KR20060055046A

KR20060055046A - 단상유도전동기 및 그 소음 저감 방법

Info

Publication number: KR20060055046A
Application number: KR1020040094349A
Authority: KR
Inventors: 주재만; 이준화; 홍승기
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-05-23
Also published as: EP1659681B1; CN1776999B; US20060103340A1; CN1776999A; EP1659681A1; JP2006149182A; US7245105B2; DE602005011557D1

Abstract

본 발명은 단상유도전동기 및 그 소음 저감 방법에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 고정자 권선의 기자력 불균형을 해소하여 저소음 저진동의 전동기를 구현할 수 있는 단상유도전동기 및 그 소음 저감 방법을 제공함에 있다.

또한 전동기의 전 운전영역에서 고정자 권선의 기자력 균형을 맞출 수 있는 단상유도전동기 및 그 소음 저감 방법을 제공함에 있다.

또한 전동기의 구동에 따른 온도 상승분을 고려하여 고정자 권선의 기자력 균형을 유지시킬 수 있는 단상유도전동기 및 그 소음 저감 방법을 제공함에 있다.

이를 위해 본 발명은 고정자의 주권선 기자력과 보조권선 기자력을 구하고, 상기 주권선 기자력과 보조권선 기자력에 상응하여 상기 고정자의 주권선을 흐르는 주권선 전류와 상기 고정자의 보조권선을 흐르는 보조권선 전류의 위상차를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

단상유도전동기 및 그 소음 저감 방법{Single-phase induction motor and noise reduction method thereof}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 콘덴서 운전형 단상유도전동기를 도시한 회로도이다.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시한 단상유도전동기의 상평형이 어긋난 경우의 주권선과 보조권선의 전류파형 및 기자력 분포를 도시한 도면이다

도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시한 단상유도전동기의 상평형이 이루어진 경우의 주권선과 보조권선의 전류파형 및 기자력 분포를 도시한 도면이다.

도 4는 도 1에 도시한 단상유도전동기의 불평형력 정도에 따른 소음의 변화를 도시한 그래프이다.

도 5는 도 1에 도시한 단상유도전동기의 암페어턴과 위상차에 따른 불평형력 크기를 도시한 그래프이다.

도 6은 도 1에 도시한 단상유도전동기의 암페어턴과 위상차의 설계영역을 도시한 표이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 주권선

2 : 보조권선

3 : 콘덴서

본 발명은 단상유도전동기 및 그 소음 저감 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고정자 권선의 기자력 불균형을 해소하여 단상유도전동기의 소음 및 진동을 최소화 시키는 단상유도전동기 및 그 소음 저감 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 단상유도전동기는 교류 전동기의 일종으로 일반 상용전원을 그대로 이용하고, 고정자측에 단상의 주권선을, 회전자측에 농형으로 짜인 도체를 둔 것이 가장 간단한 구성이지만, 상용전원 자체만으로는 전동기가 회전되지 않으므로 기동을 위하여 분상 코일이나 콘덴서를 보조코일에 설치하거나 셰이딩 코일을 설치하게 되는데 그 구성방법에 따라 콘덴서 분상형, 저항 분상형, 콘덴서 운전형, 세이딩 코일형, 반발형 등으로 나누어진다.

그 중 콘덴서 운전형 전동기(capacitor run motor)는 주권선과 병렬로 연결된 보조권선을 가지고 있으며, 보조권선과 직렬로 연결된 콘덴서가 구비되어 있다. 보조권선과 콘덴서를 이용하여 전동기를 기동 시키고, 전동기의 구동 시에도 보조권선이 떨어지지 않고 통전을 하며 주권선의 전류에 대해 보조권선의 전류가 90도의 위상차 만큼 앞서서 흐르게 된다.

이와 같이 고정자 내에서 보조권선을 주권선 대비 공간적으로 90도에 위치시키며 회로상으로 병렬로 연결시키고, 보조권선에 직렬로 연결된 콘덴서를 이용하여 주권선과 임피던스 차를 발생시켜 2상으로 분상 시키는 경우, 2상으로 분상 된 고정자권선에 의해 발생하는 회전 기자력은 정확한 분상, 즉 상평형이 이루어져야 한다.

만약 정확한 분상이 이루어지지 않을 경우 그 회전 기자력의 크기가 맥동하면서 회전하게 된다. 기자력의 맥동이 발생하면 전동기 회전자의 토크 맥동이 발생하게 되고, 이는 전동기의 소음과 진동 문제를 발생시키게 된다.

그러나 이러한 종래의 단상유도전동기는 고정자 권선의 탭 조정을 통해 회전속도를 제어하게 되는데, 이 경우 일정한 운전영역에서 상평형이 이루어진다 하더라도 다른 운전영역의 선택을 위해 고정자 권선의 탭을 바꿀 경우 상평형이 유지되지 않아 진동과 소음이 다시 발생하는 문제점이 있었다.

또한 단상유도전동기의 특성상 무부하 조건에서 상평형이 이루어진다 하더라도 부하 조건에서는 상평형이 유지되지 않아 실제 운전이 이루어지는 경우에 진동과 소음이 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 고정자 권선의 기자력 불균형을 해소하여 저소음 저진동의 전동기를 구현할 수 있는 단상유도전동기 및 그 소음 저감 방법을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고정자의 주권선을 흐르는 주권선 전류와 상기 고정자의 보조권선을 흐르는 보조권선 전류의 크기가 동일하고, 상기 주권선 전류와 보조권선 전류의 위상차가 미리 설정된 값을 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 위상차는 90도를 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 고정자의 주권선 기자력과 보조권선 기자력을 구하고, 상기 주권선 기자력과 보조권선 기자력에 상응하여 상기 고정자의 주권선을 흐르는 주권선 전류와 상기 고정자의 보조권선을 흐르는 보조권선 전류의 위상차를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비에 상응하여 상기 위상차를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비가 0.75 내지 1.35인 경우 상기 위상차가 80도 내지 100도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비가 0.85 내지 1.05인 경우 상기 위상차가 70도 내지 80도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비가 0.85 내지 1.05인 경우 상기 위상차가 100도 내지 110도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 고정자의 주권선 기자력에 대한 상기 고정자의 역방향 회전력을 발생시키는 역방향 기자력의 비가 미리 설정된 소정치 이하가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 소정치는 0.4인 것을 특징으로 한다.

또한 고정자의 주권선과, 상기 주권선에 병렬로 연결되어 있는 고정자의 보조권선과, 상기 주권선의 기자력와 상기 보조권선의 기자력에 상응하여 상기 주권선을 흐르는 주권선 전류와 상기 보조권선을 흐르는 보조권선 전류의 위상차를 제어하는 제어부를 포함한다.

또한 상기 제어부는, 상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비에 상응하여 상기 위상차를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비가 0.85 내지 1.05인 경우 상기 위상차가 100도 내지 110도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한 다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 단상유도전동기는 콘덴서 운전형으로, 전원(V)에 주권선(1)이 연결되어 있고, 주권선(1)에 병렬로 보조권선(2)이 연결되어 있다. 보조권선(2)에는 컨덴서(3)가 직렬로 연결되어 있다. 단상유도전동기의 기동 시에 주권선(1)과 보조권선(2)을 흐르는 전류는 단상유도전동기의 내부에서 자계를 발생시킨다. 이 때 주권선(1)에 발생한 자계가 회전자(미도시)에 유도전류를 흐르게 한다. 이에 따라 또 하나의 자계가 회전자에 형성된다. 고정자 권선에서 발생한 회전자계와 회전자에 흐르는 유도전류와의 사이에 힘이 생기게 되며, 이 힘이 회전자를 회전시키게 된다.

기동할 때에 고정자에서 발생한 자계와 화전자에 의한 자계 사이에 위상차를 갖게 하기 위하여 컨덴서(3)가 필요하며, 컨덴서(3)는 보조권선(2)에 흐르는 전류(Ia)가 주권선(1)에 흐르는 전류(Im)보다 앞서게 하는 역할을 한다.

이와 같이 콘덴서 운전형 단상유도전동기는 고정자 내에서 주권선(1)과 보조권선(2) 사이에 임피던스 차를 발생시켜 2상으로 분상 하고, 분상 된 고정자 권선에서 발생하는 회전기자력에 의해 기동(start)되고 구동(run)된다.

이러한 단상유도전동기에서 고정자 권선의 기자력은 다음과 같이 표현할 수 있다.

-----식(1)

여기서 첨자 m과 a는 각각 주권선(1)과 보조권선(2)에서의 값을 나타내며,

는 주권선(1)과 보조권선(2)의 위상차를 나타낸다. NI는 암페어턴(ampere turn)으로 철심에 감겨 있는 코일의 감은 수와 거기에 흐르는 전류(ampere)의 곱을 의미하며, 주권선(1)과 보조권선(2)에서 발생하는 각각의 기자력의 크기를 나타낸다.

는 순방향 회전력을 발생시키는 순방향 기자력을,

는 역방향 회전력을 발생시키는 역방향 기자력을 나타낸다.

한편 2상으로 분상 된 고정자 권선에 의해 발생하는 회전 기자력은 정확한 분상(상평형)이 이루어져야만 토크 맥동이 발생하지 않게 된다. 도 2a 및 도 2b에는 상평형이 어긋난 경우의 예를 도시하고 있다. 도 2a는 주권선(1)의 암페어턴이 보조권선(2)의 암페어턴의 2배인 경우에 주권선(1)과 보조권선(2)의 전류파형 및 그에 따른 기자력 분포를 나타내고 있다. 주권선(1) 전류의 크기가 보조권선(2) 전류의 크기의 2배이고, 위상차가 90도인 경우를 도시한 것으로, 위상이 0도일 때는 보조권선(2)의 전류만 '-0.5'의 값을 가지므로 보조권선(2)의 기자력이 합성 기자력이 되어 0.5의 크기를 갖고, 위상이 90도일 때는 주권선(1)의 전류만 '+1'의 값을 가지므로 주권선(1)의 기자력이 합성 기자력이 되어 1의 크기를 갖게 된다. 이와 같이 한 주기동안 주권선(1)과 보조권선(2)의 전류에 따른 합성 기자력을 구하면 도 2b에 도시한 바와 같이 한 주기내에서 합성 기자력의 크기가 일정하지 않고 증감을 반복하게 된다. 즉, 합성 기자력이 두 차례 커지고 작아지는 과정을 거치면서 전원 주파수의 두 배 및 그 조화파에 해당하는 주파수에서 진동과 소음이 크게 발생하게 된다.

반면 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이 주권선(1)의 전류와 보조권선(2)의 전류의 크기가 같고 위상차가 90도를 유지할 경우에는 상평형이 이루어지게 된다. 도 3a는 주권선(1)과 보조권선(2)의 전류파형 및 그에 따른 기자력의 분포를 나타내는 것으로, 위상이 0도일 때에는 보조권선(2)의 전류만 '-1'의 값을 가지므로 합성 기자력이 1의 크기를 갖고, 위상이 90도일 때에는 주권선(1)의 전류만 '+1'의 값을 가지므로 합성 기자력이 1의 크기를 갖게 된다. 이와 같이 한 주기동안 주권선(1)과 보조권선(2)의 전류에 따른 합성 기자력을 구하면 도 3b에 도시한 바와 같이 한 주기내에서 합성 기자력의 크기가 항상 일정하게 된다. 즉, 합성 기자력의 맥동 변위에 비례하는 토크 맥동이 일정하게 유지되어 저진동 저소음 전동기의 구현이 가능하게 된다.

이처럼 단상유도전동기의 소음과 진동을 감소시키기 위해서는 고정자의 주권선(1) 전류(Im)와 보조권선(2) 전류(Ia)의 크기가 같고 위상차가 90도를 유지하도록 해야 하는데, 이를 식(1)에 나타낸 역방향 기자력을 통해 좀 더 구체화 시키면 다음과 같다.

단상유도전동기의 소음과 진동의 크기는 역방향 기자력에 의해 결정되는 것으로 식(1)에 표현한 고정자권선의 기자력에서 역방향 기자력의 크기가 작아질수록 전동기의 소음과 진동이 감소하게 된다. 역방향 기자력은

로 주어지므로, 이를 다시 표현하면,

----식(2)

와 같다. 이 때, 단상유도전동기에서 발생하는 토크 맥동의 크기는 식(2)의 크기, 즉 루트(root) 속의 항의 크기에 비례하게 된다.

역방향 기자력의 크기와 단상유도전동기에서 발생하는 소음의 관계는 도 4에 도시한 바와 같다. 도 4는 불평형력 정도에 따른 소음의 크기 변화를 도시한 것으로, 그래프의 가로축은 불평형력으로 주권선(1) 기자력의 크기에 대한 역방향 기자력의 크기의 비를 의미하며, 세로축은 전원 주파수의 2배에 해당하는 주파수에서 발생하는 소음을 의미한다. 일반적으로 소음이 35dBA 이하일 때 사람이 불쾌감을 느끼지 않는다고 보아 만족소음수준을 35dBA으로 정하면 불평형력이 0.4이하의 값을 유지하여야 하는 것으로 나타난다.

그에 따라 불평형력이 0.4이하의 값을 유지하기 위한 단상유도전동기의 설계조건이 필요한데, 이는 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 주권선(1)에 대한 보조권선(2)의 암페어턴비(NaIa / NmIm), 즉 기자력의 비를 가로축으로 하고, 불평형력을 세로축으로 하였을 때 위상각에 따른 불평형력을 도시한 것으로, 불평형력이 0.4이하의 값을 유지하기 위해서는 위상각이 70도 내지 110도 사이를 유지해야 하고, 각 위상각에 따라 암페어턴비의 크기가 일정한 범위를 유지해야 하는 것을 볼 수 있다.

도 5에 따른 단상유도전동기의 설계조건은 도 6에 구체적으로 도시 되어 있다. 주권선(1)과 보조권선(2)의 위상차가 70도~80도, 100도~110도일 경우에는 암페어턴비가 0.85 내지 1.05 사이의 값을 유지해야 하고, 주권선(1)과 보조권선(2)의 위상차가 80도~100도일 경우에는 암페어턴비가 0.75 내지 1.35 사이의 값을 유지해야 한다. 이와 같은 조건을 만족하도록 설계한다면 단상유도전동기의 소음과 진동을 최소화 할 수 있게 된다.

도 6에 제시한 설계조건은 단상유도전동기의 전 운전영역, 즉 회전수(RPM)의 변화대역과, 전동기의 구동에 따른 온도상승 분을 고려하여 설정된 것으로 모든 운전영역에서 소음 및 진동을 감소시킬 수 있게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의할 경우 주권선에 대한 보조권선 기자력의 크기 및 위상각을 제어하여 고정자 권선의 기자력 불균형을 해소하고 저소음 저진동의 단상유도전동기를 구현할 수 있게 된다.

또한 전동기의 전 운전영역에서 고정자 권선의 기자력 균형을 맞출 수 있고, 전동기의 구동에 따른 온도상승 분도 고려하여 고정자 권선의 기자력 균형이 유지되어 단상유도전동기의 소음과 진동을 최소화 할 수 있게 된다.

Claims

고정자의 주권선을 흐르는 주권선 전류와 상기 고정자의 보조권선을 흐르는 보조권선 전류의 크기가 동일하고, 상기 주권선 전류와 보조권선 전류의 위상차가 미리 설정된 값을 유지하도록 제어하는 단상유도전동기의 소음 저감 방법.
제 1항에 있어서,

상기 위상차는 90도를 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 단상유도전동기의 소음 저감 방법.
고정자의 주권선 기자력과 보조권선 기자력을 구하고,

상기 주권선 기자력과 보조권선 기자력에 상응하여 상기 고정자의 주권선을 흐르는 주권선 전류와 상기 고정자의 보조권선을 흐르는 보조권선 전류의 위상차를 제어하는 단상유도전동기의 소음 저감 방법.
제 3항에 있어서,

상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비에 상응하여 상기 위상차를 제어하는 것을 특징으로 하는 단상유도전동기의 소음 저감 방법.
제 4항에 있어서,

상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비가 0.75 내지 1.35 인 경우 상기 위상차가 80도 내지 100도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 단상유도전동기의 소음 저감 방법.
제 4항에 있어서,

상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비가 0.85 내지 1.05 인 경우 상기 위상차가 70도 내지 80도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 단상유도전동기의 소음 저감 방법.
제 4항에 있어서,

상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비가 0.85 내지 1.05 인 경우 상기 위상차가 100도 내지 110도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 단상유도전동기의 소음 저감 방법.
고정자의 주권선 기자력에 대한 상기 고정자의 역방향 회전력을 발생시키는 역방향 기자력의 비가 미리 설정된 소정치 이하가 되도록 제어하는 단상유도전동기의 소음 저감 방법.
제 8항에 있어서,

상기 소정치는 0.4인 것을 특징으로 하는 단상유도전동기의 소음 저감 방법.
고정자의 주권선과,

상기 주권선에 병렬로 연결되어 있는 고정자의 보조권선과,

상기 주권선의 기자력과 상기 보조권선의 기자력에 상응하여 상기 주권선을 흐르는 주권선 전류와 상기 보조권선을 흐르는 보조권선 전류의 위상차를 제어하는 제어부를 포함하는 단상유도전동기.
제 10항에 있어서,

상기 제어부는, 상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비에 상응하여 상기 위상차를 제어하는 것을 특징으로 하는 단상유도전동기.
제 11항에 있어서,

상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비가 0.75 내지 1.35 인 경우 상기 위상차가 80도 내지 100도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 단상유도전동기.
제 11항에 있어서,

상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비가 0.85 내지 1.05 인 경우 상기 위상차가 70도 내지 80도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 단상유도전동기.
제 11항에 있어서,

상기 주권선 기자력에 대한 상기 보조권선 기자력의 비가 0.85 내지 1.05 인 경우 상기 위상차가 100도 내지 110도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 단상유도전동기.