'가 고정자코일 B와 B'측으로 당겨지므로 회전판(130)이 시계방향으로 회동되고 회동판(150)이 회동되는 범위는 중심을 기점으로 10°가 된다.

또한, 고정자 코일 C와 C'가 스위칭 되면 140c와 140c'가 고정자 코일 C와 C'측으로 당겨지며, 이때 회동판(130)이 10°이동되는 것이다.

이러한 고정자 코일의 순차적인 스위칭과 자력에 의한 회전자의 당겨짐에 따라 회전판이 10°씩 회동되는 과정이 계속 실행되어 회동력이 발생되는 것이다.

본 발명의 실시예로서, 도3에 도시된 바와같이, 고정자(120)의 코일부(121)마다 각각 코일을 감아 형성하고 회전자(140)의 갯수를 4개 코일부(121)의 갯수를 10개로 구성하여도 본 발명과 동일한 효과가 있다.

이때, 본 발명에 비하여 코일부(121)에 코일 권선수가 감소되나, 회전자 (140)의 갯수가 감소되어 공냉효과가 상승된다.

상기한 바와같이, 본 발명은 회전자가 U자형 편철로 조합되어 있고 전류의흐르는 방향에 의하여 자력선의 길이가 단축되므로 자력의 효율을 극대화 시킬 수 있는 것이다.

또한, 고정자에 있어 코일부의 하나간격으로 코일을 권선하기 때문에 권선수가 증대되고 코일권선작업이 수월한 효과가 있다.

더욱이, U자형 회전자의 분리제작으로 고정자의 열발산이 용이할 뿐 아니라,

회전자가 회전될때에 발생되는 바람에 의하여 고정자의 냉각이 적극적으로 이루어지며, 각각의 회전자 사이에 구비된 공간을 통하여 고정자의 열 배출이 쉽게 이루어지므로 전동기가 과열되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 전동기에 있어 최대 과제인 전동 효율 증대와 냉각기능을 동시에 해결할 수 있으며, 산업현장에 쉽게 적용할 수 있는 유익한 발명인 것이다.

Claims

회전자(140)의 내부 중앙에 고정설치되고 코일이 감겨진 코일부(121)가 형성된 고정자(120); 중심의 고정축(131)을 지점으로 회동가능하도록 좌우측에 장치된 부강자성체의 회전판(130)(130'); 상기 고정자(120)의 외곽부에 대향위치되고 U자형 강자성체의 편철이 다수개 결합되어 좌우측단부가 상기 회전판(130)(130')에 각각 고정된 회전자(140); 상기 회전판(130')의 일측면에 반사경(150)이 고정설치되고 반사경의 위치를 감지할 수 있는 센서(160)가 고정판(170a)에 장치된 스위칭시스템(170)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외각회전자형 SRM 전동기.
제 1 항에 있어서,

상기 회전자(140)는 그 갯수를 6개로 장치하고 상기 고정자(120)의 코일부 (121) 갯수를 12개로 형성하여 구성된 것을 특징으로하는 외각회전자형 SRM 전동기.
제 1항에 있어서,

상기 회전자(140)는 그 갯수를 4개로 장치하고 상기 고정자(120)의 코일부 (121) 갯수를 10개로 형성하여 구성된 것을 특징으로 하는 외각회전자형 SRM 전동기.