KR20040036134A - Line-Started Permanent Magnet Motor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유도 동기기에 관한 것으로서, 특히 마그네트가 로터의 축방향으로 착자되어 마그네트의 자속이 스테이터의 자속과 직교되는 방향으로 형성되는 유도 동기기에 관한 것이다.The present invention relates to an induction synchronizer, and more particularly, to an induction synchronizer in which a magnet is magnetized in an axial direction of a rotor so that a magnetic flux of a magnet is orthogonal to a magnetic flux of a stator.
일반적으로 유도 동기기는 기존의 유도 전동기의 로터에 마그네트를 착자한 구조로서, 기동시에는 유도 전동기의 특성에 의해서 구동되고, 기동 후 동기 속도에 도달한 운전시에는 동기 전동기의 특성에 의해서 구동된다.In general, the induction synchronizer is a magnet in which a magnet is magnetized to a rotor of an existing induction motor. The induction synchronizer is driven by the characteristics of the induction motor at the start, and is driven by the characteristics of the synchronous motor when the operation reaches the synchronous speed after starting.
따라서, 이와 같은 유도 동기기는 부가적인 위치센서나 드라이브 없이 상용 전원의 직입으로 운전시킬 수 있는 장점이 있고, 유도 전동기와는 달리 여자 전류가 필요없고, 동기속도에서 로터의 도체에 전류가 흐르지 않기 때문에 동력 손실을 저감할 수 있어 전체적인 전동기의 효율을 향상시킬 수 있다.Therefore, such an induction synchronizer has the advantage that it can be operated by the direct input of commercial power supply without an additional position sensor or drive, and unlike induction motor, no excitation current is required, and no current flows in the conductor of the rotor at the synchronous speed. Power loss can be reduced to improve the overall efficiency of the motor.
도 1은 종래기술에 따른 유도 동기기의 평면도이다.1 is a plan view of an induction synchronizer according to the prior art.
종래 기술에 따른 유도 동기기는 전류가 흐르면 회전 자기장이 형성되는 스테이터(2)와, 상기 스테이터(2)의 내부에 회전 가능하게 배치되어 기동시 기동토크에 의해 회전되고, 동기 속도에 도달하면 릴럭턴스 토크에 의해 회전되는 로터(10)로 이루어진다.The induction synchronizer according to the prior art has a stator (2) in which a rotating magnetic field is formed when a current flows, and is rotatably disposed in the stator (2) to be rotated by starting torque at start-up. It consists of a rotor 10 which is rotated by torque.
좀 더 자세히 설명하면, 상기 스테이터(2)는 상기 로터(10)의 외측에 배치된 스테이터 코어(2a)와, 상기 스테이터 코어(2a)의 내주면에 원주방향으로 소정의 슬롯(Slot)(2b)을 두고 복수개 돌출 형성된 티스(Teeth)(2c)와, 상기 티스(2c)에 권선된 코일(미도시)로 이루어진다.In more detail, the stator 2 includes a stator core 2a disposed outside the rotor 10 and a predetermined slot 2b in the circumferential direction on an inner circumferential surface of the stator core 2a. A plurality of protruding teeth 2c and coils (not shown) wound around the teeth 2c are formed.
상기 로터(10)는 중앙에 외부로 유도 동기기의 구동력을 출력하는 회전축(4)이 축설된 로터 코어(12)와, 상기 로터 코어(12)의 가장자리에 원주방향으로 복수개 삽입된 케이지 바(Cage bar)(14)와, 상기 케이지 바(14)의 상/하단에 각각 부착되어 전류가 흐를 수 있도록 각 케이지 바(14)를 연결하는 엔드링(16)과, 상기 케이지 바(14)와 회전축(4) 사이의 로터 코어(12)에 원주방향으로 복수개 삽입된 마그네트(18)와, 서로 다른 극을 갖는 마그네트(18) 사이에 장착되어 자속의 누설을 방지하는 자속장벽(19)으로 이루어진다.The rotor 10 includes a rotor core 12 having a rotating shaft 4 configured to output a driving force of an induction synchronizer to the center at the center thereof, and a cage bar having a plurality of cage bars inserted in a circumferential direction at an edge of the rotor core 12. bar 14, an end ring 16 attached to the upper and lower ends of the cage bar 14 to connect each cage bar 14 so that current flows, and the cage bar 14 and the rotating shaft. A magnetic flux barrier 19 is mounted between the magnets 18 inserted in the circumferential direction in the rotor core 12 between the magnets 4 and the magnets 18 having different poles to prevent leakage of magnetic flux.
상기와 같이 구성된 종래 기술의 동작을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operation of the prior art configured as described above are as follows.
기동시 코일에 전류가 흐르면 교번전류에 의해 상기 스테이터(2)에 회전 자기장이 형성되고, 이 회전 자기장에 의해 상기 케이지 바(14)에 유도 전류가 발생되기 때문에 스테이터(2)와 케이지 바(14) 사이에 전자기력 즉, 기동토크가 발생되어 상기 로터(10)가 회전된다.When a current flows in the coil during startup, a rotating magnetic field is formed in the stator 2 by an alternating current, and an induced current is generated in the cage bar 14 by the rotating magnetic field. The electromagnetic force, that is, the starting torque is generated between the rotor 10 to rotate.
이후, 상기 로터(10)의 회전속도가 일정하게 되면 스테이터(2)와 마그네트(18) 사이에 발생되는 전자기력에 의해 상기 로터(10)가 회전되고, 상기 회전축(4)을 통해 모터의 구동력이 외부로 출력된다.Then, when the rotational speed of the rotor 10 is constant, the rotor 10 is rotated by the electromagnetic force generated between the stator 2 and the magnet 18, the driving force of the motor through the rotary shaft 4 It is output to the outside.
그러나, 종래 기술에 따른 유도 동기기는 스테이터의 자속(m1)과 마그네트의 자속(m2)의 위상차가 2πn(n은 0을 포함한 자연수)이기 때문에 기동시 상기 코일에 상용전원이 직입되어 큰 전류가 흐르면 상기 스테이터의 자속(m1)에 의한 전자감응에 의해 마그네트(18)의 자력이 감소되어 모터의 성능 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.However, since the phase difference between the magnetic flux m1 of the stator and the magnetic flux m2 of the magnet is 2πn (n is a natural number including 0), the induction synchronizer according to the prior art has a large current flowing through a commercial power supply directly into the coil during startup. The magnetic force of the magnet 18 is reduced by the electromagnetic response by the magnetic flux m1 of the stator, thereby reducing the performance and reliability of the motor.
한편, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 보자력이 큰 재질로 성형된 마그네트를 사용하는 방안이 도출되었으나, 보자력이 큰 마그네트는 비교적 비싸기 때문에 제조비의 상승을 초래하는 문제점이 있다.On the other hand, in order to solve this problem, a method of using a magnet formed of a material having a large coercivity has been derived, but a magnet having a large coercive force is relatively expensive, which causes a problem of an increase in manufacturing cost.
또한, 마그네트의 두께를 두껍게 하는 방안이 도출되었으나, 이는 로터의 체적을 크게 하는 요인이고, 로터 코어에 마그네트를 삽입할 수 있는 공간이 한정적이기 때문에 체적 효율이 낮아 고출력을 내는데 한계가 있다.In addition, a method of increasing the thickness of the magnet has been derived, but this is a factor that increases the volume of the rotor, and there is a limit to high output due to low volumetric efficiency because the space in which the magnet can be inserted into the rotor core is limited.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기동시 스테이터의 자속으로 인해 마그네트의 자력이 감속되는 것을 방지할 수 있는 유도 동기기를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide an induction synchronizer that can prevent the magnetic force of the magnet from being decelerated due to the magnetic flux of the stator during starting.
도 1은 종래 기술에 따른 유도 동기기의 요부 구성이 도시된 평면도,1 is a plan view showing the main configuration of the induction synchronizer according to the prior art,
도 2는 종래 기술에 따른 유도 동기기의 요부 구성이 도시된 측단면도,Figure 2 is a side cross-sectional view showing the main configuration of the induction synchronizer according to the prior art,
도 3은 본 발명에 따른 유도 동기기의 요부 구성이 도시된 평면도,3 is a plan view showing the main configuration of the induction synchronizer according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 유도 동기기의 요부 구성이 도시된 측단면도,Figure 4 is a side cross-sectional view showing the main configuration of the induction synchronizer according to the present invention,
도 5는 본 발명에 따른 마그네트의 자속이 도시된 도면이다.5 is a diagram illustrating a magnetic flux of a magnet according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명><Explanation of symbols on main parts of the drawings>
50 : 스테이터52 : 회전축50: stator 52: rotation axis
54 : 로터 코어56 : 케이지 바54: rotor core 56: cage bar
58 : 마그네트60 : 자성체58: magnet 60: magnetic material
M1 : 스테이터의 자속M2 : 마그네트의 자속M1: magnetic flux of stator M2: magnetic flux of magnet
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 유도 동기기는 스테이터와, 상기 스테이터의 내부에 회전 가능하게 배치된 로터 코어와, 상기 로터 코어의 가장자리에 원주방향으로 복수개 배치되어 외부 전원이 인가되면 상기 스테이터와 상호 작용되어 상기 로터 코어를 기동시키는 케이지 바와, 상기 스테이터의 자속과 직교되는 방향으로 자속이 형성되도록 상기 로터 코어에 축방향으로 착자되어, 상기 로터 코어가 일정 속도에 도달하면 상기 스테이터와 상호 작용되어 상기 로터 코어를 동기 운전시키는 마그네트와, 상기 마그네트의 자속이 스테이터에 쇄교한 후 로터로 회귀될 수 있도록 상기 스테이터의 양단에서 상기 로터를 향해 돌출 형성된 자성체를 포함하여 구성된다.The induction synchronizer according to the present invention for solving the above problems is a stator, a rotor core rotatably disposed inside the stator, and a plurality of circumferentially disposed at edges of the rotor core so that external power is applied to the stator. And a cage bar for activating the rotor core to axially magnetize the rotor core to form a magnetic flux in a direction orthogonal to the magnetic flux of the stator, and interact with the stator when the rotor core reaches a constant speed. And a magnet for synchronously driving the rotor core, and a magnetic body protruding from both ends of the stator toward the rotor so that the magnetic flux of the magnet is connected to the stator and then returned to the rotor.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
상기 본 발명에 따른 유도 동기기는 외부 전원이 인가되면 회전 자기장이 형성되는 스테이터(50)와, 상기 스테이터(50)의 내부에 회전 가능하게 배치되고 중앙에 회전축(52)이 축설된 로터 코어(54)와, 상기 로터 코어(54)의 가장자리에 원주방향으로 복수개 배치되어 상기 스테이터(50)와 상호 작용되어 상기 로터 코어(54)를 기동시키는 케이지 바(56)와, 상기 스테이터(50)의 자속(M1)과 직교되는 방향으로 자속(M2)이 형성되도록 상기 로터 코어(54)에 축방향으로 착자되어 상기 로터 코어(54)가 일정 속도에 도달하면 상기 스테이터(50)와 상호 작용되어 상기 로터 코어(54)를 동기 운전시키는 마그네트(58)와, 상기 마그네트의 자속(M2)이 스테이터(50)에 쇄교한 후 로터 코어(54)로 회귀될 수 있도록 상기 스테이터(50)의 양단에서 상기 로터 코어(54)를 향해 돌출 형성된 자성체(60)를 포함하여 구성된다.The induction synchronous machine according to the present invention is a stator 50 having a rotating magnetic field formed when an external power is applied, and a rotor core 54 rotatably disposed in the stator 50 and having a rotating shaft 52 arranged in the center thereof. ), A cage bar 56 disposed in the circumferential direction at the edge of the rotor core 54 and interacting with the stator 50 to start the rotor core 54, and the magnetic flux of the stator 50. The rotor core 54 is axially magnetized in the axial direction so that the magnetic flux M2 is formed in a direction orthogonal to the M1, and when the rotor core 54 reaches a predetermined speed, the rotor core 54 interacts with the stator 50 so as to form the magnetic flux M2. The magnet 58 for synchronously driving the core 54 and the rotor at both ends of the stator 50 so that the magnetic flux M2 of the magnet can be connected to the stator 50 and then returned to the rotor core 54. Protruding toward the core 54 It is configured to include a magnetic material (60).
상기 스테이터(50)는 상기 로터 코어(54)의 외측에 배치되어 외관을 형성하는 스테이터 코어(50a)와, 상기 스테이터 코어(50a)의 내주면에 원주방향으로 소정의 슬롯(Slot)(50b)을 두고 복수개 돌출 형성된 티스(Teeth)(50c)와, 상기 티스(50c)에 권선되어 외부 전원과 연결된 코일(미도시)로 이루어진다.The stator 50 has a stator core 50a disposed outside the rotor core 54 to form an exterior and a predetermined slot 50b in a circumferential direction on an inner circumferential surface of the stator core 50a. And a plurality of teeth 50c protruding from each other and a coil wound around the teeth 50c and connected to an external power source.
상기 로터 코어(54)는 중앙에 상기 회전축(52)이 축방향으로 축설되는 축설홀(54a)이 형성되고, 가장자리에 상기 케이지 바(56)가 축방향으로 삽입되는 삽입홀(54b)이 형성된다.The rotor core 54 has a shaft hole 54a in which the rotary shaft 52 is formed in the axial direction at the center thereof, and an insertion hole 54b in which the cage bar 56 is inserted in the axial direction is formed at an edge thereof. do.
상기 케이지 바(56)는 상기 스테이터(50)에 회전 자기장이 형성되면 유도 전류가 용이하게 발생될 수 있도록 알루미늄 재질로 형성되고, 양단에 복수개의 케이지 바(56)를 전기적으로 연결하는 엔드 링(62)이 장착된다.The cage bar 56 is formed of an aluminum material so that an induced current can be easily generated when a rotating magnetic field is formed in the stator 50, and an end ring electrically connecting a plurality of cage bars 56 to both ends thereof. 62) is mounted.
상기 마그네트(58)는 페라이트 재질로 아크형으로 형성되고 N극과 S극이 축방향으로 배치되어 자속(M2)이 회전축(52)과 직교되는 방향을 중심으로 형성된다. 따라서, 상기 코일에 전류가 흐르면 스테이터의 자속(M1)이 축방향으로 중심으로 형성되기 때문에 마그네트의 자속(M2)은 상기 스테이터의 자속(M1)과 직교되는 방향으로 형성되어 상기 스테이터의 자속(M1)의 영향을 받지 않는다.The magnet 58 is formed in an arc shape of a ferrite material, and the N pole and the S pole are disposed in the axial direction, and the magnetic flux M2 is formed around the direction perpendicular to the rotation shaft 52. Therefore, when the current flows in the coil, the magnetic flux M1 of the stator is formed in the axial direction, and thus the magnetic flux M2 of the magnet is formed in a direction orthogonal to the magnetic flux M1 of the stator, and thus the magnetic flux M1 of the stator. ) Is not affected.
또한, 상기 마그네트(58)는 상기 회전축(52)을 중심으로 대칭됨과 아울러 원주방향으로 서로 이격되어 한 쌍을 이루고, 상기 한 쌍의 마그네트(58)가 축방향으로 이격되어 한 조를 이루되, 마그네트의 자속(M2)이 서로 상쇄되지 않도록 축방향 또는 반경방향으로 서로 대향되는 자극이 반대의 극성을 띄도록 배치된다.In addition, the magnets 58 are symmetrical with respect to the rotation axis 52 and are spaced apart from each other in the circumferential direction to form a pair, and the pair of magnets 58 are spaced apart in the axial direction to form a pair, The magnetic poles M2 of the magnets are arranged so that the magnetic poles opposite to each other in the axial or radial direction have opposite polarities so as not to cancel each other.
상기와 같은 마그네트(58)는 상기 로터 코어(54)의 상/하측면에 각각 배치되어 상기 로터 코어(54) 외측으로 돌출된 상기 엔드 링(62)의 측면에 각각 본드 결합되거나 볼트 결합된다.The magnets 58 are disposed on the upper and lower surfaces of the rotor core 54, respectively, and are bonded or bolted to the side surfaces of the end ring 62 protruding outside the rotor core 54.
상기 자성체(60)는 상기 스테이터 코어(50a)의 양단에서 각각 축방향으로 일정 길어 돌출되어, 끝단이 상기 마그네트(58)의 상부를 덮도록 수직하게 절곡된 형상으로 형성된다. 즉, 상기 자성체(60)는 일측단면이 '┏'와 같은 형으로 형성된다.The magnetic body 60 protrudes in the axial direction at both ends of the stator core 50a, respectively, and is formed in a shape that is vertically bent so that the end covers the upper portion of the magnet 58. That is, the magnetic body 60 is formed in a shape such that one side cross-section '┏'.
상기와 같이 구성된 본 발명의 동작을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operation of the present invention configured as described above are as follows.
외부 전원이 인가되면, 코일에 흐르는 교번전류에 의해 상기 스테이터(50)에 회전 자기장이 형성되고, 이 회전 자기장에 의해 상기 케이지 바(56)에 유도 전류가 발생되어 스테이터(50)와 케이지 바(56) 사이에 전자기력 즉, 기동토크가 발생됨으로써 상기 로터 코어(54)가 일방향으로 회전된다. 이 때, 상기 스테이터(50)와 마그네트(58) 사이에는 슬립(Slip)이 발생되기 때문에 상기 로터 코어(54)는 상기 기동토크에 의해서만 회전된다.When an external power source is applied, a rotating magnetic field is formed in the stator 50 by an alternating current flowing through a coil, and an induced current is generated in the cage bar 56 by the rotating magnetic field so that the stator 50 and the cage bar ( The electromagnetic force, that is, the starting torque, is generated between the rotor cores 54 in one direction. At this time, since a slip occurs between the stator 50 and the magnet 58, the rotor core 54 is rotated only by the starting torque.
그리고, 상기 마그네트(58)는 자속(M2)이 스테이터의 자속(M1)과 직교되는 방향으로 형성되기 때문에 상기 코일에 상용전원이 직입되어 큰 전류가 흐르더라도 상기 스테이터의 자속(M1)의 영향을 받지 않아 전자감응되지 않으므로 자력이 감소되는 것이 방지된다.In addition, since the magnetic flux M2 is formed in a direction orthogonal to the magnetic flux M1 of the stator, the magnet 58 does not affect the influence of the magnetic flux M1 of the stator even when a large current flows due to the direct input of commercial power. Since it does not receive electrons, it does not reduce the magnetic force.
이후, 상기 로터 코어(54)의 회전속도가 일정하게 되면, 스테이터(50)와 마그네트(58) 사이에 발생되는 전자기력에 의해 상기 로터 코어(54)가 동기 속도로 회전되고, 상기 회전축(52)을 통해 모터의 구동력이 외부로 출력된다.Then, when the rotation speed of the rotor core 54 is constant, the rotor core 54 is rotated at a synchronous speed by the electromagnetic force generated between the stator 50 and the magnet 58, the rotation shaft 52 The driving force of the motor is output to the outside.
여기서, 상기 로터 코어(54)가 동기 속도에 도달하면 상기 케이지 바(56)에 더 이상 유도 전류가 발생하지 않기 때문에 스테이터(50)와 케이지 바(56) 사이에 전자기력이 발생되지 않고, 아울러 상기 스테이터(50)와 마그네트(58)의 슬립이 발생되지 않으므로 상기 로터 코어(54)는 상기 스테이터(50)와 마그네트(58) 사이에 발생되는 전자기력에 의해 회전된다.Here, since the induction current no longer occurs in the cage bar 56 when the rotor core 54 reaches the synchronous speed, no electromagnetic force is generated between the stator 50 and the cage bar 56, and the Since the slip of the stator 50 and the magnet 58 does not occur, the rotor core 54 is rotated by the electromagnetic force generated between the stator 50 and the magnet 58.
한편, 본 발명에 따라 마그네트의 자속이 스테이터의 자속과 직교되는 방향으로 형성되도록 마그네트를 축방향으로 착자하는 것은 본 발명에 한정되지 않고 본 발명에 따른 사상의 범위 내에서 로터에 마그네트를 부착하여 마그네트와 스테이터 사이의 상호 작용에 의해 구동력을 얻는 모터에 적용할 수 있다.On the other hand, magnetizing the magnet in the axial direction so that the magnetic flux of the magnet is formed in the direction orthogonal to the magnetic flux of the stator in accordance with the present invention is not limited to the present invention, the magnet is attached to the rotor within the scope of the idea according to the present invention It can be applied to a motor obtaining a driving force by the interaction between the and stator.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 유도 동기기는 마그네트가 로터 코어에 축방향으로 착자되어 마그네트의 자속이 스테이터의 자속과 직교되는 방향으로 형성되기 때문에 기동시 코일에 갑자기 큰 전류가 흐르더라도 마그네트 자속이 스테이터의 자속의 영향을 받지 않으므로 전자감응으로 인한 자력 감속이 방지되어 모터의 성능 및 신뢰성을 높일 수 있는 이점이 있다.The induction synchronizer according to the present invention configured as described above has a magnet magnetized in the axial direction of the rotor core so that the magnetic flux of the magnet is formed in a direction orthogonal to the magnetic flux of the stator. Since it is not affected by the magnetic flux of the stator, magnetic deceleration due to electromagnetic response is prevented, thereby increasing the performance and reliability of the motor.
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